CN105530152A - 智慧家庭协同网络系统及其通信方法 - Google Patents

Abstract

一种智慧家庭协同网络系统及其通信方法，涉及网络通信技术领域，所解决的是扩大覆盖范围，提高通信质量，及降低无线通信能量辐射的技术问题。该系统包括通过网络转换网关互联的家庭CAN网络、家庭LAN网络，及智能移动设备，至少一个未端网络，至少一个家庭智慧设备；所述家庭LAN网络通过以太网关连接到INTRENET上，家庭LAN网络中配置有应用服务器，智能移动设备连接到INTRENET上；所述末端网络由一个主控节点及至少一个从属节点通过蓝牙通信机制构成，末端网络中的主控节点接入家庭CAN网络，末端网络中的每个从属节点连接一个家庭智慧设备。本发明提供的系统及方法，适用于家庭智慧设备的控制。

Description

智慧家庭协同网络系统及其通信方法

技术领域

本发明涉及网络通信技术，特别是涉及一种智慧家庭协同网络系统及其通信方法的技术。

背景技术

随着INTERNET应用和物联网技术的飞速发展，特别是在“互联网+”应用广泛展开的形势下，智慧家居应用进入了新的阶段。以无线网络为主要媒介的家庭终端网络已经逐渐成熟，智慧家居产业与家电产业以及智能手机产业都纷纷行动，互相学习、相互联动，掀起了一场以智慧家居为中心的产业联动。例如，海尔、格力等传统家电产业纷纷推出具有基于INTERNET远程控制功能的家电产品，以家联网络等传统智慧家居公司纷纷推出基于ZIGBEE网络的家庭设备控制系统，以小米为龙头的智能手机公司推出了基于智能手机的家庭设备控制终端的小米盒子，以华为公司为领头羊的网络设备公司推出了融合多个无线网络协议的家庭网关。

这些相关系统产品具备如下特点：1）基于无线网络，比如基于WIFI或ZIGBEE的家庭网络；2）需要一个家庭网关设备，这个设备要具备WIFI和/或ZIGBEE网络接入功能；3）还没有大规模的展开应用。

这些智慧家居网络及设备虽然可以完成家庭智慧网络的基本功能，如信息收集、设备控制、设备扩充等，但是还是存在许多实际应用所要面临的问题。主要包括：

1）以家庭网关为数据汇总和命令发送中心模式会导致无线网络信号覆盖不均匀，进而导致在弱信号区域的智慧家庭设备沟通不流畅，甚至无法通信，这对家庭无线网络的质量成本带来了新的要求（需要无线网络中继器）；

2）由于无线网络信号强度分布不均匀，无线信号弱区域的设备与网关通信需要增加无线信号能量，从而导致家庭网络无线能量的超标；

3）基于WIFI和ZIGBEE的网络最初都不是为家庭用户而开发的，特别是ZIGBEE网络虽然具备低功耗的特点，但是由于家庭空间狭小、民用住宅分割凌乱（无线信号无规律被隔断减弱）、家庭内部金属电器家居的干扰，使得这些低功耗的设备往往超功耗使用，因而不可避免地导致辐射过高；

4）智能家庭设备过多导致无线信号充斥家庭内部，家庭无线信号的过度使用也导致人们对无线信号能量的安全性表示担忧；例如一个家庭有20个智能设备，在加上3部智能手机，那么这些设备工作起来的无线通信能量将充斥在家庭的各个角落，这与绿色环保的生活理念是格格不入的。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种覆盖范围广、通信质量好、无线通信能量辐射低的智慧家庭协同网络系统及其通信方法。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种智慧家庭协同网络系统，其特征在于：包括家庭CAN网络、家庭LAN网络、网络转换网关、以太网关、智能移动设备，及至少一个未端网络，至少一个家庭智慧设备；

所述家庭CAN网络与家庭LAN网络通过网络转换网关互联，家庭LAN网络通过以太网关连接到INTRENET上，家庭LAN网络中配置有用于管控各家庭智慧设备的应用服务器，智能移动设备连接到INTRENET上；

所述末端网络由一个主控节点及至少一个从属节点通过蓝牙通信机制构成，末端网络中的主控节点接入家庭CAN网络，末端网络中的每个从属节点对应一个家庭智慧设备，并与该家庭智慧设备互联。

本发明所提供的智慧家庭协同网络系统的通信方法，其特征在于：

未端网络中，主控节点采用轮询通信方式与各从属节点依序逐个的实施蓝牙通信，从属节点获取对应家庭智慧设备的当前信息，并进入蓝牙连接侦听状态，当获得主控节点的蓝牙连接呼叫后，便与主控节点建立蓝牙通信连接，把对应家庭智慧设备的当前信息发送到主控节点；

主控节点将各从属节点发送来的信息通过网络转换网关发送到应用服务器，应用服务器再通过INTERNET发送给智能移动设备；

智能移动设备通过INTRENET向家庭LAN网络上的应用服务器发送控制目标的控制命令集，控制目标是指需要控制的家庭智慧设备；

应用服务器通过家庭LAN网络、网络转换网关、家庭CAN网络，将智能移动设备发来的控制命令集转发到控制目标的对应从属节点所属的末端网络的主控节点上；

主控节点对应用服务器发来的控制命令集进行解封后发送到控制目标的对应从属节点上，从属节点收到主控节点发来的控制命令集后，将控制命令集中的控制命令发送到与之相连的家庭智慧设备。

进一步的，为每一个家庭智慧设备设定一个全局地址ADR，全局地址ADR是一个由IPA、CANA、BA组成的复合地址，其中的IPA为应用服务器的IP地址，CANA为该家庭智慧设备的对应从属节点所属的末端网络中的主控节点的CAN网络地址，BA为该智慧设备的对应从属节点的蓝牙网络地址；

在应用服务器上存有一个地址映射表，地址映射表中存储有IPA与MobileIP之间的映射关系，其中IPA为该应用服务器的IP地址，MobileIP为连接到INTERNET上的智能移动设备的IP地址；

末端网络中的蓝牙通信单元为BU，BU由TimeStamp、BA、COM、DATA、FNflag组成，其中的TimeStamp为时间印，BA为该通信单元所对应的从属节点的通讯地址，COM为通讯命令，DATA为通讯数据集合，FNflag为该通信单元的结束标识；

家庭CAN网络中利用CAN报文进行通信，家庭CAN网络中的通信单元由CAN报文头、CANA、BU组成，CANA和BU被封装在CAN报文的数据单元中；

家庭LAN网络中利用TCP报文进行通信，CANA和BU被封装在TCP报文的数据单元中。

进一步的，主控节点将各从属节点发送来的信息封装成CAN报文，并通过CAN协议发送到网络转换网关，网络转换网关将CAN报文中的信息包转换为TCP报文后发送到应用服务器；

应用服务器在收到来自网络转换网关的TCP报文后，从地址映射表中获取通信的目的地址，并把自身的IP地址IPA和获得的CANA、BU封装成TCPU数据包，并通过INTERNET发送给智能移动设备。

进一步的，末端网络的组网方法如下：

对各节点的节点地址进行编码，将主控节点的地址设置为0，将所有从属节点按照1～SN进行地址编号，SN为末端网络中的从属节点的数量；

所有从属节点启动后即进入蓝牙连接侦听状态，主控节点采用轮询机制向各个从属节点依序逐一的发起蓝牙连接呼叫，从属节点收到主控节点的蓝牙连接呼叫后，便与主控节点建立蓝牙通信连接，然后通过智慧设备接口获取对应家庭智慧设备的设备信息，并将获取的设备信息发送到主控节点，然后再断开与主控节点之间的蓝牙通信连接，回复至蓝牙连接侦听状态；

主控节点从各从属节点获取信息后，构建一个末端网络信息表，末端网络信息表中包含有各从属节点的信息，及各从属节点的对应家庭智慧设备的信息，以及从属节点的数量SN。

本发明提供的智慧家庭协同网络系统及其通信方法，通过CAN网络连接家庭的各个房间扩大了家庭网络的覆盖范围和通信质量，由于CAN基于双绞线因此具有更广的覆盖范围和覆盖通信质量，特别对于错层、别墅这类大型家庭而言相对无线网络覆盖的优势更加明显；末端网络利用蓝牙构成，通过蓝牙网络的绿色环保的机制优势，可以使家庭的无线信号能量降至较低水平；由于蓝牙末端网络设置在一个房间内，可以根据各个房间的实际情况，自动调节通信网络能量，使能量辐射降为最低；本协同网络系统的骨干网络用CAN实现，从而在智慧家庭应用中消除了大部分WIFI网络和ZIGBEE网络，因而大大减少了家庭无线网络信号的使用；因此，本发明具有覆盖范围广、通信质量好、无线通信能量辐射低的优势，可以有效地支持支持绿色环保家庭应用。

附图说明

图1是本发明实施例的智慧家庭协同网络系统的结构示意图；

图2是本发明实施例的智慧家庭协同网络系统中的主控节点的结构示意图；

图3是本发明实施例的智慧家庭协同网络系统中的从属节点的结构示意图；

图4是本发明实施例的智慧家庭协同网络系统中，主控节点轮询从属节点的示意图；

图5、图6是本发明实施例的智慧家庭协同网络系统在固定时间片时，主控节点轮询阶段tt、tc、td的比重分布图；

图7是本发明实施例的智慧家庭协同网络系统的可扩展测试数据图。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围，本发明中的顿号均表示和的关系。

如图1所示，本发明实施例所提供的一种智慧家庭协同网络系统，其特征在于：包括家庭CAN网络（控制器局域网）、家庭LAN网络（以太局域网）、网络转换网关CANG、以太网关FG、智能移动设备MB，及至少一个未端网络TN，至少一个家庭智慧设备HEQ（比如净化器、冰箱等）；

所述家庭CAN网络与家庭LAN网络通过网络转换网关CANG互联，家庭LAN网络通过以太网关FG连接到INTRENET（互联网）上，家庭LAN网络中配置有用于管控各家庭智慧设备HEQ的应用服务器FS，智能移动设备MB连接到INTRENET上；

所述末端网络TN由一个主控节点Master及至少一个从属节点Slave通过蓝牙通信机制构成，末端网络TN中的主控节点Master接入家庭CAN网络，末端网络TN中的所有从属节点Slave均处于被动通信状态（即等待主控节点Master的轮询，然后进行通信），每个从属节点Slave对应一个家庭智慧设备HEQ，并与该家庭智慧设备HEQ互联；

主控节点Master用于将从属节点Slave上传的信息发送到家庭CAN网络上，并将来自家庭CAN网络上的控制命令发送到末端网络TN中与该命令相对应的从属节点Slave上；

从属节点Slave用于向对应家庭智慧设备HEQ发送控制命令及获取对应家庭智慧设备HEQ的信息，并将该设备的信息上传给主控节点Master。

本发明实施例中，应用服务器FS采用的是基于LINUX或ANDRIOD的ARM服务器，应用服务器FS用于各家庭智慧设备HEQ的管理，及应用信息、协议转换，并把协同网络的应用层与INTERNET上的应用对接。

本发明实施例中，家庭CAN网络可以在建筑施工或家庭装修时通过布设双绞线通信介质的方式连接家庭的各个房间，在每个房间中可以利用蓝牙协议的组网特点设置一个或多个末端网络TN，每个末端网络TN中可以设置多个从属节点Slave，房间里的家庭智慧设备可以通过从属节点Slave接入末端网络TN，家庭CAN网络汇集所有末端网络TN的信息，并通过网络转换网关CANG传输到家庭LAN网络，家庭LAN网络上的信息可以通过以太网关FG传输到INTERNET。

本发明实施例中，由于有末端网络TN、家庭CAN网络、家庭LAN网络及INTERNET四种不同的网络存在，信息通信要跨越这四个网络，要经历蓝牙协议、CAN协议、以太网络协议、TCP\UDP协议的转换，现有的网络转换网关产品已经能够实现CAN数据到TCP\UDP协议的自动转换，因此上述过程可以转换为跨蓝牙网络、CAN网络、TCP网络的的通信过程。

本发明实施例中，通信地址及通信单元的设定方法如下：

为每一个家庭智慧设备HEQ设定一个全局地址ADR，全局地址ADR是一个由IPA、CANA、BA组成的复合地址，其中的IPA为应用服务器FS的IP地址，CANA为该家庭智慧设备的对应从属节点Slave所属的末端网络TN中的主控节点Master的CAN网络地址，BA为该智慧设备的对应从属节点Slave的蓝牙网络地址，这样每个家庭智慧设备都有一个全局地址，可以进行基于INTERNET的远程信息汇集和控制，由于地址编码空间有限，IPA、CANA、BA可能仅为有限的位数，例如IPA为4字节、CANA为半字节、BA为半字节，协同网络中的数据通信需要经过蓝牙网络、CAN网络、TCP网络，因此每次通信过程都是通信单元的封装和解封的过程；

在应用服务器FS上存有一个地址映射表AMAP，地址映射表AMAP中存储有IPA与MobileIP之间的映射关系，其中IPA为该应用服务器FS的IP地址（也是该家庭的ID），MobileIP为连接到INTERNET上的智能移动设备MB的IP地址，地址映射表AMAP在初始化时建立，也可动态修改；

末端网络TN利用蓝牙机制进行通信，末端网络TN中的蓝牙通信单元BU由TimeStamp、BA、COM、DATA、FNflag组成，其中的TimeStamp为时间印，TimeStamp表示通信数据的唯一身份标识，具体实现时可以为序号，也可以为精确的时间；BA为该通信单元所对应的从属节点Slave的通讯地址，COM为通讯命令；DATA为通讯数据集合；FNflag为该通信单元的结束标识；末端网络TN中的通信地址仅涉及全局地址ADR中的BA部分，末端网络TN中各节点的节点地址表在末端网络TN初始化时保存在主控节点Master和从属节点Slave各自的本地通信缓冲区LB中，末端网络TN中的主控节点Master的地址是该网络内部所有节点共知的；

家庭CAN网络中利用CAN报文进行通信，家庭CAN网络中的通信单元由CAN报文头、CANA、BU组成，CANA和BU被封装在CAN报文的数据单元中；

家庭LAN网络中利用TCP报文进行通信，CANA和BU被封装在TCP报文的数据单元中。

本发明实施例的智慧家庭协同网络系统的通信方法如下：

未端网络TN中，主控节点Master采用轮询通信方式与各从属节点Slave依序逐个的实施RT/SN时间段的蓝牙通信，其中的RT为轮询通信周期，SN为从属节点Slave的数量，当RT/SN时间段到，便与当前从属节点Slave结束蓝牙通信（断开蓝牙连接），转入与下一个从属节点Slave的蓝牙通信，直到轮询完所有的从属节点Slave后，再进行下一轮询通信；

未端网络TN中，从属节点Slave获取对应家庭智慧设备HEQ的当前信息INFO，并进入蓝牙连接侦听状态，当获得主控节点Master的蓝牙连接呼叫后，便与主控节点Master建立蓝牙通信连接，把对应家庭智慧设备HEQ的当前信息INFO发送到主控节点Matser，当该连接时间片RT/SN结束时，从属节点Slave断开与主控节点Master的连接，然后等待下一个通讯周期；

主控节点Master将各从属节点Slave发送来的信息INFO封装成CAN报文，并通过CAN协议发送到网络转换网关CANG，网络转换网关CANG将CAN报文中的信息包INFOS转换为TCP报文后发送到应用服务器FS；

应用服务器FS在收到来自网络转换网关CANG的TCP报文后，从地址映射表AMAP中获取通信的目的地址MobileIP，并把自身的IP地址IPA和获得的CANA、BU封装成TCPU数据包，并通过INTERNET发送给智能移动设备MB；

智能移动设备MB通过INTRENET向家庭LAN网络上的应用服务器FS发送控制目标的控制命令集COMS，控制目标是指需要控制的家庭智慧设备HEQ；

应用服务器FS通过家庭LAN网络、网络转换网关CANG、家庭CAN网络，将智能移动设备MB发来的控制命令集COMS转发到控制目标的对应从属节点Slave所属的末端网络TN的主控节点Master上；

主控节点Master对应用服务器FS发来的控制命令集COMS进行解封后发送到控制目标的对应从属节点Slave上，从属节点Slave收到主控节点Master发来的控制命令集COMS后，将控制命令集COMS中的控制命令通过SPI协议发送到与之相连的家庭智慧设备HEQ。

如图2所示，本发明实施例中，主控节点Master包括蓝牙通信模块、CAN接入模块，及基于MCU的主控模块，该3个模块之间通过SPI总线连接，并通过SPI协议实现相互通信，其中的蓝牙通信模块把每个轮询通信周期获取的各家庭智慧设备HEQ的当前信息INFO通过SPI接口发送到主控模块，再由主控模块把这些信息封装后发送到CAN接入模块，CAN接入模块将主控模块发送来的信息包INFOS封装成CAN报文，并通过CAN协议发送到网络转换网关CANG；主控模块把来自CAN接入模块的命令集COMS分解后通过蓝牙通信模块逐一的分发到各个相应的从属节点Slave。

如图3所示，本发明实施例中，从属节点Slave包括蓝牙通信模块、智慧设备接口，及基于MCU的主控模块，其中的蓝牙模块与主控模块之间通信采用SPI接口和协议，主控模块与智慧设备接口也采用SPI，大部分的数控家用电器都留有SPI接口。

本发明实施例中，末端网络TN的组网方法如下：

1）对各节点的节点地址进行编码，将主控节点Master的地址设置为0，将所有从属节点Slave按照1～SN进行地址编号，这个地址编号将用于蓝牙通信，SN为末端网络TN中的从属节点Slave的数量；

2）所有从属节点Slave启动后即进入蓝牙连接侦听状态，主控节点Master采用轮询机制向各个从属节点Slave依序逐一的发起蓝牙连接呼叫，从属节点Slave收到主控节点Master的蓝牙连接呼叫后，便与主控节点Master建立蓝牙通信连接，然后通过智慧设备接口获取对应家庭智慧设备HEQ的设备信息，并将获取的设备信息发送到主控节点Master，然后再断开与主控节点Master之间的蓝牙通信连接，回复至蓝牙连接侦听状态；

3）主控节点Master从各从属节点Slave获取信息后，构建一个末端网络信息表TIT，末端网络信息表TIT中包含有各从属节点Slave的信息，及各从属节点Slave的对应家庭智慧设备HEQ的信息，以及从属节点Slave的数量SN（SN<=7）。

本发明实施例具有更好的无线家居覆盖，其覆盖和辐射能量分析如下：

我们知道无线模块通信功率与通信距离成比例关系，距离越大通信能量越高，无线辐射能量就越高；即能量辐射为P=aD，其中P为能量辐射，a为单位通信距离内的无线能量辐射，D为无线通信距离；

设一个家居有n个家庭智慧设备，每个设备需要一个无线通信模块，该模块是WIFI、ZIGBEE、BLUETOOTH的一种，我们分析这n个设备在WIFI网络、ZIGBEE网络、以及本实施例的协同网络系统三个不同架构下的无线通信能量总辐射量；

1）WIFI网络模式

在WIFI家居网络模式下，具有一个中心汇集点，即采用家庭无线路由器汇集WIFI信号模式，n个家庭智慧设备与这个中心汇集点进行通信；这n个家庭智慧设备与中心汇集点的“介质距离”分别为D₁，D₂，…，D_n；介质距离是指设备模块到中心汇集点所需要穿透各类介质（如混泥土墙）而折算后的距离，那么在这种情况下，n个设备的通信能量辐射为P=a（D₁+D₂+…+D_n）；假设这时有一个“基础距离”D，即D为到汇集点所必须的最低能量消耗，而与“介质距离”无关；这样n个节点可以分为2组，{D₁,D₂,…,D_k}和{D_k+1,D_k+2,…,D_n}，在第一组内的所有设备距离都不大于D，因此在WIFI模式下，n个设备的通信能量辐射为：

P_wifi=akD+a（D_k+1+D_k+2+…+D_k+n）（1）

2）ZIGBEE模式

在ZIGBEE模式下有2种情况：1）单蔟头模式，其通信能量辐射同WIFI模式的公式（1）；2）K个蔟头，假设每个蔟内的节点间通信能量符合“基础距离”能量，那么，n个设备的通信能量辐射为：

P_ZIG=anD+a（Dc₁+Dc₂+…+D_ck）（2）

其中，Dc₁，Dc₂，…，D_ck为k个蔟头到汇集点的“介质距离”；

3）协同网络系统模式

在这种模式下，n个家庭智慧设备都通过从属节点Slave在各自的末端网络中与主控节点Master通信，由于主控节点Master可以安放在天花板上，每个家庭智慧设备与各自的主控节点Master通讯都符合“基础距离”通信，因此这时n个设备的通信能量辐射为：

P_CB=a（D₁+D₂+…+D_n）=anD（3）

比较公式（1）、公式（2）、公式（3），显然有P_CB<=P_wifi和P_CB<=P_ZIG；这表明本实施例提出的协同网络系统和WIFI及ZIGBEE网络相比，具有较低的通信能量辐射，进而具有更好的无线家居覆盖。

本发明实施例中，主控节点Mater和从属节点Slave的主控模块采用的是STM32F103系列芯片，STM32F103RBT6芯片内部拥有128KB的程序Flash和20KB的嵌入式SRAM，12位AD、4个16位定时器和3路USART通讯口等多种资源，时钟频率最高可达72MHz，蓝牙通信模块采用的是TI的CC2540芯片，其运行在2.4GHzISM带宽，GFSK调制方式（高斯频移键控），40频道2MHz的通道间隙，3个固定的广播通道，37个自适应自动跳频数据通道，物理层可以和经典蓝牙RF组合成双模设备，2MHz间隙能更好地防止相邻频道的干扰；CAN接入模块采用的是TJA1050CAN控制器接口模块，网络转换网关CANG采用的是爱泰CANET-200T以太网转CAN模块，CANET-200T以太网转CAN模块实现CAN-bus数据和Ethernet数据相互传输的功能，它内部集成了2路CAN-bus接口和1路Ethernet接口，并自带TCP/IP协议栈，可以完成CAN-bus网络和Ethernet网络的互连互通，建立以太网-CAN两层网络架构。

如图4所示，在每个RT/SN时间段之内，主控节点Master的蓝牙通信模块与从属节点Slave的蓝牙通信模块的通信时间分为连接建立时间段tc、数据传输时间段tt、连接断开时间段td共三个阶段，这里有tc+tt+td=RT/SN；由于末端网络TN通过初始化过程，使得所有从属节点Slave已经存在于主控节点Master的地址表内，因此可以基本忽略蓝牙寻找时间，并且主控节点Master可以在上一个从属节点Slave的td时间内转向轮询下一个从属节点Slave，这样SN个从属节点Slave的轮询可以具有流水机制；

主控节点Master对当前从属节点Slave轮询以后，需要（SN-1）×（tt+tc）时间才能对该从属节点Slave进行下一轮轮询，因此其有（SN-1）×（tt+tc）的时间进行数据准备（从家庭智慧设备获取信息、或发送命令）、进入侦听状态。

为了测试协同网络系统的可用性本质，对本发明实施例进行了实验测试，测试中给出如下约定：

1）末端网络的主控节点Master放置在房间的天花板上，这样所有从属节点Slave和主控节点Master之间的空间没有遮挡，保障蓝牙信号的稳定；

2）主控节点Master呼叫从属节点Slave连接有一个超时时间tl，如果超过该时间并且被轮询的从属节点Slave没有连接上，主控节点Master要再次进行对该节点的轮询；

实验1：测试通信时间片内的时间分布

设RT=1s，那么RT/SN=142ms，我们测试在142ms时间片内，有效数据传输时间tt的比例；如图5所示，横轴为轮询规模SN，即分别测试SN=1，2，3，…，7时的各个节点的各个时间的平均比率；

总体来看，连接的建立和连接的断开占总时间片的三分之二左右，数据传输时间约为三分之一；这说明蓝牙的连接和断开占用了142ms的大部分时间，但是我们还是获取了可以稳定使用的数据传输时间段tt；在SN=1时，数据传输时间段tt仅有10%左右，这主要是上一个连接的断开还未进行完毕，主控节点Master就对同一节点实时第二次连接，导致连接双方的匹配性差，连接超时现象频出，需要多次连接建立过程；随着SN规模的增加，连接建立、数据传输、连接断开所花费的比例逐渐稳定，这主要是“轮询”规模增大后，轮询流水机制发挥作用，但主控节点Master对当前从属节点Slave轮询以后，需要（SN-1）×（tt+tc）时间才能对该从属节点Slave进行下一轮“轮询”，因此其有（SN-1）×（tt+tc）的时间进行数据准备（从家庭智慧设备获取信息、或发送命令）、进入侦听状态；轮询机制在低速SPI相连的架构中是很有效的；

当RT/SN时间翻倍时，我们测试了每个从属节点Slave轮询的tt、tc、td的比重，测试结果如图6所示；从图6可以看出，tt时间几乎增加了一倍，而tc和td的绝对使用时间基本保持不变，这说明可以根据家庭智慧设备通信的频率、通信数据量来设置RT/SN的大小，以便满足实际需要；当RT/SN=284秒时，如果SN=7，那么在2s时间内每个从属节点Slave都会分到200ms的数据传输时间，因此对于家庭智慧设备信息的收集和控制需求来说还是可行的；而实际上，家庭智慧传感数据收集的频率往往不会太高，一个传感器会以分钟为单位进行传输，例如温度变化以分钟为单位传输足够了。

实验2：测试协同网络系统的可扩展性

构建具有3个末端网络的协同网络系统，每个末端网络包括1个主控节点Master和7个从属节点Slave，我们通过基于ARM7的仿INTERNET智能移动设备，同时向3个末端网络的27个家庭智慧设备发送命令，命令以UDP包封装，然后应用服务器FS再根据地址映射表AMAP分解到各个末端网络，期间经过家庭LAN网络、家庭CAN网络以及各自的末端网络到达从属节点Slave，然后汇集各个从属节点Slave收到命令的时间；这里取RT/SN=142ms（SN=7），每个末端网络以第一个被“轮询”的收到时间为起始时间。得到的响应时间图如图7所示；从图7可以看出27个命令在800ms的时间内全部发送到27个从属节点Slave，每个从属节点Slave收到命令的时间仅仅与其所在末端网络内的节点地址编号有关，与所在末端网络无关；说明协同网络系统的家庭LAN网络、家庭CAN网络的传输速率不是瓶颈，以家庭LAN网络、家庭CAN网络构成骨干网络是可行的，进而基于该骨干网络的末端网络规模是可以扩展的；考虑实际应用中，一个家庭的末端网络数目不会太多，因此在面对家庭应用领域，该协同网络系统是可扩展的；另一方面，命令延迟与轮转周期有关，我们可以算出从属节点Slave收到命令的平均延迟为（RT/SN）/2。

Claims (5)

1.一种智慧家庭协同网络系统，其特征在于：包括家庭CAN网络、家庭LAN网络、网络转换网关、以太网关、智能移动设备，及至少一个未端网络，至少一个家庭智慧设备；

所述家庭CAN网络与家庭LAN网络通过网络转换网关互联，家庭LAN网络通过以太网关连接到INTRENET上，家庭LAN网络中配置有用于管控各家庭智慧设备的应用服务器，智能移动设备连接到INTRENET上；

所述末端网络由一个主控节点及至少一个从属节点通过蓝牙通信机制构成，末端网络中的主控节点接入家庭CAN网络，末端网络中的每个从属节点对应一个家庭智慧设备，并与该家庭智慧设备互联。

2.根据权利要求1所述的智慧家庭协同网络系统的通信方法，其特征在于：

未端网络中，主控节点采用轮询通信方式与各从属节点依序逐个的实施蓝牙通信，从属节点获取对应家庭智慧设备的当前信息，并进入蓝牙连接侦听状态，当获得主控节点的蓝牙连接呼叫后，便与主控节点建立蓝牙通信连接，把对应家庭智慧设备的当前信息发送到主控节点；

主控节点将各从属节点发送来的信息通过网络转换网关发送到应用服务器，应用服务器再通过INTERNET发送给智能移动设备；

智能移动设备通过INTRENET向家庭LAN网络上的应用服务器发送控制目标的控制命令集，控制目标是指需要控制的家庭智慧设备；

应用服务器通过家庭LAN网络、网络转换网关、家庭CAN网络，将智能移动设备发来的控制命令集转发到控制目标的对应从属节点所属的末端网络的主控节点上；

主控节点对应用服务器发来的控制命令集进行解封后发送到控制目标的对应从属节点上，从属节点收到主控节点发来的控制命令集后，将控制命令集中的控制命令发送到与之相连的家庭智慧设备。

3.根据权利要求2所述的智慧家庭协同网络系统的通信方法，其特征在于：

为每一个家庭智慧设备设定一个全局地址ADR，全局地址ADR是一个由IPA、CANA、BA组成的复合地址，其中的IPA为应用服务器的IP地址，CANA为该家庭智慧设备的对应从属节点所属的末端网络中的主控节点的CAN网络地址，BA为该智慧设备的对应从属节点的蓝牙网络地址；

在应用服务器上存有一个地址映射表，地址映射表中存储有IPA与MobileIP之间的映射关系，其中IPA为该应用服务器的IP地址，MobileIP为连接到INTERNET上的智能移动设备的IP地址；

末端网络中的蓝牙通信单元为BU，BU由TimeStamp、BA、COM、DATA、FNflag组成，其中的TimeStamp为时间印，BA为该通信单元所对应的从属节点的通讯地址，COM为通讯命令，DATA为通讯数据集合，FNflag为该通信单元的结束标识；

家庭CAN网络中利用CAN报文进行通信，家庭CAN网络中的通信单元由CAN报文头、CANA、BU组成，CANA和BU被封装在CAN报文的数据单元中；

家庭LAN网络中利用TCP报文进行通信，CANA和BU被封装在TCP报文的数据单元中。

4.根据权利要求3所述的智慧家庭协同网络系统的通信方法，其特征在于：

主控节点将各从属节点发送来的信息封装成CAN报文，并通过CAN协议发送到网络转换网关，网络转换网关将CAN报文中的信息包转换为TCP报文后发送到应用服务器；

应用服务器在收到来自网络转换网关的TCP报文后，从地址映射表中获取通信的目的地址，并把自身的IP地址IPA和获得的CANA、BU封装成TCPU数据包，并通过INTERNET发送给智能移动设备。

5.根据权利要求2所述的智慧家庭协同网络系统的通信方法，其特征在于，末端网络的组网方法如下：

对各节点的节点地址进行编码，将主控节点的地址设置为0，将所有从属节点按照1～SN进行地址编号，SN为末端网络中的从属节点的数量；

所有从属节点启动后即进入蓝牙连接侦听状态，主控节点采用轮询机制向各个从属节点依序逐一的发起蓝牙连接呼叫，从属节点收到主控节点的蓝牙连接呼叫后，便与主控节点建立蓝牙通信连接，然后通过智慧设备接口获取对应家庭智慧设备的设备信息，并将获取的设备信息发送到主控节点，然后再断开与主控节点之间的蓝牙通信连接，回复至蓝牙连接侦听状态；

主控节点从各从属节点获取信息后，构建一个末端网络信息表，末端网络信息表中包含有各从属节点的信息，及各从属节点的对应家庭智慧设备的信息，以及从属节点的数量SN。