CN103701695A - 一种智能家居网关控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能家居网关控制系统，包括xmpp服务器、网关设备、智能终端和智能家居设备；所述智能终端和网关设备之间通过自定义协议协商通信，在广域网：智能终端和网关设备通过IQ消息进行通信，视频传输通过xmpp服务器进行中转通信；在局域网：智能终端和网关设备通过TCP进行通信，视频传输通过rtsp流传输。本发明的积极效果是：本发明集成了多个设备厂家多种设备类型的设备，定制了智能终端和网关的通信协议，提出第三方设备和红外设备的控制模式，解决了广域网、局域网控制Zigbee设备、红外设备、zigbee加红外组成的混合设备、进行视频监控。
Description
技术领域
本发明涉及数字家庭领域，是一种基于网关(具有wifi功能、Zigbee功能、Xmpp功能、Http服务器功能、红外功能、组播功能、TCP/IP 服务功能)、xmpp服务器(运行外网视频中转插件)和用户控制软件相互协作控制设备的系统。整个系统不仅实现了局域网控制设备，而且实现了广域网控制设备。控制软件和网关通信采用定制协议。
背景技术
近几年来，各种智能家居产品已经渗透到生活中的各个方面，为人们的生活提供各种便捷，特别是在三网融合的大趋势下，信息化、网络化、智能化开始渗透家居，大大促进了智能家居的发展。目前市场上的产品形态各异，各个厂家的设备都拥有自己的一套通信协议控制设备，如何集成这些智能设备，如何兼容不同厂家协议，提出严峻的考验。
目前智能家居网关系统的缺点:
1、不能更好地集成多个设备厂家多种设备类型的智能设备,达到控制设备的目的。
2、未能融合广域网、局域网两种方式控制设备。
3、未能融合广域网、局域网两种方式进行视频传输。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种智能家居网关控制系统，是一种基于网关、xmpp服务器和控制软件相互协作控制设备的系统。控制终端和网关按照定制的协议进行协商通信，网关接收到智能终端发送过来的指令后，首先解析指令的协议头，识别并分离出控制指令和发送指令的目的地以及指令处理的方式(透传、解析)，达到控制设备目的。整个系统解决了可以集成多个厂商的设备（这些设备包括zigbee设备，红外设备，具备传输H.264编码格式的数字摄像机， zigbee和红外组成混合设备），同时可兼容多个厂家的协议。如果设备为第三方厂家，采用导入生成好的控制协议控制设备。解决了广域网、局域网两种方式控制智能设备。解决了广域网、局域网两种方式进行视频传输。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种智能家居网关控制系统，包括xmpp服务器、网关设备、智能终端和智能家居设备；所述智能终端和网关设备之间通过自定义协议协商通信，在广域网：智能终端和网关设备通过IQ消息进行通信，视频传输通过xmpp服务器进行中转通信；在局域网：智能终端和网关设备通过TCP进行通信，视频传输通过rtsp流传输。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：本发明集成了多个设备厂家多种设备类型的设备，定制了智能终端和网关的通信协议，提出第三方设备和红外设备的控制模式，解决了广域网、局域网控制Zigbee设备、红外设备、zigbee加红外组成的混合设备、进行视频监控。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为本发明整个系统的流程图。
具体实施方式
本发明是一种基于网关、xmpp服务器和控制软件相互协作控制设备的系统。网关是一种设备，这个设备带有wifi功能、zigbee功能、http服务功能、xmpp功能、红外功能、视频流传输功能、组播功能、TCP/IP服务功能。Wifi功能主要用于局域网、广域网通信；zigbee功能用于控制带有zigbee功能的设备，如灯光、窗帘、插座、场景、多功能家电控制器，反馈设备的状态；http服务功能主要用于局域网请求下载配置文件；Xmpp功能主要用于外网配置文件传输、进行IQ通信控制设备、传输rtp数据包；红外功能用于控制带有中控设备的红外设备，如电视、洗衣机；视频流传输功能用于局域网rtsp视频流传输，用于广域网rtp视频数据包传输;组播功能用于局域网网关IP地址和端口发现;TCP/IP服务功能用于局域网接收智能终端发送的控制指令，用于局域网设备认证工作；Xmpp服务器用于中转广域网上的控制IQ消息，运行在xmpp服务器上的视频中转插件用于拦截视频通信IQ消息，并进行rtp数据包传输。用户控制软件运行于智能终端(包括android系统手机、IOS系统手机)。
下面结合附图对整个系统的技术方案进行描述：
如图1所示，整个系统由四大板块组成，分别是xmpp服务器、网关设备、智能终端（移动设备）、智能家居设备(zigbee设备、具备传输H.264编码格式的数字摄像机、红外设备)。智能终端和网关通信通过自定制协议协商通信。自定义协议包含了协议头、协议控制指令和控制指令发往的目的地。在广域网：智能终端和网关通过IQ消息进行通信，视频传输通过xmpp中转服务进行中转通信；在局域网：智能终端和网关通过TCP进行通信，视频传输通过rtsp流传输。其中：
一、Xmpp服务器运行在公网上，且视频中转插件在xmpp服务器开启后一直作为服务运行在xmpp服务器上。在xmpp服务器上创建了智能终端、网关登录xmpp服务时的账号，且网关账号将多个智能终端账号添加为好友构成一个家庭组，用于认证操作，只有在一个用户组的成员，才能进行访问设备操作。Xmpp服务器用于转发IQ消息（转发网关IQ消息到智能终端,转发智能终端的IQ消息到网关）。视频中转插件用于拦截视频IQ消息（拦截从网关到智能终端的视频IQ消息，拦截智能终端到网关的视频IQ消息）。
二、网关设备具有访问广域网的能力，根据xmpp网关账号，登录xmpp服务器,监听xmpp服务器发送的IQ消息,解析IQ消息，分离出控制设备指令、控制设备目的地、控制设备指令处理方式(解析、透传)，根据控制指令的目的地和控制设备指令的处理方式,发送控制指令控制设备,同时接受智能家居设备的反馈信息或者视频数据,发送给xmpp服务器，再由xmpp服务器转发给智能终端。
网关设备具备组播功能，用于局域网组播IP地址和端口的发现；网关设备具备局域网设备认证功能;网关设备保存了设备的配置文件信息，同时开启了Http服务器的功能，用于智能终端Http请求下载配置文件。网关具有TCP/IP Server功能,用于局域网TCP/IP 客户端的连接,进行局域网智能设备和网关间通信。用于将智能家居设备的zigbee信号转化为网络信号，将网络信号通过TCP/IP Server发送给局域网里的智能终端;用于将接收的视频数据转发给智能终端;用于将接受的的网络信号转化为Zigbee信号控制智能家居设备;用于处理智能终端发送过来的控制消息。
三、智能终端：
（一）在广域网：智能终端根据xmpp网关账号，登录xmpp服务器，监听xmpp服务器发送的IQ消息，解析IQ消息，分离出反馈时控制设备状态指令、控制设备目的地、控制设备指令处理方式(解析、透传)，根据控制指令的目的地和控制设备指令的处理方式，解析数据。同时发送控制设备信息给xmpp服务器，再用xmpp服务器中转给网关。如果控制解析出发送的目的地为网关且控制设备指令处理方式为解析，则根据解析对应进行下载配置文件。如果控制解析出发送的目的地为串口且控制设备指令处理方式为透传，则将控制设备指令发送给具体串口，控制设备。如果控制解析出发送的目的地为IPC且控制设备指令处理方式为透传，则将控制指令发送给IPC，进行操控IPC。
（二）在局域网：智能终端通过组播发送查询网关的IP地址和端口，IP地址和端口发现后，进行TCP/IP 客户端连接,同时通过Http请求下载配置文件。TCP/IP连接成功后，进行设备认证；认证成功和配置文件下载完成时，进行控制设备状态查询，控制设备状态，进行视频监控。
整个系统分两部分进行通信。下面通过广域网和局域网两部分来进行说明。
（一）当整个系统处于广域网时，网关设备开启广域网功能,登陆Xmpp服务器；网关登陆成功后，智能终端登录xmpp服务器；智能终端登陆成功后，可以发送下载配置文件请求、查询设备状态请求、控制设备状态请求、控制红外设备请求、视频播放请求等，其中：
（1）当智能终端发送下载配置文件请求时：
首先发送请求下载配置文件IQ给xmpp服务器,xmpp服务器接受到IQ消息后,转发给网关设备；网关设备接收到请求下载配置文件的IQ消息后,开始读取保存在网关上的配置文件,将文件内容封装成IQ消息(如果配置文件的内容超出MTU,则分包发送)发送给Xmpp服务器,xmpp服务器接收到IQ消息后,转发给智能终端；智能终端接收到配置文件IQ消息(如果是分包发送,需要将数据包接收完整)进行数据解析,并保存数据在智能终端。
（2）当智能终端发送查询设备状态请求时：
首先发送查询设备状态IQ消息给xmpp服务器,xmpp服务器接收到IQ消息后,转发给网关设备；网关设备接收到查询设备状态的IQ消息后,将IQ消息进行解析,获取到查询设备状态命令，将查询设备状态命令,通过网关Zigbee功能发送给Zigbee家电设备（达到查询设备状态的目的）；Zigbee家电反馈设备状态给网关Zigbee功能；网关Zigbee功能接收到设备状态命令后,将封装成反馈设备状态的IQ消息给xmpp服务器,xmpp服务器接收到IQ消息后,转发给智能终端。
（3）当智能终端发送控制设备状态请求时：
首先发送控制设备状态IQ消息给xmpp服务器,xmpp服务器接收到IQ消息后,转发给网关设备；网关设备接收到控制设备状态的IQ消息后,将IQ消息进行解析,获取到控制设备状态命令，并将控制设备状态命令通过网关Zigbee功能发送给Zigbee家电设备（达到控制设备状态的目的），Zigbee家电反馈设备状态给网关Zigbee功能；网关Zigbee功能接收到设备状态命令后,将封装成反馈设备状态的IQ消息给xmpp服务器,xmpp服务器接收到IQ消息后,转发给智能终端。
（4）智能终端发送控制红外设备请求时：
首先发送控制红外设备IQ消息给xmpp服务器,xmpp服务器接收到IQ消息后,转发给网关设备；网关设备接收到控制红外设备的IQ消息后,将IQ消息进行解析,获取到控制红外设备命令，然后发送红外控制指令控制设备。
（5）智能终端发送视频播放请求时：
S1、首先发送监控视频请求的消息IQ；
S2、运行在xmpp服务器上的中转插件拦截此消息，然后根据网关账号和监控通道编号，判断是否存在可复用的视频链路：如果存在可复用链路，则视频中转插件向智能终端发出就绪的反馈IQ消息，然后执行S6；如果不存在可复用链路，则向网关转发拦截到的智能终端IQ消息，执行S3；
S3、网关接收到IQ消息后,连接监控设备,反馈准备结果IQ消息(连接监控设备成功还是失败)给xmpp服务器，xmpp服务器转发准备结果IQ消息给智能终端；
S4、智能终端接收到准备结果IQ消息后，解析并返回准备结果，然后连接摄像头：如果连接摄像头失败，则退出播放；如果连接摄像头成功，则执行S5；
S5、智能终端发送播放视频IQ消息，运行在xmpp服务器上的中转插件拦截此IQ消息，为智能终端分配视频中转端口，并通过IQ消息告知智能终端；
S6、智能终端接收到中转插件发送过来的视频中转IP地址和端口的IQ消息后，智能终端向此IP和端口发送UDP数据；
S7、中转插件接收到智能终端发送的UDP数据包后，解析出智能终端的外网IP和端口并保存，然后为网关分配中转端口，并通过视频播放IQ消息告知网关；网关接收到视频播放IQ消息后，读取视频数据，封装UDP数据包发送给中转插件，中转插件将接收到的视频数据采用UDP方式发送到智能终端分配的IP和端口上；智能终端接收到视频数据，进行播放。
智能终端定时发送心跳数据IQ消息给中转插件,中转插件转发IQ消息给网关,当智能终端在设定时间内未收到视频数据时,则退出播放；网关定时接收中转插件的心跳数据IQ消息，如果超时未收到反馈,则断开UDP通道,停止发送UDP数据。
当智能终端退出播放时：向XMPP服务发送停止视频播放IQ消息；中转插件拦截停止播放的IQ消息，停止对智能终端的中转服务，同时判断是否还有智能终端使用此链路，如果没有智能终端使用此链路，则转发停止播放IQ消息给网关。
（二）当整个系统处于局域网时：
（1）网关开启http服务器的功能；
（2）智能终端首先通过组播发送查询网关IP和端口的命令；网关收到查询IP和端口的命令,反馈网关的IP和端口给智能终端；智能终端接收到IP和端口,进行TCP/IP Socket连接：如果连接失败，则不再继续执行；如果连接成功，则进行设备认证：
发送SN号给网关,网关检测此SN号是否在网关注册：如果注册认证失败，则不再继续执行；如果注册认证成功，则通过Http下载配置文件；
（3）智能终端发送查询设备状态命令给网关；网关接收到查询设备状态命令后,通过Zigbee功能转发给Zigbee家电；zigbee家电设备状态通过zigbee功能反馈给网关；网关接收到Zigbee状态，并反馈给智能终端；
（4）智能终端发送控制设备状态命令给网关；网关接收到控制设备状态命令后,通过Zigbee功能转发给Zigbee家电；zigbee家电设备状态通过zigbee功能反馈给网关；网关接收到Zigbee状态，并反馈给智能终端；
（5）智能终端发送控制红外设备命令给网关，网关接收红外控制指令后，发送红外控制指令控制设备；
（6）智能终端通过TCP通道发送视频请求命令,网关反馈连接摄像头的状态：如果连接失败，则不再继续执行；如果连接成功，则智能终端通过TCP通道发送播放视频命令消息,消息中包含IP地址和接受视频数据UDP端口；智能终端从指定的本地UDP端口播放视频数据。
智能终端定时发送心跳命令，超时未收到反馈，则退出播放；网关端定时接收心跳命令，超时未收到反馈，则断开UDP通道，但保持TCP通道连接。
当智能终端退出播放时, 通过TCP通道发送停止播放命令，网关收到后停止发送视频数据。
网关和智能终端通信采用定制的通信协议。网关接收到控制指令后，都需要经过解析，识别出是控制Zigbee设备、红外设备、IPC设备、还是下载配置文件，以及控制设备的发送的目的地等。
Claims (7)
1.一种智能家居网关控制系统，其特征在于：包括xmpp服务器、网关设备、智能终端和智能家居设备；所述智能终端和网关设备之间通过自定义协议协商通信，在广域网：智能终端和网关设备通过IQ消息进行通信，视频传输通过xmpp服务器进行中转通信；在局域网：智能终端和网关设备通过TCP进行通信，视频传输通过rtsp流传输。
2.根据权利要求1所述的一种智能家居网关控制系统，其特征在于：所述智能家居设备包括zigbee设备、具备传输H.264编码格式的数字摄像机、红外设备。
3.根据权利要求1所述的一种智能家居网关控制系统，其特征在于：所述自定义协议包含协议头、协议控制指令和控制指令发往的目的地。
4.根据权利要求1所述的一种智能家居网关控制系统，其特征在于：当整个系统处于广域网时，网关设备开启广域网功能,登陆Xmpp服务器；网关登陆成功后，智能终端登录xmpp服务器；智能终端登陆成功后，发送下载配置文件请求、查询设备状态请求、控制设备状态请求、控制红外设备请求和视频播放请求，其中：
（1）当智能终端发送下载配置文件请求时：
首先发送请求下载配置文件IQ给xmpp服务器,xmpp服务器接受到IQ消息后,转发给网关设备；网关设备接收到请求下载配置文件的IQ消息后,开始读取保存在网关上的配置文件,将文件内容封装成IQ消息发送给Xmpp服务器,xmpp服务器接收到IQ消息后,转发给智能终端；智能终端接收到配置文件IQ消息进行数据解析,并保存数据在智能终端；
（2）当智能终端发送查询设备状态请求时：
首先发送查询设备状态IQ消息给xmpp服务器,xmpp服务器接收到IQ消息后,转发给网关设备；网关设备接收到查询设备状态的IQ消息后,将IQ消息进行解析,获取到查询设备状态命令，将查询设备状态命令,通过网关Zigbee功能发送给Zigbee家电设备；Zigbee家电反馈设备状态给网关Zigbee功能；网关Zigbee功能接收到设备状态命令后,将封装成反馈设备状态的IQ消息给xmpp服务器,xmpp服务器接收到IQ消息后,转发给智能终端；
（3）当智能终端发送控制设备状态请求时：
首先发送控制设备状态IQ消息给xmpp服务器,xmpp服务器接收到IQ消息后,转发给网关设备；网关设备接收到控制设备状态的IQ消息后,将IQ消息进行解析,获取到控制设备状态命令，并将控制设备状态命令通过网关Zigbee功能发送给Zigbee家电设备，Zigbee家电反馈设备状态给网关Zigbee功能；网关Zigbee功能接收到设备状态命令后,将封装成反馈设备状态的IQ消息给xmpp服务器,xmpp服务器接收到IQ消息后,转发给智能终端；
（4）智能终端发送控制红外设备请求时：
首先发送控制红外设备IQ消息给xmpp服务器,xmpp服务器接收到IQ消息后,转发给网关设备；网关设备接收到控制红外设备的IQ消息后,将IQ消息进行解析,获取到控制红外设备命令，然后发送红外控制指令控制设备；
（5）智能终端发送视频播放请求时：
S1、首先发送监控视频请求的消息IQ；
S2、运行在xmpp服务器上的中转插件拦截此消息，然后根据网关账号和监控通道编号，判断是否存在可复用的视频链路：如果存在可复用链路，则视频中转插件向智能终端发出就绪的反馈IQ消息，然后执行S6；如果不存在可复用链路，则向网关转发拦截到的智能终端IQ消息，执行S3；
S3、网关接收到IQ消息后,连接监控设备,反馈准备结果IQ消息给xmpp服务器，xmpp服务器转发准备结果IQ消息给智能终端；
S4、智能终端接收到准备结果IQ消息后，解析并返回准备结果，然后连接摄像头：如果连接摄像头失败，则退出播放；如果连接摄像头成功，则执行S5；
S5、智能终端发送播放视频IQ消息，运行在xmpp服务器上的中转插件拦截此IQ消息，为智能终端分配视频中转端口，并通过IQ消息告知智能终端；
S6、智能终端接收到中转插件发送过来的视频中转IP地址和端口的IQ消息后，智能终端向此IP和端口发送UDP数据；
S7、中转插件接收到智能终端发送的UDP数据包后，解析出智能终端的外网IP和端口并保存，然后为网关分配中转端口，并通过视频播放IQ消息告知网关；网关接收到视频播放IQ消息后，读取视频数据，封装UDP数据包发送给中转插件，中转插件将接收到的视频数据采用UDP方式发送到智能终端分配的IP和端口上；智能终端接收到视频数据，进行播放；
当智能终端退出播放时：向XMPP服务发送停止视频播放IQ消息；中转插件拦截停止播放的IQ消息，停止对智能终端的中转服务，同时判断是否还有智能终端使用此链路，如果没有智能终端使用此链路，则转发停止播放IQ消息给网关。
5.根据权利要求4所述的一种智能家居网关控制系统，其特征在于：智能终端定时发送心跳数据IQ消息给中转插件,中转插件转发IQ消息给网关,当智能终端在设定时间内未收到视频数据时,则退出播放；网关定时接收中转插件的心跳数据IQ消息，如果超时未收到反馈,则断开UDP通道,停止发送UDP数据。
6.根据权利要求1所述的一种智能家居网关控制系统，其特征在于：当整个系统处于局域网时：
（1）网关开启http服务器的功能；
（2）智能终端首先通过组播发送查询网关IP和端口的命令；网关收到查询IP和端口的命令,反馈网关的IP和端口给智能终端；智能终端接收到IP和端口,进行TCP/IP Socket连接：如果连接失败，则不再继续执行；如果连接成功，则进行设备认证：
发送SN号给网关,网关检测此SN号是否在网关注册：如果注册认证失败，则不再继续执行；如果注册认证成功，则通过Http下载配置文件；
（3）智能终端发送查询设备状态命令给网关；网关接收到查询设备状态命令后,通过Zigbee功能转发给Zigbee家电；zigbee家电设备状态通过zigbee功能反馈给网关；网关接收到Zigbee状态，并反馈给智能终端；
（4）智能终端发送控制设备状态命令给网关；网关接收到控制设备状态命令后,通过Zigbee功能转发给Zigbee家电；zigbee家电设备状态通过zigbee功能反馈给网关；网关接收到Zigbee状态，并反馈给智能终端；
（5）智能终端发送控制红外设备命令给网关，网关接收红外控制指令后，发送红外控制指令控制设备；
（6）智能终端通过TCP通道发送视频请求命令,网关反馈连接摄像头的状态：如果连接失败，则不再继续执行；如果连接成功，则智能终端通过TCP通道发送播放视频命令消息,消息中包含IP地址和接受视频数据UDP端口；智能终端从指定的本地UDP端口播放视频数据；
当智能终端退出播放时, 通过TCP通道发送停止播放命令，网关收到后停止发送视频数据。
7.根据权利要求6所述的一种智能家居网关控制系统，其特征在于：智能终端定时发送心跳命令，超时未收到反馈，则退出播放；网关设备定时接收心跳命令，超时未收到反馈，则断开UDP通道，但保持TCP通道连接。
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