引言
家庭网关是智能家居系统的核心,它主要完成家庭内部网络各种不同通信协议之间的转换和信息共享,以及同外部通信网络的信息交换功能。通过家庭网关,用户可以很方便地通过Internet实现对家庭智能设备的远程控制和管理,使得远程设备维护和集成设备管理成为可能。
智能家居是一个多行业交叉覆盖的系统工程,虽然应用前景广阔,但随着家庭网络技术的快速发展,家庭网络标准(DLNA、UPnP、ECHONET、LonMark、IGRS、ITopHome等)之间的竞争导致家庭网关和家电厂商难以选择一种协议作为自己产品的标准。由于缺乏统一的协议标准,各设备厂商按照不同的接口标准与协议生产设备,使不同设备之间的互连、互通变得非常困难。如何设计一个家庭网关来实现不同协议之间的互操作变得至关重要。针对这个问题,本文通过提出一种兼容多种协议的家庭网关设计解决方案,研究了支持家庭网络标准工作组制定的标准协议的家庭网关。
1 家庭网关体系架构
1.1 家庭网关体系架构
根据家庭网络标准工作组对家庭网络的定义,它是融合控制网络和多媒体信息网络于一体的家庭信息化平台,是在家庭范围内,实现信息设备、通信设备、娱乐设备、家用电器、自动化设备、照明设备、保安(监控)装置及水电气热表、家庭求助报警等设备互联和管理的系统。
如图1,家庭网络系统采用分层次的网络拓扑结构,分为家庭主网和家庭控制子网两个网段。家庭主网关是与外部网络进行通信的桥梁,家庭控制子网中的设备通过子网关、主网关与外部通信。网关系统由ASP.NET服务器组件、网络连接控件、家庭网关以及设备组成。ASP.NET服务器组件使用Web界面的方式,为用户提供管理和使用网关的接口,提供给用户人性化的组件参数设置界面,以方便用户对各个设备的控制。如空调设备,可以在界面上对空调的温度、风向、模式等进行配置。网络连接控件使用了ActiveX控件技术,作为一个客户端的组件,它的主要功能是提供访问网关的通信协议,并实现客户端与各设备的即时通信。家庭网关是家庭网络内外信息交换的枢纽,对外提供宽带互联网接口,对内为家庭内部的各种设备提供互联通道,并为家庭网络提供丰富和强大的其他功能,如家庭设备的管理和业务开放、家庭网络安全保护等。
现有的家庭网络体系多以局域网为主,不便于异地实时地监控家庭中的各种设备,设备出现故障也无法及时关闭。本文设计的家庭网关很好地解决了这一需求,用户可以通过Internet用家庭网关实现对家庭网络中各种智能设备的远程管理和监控,使得设备运行维护比较简单,能实现不同的人员,从不同的地点,以不同的接入方式(比如LAN,WAN, Internet/Intranet等)访问和操作共同的数据。
1.2 支持家庭网络标准协议的家庭网关体系架构
考虑到家庭网关的实用性及可扩展性,本文对现有的家庭网络协议对比分析后,决定采用更符合我国市场需求的家庭网络标准工作组制定的协议,重点对增加家庭网络标准协议支持的家庭网关进行了研究。为了使家庭网络标准协议设备直接方便地接入家庭网络,且不需要对原有的家庭网关体系架构作大范围地修改,本文决定采用改造家庭网关的方法。具体方法是保持Web服务与家庭主网关之间的部分不变,修改主网关,使之兼容家庭网络标准协议,如图2所示。
与图2中子网关相连的设备(如:设备1)遵循的是自定义的基于TCP/IP的网关协议,支持家庭网络标准协议的各种设备是不能直接接入家庭网络的。为了使支持标准协议的设备(如:设备3)接入家庭网络,可以通过改造主网关,使之增加对标准协议支持,从而实现不同协议设备之间的互操作。
使用图2设计的家庭网关,不仅原来的设备可以接入家庭网络,而且只要是支持家庭网络标准协议的设备也能很方便地接入家庭网络,不同标准和协议设备之间的互联互通变得很容易。更加值得一提的是,当需要增加一种设备时,比如微波炉,就不需要按照原来的自定义协议对所买的微波炉进行改造,只需要直接使用市场上符合标准协议的微波炉即可,节省了人力物力,也大大方便了用户。
2 多协议融合
由于现有家庭网络标准众多且没有统一标准,给不同家庭网络协议的设备之间的互操作带来了一些困难。采用图2所示的家庭网关体系,除了增加了对家庭网络标准协议设备的支持外,还可以使更多的不同标准协议设备比较方便地接入家庭网络中,可以通过扩充网关的方式实现多种协议的融合,具体方法如下:
在图2所示的家庭网关体系中,外部网访问主网关的部分不用修改,需要修改的是主网关以及主网关下面部分的结构。比如,需要接入闪联(IGRS: Intelligent Grouping and Resource Sharing)协议的设备,那么对主网关进行扩充,提供一个支持IGRS协议的接口,如同实现对家庭网络标准协议的支持一样,再增加一个IGRS协议子网关,这样, IGRS协议设备就可以直接接入家庭网络。通过这种方法,实现了主网关动态增加协议的功能,降低了不同网络协议设备互操作的难度。
3 协议转换
主网关要实现对家庭网络标准协议的兼容,难点在于家庭网关如何实现两种协议的转换,使用户可以在Internet上通过家庭网关实现对两种不同标准协议设备之间的管理和控制。下面主要描述家庭网关是如何实现这个协议转换功能的。
首先介绍网关通信协议。家庭网关不仅要与服务器进行功能交互,还需要对各种不同目标设备进行监控。协议部分需要分为服务器与网关的通信协议,以及网关与各个目标设备的通信协议两个部分。由于在实现支持家庭网络标准协议家庭网关的改造过程中,只是对主网关部分作了扩充修改,因此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。但主网关与设备之间的通信协议需要进行修改,它要增加实现与家庭网络标准协议设备之间的通信。于是,当服务器与家庭网络标准协议设备之间进行互操作时,网关需要实现自定义协议与家庭网络标准协议之间的转换,具体实现过程从两个方面来分别描述。
3.1 设备编址方式及设备验证方法
原来自定义协议的编址方式是: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。若设备没有二级地址或三级地址,则相应字节填0x00。家庭网络标准协议提供了统一的网络设备地址UDS,作为子网设备的唯一标识。UDS长度为6个字节,其结构如表1所示。
当有新的设备注册到网关时,主网关需要区分所连的设备是原来的设备还是家庭网络标准协议设备,才能对相应设备实行进一步的控制操作。本文通过具体的设备地址来区分,方法是:将标准设备地址分配到原来设备地址表中的保留地址范围,且需要实现标准设备地址UDS与原来设备地址之间的转换。考虑到UDS结构图中的设备编号是0~255以及设备地址表中一级地址保留范围是10~249,可以通过将六个字节的UDS转换为原有协议中3个字节的设备地址,其中一级地址表示家庭网络标准子网关的编号,范围是10~249;二级地址是标准设备编号,范围是0~255;三级地址保留,为0x00。具体是将UDS结构中3字节的子网关编号转为1个字节的一级地址,设备编号转为1字节的二级地址。这样,当网关检测到注册设备的子网关地址是在10~249之间时,就知道所连设备是标准协议设备,相应的如果子网关地址不是这个范围,则为原来的设备。
两种协议都采用TCP协议作为传输数据的平台,网关作为TCP的Server端,其他设备作为TCP的Client端,在传输协议数据前必须建立TCP的Server-Client连接。
首先介绍遵循原有的自定义协议网关在验证设备注册时的处理方法。当有新的设备连接到网关上时,网关首先验证客户端是否合法,从而决定是否建立逻辑通道。具体方法是:
a)建立TCP连接后,网关会主动发送本协议的连接操作;
b)当网关检测到有设备与它建立TCP连接时将发出连接命令;设备收到该条命令后应做相应地回答;
c)若网关连续3次发送皆没有响应则认为所连设备认证未通过,并做相应处理。
根据家庭网络标准协议中的描述,子网关通过DHCP协议从主网关获得IP地址,与自定义协议处理方法不同。家庭网络标准协议中,子网关作为主网关的一个设备,需支持DHCP协议,主网关也需支持DHCP协议。子网关作为DHCP的客户端与主网关上的DHCP服务器通信,自动获得IP地址。这种服务器动态分配地址的方法与原来自定义协议的实现方式不同,为了使主网关兼容家庭网络标准协议,采取改用服务器静态分配地址的方法,即设定几个子网关地址,由主网关主动发起,定时探测这几个子网关是否成功连接。连上后,若主网关需要与子网关通信,进而控制家庭控制子网中的设备,则向子网关发送注册数据包,注册到子网关上,一旦注册到子网关上,就可以根据家庭网络标准协议中主网关与子网关之间的通信协议进行数据传输。
3.2 设备间通信
家庭网关体系中的目标设备分为两类:一类是按照原有协议改造后的设备,还有一类是支持家庭网络标准协议的设备,这两类设备按照各自相应的协议与网关进行通信。基于两种协议的设备与网页分别进行数据交互时,网关的功能不同。首先介绍遵循原来自定义协议的设备与网页互操作的过程,具体过程如下:
当经改造后的设备与网页进行数据交互时,网关主要负责转发数据,如图3所示。例如,当用户在网页上设置空调的温度为26℃时,网关就将收到的数据包命令信息转发给目标设备空调,空调收到后执行控制命令,调节自身温度到26℃;之后,空调会主动上传包含温度、工作模式等信息的数据,同样经过网关转发后在网页中显示当前空调的工作状态。这样,通过网关就成功完成了网页与目标设备的一次互操作。
由于在改造网关过程中没有对外部网与主网关之间部分进行改变,服务器端与主网关的通信遵循的还是原来自定义的协议,所以当标准协议的设备与网页进行数据交互时,网关不仅是转发数据,还需要实现原有的自定义协议与标准协议之间的转换,如图3所示。还是以设置空调温度为26℃为例,网页需要向支持家庭网络标准协议的空调设备发送这条控制命令。为了实现设备间通信,就需要把原来自定义协议数据包转换成标准协议数据包格式,且表述的意思也是设置空调温度为26℃,从而与空调设备实现通信。
4 结束语
本文在研究各种家庭网络协议的基础上,提出了一种兼容多种协议的家庭网关设计解决方案,研究了支持家庭网络标准工作组制定的标准协议的家庭网关;重点介绍了家庭网关的软件设计,分析和比较了两种协议中验证设备在网关上的注册过程,并详细描述了在设备间通信期间网关所起的不同作用。使用本文设计的家庭网关不仅可将支持家庭网络标准协议的智能设备直接接入家庭网络,且具有扩展性,当需要将其他协议设备接入网络时,只需要为网关提供一个支持该协议的接口,即可实现不同协议设备间的互操作。这样,整个智能家居网关系统就具有更强大的功能和更好的性能。
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只看楼主 我来说两句 抢板凳