CN101697075A - 远程无线网络家电控制系统及其访问控制方法 - Google Patents

远程无线网络家电控制系统及其访问控制方法 Download PDF

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周宁
周文乐
周祖德
刘效祥
赵玉宏
任平
曾秋平
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YILONG ELECTRICAL APPLIANCES CO Ltd GUANGDONG
Wuhan University of Technology WUT
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Abstract

本发明提供了一种远程无线网络家电控制系统，包括无线模块、家用电器、无线网关、服务器和手持终端。所述的无线模块内置无线收发器及微控制器，所述的家用电器与无线模块相连，所述的无线网关与路由器相连，所述的服务器包括网页服务器、数据库服务器和网络家电控制软件，服务器通过Internet网络与无线网关相连，所述的手持终端通过无线网络与家用电器相连。访问控制方法包括：网络家电控制软件和无线网关之间建立以Socket为核心的TCP可靠通信，无线网关自动连接网络家电控制软件并发送用户名，网络家电控制软件绑定用户名和SocketID，网页服务器和网络家电控制软件通过数据库交换数据，网页服务器接收远程PC主机访问。本发明不仅可以实现远程家电控制，而且能适应多种上网方式，升级方便，灵活性高。

Description

远程无线网络家电控制系统及其访问控制方法
技术领域
本发明涉及网络系统领域，具体是指一种远程无线网络家电控制系统及其访问控制方法。
背景技术
随着计算机技术和网络技术的发展，人们的家居生活开始朝着数字化、智能化和网络化的方向发展。网络家电作为一种将普通家用电器利用数字技术、网络技术及智能控制技术设计改进的新型家电产品越来越多地走进普通百姓的家庭。家庭网络是网络家电的核心，将无线网络技术应用到家庭网络是未来家庭网络的一种发展趋势。
目前国内外关于网络家电的实现方案众多。国外现有的几种网络家电产品主要是将单个电器(比如热水器)接入网络，而没有将家庭中所有的家电产品接入网络。由于国内的家庭网络一般采用有线网络方案，用户通过访问构建在网关设备上的嵌入式Web服务器来控制家电。该方案不仅成本较高，灵活性差，而且不能解决用户内网IP和动态IP识别的问题，只能在局域网内访问，应用范围狭窄，因此还未发现成熟到能够进行产品推广的网络家电产品。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种既能降低购买及维护成本，又能提高使用的安全性能及通用性能的远程无线网络家电控制系统。
本发明的目的还在于提供一种采用上述的远程无线网络家电控制系统的访问控制方法。
本发明的目的通过下述技术方案实现：远程无线网络家电控制系统，包括无线模块、家用电器、无线网关、服务器和手持终端。所述的无线模块内置无线收发器及微控制器，所述的家用电器与无线模块相连，所述的无线网关与路由器相连，所述的服务器包括网页服务器、数据库服务器和网络家电控制软件，服务器通过Internet网络与无线网关相连，所述的手持终端通过无线网络与家用电器相连。
所述的无线模块内置CC2500射频收发电路、STC12C5410微控制器电路和RS-232串口电路。
所述的无线网关内置无线模块和uClinux操作系统。
所述的无线网关采用的是三星公司提供的S3C44B0-ARM7处理器。
所述的服务器内置IIS 6.0网页服务器、SQL2000数据库服务器和基于VC++6.0的网络家电控制软件。
所述的手持终端内置无线模块、键盘电路和LCD显示电路。
采用上述无线网络家电控制系统的访问和控制方法，包括以下步骤：
a.服务器上的网络家电控制软件启动后，创建Socket服务器端并等待无线网关连接，无线网关启动以后，创建Socket客户端连接服务器控制软件，并发送用户名；
b.网络家电控制软件与无线网关成功建立TCP连接后，创建一个新的线程并接收无线网关发送过来的用户名，通过查询数据库然后更新该用户名对应的SocketID，该线程周期性的扫描数据库中该用户名是否有操作命令，而主线程继续等待其他无线网关的连接；
c.用户利用PC主机登陆到服务器内置的网页服务器，进行用户名和密码认证，若用户通过认证，则进入无线网络家电控制系统的控制页面；若用户没有通过认证，则返回并等待用户重新登陆；
d.当用户进入网络家电控制系统的控制页面以后，点击相应的控制内容，网页服务器以该用户名为主键查询数据库，并将控制命令和参数写入该用户名的相应项；
e.网络家电控制软件检测到数据库中该用户名有操作命令，从数据库中提取出操作命令和参数信息，然后发送给该用户名所对应的Socket，无线网关收到数据以后，通过无线网络与相应的网络家电进行控制命令及返回信息的交换；
f.无线网关将命令执行结果通过该Socket发送给网络家电控制软件，网络家电控制软件收到信息以后更新数据库中该用户名的对应项，网页服务器检测到网络家电状态信息发生改变以后，以网页形式返回给远程用户；
g.无线网关断开连接以后，网络家电控制软件退出该用户名对应的线程，更新该用户名所对应的无线网关为不可用状态。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)不同的用户名对应不同的家庭无线网关，但不同的用户访问的是同一个Web服务器，方便升级维护；
(2)能够利用任何一台接入Internet网络的电脑，通过登陆到本系统的控制界面，实现远程控制网络家电，不受时间和地点的约束；
(3)家庭内部采用无线网络，不需要布线，不受家用电器位置变化的影响，灵活性高；
(4)远程用户网页界面能实时地显示电器的工作状态信息，家庭用户可以通过手持终端控制家用电器，LCD能同步显示电器的各种状态信息；
(5)用户直接访问的是服务器而不是家庭无线网关，在服务器端可以建立强大的网络防火墙，使整个系统更加安全、可靠，而且不受处理速度和存储空间的限制；
(6)由于不需要在无线网关上构建嵌入式Web服务器，降低对系统软、硬件资源的要求，进一步降低了成本；
(7)本系统具有良好的移植性和可扩展性，有效解决了内网和动态IP访问的问题，适用于多种方式接入Internet的应用领域；
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的家庭网关结构示意图；
图3是本发明的无线模块结构示意图；
图4是本发明的手持终端结构示意图；
图5是本发明的控制结构流程图。
具体实施方式
下面结合实例及附图，对本发明做进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，每个家用电器上都绑定了一个无线模块，负责将家用电器接入无线网络，完成无线数据的收发，并通过串口与家用电器上的微控制器交换数据。无线网关一方面通过无线模块与家用电器交换信息，另一面通过路由器接入Internet，并连接服务器上的网络家电控制软件，将家电的状态信息写入到数据库和读取出用户的控制命令。Web服务器采用微软公司的IIS 6.0，负责接收用户的控制命令并将其写入数据库，然后读数据库中家电的状态信息并显示给用户。家庭用户通过手持终端接入无线网络控制家用电器，监视家用电器的工作状态。
IIS 6.0和Windows Server 2003在网络应用服务器的管理、可用性、可靠性、安全性、性能与可扩展性方面提供了许多新的功能。IIS 6.0同样增强了网络应用的开发与国际性支持。IIS 6.0和Windows Server 2003提供了最可靠的、高效的、连接的、完整的网络服务器解决方案。Internet信息服务(IIS)6.0和微软Windows Server 2003为网络应用程序服务器管理引入了许多新的特征：更强的性能和扩展性，高效性，高可靠性和安全性。IIS 6.0提供广泛的新特性和技术和使它更为可靠、可扩展和安全、可管理。
SQL Server是一个关系数据库管理系统。它最初是由Microsoft Sybase和Ashton-Tate三家公司共同开发的，于1988年推出了第一个OS/2版本。在Windows NT推出后，Microsoft与Sybase在SQL Server的开发上就分道扬镳了，Microsoft将SQL Server移植到Windows NT系统上，专注于开发推广SQLServer的Windows NT版本。Sybase则较专注于SQL Server在UNIX操作系统上的应用。SQL Server 2000是Microsoft公司推出的SQL Server数据库管理系统，该版本继承了SQL Server 7.0版本的优点，同时又比它增加了许多更先进的功能。具有使用方便可伸缩性好与相关软件集成程度高等优点，可跨越从运行Microsoft Windows 98的膝上型电脑到运行Microsoft Windows 2000的大型多处理器的服务器等多种平台使用。
如图2所示，无线网关是无线网络家电控制系统的核心，通过无线模块与家用电器交换数据，串口方便与PC机交换数据，以太网口负责接入Internet，I/O负责驱动LED显示工作状态。微控制器采用的是Samsung(三星)公司生产的S3C44B0的16/32位RISC处理器。为了降低成本，S3C44B0提供了丰富的内置部件，包括：8KB cache，内部SRAM，LCD控制器，带自动握手的2通道UART，4通道DMA，系统管理器(片选逻辑，FP/EDO/SDRAM控制器)，代用PWM功能的5通道定制器，I/O端口，RTC，8通道10位ADC，IIC-BUS接口，同步SIO接口和PLL倍频器。
S3C44B0采用了ARM7TDMI内核，0.25um工艺的CMOS标准宏单元和存储编译器。它的低功耗精简和出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感的应用。S3C44B0的杰出特性是它的CPU核，是由ARM公司设计的16/32位ARM7TDMI RISC处理器(66MHZ)。ARM7TDMI体系结构的特点是它集成了Thumb代码压缩器，片上的ICE断点调试支持和一个32位的硬件乘法器。
无线网关还在以上硬件结构的基础上，移植了嵌入式操作系统uClinux，虽然它的体积很小，却仍然保留了Linux的大多数的优点：稳定、良好的移植性、优秀的网络功能、对各种文件系统完备的支持和标准丰富的API。在该操作系统的基础上和网络家电控制软件之间建立以Socket为核心的TCP可靠通信，实现网络家电与用户之间的数据交换。
如图3所示，无线模块负责无线数据的收发和与其他微控制器交换数据。无线模块的微控制器采用STC12C5410，它是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统的8051，但速度快8-12倍，内部集成MAX810专用复位电路，与无线收发器之间采用SPI通信。
无线收发器采用德州仪器公司(TI)的CC2500，CC2500是一种低成本真正单片的2.4GHz收发器，为低功耗无线应用而设计。电路设定为2400-2483.5MHz的ISM(工业，科学和医学)和SRD(短距离设备)频率波段。RF收发器集成了一个数据传输率可达500kbps的高度可配置的调制解调器。通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项，能使性能得到提升。CC2500为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示和电磁波激发提供广泛的硬件支持。FIFO(先进先出堆栈)可通过SPI接口控制。在一个典型系统里，CC2550和一个微控制器及若干被动元件一起使用。
无线模块其他MCU之间采用串口通信。MAX232产品是由德州仪器公司(TI)推出的一款兼容RS232标准的芯片。该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5-V TTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。
如图4所示，手持终端方便家庭用户对电器的控制。键盘电路用来接收用户的控制命令，无线模块使它能够接入家庭无线网络，LCD采用深圳市天正达电子有限公司的TS1620-1，用来显示家电的状态信息。
C8051F310器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片，它具有：高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核(可达25MIPS)；全速、非侵入式的在系统调试接口(片内)；高精度可编程的25MHz内部振荡器；16KB可在系统编程的FLASH存储器；1280字节片内RAM；硬件实现的SMBus/I2C、增强型UART和增强型SPI串行接口；4个通用的16位定时器；具有5个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列(PCA)；片内上电复位、VDD监视器和温度传感器；具有片内上电复位、VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F310是真正能独立工作的片上系统。FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。
如图5所示，本发明的访问控制方法如下：
a.服务器上的网络家电控制软件启动后，创建Socket服务器端并等待无线网关连接，无线网关启动以后，创建Socket客户端连接服务器控制软件，并发送用户名；
b.网络家电控制软件与无线网关成功建立TCP连接后，创建一个新的线程并接收无线网关发送过来的用户名，通过查询数据库然后更新该用户名对应的SocketID，该线程周期性的扫描数据库中该用户名是否有操作命令，而主线程继续等待其他无线网关的连接；
c.用户利用PC主机登陆到服务器内置的网页服务器，进行用户名和密码认证，若用户通过认证，则进入无线网络家电控制系统的控制页面；若用户没有通过认证，则返回并等待用户重新登陆；
d.当用户进入网络家电控制系统的控制页面以后，点击相应的控制内容，网页服务器以该用户名为主键查询数据库，并将控制命令和参数写入该用户名的相应项；
e.网络家电控制软件检测到数据库中该用户名有操作命令，从数据库中提取出操作命令和参数信息，然后发送给该用户名所对应的Socket，无线网关收到数据以后，通过无线网络与相应的网络家电进行控制命令及返回信息的交换；
f.无线网关将命令执行结果通过该Socket发送给网络家电控制软件，网络家电控制软件收到信息以后更新数据库中该用户名的对应项，网页服务器检测到网络家电状态信息发生改变以后，以网页形式返回给远程用户；
g.无线网关断开连接以后，网络家电控制软件退出该用户名对应的线程，更新该用户名所对应的无线网关为不可用状态。
如上所述，便可较好地实现本发明。

Claims (7)

1.远程无线网络家电控制系统，包括无线模块、家用电器、无线网关、服务器和手持终端，其特征在于，还包括路由器和ADSL Modem，所述的无线模块通过RS-232与家用电器相连，所述的无线网关与路由器和ADSL Modem相连接入Internet，所述的服务器通过Internet与无线网关相连，该服务器接收远程PC主机下达的控制命令和返回家用电器的状态信息，所述的手持终端通过无线网络与家用电器相连。
2.根据权利要求1所述的远程无线网络家电控制系统，其特征在于，所述的无线模块内置CC2500射频收发电路、STC12C5410微控制器电路和RS-232串口电路。
3.根据权利要求1所述的远程无线网络家电控制系统，其特征在于，所述的无线网关内置无线模块和uClinux操作系统。
4.根据权利要求1所述的远程无线网络家电控制系统，其特征在于，所述的无线网关采用的是三星公司提供的S3C44B0-ARM7处理器。
5.根据权利要求1所述的远程无线网络家电控制系统，其特征在于，所述的服务器内置IIS 6.0网页服务器、SQL2000数据库服务器和基于VC++6.0的网络家电控制软件。
6.根据权利要求1所述的远程无线网络家电控制系统，其特征在于，所述的手持终端内置无线模块、键盘电路和LCD显示电路。
7.如权利要求1～5任一项所述的远程无线网络家电控制系统的访问控制方法，包括以下步骤：
A、服务器上的网络家电控制软件启动后，创建Socket服务器端并等待无线网关连接，无线网关启动以后，创建Socket客户端连接服务器控制软件，并发送用户名；
B、网络家电控制软件与无线网关成功建立TCP连接后，创建一个新的线程并接收无线网关发送过来的用户名，通过查询数据库然后更新该用户名对应的SocketID，该线程周期性的扫描数据库中该用户名是否有操作命令，而主线程继续等待其他无线网关的连接；
C、用户利用PC主机登陆到服务器内置的网页服务器，进行用户名和密码认证，若用户通过认证，则进入无线网络家电控制系统的控制页面；若用户没有通过认证，则返回并等待用户重新登陆；
D、当用户进入网络家电控制系统的控制页面以后，点击相应的控制内容，网页服务器以该用户名为主键查询数据库，并将控制命令和参数写入该用户名的相应项；
E、网络家电控制软件检测到数据库中该用户名有操作命令，从数据库中提取出操作命令和参数信息，然后发送给该用户名所对应的Socket，无线网关收到数据以后，通过无线网络与相应的网络家电进行控制命令及返回信息的交换；
F、无线网关将命令执行结果通过该Socket发送给网络家电控制软件，网络家电控制软件收到信息以后更新数据库中该用户名的对应项，网页服务器检测到网络家电状态信息发生改变以后，以网页形式返回给远程用户；
G、无线网关断开连接以后，网络家电控制软件退出该用户名对应的线程，更新该用户名所对应的无线网关为不可用状态。
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