CN104426754A - 一种基于三网融合的智能家居网关实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三网融合的智能家居网关实现方法。 此网关集成多种通信协议，如Wi-Fi协议、ZigBee协议、TCP/IP协议、开关控制协议等，同时也是一种跨多终端的智能家居网关，具有较强的鲁棒性和稳定性。包括中央处理器模块、外围扩展接口、电源/复位模块、高清触摸屏、GPRS模块、Zigbee模块、WI-FI模块、以太网模块、视频监控模块以及中央处理模块服务层中的应用软件、用户管理与认证。用户可通过电脑、手机、PDA等智能终端对网关进行远程管理与控制。通过前期室内布线、家居网关设备选型、局端VALN业务划分的准备工作，方便灵活接入了数字电视、Internet、家居设备接入等服务。

Description

一种基于三网融合的智能家居网关实现方法

技术领域

 本发明涉及家庭住宅智能化的户内中央控制系统，尤其是涉及一种基于三网融合的智能家居网关。

背景技术

 随着现代计算机技术、信息技术、控制技术的发展和成熟，各类家用电子产品的技术迅速发展，人们越来越追求生活细节的简单化和智能化，智能家居系统的设计与应用成为当今的一个研究热点。现代智能家居系统不仅实现抄表系统、防盗报警系统，更重要的是包含智能家电管理与控制、节能、环境监测、可燃气体报警等功能的实现。家居网关是智能家居系统的核心，是底层数据与高层通信的桥梁，所以家居网关设计的程度直接决定了智能家居系统的质量。

 随着家庭内部的终端数量和种类的与日俱增，如多功能数字电话、带有机顶盒的交互电视，无线接入的移动PC、移动电话和音频设备等。这些设备给用户带来更方便的同时，也带来了一些弊端。

不同的终端设备使用不同的网络接入技术，多接入技术不仅给用户家庭布线、装修和设备摆放位置造成了不便，对整个家庭网络的组网、维护和配置也提出了更高的技术要求。

不同的终端设备有不同的控制装置，随着家庭内部终端数量的增多，用户也需要管理更多的数量的遥控设备；另外，终端都摆放在家里的不同角落，不能在房间的任何一个地点都随意控制各种设备。

随着终端数量的增多，终端之间可以支持的资源也越来越多，为了在不同终端之间共享资源，用户需要在这些终端进行复制和拷贝；但是对于互联网实施资源，如在线广播，实时电视等，如何在不同的终端间进行切换和共享，也是用户一个强烈的要求。

  家庭网络标准众多且没有统一标准，各个厂家的通信协议也各不相同，互不兼容，给不同家庭网络协议的设备之间的互操作性带来了一些困难。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种布线简单、操作简便、易维护、易升级的一种集成多协议、跨多终端的基于三网融合的智能家居网关。

 实现本发明目的技术方案为：一种基于三网融合的智能家居网关，包括中央处理器模块、外围扩展接口（如RS232/RS485数据总线接口、GPIO通用输入/输出接口、SDRAM同步动态存储器、JTAG调试接口、FLASH、USB等）、电源/复位模块、高清触摸屏、GPRS模块、Zigbee模块、WI-FI模块、以太网模块、视频监控模块以及中央处理模块服务层中的应用软件、Web服务器、用户管理与认证。其中中央处理器用于数据上下行时不同协议间的信号之间的相互转换。中央处理器连接的有GPRS通信模块，与GPRS设备实现数据交换，接入外部移动网络实现与智能终端的相互通信。Zigbee无线通信模块、WI-FI无线通信模块与无以太网模块与中央处理器相连，实现了对各协议信号的采集、传输和处理，达到了多协议融合的效果。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：针对各厂商通信协议不统一，可控智能终端单一的情况，采用将GPRS模块、Zigbee模块、WI-FI模块、以太网模块等模块集成于智能家居网关的方式，通过跨多智能终端（电脑、手机、PDA等）的智能家居管控平台来实现对智能家居网络系统的管理与控制。布线简单，操作简便，可灵活地添加新设备，可实现现场或远程操控，易于对网关进行维护和升级。

附图说明

 图1是本发明一种基于三网融合的智能家居网关结构示意图。

12 图2是本发明一种基于三网融合的智能家居网关框架模型图。

13 图3是本发明一种基于三网融合的智能家居网关流程图。

14 图4是本发明一种基于广电网络的智能家居网关的应用示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

 如图1，本发明是一种基于三网融合的智能家居网关，集成了多种通信协议，如Wi-Fi协议、ZigBee协议、TCP/IP协议、开关控制协议等，同时也是一种跨多终端的智能家居网关，具有较强的鲁棒性和稳定性。此网关包括中央处理器模块、外围扩展接口（如RS232/RS485数据总线接口、GPIO通用输入/输出接口、SDRAM同步动态存储器、JTAG调试接口、FLASH、USB等）、电源/复位模块、高清触摸屏、GPRS模块、Zigbee模块、WI-FI模块、以太网模块、视频监控模块以及中央处理模块服务层中的应用软件、服务器、用户管理与认证。

中央处理器用于数据上下行时不同协议的信号之间的相互转换。中央处理器模块采用基于ARM9的32位微处理器S3C2440。ARM9具备高性能和低功耗，同时S3C2440是一个多用途的通用芯片，它内部集成了微处理器和常用的外围组件，具有较高的性价比。

此网关集成多种通信协议，其中无线通信协议如GPRS、Zigbee、WI-FI等。采用无线技术，测控基站和家庭网关设计相应的无线通信模块，并通过采用对应的无线通信协议来完成数据和控制指令在智能家居网络的传输。

具有丰富的外围扩展接口，RS232/RS485数据总线接口、JTAG接口、GPIO扩展接口、SDRAM接口、FLASH接口、USB接口、电源/复位模块等。其中中央处理器通过数据总线与地址总线与SDRAM相连，通过I2C接口与FLASH连接。

PLC电力线载波接口模块，通过PCI总线与中央处理器进行数据交互，将外网对家电控制信息通过电力线载波的方式传输给各家电终端，此模块实现采用正交频分复用(OFDM)调制和前向纠错等核心算法。

  GPRS模块以及以太网模块为连接外网模块。GPRS模块选用SIM300 GSM/GPRS模块，实现语音、数据和传真信息的高速传输，实现与GPRS设备数据交换。以太网模块是管理多个以太网接入端口，负责实现轻量级TCP／IP协议栈。

智能家居网关配有视频监控模块，以此获得实时监控视频。通过手机、PDA、PC等智能终端可直接访问智能家具网关。一旦发生警情，通过GPRS模块来发送信息到智能终端，智能终端可及时查看当前监控视频处理当前发生状况。

如图2，一种基于三网融合的智能家居网关系统框架分为三层模型：硬件层、中央管控层以及应用层。

硬件层，位于系统框架结构的最底层，它包括了各种基于多种协议通信方式（如WSN、Wi-Fi协议、ZigBee协议、TCP/IP协议、PLC等）的家用电器、照明设备和安防设备等，通过光敏传感器、声敏传感器、气敏传感器、摄像头等各种传感设备和监控设备感知外界信号（光、热、湿度、烟雾等）以及探测监控室内外环境状况，实现对家庭环境的全面感知并将探知的信息传递给智能家庭网关，并由家庭网关实现硬件层和中央管控层的数据交互，以此来对家居设备进行管理和控制。

中央管控层，实现系统功能最重要的一层，主要实现对家庭设备的管理和控制。每个用户都有属于自己的一个中央管控平台，因此可以屏蔽各种异构性，实现应用程序时更加容易。首先硬件层将感知到的信息传递给中央管控平台，然后根据实际情况中央管控平台发出控制命令给其中的核心控制器，最后令与之对应的家居设备来执行此命令。在整个过程中，用户可经过手机、电脑、PAD、IPAD等多种智能终端的应用程序发出命令给智能家居网关，以查询其工作状态，或对其进行工况设置。用户可以通过局域网在家庭内部进行操控，并且外出时也可通过笔记本、手机、PDA等进行远程控制。同时，对于家庭出现的突发紧急事件具有自动报警功能。具体地说，中央管控平台接收到来自不同协议传来的信息后，通过判断模块判断突发情况是否严重，如果严重立刻发出信息到智能终端通知用户，或拨打预先设定好的110、119等报警电话，并启动应急方案。于此同时，中央管控层将各种信息存储到用户的数据库中，供用户以后查阅。

 应用层，即此系统模型的最高层服务层，是与用户直接交互的接口。用户可通过PC机、手机、PDA等智能终端的应用程序软件或Web登录，实现现场或远程对家庭内部设备的管理与控制，实现了人机交互，从而为用户提供了个性化服务。其中应用程序包括：安防控制模块、场景控制模块、灯光插座控制模块、空调控制、窗帘控制、环境监测模块、视频监控模块等以此来实现用户要求的各种功能。

如图3，一种基于三网融合的智能家居网关用户网站应用流程图，用户登录界面下包括用户管理及平台介绍。用户注册完成登录，若尚未通过验证，重新登录。智能家居管控平台提供家居管理、功能介绍、计费系统、系统维护等功能，用户可通过需求进行操控。同时也可通过用户管理进行密码修改以及用户注销。

如图4，一种基于三网融合的智能家居网关应用示意图。主要功能应用：安防报警系统：通过烟感报警、声光报警、燃气报警、防盗报警、红外报警、湿度报警等报警设施实现对非法闯入的盗窃、抢劫和突发事件进行及时报警、抢救和保护；家电及家居电子设备管制系统：此系统主要实现智能照明、 电动窗帘、家庭影院、空调设备等家电设备的现场或远程管控；电视点播系统，通过广电网络实现双模视频点播；控制系统：手机、电脑、PDA等智能终端通过Internet控制，电话远程控制，遥控器控制，开关面板控制，视频检测与控制；智能抄表系统实现三表智能化抄送，自动化抄表，自动化计费。

 以集中分配方式，将广电网络信号从多媒体箱内通过射频分配器和家居网关向每个用户家中传送数据。Internet接入业务经五类线将DATE数据信号从家庭网关连到PC机终端，认证后获取IP。数字电视及付费业务信号由同轴电缆连接数字机顶盒直接接受。互动电视业务下行信号通过同轴电缆与互动机顶盒连接的方式接受。双向数据信号经同管铺设的五类线连接到机顶盒，以MAC层认证后直接获取IP。

智能家居网络系统是家庭信息实现的关键。智能家居系统就是利用计算机技术、微电子技术、通信技术，通过家居智能终端及其系统软件将家居智能化的所有功能相集成，使智能家居建立在一个统一的平台上。基于广电网络的智能家居系统提供了一个多终端的应用环境，符合三网融合下各项业务的要求。通过家居网关，可将某个网络中的内容或者业务进行转换，并且在其他的终端上实现。例如，可视手机上提供语音、数据和视频业务等。

 

下面对本发明做进一步说明:

一种基于三网融合的智能家居网关工作流程

用户通过手机、智能机、计算机等智能终端通过应用软件登录与用户直接交互的图形用户界面，采用3G 、WI-FI、 GSM信道、GPRS或者Internet 的方式访问智能家居网络系统信息中心。信息中心实现对家居网络中所有设备的智能管理与控制，其中通过智能家居网关进行信息交互与处理。在家居环境内部，智能家居网关可通过无线方式自主地与家庭内部的无线传感网络相连，从而构成智能家居环境，负责对家中电器的控制，家庭环境信息的感知、智能抄表以及智能家居的综合管理与控制。

用户访问基于三网融合的智能家居网关采用两种途径：C/S结构、B/S结构。

采用C/S（用户/服务器）结构，在C/S网络中，服务器是网络核心，而用户是基础，用户靠服务器获取所需网络资源，而服务器为用户提供网络必须的资源。用户通过专用的应用软件发出信息或指令到智能网关，网关接收后进行相应的任务。优点在于应用服务器运行数据负荷较轻。

采用B/S(浏览器/服务器)结构，可在用户不安装额外软件的情况下提供服务。B/S结构将应用程序和数据全部集中安放在Web服务器上，用户则统一使用Web浏览器来访问Web服务器，并运行加载在其上的程序和数据。系统的更新维护以及数据管理都在服务器上，所以对其进行功能扩充也很容易。

用户应用程序包括智能家居网络远程监控、触摸屏用户界面、无线收发控制。远程控制主要解决手机、PDA、PC机和智能家居网关通过GPRS网络实现交互；触摸屏用户界面提供人性化的操作界面和良好的用户体验；无线收发和控制实现测控站与智能家居网关之间的互联互通、数据和命令传送。这三个任务是相互独立的，任务的切换和调度是由操作系统完成的，为了降低模块之间的耦合性，应尽量避免使用全局变量。

以太网是家居控制系统远程控制的途径，将中央处理器、以太网媒体接入控制器(MAC)和物理接口收发器(PHY)整合起来，实现网络连接。PHY是物理接口收发器，同MAC结合起来实现以太网物理层。PHY整合了大量模拟硬件，而MAC是典型的全数字器件，考虑到芯片面积及模拟／数字混合架构，故先将MAC集成进微控制器而将PHY留在片外。以太网MAC和PHY执行国际标准／开放系统接口的底部两层的功能。MAC和PHY通过一个MII接口相连。MII即媒体独立接口，它是IEEE．802．3定义的以太网行业标准。包括一个数据接口，以及一个MAC和PHY之间的管理接口。数据接口包括分别用于发送器和接收器的两条独立信道。每条信道都有自己的数据、时钟和控制信号。MII数据接口总共需要16个信号。管理接口是个双信号接口：一个是时钟信号，另一个是数据信号。通过管理接口，上层能监视和控制PHY。

相关控制的具体实现方法：

家电的控制实现方法：家庭中使用的家电主要有空调、洗衣机、电冰箱、电饭煲和电视机等。采用内部电路嵌入控制部件，对应控制相应的功能启动。家电控制电路包括时钟电路、RS485电路、电源电路和继电器驱动电路等。

安防监控实现方法：智能家居的发展不仅仅是能够远程控制家电，实现远程监控家庭环境是发展的必然。防盗、防火、防煤气泄露以及能够视觉化的监视家中的状态成为今后智能家居发展的方向。安防监控系统的实现主要是使用门禁传感器、烟火传感器、煤气传感器和图像传感器等通过A／D转换，将监控信息经由单片机和RS485总线传输给上位机，实现安防监控。当家中无人值守时，若有人从门或窗进入家中，通过门磁和窗磁感应，开关量的输入，立即采集静态图像，并通知上位机用户有人闯入。为使尽快的通知用户报警信息，将门磁和窗磁输入信号放在主控制器板上，当发生中断时，主控制器立刻查询图像采集模块进行图像采集。

一种基于三网融合的智能家居网关系统无时延，可同步接收、处理多个数据指令，满足系统对数据采集和传输实时性的要求。通过手机、电脑、PDA等智能终端访问家居网关，对家居内各种通讯设备的运行进行智能化管理，包括网络通讯协议的执行和网络资源的分配，以保证家庭网络系统的运行正常，达到节能减耗的要求。通过安装各种检测报警装置实现家庭的保安、消防以及其它需求确保居住安全化。此网关操作简单、方便且可靠，适应各种不同适用人群的需要。

Claims (12)

1.一种基于三网融合的智能家居网关，包括中央处理器模块、外围扩展接口（如RS232/RS485数据总线接口、GPIO通用输入/输出接口、SDRAM同步动态存储器、JTAG调试接口、FLASH、USB等）、电源/复位模块、高清触摸屏、GPRS模块、Zigbee模块、WI-FI模块、以太网模块、视频监控模块、PLC模块以及中央处理模块服务层中的应用软件、Web服务器、用户管理与认证，其中中央处理器用于数据上下行时不同协议的信号之间的相互转换。

2.如权利要求1所述的一种基于三网融合的智能家居网关，其特征在于：中央处理器模块采用基于ARM9的32位微处理器S3C2440，ARM9具备高性能和低功耗，同时S3C2440是一个多用途的通用芯片，它内部集成了微处理器和常用的外围组件，具有较高的性价比。

3.如权利要求1所述的一种基于三网融合的智能家居网关，其特征在于：具有足够的外围扩展接口，RS232/RS485数据总线接口，JTAG接口，GPIO扩展接口、FLASH接口、USB接口、电源/复位模块。

4.如权利要求3所述的一种基于三网融合的智能家居网关，其特征在于：USB接口可根据用户的需求来实现对家具网关的维护与升级。

5.如权利要求1所述的一种基于三网融合的智能家居网关，其特征在于：中央处理器连接的有GPRS通信模块，与GPRS设备实现数据交换。

6.如权利要求5所述的一种基于三网融合的智能家居网关，其特征在于：GPRS通信模块选用SIM300 GSM/GPRS模块，实现语音、数据和传真信息的高速传输。

7.如权利要求1所述的一种基于三网融合的智能家居网关，其特征在于：无线通信模块的Zigbee通信模块采用2.4GHz射频系统单芯片CC2430，该芯片整合了Zigbee RF前端、内存和8051微控制器。

8.如权利要求1所述的一种基于三网融合的智能家居网关，其特征在于：Web服务器主要采用了ASP.NET的技术，这种独特的缓存技术，使得在处理用户相同的Web访问请求时无需重新加载页面，这项技术具有很高的页面处理速度和运行效率，特别适用于服务器和用户信息交互频繁的情况。

9.如权利要求1所述的一种基于三网融合的智能家居网关，其特征在于：采用了多协议集成技术，将各种不同协议的模块融合在网关中，能很好的解决因不同家庭协议的设备之间的互操作性而出现的困难。

10.如权利要求1或9所述的一种基于三网融合的智能家居网关，其特征在于：通过应用软件进行用户登录与认证，以便用户对于家居网络系统进行智能化管理。

11.如权利要求或9或10所述的一种基于三网融合的智能家居网关，其特征在于：用户通过跨多终端的智能管控平台的手机、电脑、PAD发出命令给智能家居网关，以查询其工作状态，或对其进行工况设置，操作灵活方便。

12.如权利要求或11所述的一种基于三网融合的智能家居网关，其特征在于：用户在对家具网关进行管控时，可通过局域网进行现场操控，外出时也可通过Internet/GPRS来驱动相应的家具设备对其进行远程监控。