CN109274560B - 一种智能家居系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种智能家居系统，包括移动终端、云服务器平台以及依次连接的4G/5G DTU模块、嵌入式网关、485协议转换器和485HUB集线器，移动终端分别与云服务器平台和4G/5G DTU模块连接；485HUB集线器连接有协议转换器以及采用485协议的前端设备，协议转换器包括zigbee‑RS485协议转换器，RF315/433‑RS485协议转换器，CAN总线‑RS485协议转换器、Lora‑RS485协议转换器。本发明避免了由于家用路由器的不稳定性和易入侵性所导致的智能家居系统瘫痪或者个人隐私泄露等情况；解决了不同品牌智能家居产品之间无法互通、兼容的问题，可对各种品牌的智能产品在智能家居系统APP内进行统一控制，极大的提高了用户的使用体验。
Description
技术领域
本发明属于智能家居技术领域，具体涉及一种智能家居系统。
背景技术
目前，市面上大部分的智能家居产品实质上为单物智能，也就是智能单品，只是对单一的物品进行控制。并且大部分智能家居产品的场景及联动是架构在家用路由器之上的，家用路由器的安全性、稳定性较差。
首先，目前市面上大部分智能家居存在安全性、稳定性方面存在问题，由于大部分智能家居的场景及联动系统架构在家用路由器之上，而由于大部分家庭对路由器基本不会进行安全设置，只是简单的觉得可以上网就好，所以路由器的安全性难以得到保证，易受到黑客攻击导致泄漏个人隐私的情况。稳定性方面，由于不同的家庭使用的各品牌各价位的路由器质量参差不齐，家用路由器网络的稳定性较差，有时候会出现网络延迟或者断网的情况，从而导致架构在家用路由器之上的智能家居系统出现设备响应不灵敏或者瘫痪的情况。其次，兼容性方面存在问题，由于大部分智能家居实质是单物智能，也就是智能单品，智能单品的最大缺点就是无法实现不同厂家及多种不同的智能单品之间的互联互通，特别是每个智能单品都要下载一个专用的APP，导致使用者的手机中有太多的APP，对使用者带来额外的困扰和不便。
大部分智能家居产品将系统架构在家用路由器之上，虽然智能家居产品使用的zigbee技术具有一定安全性但家用路由器的安全性、稳定性较差，从而导致整个智能家居系统的安全性、稳定性较低。各品牌各厂家的智能家居产品之间的协议不公开，存在市场竞争的关系，从而导致各品牌产品间无法互联互通、相互兼容。
发明内容
发明目的：针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种智能家居系统。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种智能家居系统，包括移动终端、云服务器平台以及依次连接的4G/5G DTU模块、嵌入式网关、485协议转换器和485HUB集线器，所述移动终端分别与云服务器平台和4G/5G DTU模块连接；所述485HUB集线器连接有协议转换器以及采用485协议的前端设备，所述协议转换器包括zigbee-RS485协议转换器、RF315/433-RS485协议转换器、CAN总线-RS485协议转换器和Lora-RS485协议转换器；所述zigbee-RS485协议转换器连接zigbee前端设备，所述RF315/433-RS485协议转换器连接采用RF315/433协议的前端设备，所述CAN总线-RS485协议转换器连接CAN总线制前端设备，所述Lora-RS485协议转换器连接采用Lora协议的前端设备。
作为优选，所述zigbee-RS485协议转换器为包括依次连接的ZigBee模块、ARM处理器和RS-485收发器，实现zigbee协议与RS485协议的相互转换，所述zigbee-RS485协议转换器通过嗅探和抓包技术分析zigbee前端设备的数据包内的字节并转换成485协议转换器可识别的信息。
作为优选，所述RF315/433-RS485协议转换器包括依次连接的RF315/433收发模块、ARM处理器和RS-485收发器，实现RF315/433协议与RS485协议的相互转换。
作为优选，所述CAN总线-RS485协议转换器包括依次连接的CAN收发器、ARM处理器和RS-485收发器，实现CAN总线协议与RS485协议的相互转换。
作为优选，所述Lora-RS485协议转换器包括依次连接的Lora模块、ARM处理器和RS-485收发器，实现Lora协议与RS485协议的相互转换。
作为优选，所述485协议转换器将采用不同485协议的前端设备所发出的信息转换、翻译成嵌入式网关可识别的信号并发送给嵌入式网关，实现前端设备与嵌入式网关的互联互通。
作为优选，所述移动终端包括电脑、智能手机或者平板，所述移动终端具有查看前端设备运行信息以及对设备进行操作控制的功能。
作为优选，所述云服务器平台为阿里云物联网平台，阿里云物联网平台具有用户身份认证、保障前端设备与云端安全通信的功能。
作为优选，所述采用485协议的前端设备包括RS485智能单品和RS485智能终端模块。
作为优选，所述RS485智能终端模块包括门磁、煤气传感器、漏水传感器、烟雾传感器、摄像头、灯、窗户机、窗帘机、水阀和气阀。有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的智能家居系统采用双网络链路传输路径，采用4G/5G DTU模块，以4G信号为主，家用路由为辅，不受家庭网络影响，安全性、稳定性高。同时，本发明基于阿里物联网平台，提高了智能家居系统的安全性和稳定性，改变了市面上大部分智能家居系统架构在家用路由器上的结构形态，避免了由于家用路由器的不稳定性和易入侵性所导致的智能家居系统瘫痪或者个人隐私泄露等情况。
解决不同品牌智能家居产品之间无法互通、兼容的问题，避免了不同的智能单品需要下载不同的APP来控制的问题，优化了用户体验。对于目前市面上主流的智能家居控制方案：zigbee协议无线控制方案、射频315/433无线控制方案、总线制控制方案，Lora方案均可进行兼容控制，可兼容各品牌智能产品，可对各种品牌的智能产品在智能家居系统APP内进行统一控制。在使用智能家居系统的基础上，用户可选择各种品牌的智能产品，通过智能家居系统进行统一管理控制，做到多品牌智能家居产品只用一个APP来控制，极大的提高了用户的使用体验。
附图说明
图1是现有技术的智能家居系统结构示意图；
图2是本发明的智能家居系统结构示意图；
图3是本发明的智能家居系统zigbee-RS485协议转换器结构示意图；
图4是本发明的智能家居系统RF315/433-RS485协议转换器结构示意图；
图5是本发明的智能家居系统CAN总线-RS485协议转换器结构示意图；
图6是本发明的智能家居系统Lora-RS485协议转换器结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图2-6所示，一种智能家居系统，包括移动终端、云服务器平台以及依次连接的4G/5G DTU模块、嵌入式网关、485协议转换器和485HUB集线器，所述移动终端分别与云服务器平台和4G/5G DTU模块连接；所述485HUB集线器连接有协议转换器以及采用485协议的前端设备，所述协议转换器包括zigbee-RS485协议转换器、RF315/433-RS485协议转换器、CAN总线-RS485协议转换器和Lora-RS485协议转换器；所述zigbee-RS485协议转换器连接zigbee前端设备，所述RF315/433-RS485协议转换器连接采用RF315/433协议的前端设备，所述CAN总线-RS485协议转换器连接CAN总线制前端设备，所述Lora-RS485协议转换器连接采用Lora协议的前端设备。
三种协议转换器使本系统与市场上主流的智能家居控制方案：zigbee协议无线控制方案、射频315/433无线控制方案、总线制控制方案、Lora方案相兼容。
嵌入式网关、485协议转换器、4G/5G DTU模块和485HUB集线器为本智能家居系统的基础核心设备，嵌入式网关的硬件包括处理器、内存、存储、操作系统、RS485接口、指示灯、网络接口、USB HOST接口、TF卡接口、Debug UART接口、蜂鸣器、加密芯片、电源等，将底层系统写入嵌入式网关中，嵌入式网关采用Linux系统，使得智能家居系统的基础核心设备具备一个小型服务器的功能，可在远程端进行直接控制，而现有的智能家居采用后端服务器与家用路由和前端设备连接，当家用路由出现故障时，需将前端的路由和设备送至维护中心进行检测维护。
485协议转换器将采用不同485协议的前端设备所发出的信息转换、翻译成嵌入式网关可识别的信号并发送给嵌入式网关，实现前端设备与嵌入式网关的互联互通。485HUB集线器则起着隔离、管理485总线线路的作用。
采用485协议的前端设备包括RS485智能单品和RS485智能终端模块。
RS485智能终端模块包括门磁、煤气传感器、漏水传感器、烟雾传感器、摄像头、灯、窗户机、窗帘机、水阀和气阀。
zigbee-RS485协议转换器为包括依次连接的ZigBee模块、ARM处理器和RS-485收发器，实现zigbee协议与RS485协议的相互转换，zigbee-RS485协议转换器通过嗅探和抓包技术分析zigbee前端设备的数据包内的字节并转换成485协议转换器可识别的信息，由此做到前端的zigbee设备与基础核心设备互联互通，从而实现兼容控制。ZigBee模块可采用ZLAN9500或者其他现有的模块，ARM处理器采用STM32F103或者其他ARM处理器，ARM处理器内置协议转换程序，RS-485收发器可采用MAX485接口芯片。
RF315/433-RS485协议转换器包括依次连接的RF315/433收发模块、ARM处理器和RS-485收发器，实现RF315/433协议与RS485协议的相互转换，使前端采用RF315/433协议的智能产品与基础核心设备互联互通，从而实现兼容控制。RF315/433收发模块可采用XCMC433M芯片或者其他现有的RF315/433收发模块，ARM处理器采用STM32F103或者其他ARM处理器，ARM处理器内置协议转换程序，RS-485收发器可采用MAX485接口芯片。
CAN总线-RS485协议转换器包括依次连接的CAN收发器、ARM处理器和RS-485收发器，实现CAN总线协议与RS485协议的相互转换。CAN收发器可已采用TJA1050芯片或者其他的CAN收发器芯片，ARM处理器采用STM32F103或者其他ARM处理器，ARM处理器内置协议转换程序，RS-485收发器可采用MAX485接口芯片。目前市面上的总线制智能家居产品以485总线制和CAN总线制为主。如是采用485总线协议的智能产品，则将前端设备直接接入基础核心设备即可实现兼容控制，基础核心设备中的485协议转换器可转换各种采用485总线协议的智能前端设备。如采用CAN总线协议的智能产品，CAN总线-RS485协议转换器即可实现CAN总线制前端设备的兼容控制。
Lora-RS485协议转换器包括依次连接的Lora模块、ARM处理器和RS-485收发器，实现Lora协议与RS485协议的相互转换。使前端采用Lora协议的智能产品与基础核心设备互联互通，从而实现兼容控制。Lora模块可已采用CR140LoRaWAN无线模块或者其他Lora模块，ARM处理器采用STM32F103或者其他ARM处理器，ARM处理器内置协议转换程序，RS-485收发器可采用MAX485接口芯片。
移动终端包括电脑、智能手机或者平板，在移动终端上安装有智能家居系统APP。移动终端具有查看前端设备运行信息以及对设备进行操作控制的功能，这些功能通过智能家居APP或者微信小程序实现。
智能家居APP功能模块包括但不限于以下模块，可根据不同家庭的情况进行增减，包括的功能模块可以有：
①用户管理模块：用户下载智能家居APP后，可使用手机号码进行账号注册、绑定，用户也可在APP内添加其他用户账号使用APP，也可进行删除其他用户账号和修改密码等操作。
②设备管理模块：用户可在设备管理模块部分对家中参与智能家居系统的各智能设备进行控制和状态查看，如灯、窗户、窗帘、煤气传感器、烟雾传感器、漏水传感器等各类终端设备。
③红外空调管理模块：红外空调管理模块将家中挂机、柜机空调的遥控器功能学习过来，用户和在APP内的红外空调管理模块内对家中空调的开关、模式、温度、风速、风向等参数进行控制。
④场景联动管理模块：用户可在场景联动管理模块内按照自己的生活习惯和需求自行设置或修改家中场景和联动的模式，如可设置触发回家模式后，家中灯打开、窗帘打开、窗户关上等一系列联动措施，用户可根据自己的想法来设置、修改和添加内容。
⑤消息推送管理模块：在家中各类传感器或紧急按钮触发后，智能家居系统在自行处理过相应的联动措施后，由4G/5G DTU模块向用户手机APP消息推送管理模块内推送消息，推送的消息内容可在默认出厂的内容基础上进行修改，填入自己想要的消息内容。如出厂默认设置内容为“家中煤气传感器触发，请及时查看”，可改为“主人，家里可能煤气泄漏了，请注意！”这样的内容。
⑥背景音乐管理模块：在家中安装背景音乐系统的用户，可在背景音乐管理模块内对背景音乐系统的开关、音量大小、上一首/下一首进行控制，也可查看播放的曲目名称。用户还可以在背景音乐管理模块中设置背景音乐的定时开关进行设置，时间点、时间段均可设置，可做闹钟使用。
本发明的云服务器平台采用阿里云物联网平台，阿里云物联网平台具有用户身份认证、保障前端设备与云端安全通信的功能。本发明的智能家居系统基于阿里云物联网平台，阿里云物联网平台提供以下多重防护有效保障设备云端安全：
(1)身份认证
物联网平台给每户的智能家居系统分配一个ID，提供身份认证；提供芯片级安全存储方案(ID2)及设备秘钥安全管理机制，防止设备密钥被破解。提供一机一密的设备认证机制，降低设备被攻破的安全风险，适合有能力批量预分配ID密钥烧入到每个芯片的设备。
(2)通信安全
支持TLS(MQTT\HTTP)、DTLS(CoAP)数据传输通道，保证数据的机密性和完整性，适用于硬件资源充足、对功耗不是很敏感的设备。支持TCP(MQTT)、UDP(CoAP)上自定义数据对称加密通道，适用于资源受限、功耗敏感的设备。支持设备权限管理机制，保障设备与云端安全通信。支持设备级别的通信资源(TOPIC等)隔离，防止设备越权等问题。
采用智能终端例如智能手机可在智能家居系统APP内直接控制家庭内个各种前端设备，下面以控制客厅灯为例详细解释本发明采用485协议的前端设备的应用流程：
步骤101：在APP内点击打开客厅灯，发出开灯指令；
步骤102：由4G/5G DTU模块接收到开灯指令信息并发送给嵌入式网关；
步骤103：嵌入式网关处理信息后向485协议转换器发送开灯指令；
步骤104：485协议转换器将嵌入式网关发出的客厅开灯指令转换成客厅灯光智能终端模块可响应的指令；
步骤105：客厅灯光智能终端模块接收485协议转换器转换后的指令并响应，则客厅灯打开。
以客厅窗户机为例，详述采用Zigbee协议的前端设备的应用流程：
步骤201：在APP内点击打开客厅窗户，发出开窗指令；
步骤202：由4G/5G DTU模块接收到开窗指令信息并发送给嵌入式网关；
步骤203：嵌入式网关处理信息后向485协议转换器发送开窗指令；
步骤204：485协议转换器将嵌入式网关发出的客厅开窗指令发送到RS485-zigbee协议转换器；
步骤205：RS485-zigbee协议转换器将485协议转换器发送过来的客厅开窗指令转换成客厅窗户机可识别的zigbee信号，通过无线传输给客厅窗户机；
步骤206：客厅窗户机接收到可识别的zigbee开窗指令并响应，打开窗户。
以客厅窗帘机为例，详述采用315/433协议的前端设备的应用流程：
步骤301：在APP内点击打开客厅窗帘，发出开窗帘指令；
步骤302：由4G/5G DTU模块接收到开窗帘指令信息并发送给嵌入式网关；
步骤303：嵌入式网关处理信息后向485协议转换器发送开窗帘指令；
步骤304：485协议转换器将嵌入式网关发出的客厅开窗帘指令发送到RF315/433-RS485协议转换器；
步骤305：RF315/433-RS485协议转换器将485协议转换器发送过来的客厅开窗指令转换成客厅窗户机可识别的RF315/433信号，通过无线传输给客厅窗帘机；
步骤306：客厅窗帘机接收到可识别的RF315/433开窗帘指令并响应，打开窗帘。
各种品牌的各种智能单品均可以通过本发明的智能家居系统进行控制。
Claims (10)
1.一种智能家居系统，其特征在于：包括移动终端、云服务器平台以及依次连接的4G/5G DTU模块、嵌入式网关、485协议转换器和485HUB集线器，所述移动终端分别与云服务器平台和4G/5G DTU模块连接；所述485HUB集线器连接有协议转换器以及采用485协议的前端设备，所述协议转换器包括zigbee-RS485协议转换器、RF315/433-RS485协议转换器、CAN总线-RS485协议转换器和Lora-RS485协议转换器；所述zigbee-RS485协议转换器连接zigbee前端设备，所述RF315/433-RS485协议转换器连接采用RF315/433协议的前端设备，所述CAN总线-RS485协议转换器连接CAN总线制前端设备，所述Lora-RS485协议转换器连接采用Lora协议的前端设备；所述嵌入式网关中包含有指示灯、蜂鸣器和加密芯片。
2.根据权利要求1所述的智能家居系统，其特征在于：所述zigbee-RS485协议转换器为包括依次连接的ZigBee模块、ARM处理器和RS-485收发器，实现zigbee协议与RS485协议的相互转换，所述zigbee-RS485协议转换器通过嗅探和抓包技术分析zigbee前端设备的数据包内的字节并转换成485协议转换器可识别的信息。
3.根据权利要求1所述的智能家居系统，其特征在于：所述RF315/433-RS485协议转换器包括依次连接的RF315/433收发模块、ARM处理器和RS-485收发器，实现RF315/433协议与RS485协议的相互转换。
4.根据权利要求1所述的智能家居系统，其特征在于：所述CAN总线-RS485协议转换器包括依次连接的CAN收发器、ARM处理器和RS-485收发器，实现CAN总线协议与RS485协议的相互转换。
5.根据权利要求1所述的智能家居系统，其特征在于：所述Lora-RS485协议转换器包括依次连接的Lora模块、ARM处理器和RS-485收发器，实现Lora协议与RS485协议的相互转换。
6.根据权利要求1所述的智能家居系统，其特征在于：所述485协议转换器将采用不同485协议的前端设备所发出的信息转换、翻译成嵌入式网关可识别的信号并发送给嵌入式网关，实现前端设备与嵌入式网关的互联互通。
7.根据权利要求1所述的智能家居系统，其特征在于：所述移动终端包括电脑、智能手机或者平板，所述移动终端具有查看前端设备运行信息以及对设备进行操作控制的功能。
8.根据权利要求1所述的智能家居系统，其特征在于：所述云服务器平台为阿里云物联网平台，阿里云物联网平台具有用户身份认证、保障前端设备与云端安全通信的功能。
9.根据权利要求1所述的智能家居系统，其特征在于：所述采用485协议的前端设备包括RS485智能单品和RS485智能终端模块。
10.根据权利要求9所述的智能家居系统，其特征在于：所述RS485智能终端模块包括门磁、煤气传感器、漏水传感器、烟雾传感器、摄像头、灯、窗户机、窗帘机、水阀和气阀。
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