CN104038414A - 一种多协议智能家庭网关装置及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明支持无线网络、现场总线、以太网等多种异构网络的接入与融合。设计了家庭网关协议转换和配置方法以及设备描述文件，主要采用可配置协议方法来解决多种异构协议之间的转换问题，网关具有可配置协议软件，该软件生成各种设备协议的描述文件，利用软件工具根据协议属性以配置的方法生成协议转换驱动文件。网关将驱动文件加载后转换为设备识别的通讯协议并自动映射生成统一的TCP／IP协议帧路由表。该描述文件基于ClassAD的任务描述语言，用来提供灵活的、可扩展的异构网络模型，描述任意的服务或数据。网关通过对设备的信息进行识别和描述，判断信息的类型和含义，省略对信息解析，降低网关对信息的处理时间，提高系统的实时性。

Description

一种多协议智能家庭网关装置及其系统

所属技术领域

本发明涉及一种多种异构通讯网络接入设备，是一种多协议智能家庭网关，属于物联网多协议转换、数据传输领域。

背景技术

随着计算机网络技术与通信技术的飞速发展以及生活水平的日益提高，当前人们越来越重视家庭安全化、家居智能化，越来越关注居住环境，注重家居环境的安全、便捷、舒适和低碳环保，这些新的要求就需要将家庭自动化、家庭智能化、家庭安全化和家庭网络化与网络设施有机集成在一起，使得越来越多的设备，比如数字家电、功能各异的传感器、多媒体设备和移动终端等，应用到家庭网络中。这些异构设备的加入使得家庭网络的功能越来越丰富、功能越来越强大。家庭网关作为构建智能家庭网络的核心部分，是智能家庭网络的门户和管理者，是使家庭用户可以获得各种家庭服务的平台，主要完成家庭内部异构通信网络之间的协议转换，以及实现家庭内部网络与外部公共通信网络之间的信息交换功能。但是家庭设备通信协议标准化问题日益突出，当前的家庭网络技术领域中存在诸多通信技术标准，主要运用到的无线技术包括：RFID、红外线、蓝牙、WiFi、Zigbee等，有线技术包括X-10、Insteon、Lonworks等。这些通信技术具有不同的传输特性和和通信协议，它们之间不能够直接进行关于业务交互的数据通信，所以不同标准和协议的家电设备的互连互通及互操作性变得很繁琐，使用起来极其不方便。诸多通信标准的在家庭内部网络共存在现实生活中是不可避免的，通过家庭网关实现基于不同技术的网络之间的互联互通成为一个亟待解决的问题。同时基于PC机的智能家庭网关在使用上存在很大的局限性，并且成本价格也很高。随着嵌入式技术不断的发展，32位的微处理器已经能够满足嵌入式家庭网关的应用要求，同时Linux嵌入式操作系统成为了嵌入式领域应用最多的操作系统。

目前的家庭网关开发研究中存在以下2个不足，主要表现为：(1)市场上网关产品主要是针对特定设备厂商开发一些特定协议转换网关，基本只具有ADSL接入功能和简单的设备控制功能，抗干扰性弱，功耗大，带宽有限，通用性和扩展性差，而且由于市场上传感设备和智能家电设备众多，而且很多设备厂商并不遵循标准总线协议，专用协议转换器很难满足用户需求，多数情况下由使用设备的用户，根据终端传感设备通信协议开发协议转换网关，但这些网关通用性差，使用比较复杂，需要用户开发相应的协议转换驱动程序。(2)在现有的技术中，家庭中的各种智能设备可以分为两类，一类与小区内部局域网连接智能设备，另一类与宽带互联网连接的智能设备，由于这两种网络相互独立、相互隔离，不能相互通信，缺乏交互和统一管理控制，例如家庭安防报警系统、数字楼宇对讲系统、家庭环境监测系统、家庭三表抄送系统、家庭设备控制系统等相互独立，不能通过互联网远程进行查询和管理控制。本发明基于以上背景，结合Internet网络和现场总线技术以及无线移动通信技术的最新发展状况，开发设计了融合多种通信协议的智能家庭网关，为进一步完善基于物联网的家庭采集控制网络提出了一种新的方法，实现了家庭设备的远程监控和家庭信息的远距离数据采集控制，同时也为将来的物联网技术应用于智能家居领域打下良好基础。

发明内容

本发明的目的是解决目前多种现场总线网络和无线网络标准并存，使得信息传输标准多样性、不同的接口标准与协议设备互操作差，导致家庭网络的开放性、互操作性等优点难以体现的现状等问题，实现家庭设备远程控制与管理。

本发明提供一种多协议智能家庭网关、远程网关Web服务、多协议转换方法和家庭设备配置方法，以提高家庭网关对信息的处理时间，以此保证协议网关的协议转换的便捷性、并发请求和海量数据传输实时性。

本发明的多协议智能家庭网关及其系统：多协议家庭网关与家庭外接设备系统结构主要有三个主要部分：数字家电网络(Digital Appliance Networks，DAN)与无线传感器网络(WirelessSensor Networks，WSN)部分，多协议智能家庭网关(Multi-Protocol Home Gateway，MPHG)部分，外部公共网络(External Public Networks，EPN)部分，各个部分的描述如下：

DAN&WSN部分：这部分由两个分组子网构成，一个是由家庭内的智能家电设备构成的数字家庭网络，另一个是由部署在家庭内部采集家庭环境参数的功能各异的传感器构成的无线传感器网络。

MPHG部分：家庭网关包含认证授权功能模块和协议转换功能模块，其功能分别为保护家庭内部的数字家电网络和无线传感器网络，以提高系统的安全性能和在家庭内外不同网络之间进行请求消息的格式转换，实现用户或应用程序与家庭内部设备的正常通信。

EPN部分：这部分由用户、应用程序和用于传输信息的外部公共网络构成，主要用于用户到家庭网关之间的信息传输或者家庭网关到用户的信息传输。

本发明的多协议智能家庭网关提供一组Web服务，所有Web服务根据功能作用可以分为5类。远程用户端可以查看家庭网关中所有可用的Web服务，通过Internet网络发送SOAP请求消息给家庭网关来获取Web服务。家庭网关中有认证授权模块，如果用户认证通过且具有获取某个Web服务的权限，那么家庭网关将SOAP请求信息格式转换成对应目标设备能够识别信息格式。目标设备完成相应的操作控制以后，家庭网关通过相反的路径发送反馈信息给用户端。如果用户身份认证未通过或者用户不具有某个Web服务的权限，那么家庭网关将会发送一个错误信息给用户端。

家庭主网关作为家庭网络的核心部分，是家庭智能控制器，作为家庭网络的网络中心和管控中心主要完成家庭内部网络各种不同通信协议之间的转换，以及同外部公共网络之间的信息交换功能，同时还负责家庭内部设备的管理和控制，并通过Internet实现对家庭设备的远程管理与控制。而子网关是一系列数据转换和转发单元，是连接不同异构感知网络的桥梁，负责家庭网络底层异构协议向上层统一的通信协议的转换以及接收上层发送的一些控制信令，转发到底层的异构传感网络和家电网络。所有家庭网络的管理应用平台主要在家庭主网关上完成，不同的Web服务都在家庭主网关上完成，所以本文主要研究家庭主网关功能结构。家庭主网关的主要功能模块由四部分构成，为了简化设计和提高模块的效率，每个功能模块之间以网状的方式相互联系，其组成部分如说明书附图3所示。主要功能模块描述如下：

(1)Web服务功能模块

该模块包含家庭网关提供的所有不同的Web服务，它是通过Internet对外服务的接口以及处理来自客户端应用程序请求。该模块还完成用户身份认证和发送给客户端的响应消息的加密处理以及Web服务的发布。

(2)AAA功能模块

该模块主要负责用户的身份认证、访问授权和记录用户情况，它是家庭网关的一个重要的功能模块，检查用户是否合法。

(3)数据存储功能模块

该模块主要负责存储采集的传感器数据和家电状态以及查询历史数据，它包含了与底层数据库、文件或者云存储技术的接口。

(4)网关接口功能模块

该模块主要负责与底层传感器网络和家电网络的连接。转发请求消息到相应的设备上和处理响应消息。

为了说明不同功能模块之间的联系，提出了家庭主网关体系结构的通用层次模型，该模型由三层组成，分别为Web服务层、任务层和底层网络接口层，如说明书附图4所示。在该体系结构的层次模型中，Web服务层处在最顶层，它是用户与家庭网络的交互接口以及负责处理用户请求。该层包含Web服务功能模块和AAA功能模块。任务层处于中间层，由一组任务构成，由Web服务层创建和调用，实现底层传感器网络和家电网络的查询与控制功能。每一个任务负责发送请求消息给底层的网络以及等待相应的响应。在该层还有一个任务调度机制，专门负责不同任务的优先级请求响应。底层接口层处于层次模型的最底层，为上层的任务层服务，负责与底层的传感器网络、家电网络以及存储系统通信，主要包括底层网络接口和数据存储功能模块。

本发明了提供一种协议转换和配置方法，包括：

多协议智能家庭网关结构图如说明书附图2所示，为了提高家庭网络系统的扩展性和通用性，家庭网关采用主/从的架构模式。主网关是整个家庭网关的入口，是一个全局的调度中心、信息中心，负责外部公共网络的接入以及家庭内部网络的管理，将家庭业务分发到相应的数据网关上，同时收集所有注册的子网关，从而为从网关进一步调度任务提供必要的信息。从网关，也称子网关，是一系列数据转换和转发单元-分组子网适配器，是连接不同异构感知网络的桥梁，负责家庭网络底层异构协议向上层统一的通信协议的转换以及接收上层发送的一些控制信令，转发到底层的异构感知网络。

为了实现在家庭内部融合多种异构通信协议，只对从网关部分作了扩展，因此外部服务器与主网关之间的通信协议不变，还是使用原有的自定义的协议。但从网关与目标设备之间的异构通信协议需要进行修改，它要增加实现与异构通信协议没备之间的通信。所以，当服务器与异构通信协议设备之间进行互操作时，家庭网关需要实现原有自定义协议与异构通信协议之间的转换，具体转换实现过程从设备编址方式和设备通信方式两个方面来分别描述。协议转换软件通过协议帧组建、生成驱动文件。协议帧作为父节点，子节点可选，由常量、地址域、控制码、数据长度、数据域、校验码、结束符等7个子节点组成。每个子节点有自己的属性。用户或开发人员根据设备协议设置属性，组建成数据帧。协议转换软件将组建的协议帧生成驱动文件。

本发明的多协议智能网关采用多线程调度技术，同时内置状态机保证通讯命令调度和数据采集实时性，将实时采集的数据放于实时数据地址域，供用户读取或以推送模式推送给主节点。

本发明了提供一种异构家庭设备描述文件，包括：

满足多异构网络协议环境下的各种任务需求，例如不同的任务类型、不同的任务策略等，设计了一种基于ClassAD的任务描述语言(Task Description Language，TDL)，用来提供灵活的、可扩展的异构网络模型，描述任意的服务或数据。家庭网关通过对家庭网络设备之间的信息进行识别和描述，判断信息的类型和含义，不需要对信息进行解析，节省了家庭网关对信息的处理时间，提高了系统的实时性。如说明书附图9所示，指定了通信协议、感知数据传输、控制信息传输、状态信息传输和确认信息传输。为了满足协议转换对于实时性要求，在多协议智能家庭网关协议转换策略分为全局转换策略和任务级转换策略，以满足不同任务的需求。通过设置全局转换策略，可以指定一些通用的转换策略。同时用户也可以通过设置TDL的任务级转换策略来覆盖全局转换策略，以满足自己特定的需求，TDL中设置的任务级转换策略。

本发明的多协议智能网关支持感知延伸设备之间的多种通信协议和数据类型，实现多种感知延伸设备之间数据通信格式的转换，对采集的数据格式进行统一。同时对发送到感知延伸网络的采集或控制命令进行映射，产生符合具体设备通信协议的控制消息。多协议物联网网关对感知设备进行统一控制与管理，向上层屏蔽底层感知接入网络的异构性，共分为4层，分别为业务服务层、协议解析转换层、协议适配层和数据感知层，如说明书附图6所示。

本发明的新型多协议智能家庭网关主要实施步骤和特性：

(1)多协议智能家庭网关提供配套的配置协议转换软件工具；

(2)根据各种智能传感器或设备的通信协议，设置对象节点以配置方式组建协议帧，由协议转换工具生成设备驱动；

(3)多协议智能家庭网关加载设备驱动程序，将各传感器和设备通信协议驱动程序自动转换为TCP/IP标准协议，与家庭设备通信协议建立一一映射的关系；

(4)根据驱动程序建立设备通信协议和统一协议路由映射表；

(5)协议调度线程池，并内置状态机实时调度设备信息通讯。

说明书附图

下面结合附图对本发明的具体实现方案做进一步说明：

图1多协议智能家庭网关装置及其系统；

图2多协议智能家庭网关结构图；

图3多协议家庭主网关功能结构图；

图4家庭主网关体系结构的层次模型；

图5协议转换系统总体结构图；

图6多协议智能家庭网关业务流程层次结构图；

图7协议转换功能块图；

图8议转换主程序流程图；

图9一个远程设备控制的描述文件；

图10远程PC与家庭设备互操作流程。

具体实施方式

针对在家庭网络中缺乏统一的通信协议标准，各个设备厂商按照不同的接口标准与协议生成设备，使不同设备之间的互联互通变的非常困难等问题。所以不同的通信网络技术的存在，使得异构网络之间无法进行有效的互操作。如何将当前常用的通信网络融合起来，实现更大范围内的资源共享和协同工作，是当前家庭网络发展所要解决的主要问题。本发明主要解决一些常用无线通信技术Bluetooth、Zigbee、WiFi和工业以太网通信技术在家庭网络环境下协同工作，达到无线通信和有线通信技术的优势互补，提出了一种兼容多种通信协议的多协议智能家庭网关实现方案，实现不同通信技术的无缝融合，使得异构通信设备能够互联互通，通过该家庭网关实现底层现场网络的管理控制。

利用本发明将智能传感设备和家电设备互连在一起，组成家庭控制网络，构建一个智能家居系统，实时监测家庭能源和环境信息，通过丰富的有线和无线混合控制模式，让用户能够方便的管理和控制家庭设备，以及有效的监测用户的家庭各方面数据信息，如水电气、温度、光照，满足家庭居住环境安全、便捷、舒适和低碳环保要求。智能化的家用设备电器控制可以充分利用资源，减少资源浪费，同时集成的无线网络接入点功能让使用更加简洁，省去了家庭复杂连线的麻烦。而且低功耗的无线通讯具有在控制家用电器设备的便捷性，还保证整个系统长时间稳定运行，延长某些需要电池供电的设备的使用周期。

本发明的一种多协议智能家庭网关装置及其系统整体上可以划分为：嵌入式硬件平台、嵌入式系统软件和协议转换应用程序三大部分，总体结构图如说明书附图5所示。嵌入式硬件平台部分：采用嵌入式、低功耗和处理运算能力强的硬件结构，具有接口丰富、容易扩展等特点。嵌入式系统软件部分：包括嵌入式实时操作系统和实时数据库管理软件。协议转换应用程序部分：是本系统实现协议转换的控制管理程序，在功能模块上由应用服务控制模块、现场总线通信模块、无线通信模块、以太网通信模块等部分组成。

本发明的一种多协议智能家庭网关装置及其系统的主要实施步骤如下：

步骤1：组装多协议智能家庭网关硬件，主网关控制器采用嵌入式ARM处理器，通过外部总线连接以太网接口模块、WiFi接口模块、3G接口模块、USB接口模块和音频/视频接口模块，同时在主网关控制器上还连接LCD显示模块、存储模块和电源模块。从网关控制器采用单片机处理器，通过内部总线连接红外通信模块、Bluetooth通信模块、Zigbee通信模块、RS-485通信模块和CAN通信模块。。基于无线通信技术，现场总线技术、嵌入式技术以及存储技术，实现家庭数据采集、处理、存储与传输。通过有线或无线通信的方式采集家庭现场数据，例如水电气、温度和光照等的模拟量采集、数字量采集等；

步骤2：多协议智能家庭网关装置的系统结构图的设计，如说明书附图2示。系统的工作原理：多协议智能家庭网关加载协议数据帧进行解析，然后转换成设备协议和与设备协议相对应的TCP/IP协议或其他标准协议，实现设备管理、配置和控制。通过配置协议驱动和加载设备即可，无需针对某帧特定设备的协议单独编程，可以实现对接各种协议的转换，包括

标准和非标准协议。硬件驱动设备通过驱动采集获得底层硬件设备的数据，数据采集可采用推送模式即当底层设备数据发生变化是，将变化数据直接推送至上层；或请求应答模式，即当设备驱动想底层设备发出数据请求时，底层设备响应请求，返回数据。采集数据由数据调度中心分配，将数据进行缓存备份；

步骤3：协议智能家庭网关实现协议配置转换的原理，如说明书附图7所示。首先，完成硬件初始化和系统初始化，然后系统加载设备驱动文件，网关提取驱动文件的数据信息组建设备协议帧和与其相映射的TCP/IP协议或其他标准协议，网关根据协议数据帧自动识别硬件设备，当硬件设备数据发生变化时，将数据帧上报至网关，由网关解析数据内容，并识别出硬件设备及其数据变化的类型。在协议转换器中，一方面根据驱动协议为硬件变量分配地址，并为各设备建立TCP/IP实时数据映射表，这样转换后的实时数据帧就相应的建立了与硬件设备的映射关系，通过TCP/IP实时数据即可知道哪个硬件对应的变量发生变化；另一方面根据驱动协议建立硬件命令帧，作为硬件标识，同时在协议转换中为协议设备建立遵循TCP/IP或其他标准协议的命令帧，建立了标准协议与硬件设备协议的对应关系；

步骤4：由于在扩充从网关过程中没有对外部网与主网关之间部分进行改变，外部服务器端与的通信协议以及主网关与从网关遵循的还是原来标准的协议，所以异构目标设备与远程PC进行数据交互时，从网关不仅是转发数据，还需要实现原有的标准协议与底层异构协议之间的转换。原有的标准协议的编址方式是：家庭设备地址由3字节构成，第一字节表示一级地址，第二字节表示二级地址，第三字节表示三级地址；

步骤5：转换后的标准协议由多线程采集调度中心对数据协议帧进行处理，如说明书附图7所示。多线程采集调度中心可以同时建立多个线程，响应多个底层设备推送数据的请求，增强系统的性能和运行能力。网关采用基于事件的响应机制，状态机是表示底层设备的数据是否发生变化，当底层设备数据发生变化时，状态机的状态发生变化时，表明有事件发生，采集变化数据，并触发智能家庭网关开始工作，智能家庭网关通过调度中心对变化数据进行处理。

Claims (4)

1.一种多协议智能家庭网关装置及其系统，其主要特征在于，包括：所述的该网关装置采用主从式的网关架构模式，多协议智能家庭网关装置由主网关控制器模块和若干个从网关控制器模块构成。即主网关加上若干个子网关，子网关的个数可以根据实际的应用需求进行扩展；主网关控制器具有以太网、WiFi、3G等通信接口。多个从网关控制器可以具有红外、Bluetooth、Zigbee、RS-485和CAN等常用通讯网络接口，这些通讯接口被家庭网关用来与智能家庭设备进行数据通讯控制，连接家庭设备时，获取连接的家庭设备描述信息以及向家庭网关管理平台发送所述设备描述信息家庭网关装置采用新型网关架构模式，其它一些网关装置也可以被用作为子网关模块使用，实现家庭网关之间的级联，使得该网关及其系统具有灵活的可扩展性和通用性。具有上述的异构通信接口家庭设备通过多协议智能家庭网关装置无缝互连在一起，构成一个智能异构家庭网络系统，包括家电设备网络(Appliance Networks，ANW)与传感器网络(Sensor Networks，SNW)，多协议智能家庭网关装置(Multi-Protocol HomeGateway，MPHG)，外部公共网络(External Public Networks，EPN)三部分；

在所述的家庭网关装置及其系统包含家庭网关服务器架设于互联网中并对远程终端与多协议智能家庭网关装置之间的通信进行控制。提供了网关Web服务功能、认证-授权-记录(Authentication Authorization Accounting，AAA)服务功能、数据存储服务功能以及负责与底层传感器网络和家电网络的连接的异构网络接入服务功能；

在所述的多协议智能家庭网关装置中，主网关是整个家庭网络的入口，是一个全局的调度控制中心，从网关是一系列数据转换和转发单元，接收远程终端管理平台提供的、与所述家庭设备描述信息对应的家庭设备配置信息，所述家庭设备配置信息包括：所述家庭网关实现预定功能所需要获取的参数信息，与所述家庭设备实现预定功能实际需要的参数信息之间的映射关系，家庭网关根据设备配置信息配置所述外接设备；

所述的多协议智能家庭网关装置包含多协议转换功能，支持各类通信协议、现有标准通信协议、非标准的通信协议、未知协议等无限制各类终端设备协议转换。同时将各种异构通信协议转换成统一通信协议，如MODBUS-TCP、PROFIBUS等。

2.根据权利要求1所述的多协议智能家庭网关装置及其系统，其特征在于：Web服务可以分为5类，即家庭装置设备的实时状态信息的查询服务、家庭装置设备的实时管理控制服务、家庭信息数据库历史数据查询服务、突发事件响应服务以及系统认证授权管理服务；主网关与从网关之间通过以太网络或作为以太网扩展的无线WiFi连接，该架构充分利用了Ethernet网络和无线WiFi网络的优点，实现家庭网络服务不受地域限制的覆盖。

3.根据权利要求1所述的多协议智能家庭网关装置及其系统，其特征在于，包括：协议部分可以分为外部服务器与家庭网关的通信协议和家庭网关与家庭各个智能设备的通信协议；

所述的多协议智能家庭网关装置的主从式网关架构，通过扩展子网关不仅使原有的智能家电设备可以接入家庭网络，而且只要是支持新增的家庭网络标准协议的智能家电设备也能很方便地接人家庭网络，实现了主网关动态增加标准协议的功能，增强了家庭网关的实用性和可扩展性。

4.根据权利要求1所述的多协议智能家庭网关装置及其系统，其特征在于，包括：一种可扩展和可配置多协议智能家庭网关，包含配置信息上传模块、配置信息获取模块、配置信息处理模块，结合工业现场总线技术，实时Web服务技术、智能可编程技术、WiFi和ZigBee无线通信技术等，实现了网关现场智能配置方式，将多种异构通信网络通过多种通信技术融合到家庭网络中。多协议智能家庭网关以多线程技术设计线程池，建立协议路由表的方式实时调度并发协议请求和海量数据调度；

为了满足在多异构网络协议环境下的各种任务需求，例如不同的任务类型、不同的任务策略等，设计了一种基于ClassAD的任务描述语言(Task Description Language，TDL)，用来提供灵活的、可扩展的异构网络模型，描述任意的服务或数据。家庭网关通过对家庭网络设备之间的信息进行识别和描述，判断信息的类型和含义，不需要对信息进行解析，节省了家庭网关对信息的处理时间，以此保证协议网关的协议转换的便捷性、并发请求和海量数据传输实时性。