關于openHAB智能網關的技術研究

鐘良驥，桂學勤，厲陽春，趙君喆

(湖北科技學院 計算機科學與技術學院，湖北 咸寧 437100)

“智能家居”，利用計算機技術、嵌入式技術、網絡通訊技術和傳感器技術等，將家庭中各種設備(照明系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、智能家電等)有機的連接到一起。智能家居讓用戶方便的控制電器設備，根據場景設定設備的工作模式，使設備采用互通方式進行管理。

目前，國內智能家居產品基于有線或集中通信方式，系統(tǒng)成本高，部署周期長，維護不方便，較難適應當前的發(fā)展形式。隨著人們生活水平的提高，對智能家居系統(tǒng)的要求也不斷提高，如何實現(xiàn)家庭設備網絡化無線管理，是智能系統(tǒng)的首要問題。本文基于pcduino開發(fā)板，搭建openhab服務器，實現(xiàn)網絡化、簡單、方便的電氣設備控制系統(tǒng)。

一、網關總體設計

中控系統(tǒng)主要包括Cortex A8處理器的 pcduino開發(fā)板(家庭網關)、 Zigbee協(xié)調器、WiFi模塊、Zigbee節(jié)點設備(如門磁開關、燈光繼電器、紅外探測器、煙霧傳感器等)，結構如圖1所示。在A8中移植openhab服務器，作為網關，負責設備的管理以及遠程監(jiān)控。設備通信采用Zigbee無線傳感網絡，因此網關需要保存通信數(shù)據，并對Zigbee無線傳感網絡進行數(shù)據處理。 網關上的Zigbee協(xié)調器，負責Zigbee內部網絡的設備管理與控制。WiFi模塊訪問無線路由器，完成與以太網的連接， 實現(xiàn)內部網絡與Internet的通信。

圖1 系統(tǒng)示意圖

二、網關硬件設計

網關硬件有處理器A8模塊，Zigbee模塊，以太網模塊，IDE接口模塊，USB接口模塊，NAND FLASH模塊，I/O模塊，JTAG模塊，串口調試模塊等。其中，Zigbee模塊用來連接內部智能家居網絡；以太網模塊用來連入Internet；IDE 接口模塊用來接IDE硬盤，USB主接口用來接即插即用USB設備，如 U盤、USB攝像頭等，SD卡模塊用來外接SD卡，NAND FLASH模塊為系統(tǒng)提供FLASH存儲空間；USB從接口模塊傳輸速率遠大于串口和JTAG接口，可以用來下載大容量的固件程序或數(shù)據；串口模塊用作系統(tǒng)輔助調試；JTAG模塊用來下載小容量的固件程序以及在線調試；I/O模塊用作系統(tǒng)控制臺，提供人機接口。

1.處理器模塊

處理器是嵌入式網關的核心，為達到較高的性能，采用pcduino開發(fā)板：內置32位RISC指令集，采用ARM Cortex A8內核，主頻1GHz、內存1GB；擴展接口有2.54mm Headers兼容Arduino；具有以太網RJ45接口，可擴展 USB WiFi；支持Ubuntu或者Android4.0兩種操作系統(tǒng)；內置大量API，包括UART、ADC、PWM、GPIO、I2C等；并支持C, C++with GNU tool chain和Java with standard Android SDK等編程語言。

圖2 網關

2.Zigbee組網模塊

系統(tǒng)采用Zigbee無線通信技術，組建設備的星形網絡。網關內置一個Zigbee模塊，作為網絡協(xié)調器，負責各子傳感器節(jié)點的通信管理、動態(tài)組網與數(shù)據傳輸。Zigbee終端節(jié)點，主要包括家庭內部網絡中的門磁開關、紅外對射探測器、玻璃破碎探測器、火災探測器以及煙感和燃氣泄露探測器等。方案中，Zigbee采用的芯片是DRF1605H，是一款低成本、低功耗、寬電壓、工作頻率2.4GHz、基于IEEE 802.15.4協(xié)議開發(fā)，支持Zigbee 2007 Pro 協(xié)議棧，可應用在LED 路燈、辦公場所及家庭、工業(yè)等無線控制及無線數(shù)據傳輸領域。

3.WiFi通信模塊

WiFi模塊負責網關的Internet連接，采用USR-WIFI232-L芯片。該芯片集成了MAC，基頻芯片，射頻收發(fā)單元，以及功率放大器；嵌入式的固件支持WiFi協(xié)議及配置，以及組網的TCP/IP協(xié)議棧。通過該芯片，傳統(tǒng)低速串口設備，均可以方便的接入WiFi無線網絡，從而實現(xiàn)互聯(lián)網絡控制與管理；其次，該芯片針對低流量、低頻率的網絡數(shù)據傳輸有很大優(yōu)勢；此外，該芯片集成了所有WiFi的功能，模塊尺寸小，采用表貼封裝，可內嵌在產品的硬件PCB單板電路上，并配備內置天線、外置天線連接器，以及一個板載接口。

三、軟件平臺設計

網關基于ubuntu操作系統(tǒng)，軟件部署的主要步驟包括：系統(tǒng)裁剪與編譯、java交叉編譯環(huán)境配置、openhab服務器的安裝和部署。

1.系統(tǒng)移植

按照傳統(tǒng)的開發(fā)方法，需要下載交叉編譯器，設置環(huán)境變量等問題。在pcduino上搭建步驟如下：

(1)安裝ubuntu系統(tǒng)；

(2)更新系統(tǒng)：sudo apt-get upgrade # ；

(3)安裝交叉編譯器，設置編譯環(huán)境：sudo apt-get install g++-arm-linux-guneabihf #；

其次，構建pcDuino系統(tǒng)所有的源碼都在https://github.com/pcduino/kernel里面，需要安裝git，然后下載相關源碼。

(4)下載、安裝git工具：sudo apt-get install git-core #；

(5)下載源碼，大概有2G左右，執(zhí)行：git clone https://github.com/pcduino/kernel.git #；

(6)內核源碼在linux-sunxi目錄下，執(zhí)行：make mrproper；

(7)Linux內核源碼的圖像化界面基于ncurses庫，需要安裝該庫，執(zhí)行命令：

sudo apt-get install libncurses5-dev；

(8)安裝結束后，切換到/home/pillar/WORK/kernel/build/sun4i_defconfig-linux/下

“make CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabi- ARCH=arm menuconfig”，可以看到Linux內核配置界面了，如圖3，配置完成后保存退出。

圖3 內核配置界面

2.java環(huán)境的交叉編譯

在pcduino上安裝java環(huán)境，需要下載java的安裝文件，它有專門針對arm芯片的版本(下載地址：http://www.oracle.com/technetwor ... s/javase/index.html)。這里有好幾個文件，注意是要下這個才行：ejre-7u10-fcs-b18-linux-arm-vfp-client_headful-28_nov_2012.tar.gz。

第一步：解壓，命令如下：tar -zxvf ejre*.tar.gz。

改變權限：chown -R root:root ./ejre1.7.0_10

創(chuàng)建一個新的目錄：mkdir -p /usr/lib/jvm/，這個目錄是java的虛擬機的位置。

把解壓的文件拷貝進去：mv ejre1.7.0_10/ /usr/lib/jvm/

第二步：安裝arm支持，執(zhí)行：sudo apt-get install -y libc6-armel libsfgcc1

第三步：安裝后續(xù)支持包。首先下載下來，地址如圖4：

圖4 下載地址

然后，把這些文件下載到一個目錄中，cd到這個目錄，安裝后，執(zhí)行：sudo dpkg --unpack --force-architecture lib*

第四步：拷貝tools.jar文件，在http://processing.org/download/ 下載一個processing-2.0b7-linux32，然后找到里面processing-2.0b7javalib ools.jar文件，把這個文件拷貝到java_home/lib中。執(zhí)行命令：sudo cp java/lib/tools.jar /usr/lib/jvm/ejre1.7.0_10/lib/

第五步：設置環(huán)境變量在/etc/profile 文件中加入：

JAVA_HOME=export JAVA_HOME=/usr/lib/jvm/ejre1.7.0_10

PATH=$PATH:$JAVA_HOME/bin

CLASSPATH=.:$JAVA_HOME/lib/dt.jar:$JAVA_HOME/lib/tools.jar

export JAVA_HOME

export PATH

export CLASSPATH

第六步：修改java文件為可執(zhí)行,命令如下：

cd java_home/bin

chmod 777 java

通過上述環(huán)境配置，java的編譯環(huán)境搭建完成，可以通過java程序測試一下。

3.openHAB的安裝與配置

openHAB系統(tǒng)，是一個開放的自動化項目，采用純Java技術方案。Equinox的OSGi與Jetty，一起作為Web服務器運行的核心基礎。系統(tǒng)設計完全開放，匯集不同的總線系統(tǒng)，硬件設備、以及接口協(xié)議；系統(tǒng)允許用戶界面設計，具有獨特的外觀和感覺，同時具有強大的自動化邏輯處理能力。此外，系統(tǒng)通過協(xié)議綁定，實現(xiàn)總線的事件發(fā)送、接收命令和狀態(tài)更新。系統(tǒng)結構示意圖如圖5。

圖5 openHAB系統(tǒng)結構示意圖

openHAB采用中間件技術，內置一套建立在傳輸層以上的協(xié)議轉換機制，支持數(shù)據雙向傳遞(即網關接收到節(jié)點發(fā)來的監(jiān)測數(shù)據后，預處理形成消息交給消息代理，由消息代理轉給管理應用；而管理應用收到用戶的設置參數(shù)或控制命令后，形成消息傳遞給消息代理，再由消息代理發(fā)給網關節(jié)點)。協(xié)議轉換的中間件，既是消息的提供者，也是消息的使用者。中間層為消息代理，完成消息的路由功能，分別接收管理應用、網關節(jié)點發(fā)來的消息，然后進行轉發(fā)，使管理應用與監(jiān)測網絡的網關間實現(xiàn)數(shù)據交互。如圖6。

底層為多個Zigbee監(jiān)測網絡，負責監(jiān)測數(shù)據的采集與控制。每個Zigbee監(jiān)測網絡有一個網關節(jié)點和若干的數(shù)據采集節(jié)點。監(jiān)測網絡采用星型結構，網關節(jié)點作為每個監(jiān)測網絡的基站。網關節(jié)點具有雙重功能，一是充當網絡協(xié)調器的角色，負責網絡的自動建立和維護、數(shù)據匯集；二是作為監(jiān)測網絡與中間層交互的接口，與中間層的消息代理傳遞消息。

圖6 中間件

上層為openhab服務器，作為人機接口，實時顯示各個Zigbee監(jiān)測網絡的監(jiān)測數(shù)據;接收用戶的各種設置參數(shù)和控制命令。

基本流程：外部節(jié)點由Zigbee星型網絡組成，家中電器開關狀態(tài)和傳感器的控制信息在網絡中自由傳輸，經由協(xié)調器傳送至openhab服務器的網關，再由網關通過WiFi經無線路由連接到外部以太網，用戶可以通過遠程用戶界面端了解家中電器狀態(tài)；家庭網關可以通過無線網絡對遠程用戶的控制命令作出判斷和響應，從而開啟或關閉家中的電器。

關于openHAB安裝、配置以及協(xié)議綁定的具體操作如下：

(1)用git工具在網站下載系統(tǒng)源碼(https://github.com/openhab/openhab)，然后創(chuàng)建一個openHAB文件夾。

(2)下載并安裝Yoxos(https://yoxos.eclipsesource.com/downloadlauncher.html)，該軟件包含超過2,000 Eclipse插件，Yoxos發(fā)射器可以自動下載所有的插件和所需的依賴，能快速部署軟件運行環(huán)境。

(3)創(chuàng)建java工作環(huán)境，選擇openhab的項目文件，并導入工作區(qū)，選擇openHAB文件夾為根目錄。

(4)編譯運行代碼，生成部分的openhab，找到項目“org.openhab.model.codegen”，準備啟動該文件。選擇“運行-> x產生ABC模型”，按照順序完成相關操作。其中，在第一個代碼生成時，會提示是否下載“ANTLR文件”，選擇“Y”。

(5)一般來說，項目文件在編譯后，都不會有錯誤。如果出現(xiàn)錯誤標記，嘗試“清除”有關的項目。

(6)協(xié)議綁定，基于設備通信方式，通常綁定串口協(xié)議。

四、結語

本文提出無線智能網關的設計和實現(xiàn)方案，采用低功耗pcduino核心板、Zigbee協(xié)議作為內網通信方式、TCP/IP協(xié)議棧的WiFi模塊為網絡的數(shù)據出口，以openhab服務器為網關，克服了傳統(tǒng)網關架構下Zigbee傳輸速率較低的瓶頸，利用WiFi和Zigbee全網無線無縫連接。系統(tǒng)測試結果是：該系統(tǒng)可靠性高、協(xié)議轉換效率高，抗干擾能力強，同時具有很好的通用性，適合智能家居、工業(yè)控制等領域的技術應用。

參考文獻：

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