智能家居系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

王佳欣

（北京工業(yè)大學(xué)軟件學(xué)院，北京　100022）

智能家居系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

王佳欣

（北京工業(yè)大學(xué)軟件學(xué)院，北京100022）

針對藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)間通信協(xié)議不兼容的問題，本文利用低功耗藍(lán)牙4.0技術(shù)與以太網(wǎng)通信技術(shù)，設(shè)計了基于藍(lán)牙4.0技術(shù)和以太網(wǎng)技術(shù)的智能家居網(wǎng)關(guān)。硬件設(shè)計采用集成了ARM Cortex—A9核心的Zynq 7000開發(fā)平臺作為核心處理器，利用平臺上連接的CSR1010藍(lán)牙模塊與智能家居系統(tǒng)中家居設(shè)備相通信，通過雙絞線將平臺上的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口與路由器相連進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。軟件設(shè)計方面，基于Linux操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的功能。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，本文所設(shè)計的網(wǎng)關(guān)具有較低數(shù)據(jù)丟包率、數(shù)據(jù)處理時延及功耗，可保證智能家居系統(tǒng)中家居藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)通信具有良好的準(zhǔn)確性與實(shí)時性。

智能家居系統(tǒng)；藍(lán)牙4.0通信技術(shù)；低功耗藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)；Linux系統(tǒng)

0　引 言

隨著人們生活條件的不斷改善及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對家居環(huán)境的安全、舒適、便捷性要求越來越高。為了服務(wù)人們的日常生活，滿足人們對家居生活的現(xiàn)代需要，組建融合自動化控制、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)也就成為未來家居環(huán)境建設(shè)的重要方向。物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)雖然克服了傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)存在的許多缺點(diǎn)，但在能源使用上，卻要比傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)產(chǎn)生更為可見的消耗。為了能夠降低能源耗費(fèi)，將藍(lán)牙低功耗技術(shù)應(yīng)用到智能家居系統(tǒng)的家庭局域網(wǎng)中即已成為一種研究發(fā)展趨勢。由于藍(lán)牙通信協(xié)議與Internet通信協(xié)議的互不兼容，為了解決藍(lán)牙與Internet異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的通信問題，本文最終分析采用了解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間通信的典型方案，即設(shè)計協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)。

目前已經(jīng)有很多學(xué)者在解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間通信方面開展了研究，提出了如基于ZigBee/TD-SCDMA無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)［1］、基于ZigBee/Ethernet的網(wǎng)關(guān)［2-5］、基于ZigBee/GPRS的無線傳感器網(wǎng)關(guān)［6］以及基于ZigBee/WIFI的智能家居網(wǎng)關(guān)［7-8］。如上這些研究都是旨在解決采用了ZigBee通信技術(shù)的局域網(wǎng)與其他網(wǎng)絡(luò)互連的問題。雖然ZigBee技術(shù)也是一種低功耗的無線通信技術(shù)，并具有低成本、簡單易用、組網(wǎng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但由于目前ZigBee通信技術(shù)在移動智能終端設(shè)備上并未獲得應(yīng)用與發(fā)展，要對智能家居設(shè)備進(jìn)行控制，就需要增加中間設(shè)備，如此非但不會利于使用而且更增加了設(shè)計成本［9］。此外，針對藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)的研究，也已代表性地提出了基于藍(lán)牙技術(shù)的嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)［10］、基于Linux系統(tǒng)的藍(lán)牙以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)［11］等技術(shù)。可這些針對藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)的研究大多采用的都是傳統(tǒng)藍(lán)牙通信技術(shù)，卻沒有考慮到功耗在智能家居領(lǐng)域的地位重要性。而藍(lán)牙4.0技術(shù)通過將傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)、高速技術(shù)和低耗能技術(shù)3種規(guī)格集成為一體，使其與傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)相比最大的改進(jìn)就是低功耗。而且，除了省電設(shè)計外，還進(jìn)一步具有了低成本、3毫秒低延遲、100米以上超長有效連接距離、AES-128加密等特點(diǎn)。同時，目前大部分的移動智能終端上都已提供了有關(guān)藍(lán)牙4.0通信的技術(shù)支持，這即為其在智能家居領(lǐng)域的應(yīng)用上提供了自然利好的優(yōu)勢。

為此，針對家居藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)與Internet的可行性通信，以及完成對智能家居設(shè)備遠(yuǎn)程控制的研究開發(fā)目的，本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了基于藍(lán)牙4.0技術(shù)的藍(lán)牙以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。硬件上采用基于ARM Cortex-A9核心處理器的Zynq-7000開發(fā)平臺，通過通用異步收發(fā)傳輸器（UART）與CSR1010藍(lán)牙模塊獲得了連接，再用雙絞線將開發(fā)平臺上的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口與路由器相連；軟件上采用在Linux操作系統(tǒng)上和藍(lán)牙模塊上進(jìn)行編程的方式，從而綜合完整地實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)關(guān)的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口和Internet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信、藍(lán)牙模塊與家居設(shè)備的通信、網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換及對終端設(shè)備的管理等各項功能。

1　網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計

如圖1所示，藍(lán)牙-以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)主要由3部分組成：Zynq平臺上所集成的ARM Cortex-A9 MPCore核心處理器、以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口模塊以及支持藍(lán)牙4.0通信技術(shù)的CSR1010藍(lán)牙模塊。硬件上，網(wǎng)關(guān)以ARM Cortex-A9 MPCore為核心處理器，該處理器通過UART串口連接藍(lán)牙模塊，而以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口模塊在Zynq開發(fā)平臺上則是自帶性的，可直接通過雙絞線與路由器相連，從而由此接入Internet網(wǎng)絡(luò)中。

圖1　網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)部署Fig.1 Gateway hardware structure and system deployment

1.1CSR1010藍(lán)牙模塊

在智能家居領(lǐng)域中，低功耗節(jié)能至關(guān)重要。為了滿足節(jié)能環(huán)保的要求，本文選用支持低功耗的藍(lán)牙4.0通信技術(shù)的CSR1010芯片作為網(wǎng)關(guān)的藍(lán)牙模塊。該芯片集成了2.4 GHz射頻收發(fā)器，具備包括PIO、UART、SPI、AIO、I2C等多種引出接口的硬件資源，可以充分滿足網(wǎng)關(guān)中對藍(lán)牙模塊通信的處理性能要求。

1.2以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口模塊

考慮到開發(fā)的成本及效率，以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口模塊采用Xilinx公司的Zynq-7000擴(kuò)展式處理平臺上集成的PHY 88E1518芯片。該芯片是Marvell公司推出的能夠?qū)崿F(xiàn)10/ 100/1000 Mbps的半/全雙工通信的節(jié)能以太網(wǎng)收發(fā)器，完全符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)并且支持MII/RMII/SNI接口來連接不同類型的媒體訪問控制器（MAC），能夠完成雙絞線傳輸?shù)腞J45網(wǎng)絡(luò)接口的適配，供電電源為典型3.3V，自動節(jié)電模式下功耗很低。

1.3核心控制模塊

該模塊是整個藍(lán)牙-以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的核心部分。一方面要與CSR1010藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信，通過串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，并且對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；另一方面，需要對以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口模塊進(jìn)行配置，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與Internet網(wǎng)絡(luò)相通信的功能。智能家居網(wǎng)關(guān)的這些功能即使其對處理器的可靠性以及處理能力都提出了較高要求。本文采用基于Xilinx Zynq-7000擴(kuò)展式處理平臺（EPP）作為主控制器，該平臺集成了雙ARM Cortex-A9 MPCore核心處理器，工作頻率為667MHz，具有32 KB的一級指令數(shù)據(jù)緩存，512 KB的二級緩存。同時，片內(nèi)具有256KB的FIFO片內(nèi)數(shù)據(jù)緩存，以及多個可擴(kuò)展的外部存儲器端口，而且還內(nèi)建有多個串行收發(fā)器并設(shè)計研發(fā)了低功耗的模式，為網(wǎng)關(guān)提供了理論優(yōu)良的硬件性能。

2　網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計

藍(lán)牙以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的軟件體系結(jié)構(gòu)如圖2所示，根據(jù)硬件的設(shè)計方法，藍(lán)牙和以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)軟件部分同樣包含3部分：

1）使用CSR藍(lán)牙開發(fā)套件在運(yùn)行藍(lán)牙4.0協(xié)議的CSR1010藍(lán)牙模塊上編程，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與智能家居設(shè)備的通信；

2）利用Linux系統(tǒng)自帶的TCP/IP協(xié)議通過Socket編程實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與Internet網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的交互；

3）通過在Zynq AP SoC上運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，并通過編程配置實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)核心控制模塊與藍(lán)牙模塊及以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互、向兩者發(fā)送控制信息、對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集與存儲、對協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換、對智能家居設(shè)備節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理及對TCP多線程服務(wù)進(jìn)行控制等功能。其中，最后一部分的設(shè)計是影響網(wǎng)關(guān)性能的重要核心因素。

圖2　網(wǎng)關(guān)軟件體系結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Gateway software architecture

2.1網(wǎng)關(guān)與智能家居設(shè)備間的通信設(shè)計

網(wǎng)關(guān)與智能家居設(shè)備間的通信采用藍(lán)牙4.0無線通信技術(shù)。該技術(shù)采用主從通信模式，網(wǎng)關(guān)作為主設(shè)備可以同時與多個智能家居設(shè)備相連接。為擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)中智能家居設(shè)備節(jié)點(diǎn)的個數(shù)，當(dāng)處于連接狀態(tài)的智能家居設(shè)備與網(wǎng)關(guān)之間在一定時間間隔之內(nèi)沒有發(fā)生數(shù)據(jù)交互時，則立即斷開連接，這樣網(wǎng)關(guān)便可與其他家居設(shè)備相連，構(gòu)成一個星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的微微網(wǎng)。本文也正是采用了此網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

智能家居設(shè)備與網(wǎng)關(guān)的藍(lán)牙模塊的通信流程如圖3所示。首先，網(wǎng)關(guān)對藍(lán)牙模塊進(jìn)行初始化配置，然后當(dāng)網(wǎng)關(guān)中接到來自Internet的命令時，作為主設(shè)備的網(wǎng)關(guān)以廣播的形式主動掃描周邊設(shè)備，當(dāng)對應(yīng)的智能家居設(shè)備對主設(shè)備的發(fā)現(xiàn)請求進(jìn)行應(yīng)答后，網(wǎng)關(guān)可獲得從設(shè)備的地址，而后網(wǎng)關(guān)發(fā)出建立ACL連接請求，智能家居設(shè)備同意建立連接后，網(wǎng)關(guān)即根據(jù)連接句柄可與智能家居設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，也可對智能家居設(shè)備所支持的服務(wù)和相關(guān)特性集進(jìn)行查詢。

圖3　與Internet通信的工作流程Fig.3 Work flow with Internet communication

2.2網(wǎng)關(guān)與Internet間的通信設(shè)計

網(wǎng)關(guān)與Internet的通信是基于Zynq AP SoC上運(yùn)行的Linux操作系統(tǒng)內(nèi)置的TCP/IP協(xié)議棧。通過Vivado工具對Zynq AP SoC進(jìn)行配置，并采用C/S架構(gòu)設(shè)計方式通過Socket編程實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與Internet網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的交互。在通信的過程中，將網(wǎng)關(guān)作為服務(wù)器端，不斷監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)連接請求和數(shù)據(jù)傳輸請求；移動智能終端設(shè)備作為客戶端，當(dāng)希望進(jìn)行智能家居的遠(yuǎn)程控制時，主動向網(wǎng)關(guān)服務(wù)器端發(fā)起Socket連接請求。

2.3網(wǎng)關(guān)核心控制模塊的設(shè)計

網(wǎng)關(guān)核心控制模塊主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)藍(lán)牙模塊與以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口模塊間的工作，是整個網(wǎng)關(guān)的中樞環(huán)節(jié)。網(wǎng)關(guān)的主要工作為：

1）將從Internet上傳來的控制命令數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給智能家居設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對智能家居設(shè)備的遠(yuǎn)程控制；

2）對智能家居設(shè)備的相關(guān)狀態(tài)信息進(jìn)行收集存儲，以便當(dāng)移動客戶端連接到網(wǎng)關(guān)服務(wù)器端時，實(shí)現(xiàn)智能家居設(shè)備的狀態(tài)與移動客戶端所顯示的狀態(tài)的同步。

1）網(wǎng)關(guān)通過運(yùn)行藍(lán)牙4.0協(xié)議的藍(lán)牙模塊與智能家居設(shè)備進(jìn)行通信，來實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程控制命令信息的轉(zhuǎn)發(fā)及對智能家居設(shè)備的狀態(tài)信息進(jìn)行收集的功能。因此，網(wǎng)關(guān)要實(shí)時與智能家居設(shè)備保持通信。為了對數(shù)據(jù)實(shí)施高效的處理，本文采用如圖4所示的多線程工作方式對來自遠(yuǎn)程移動客戶端的控制命令數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)操作。其中，數(shù)據(jù)接收線程負(fù)責(zé)監(jiān)聽及接收遠(yuǎn)程移動客戶端發(fā)送來的命令數(shù)據(jù)包并將其插入到共享數(shù)據(jù)存儲區(qū)，該數(shù)據(jù)區(qū)以隊列形式存儲。數(shù)據(jù)處理線程負(fù)責(zé)從共享存儲數(shù)據(jù)區(qū)中取出數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理過程主要包括數(shù)據(jù)解析、格式轉(zhuǎn)換以及通過串口將數(shù)據(jù)傳輸給藍(lán)牙模塊等。在整個過程中，對共享數(shù)據(jù)存儲區(qū)中進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，只要其內(nèi)部存有數(shù)據(jù)便通知數(shù)據(jù)處理線程對共享數(shù)據(jù)區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通知的方式采用消息傳遞的機(jī)制。然后利用藍(lán)牙模塊轉(zhuǎn)發(fā)給智能家居設(shè)備。而對智能家居設(shè)備的狀態(tài)信息進(jìn)行收集的處理過程也采用類似的設(shè)計方式。

2）智能家居網(wǎng)關(guān)與Internet的通信是基于TCP/IP協(xié)議的，網(wǎng)關(guān)與遠(yuǎn)程客戶端程序采用的是C/S架構(gòu)設(shè)計方式。其中，網(wǎng)關(guān)作為Server端，客戶端作為Client端。在整個智能家居系統(tǒng)中，會有多個用戶擁有對智能家居設(shè)備控制的權(quán)限。為此，本文使用線程池的技術(shù)來完成對多用戶并發(fā)操作的響應(yīng)。首先網(wǎng)關(guān)成功連接到Internet網(wǎng)絡(luò)后，開啟一個TCP服務(wù)器線程用來監(jiān)聽是否有遠(yuǎn)程移動客戶端發(fā)來的連接請求；發(fā)現(xiàn)有連接請求后，對獲取到的用戶信息進(jìn)行檢驗(yàn)以決定能否與之建立連接；若可以建立并已處于連接狀態(tài)，則對會話信息進(jìn)行加載，否則將對會話信息進(jìn)行重新配置，并從線程池中分配一個用來與遠(yuǎn)程客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的會話線程。當(dāng)線程接收到遠(yuǎn)程的控制命令后，對命令進(jìn)行解析，解析到正確的控制命令則執(zhí)行，錯誤的控制命令將不進(jìn)行處理。

圖4　遠(yuǎn)程控制命令的多線程處理流程Fig.4 Multi thread processing flow of remote control commands

網(wǎng)關(guān)與Internet通信的工作流程如圖5所示。

圖5　網(wǎng)關(guān)與智能家居設(shè)備的通信流程Fig.5 The communication process between gateway and intelligent home equipment

3　數(shù)據(jù)傳輸格式設(shè)計

Internet網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率要高于藍(lán)牙4.0網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸速率，并且兩者有著不同的數(shù)據(jù)處理能力，所以為了減少家居藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通信量，使網(wǎng)關(guān)能夠高效地處理數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)的傳輸過程中，現(xiàn)采用2種不同的數(shù)據(jù)包格式傳輸數(shù)據(jù)：

1）智能家居網(wǎng)關(guān)與Internet網(wǎng)絡(luò)之間的通信。當(dāng)網(wǎng)關(guān)監(jiān)聽到有遠(yuǎn)程移動客戶端發(fā)送給智能家居設(shè)備的命令時，網(wǎng)關(guān)的會話線程即對命令進(jìn)行解析，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包的格式分發(fā)給家庭網(wǎng)絡(luò)中的家居設(shè)備?，F(xiàn)在基于XML或JSON格式的數(shù)據(jù)是使用較多的數(shù)據(jù)交換方式。而目前無論是Android還是iOS系統(tǒng)，對XML和JSON都有著豐富的解析手段，但考慮到JSON是輕量級的，數(shù)據(jù)的體積較小，傳輸速率較快，并且在解析較少的數(shù)據(jù)時相比XML更具效率優(yōu)勢。因此，本文采用JSON的數(shù)據(jù)格式在移動客戶端和網(wǎng)關(guān)間進(jìn)行通信。如用戶控制設(shè)備標(biāo)識為5的開關(guān)設(shè)備使其做“開”操作的JSON示例如下。其中，command代表控制命令；operation代表操作類型；device代表設(shè)備。

2）智能家居設(shè)備與網(wǎng)關(guān)藍(lán)牙模塊之間的通信。當(dāng)移動客戶端有命令送達(dá)至網(wǎng)關(guān)時，網(wǎng)關(guān)將進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并以數(shù)據(jù)包的格式發(fā)送到家居藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)中。數(shù)據(jù)包格式如圖6所示。

圖6　與智能家居設(shè)備之間通信的數(shù)據(jù)格式Fig.6 Data format for communication with smart home devices

其中，首部2個字節(jié)為標(biāo)識段，包含一個字節(jié)的設(shè)備唯一標(biāo)識，一個字節(jié)的數(shù)據(jù)包類型。標(biāo)識段后是數(shù)據(jù)段，包含一個字節(jié)的數(shù)據(jù)類型字段、一個字節(jié)的數(shù)據(jù)長度字段和最大長度不超過10字節(jié)的可變長度的數(shù)據(jù)內(nèi)容；此外，還有一個字節(jié)的安全性校驗(yàn)符以及一字節(jié)的用于完整性校驗(yàn)的結(jié)束符。

4　實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計與分析

本文設(shè)計定義的藍(lán)牙-以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的實(shí)物圖如圖7所示。

其中，y（客戶的逾期情況）是二分類變量（yi=1表示第i個客戶逾期，yi=-1表示第i個客戶未逾期）；β為待估計參數(shù)。

圖7　網(wǎng)關(guān)硬件實(shí)物Fig.7 Gateway hardware

為了對網(wǎng)關(guān)的性能進(jìn)行測試，對測試的實(shí)驗(yàn)環(huán)境給出部署方式如圖8所示，將5個支持藍(lán)牙4.0技術(shù)的智能家居開關(guān)設(shè)備節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)置在網(wǎng)關(guān)的藍(lán)牙模塊可達(dá)到的通信距離內(nèi)，這一距離由藍(lán)牙射頻理論傳輸距離而最終確定。這樣5個開關(guān)設(shè)備節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)的藍(lán)牙4.0模塊就組建成一個以網(wǎng)關(guān)為中心節(jié)點(diǎn)的藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)。通過在智能開關(guān)設(shè)備的運(yùn)行程序上進(jìn)行設(shè)置，使得開關(guān)節(jié)點(diǎn)每隔10 s向網(wǎng)關(guān)發(fā)送一次數(shù)據(jù)，同時在遠(yuǎn)程移動客戶端程序中進(jìn)行設(shè)置，使得移動客戶端每隔15 s向網(wǎng)關(guān)發(fā)送一次數(shù)據(jù)，然后通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，從而對網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)丟包率、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)丟包率、數(shù)據(jù)處理時延大小進(jìn)行測試。另外，通過對比分析ZigBee模塊、WIFI模塊正常運(yùn)行時所需功耗的大小來測量藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)在功耗方面的性能。

4.1接收數(shù)據(jù)丟包率的實(shí)驗(yàn)

網(wǎng)關(guān)所接收的數(shù)據(jù)包含以下2種：

1）網(wǎng)關(guān)核心控制模塊從串口接收的數(shù)據(jù)，具體就是開關(guān)設(shè)備節(jié)點(diǎn)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)藍(lán)牙模塊的數(shù)據(jù)；

2）網(wǎng)關(guān)核心控制模塊從以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口模塊接收的來自遠(yuǎn)程移動客戶端的控制命令數(shù)據(jù)。這里，考慮到網(wǎng)關(guān)設(shè)計中是在Zynq平臺上發(fā)生的，而以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口模塊是開發(fā)平臺上自帶的，這就使得其數(shù)據(jù)接收能力已經(jīng)足夠強(qiáng)大，所以本文將不再對其進(jìn)行測試，而主要則針對第1）種接收數(shù)據(jù)的丟包率進(jìn)行測試。根據(jù)上述部署的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，分別在串口波特率為4 800 bit/s和9 600 bit/s時進(jìn)行5次丟包統(tǒng)計實(shí)驗(yàn)測試，一次實(shí)驗(yàn)是指網(wǎng)關(guān)完成從串口讀取500個數(shù)據(jù)包。而后，將對5次實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計結(jié)果求取平均值。最后的實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1　網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)丟包率Tab.1 Receive data packet loss rate of gateway

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可以看出，在不同串口波特率的情況下，網(wǎng)關(guān)接收來自智能家居設(shè)備的數(shù)據(jù)丟包率都比較低，2個實(shí)驗(yàn)丟包率的平均值僅為0.07%，充分說明了網(wǎng)關(guān)具備著較好的數(shù)據(jù)接收能力。

4.2轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)丟包率的實(shí)驗(yàn)

網(wǎng)關(guān)對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)包含2個過程：

1）將接收到的從智能家居設(shè)備節(jié)點(diǎn)獲得的設(shè)備狀態(tài)信息通過以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口模塊轉(zhuǎn)發(fā)到Internet的過程；

2）將接收到的遠(yuǎn)程移動客戶端發(fā)送來的遠(yuǎn)程控制命令通過網(wǎng)關(guān)的藍(lán)牙模塊轉(zhuǎn)發(fā)到智能家居設(shè)備節(jié)點(diǎn)的過程。

根據(jù)研究部署的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，采用在網(wǎng)關(guān)中設(shè)置計數(shù)器的方式對網(wǎng)關(guān)所轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包的數(shù)量以及丟包量進(jìn)行統(tǒng)計，連續(xù)統(tǒng)計12 h，針對2種過程的實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2　網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)丟包率Tab.2 Gateway forwarding data packet loss rate

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可以看出，網(wǎng)關(guān)對2種轉(zhuǎn)發(fā)過程的數(shù)據(jù)都有著較低的丟包率，這也說明了網(wǎng)關(guān)已表現(xiàn)出較好的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力。

4.3處理數(shù)據(jù)時延的統(tǒng)計實(shí)驗(yàn)

網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)處理時延是指網(wǎng)關(guān)核心控制模塊將一個完整的數(shù)據(jù)從串口或者Internet中讀出來到完成對該數(shù)據(jù)的處理的時間間隔。這一指標(biāo)是衡量藍(lán)牙以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)對數(shù)據(jù)處理能力大小的重要依據(jù)。根據(jù)上述部署的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，分別在串口波特率為4 800 bit/s和9 600 bit/s時對網(wǎng)關(guān)處理數(shù)據(jù)時延大小進(jìn)行測試。當(dāng)網(wǎng)關(guān)完成從串口讀取1 000個數(shù)據(jù)包并處理完畢時對網(wǎng)關(guān)時延進(jìn)行一次平均值的計算，計算結(jié)果則作為此測試結(jié)果，當(dāng)進(jìn)行了5次同樣的時延計算后，再對5次的結(jié)果求得平均值，實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

表3　網(wǎng)關(guān)處理數(shù)據(jù)的時延大小Tab.3 Delay of gateway processing data

根據(jù)表3中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，網(wǎng)關(guān)處理數(shù)據(jù)的時延平均值為15.68 ms，與CCSA標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的100 ms相比較而言要降低很多，有效地說明了網(wǎng)關(guān)對數(shù)據(jù)處理的及時性。

4.4網(wǎng)關(guān)的功耗性能測試

功耗對于智能家居系統(tǒng)至關(guān)重要。為分析藍(lán)牙以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的功耗性能，本文通過對比分析的方法，在單獨(dú)為ZigBee模塊提供3 V、WIFI模塊提供5.5 V、藍(lán)牙4.0模塊3.3 V的供電電壓情況下，利用萬用表分別對網(wǎng)關(guān)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)下以及在休眠狀態(tài)下功耗的大小進(jìn)行測量，得到結(jié)果如表4所示。

表4　功耗對比測試Tab.4 Power consumption comparison test

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，無論在數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)還是在休眠狀態(tài)，與其他2個模塊相比，藍(lán)牙4.0模塊的功耗都是最低的，更加符合智能家居系統(tǒng)對低功耗節(jié)能的要求。

5　結(jié)束語

智能家居網(wǎng)關(guān)是智能家居系統(tǒng)的重要組成部分，發(fā)揮著連通智能家居藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)的作用。本文通過對網(wǎng)關(guān)的軟硬件設(shè)計和數(shù)據(jù)傳輸格式等方面進(jìn)行介紹，實(shí)現(xiàn)了基于低功耗藍(lán)牙4.0通信技術(shù)的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。該網(wǎng)關(guān)可以優(yōu)效實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)中家庭藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)互連的功能。下一步可將本文設(shè)計的智能家居網(wǎng)關(guān)進(jìn)一步擴(kuò)展為支持藍(lán)牙m(xù)esh組網(wǎng)功能的藍(lán)牙以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，并可與大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于智慧家居、智慧城市等領(lǐng)域。

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Design and implementation of smart home system gateway

WANG Jiaxin
（College of software engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100022，China）

Aiming at the problem that the communication protocol of Bluetooth Network is incompatible with the Internet network，a smart home gateway based on Bluetooth 4.1 technology and Ethernet technology is designed.Hardware design uses the integrated Cortex A9 ARM core of the Zynq 7000 platform as the main processor，using CSR1010 Bluetooth module connected on the platform communicated with the node of the intelligent home system.The Ethernet interface of the platform is connected with the router through the two feet line to carry out the remote communication.In terms of software design，the gateway based on the Linux operating system realizes the data communication between Bluetooth network and Internet network.Experimental test results show that the design of the gateway has a lower packet loss rate，delay of data processing and power consumption，and it can ensure that in the smart home system，the communication between Bluetooth home network and Internet network has good accuracy and real-timing.

smart home system；bluetooth 4.0 communication technology；low power bluetooth gateway；Linux system

TP391

A

2095-2163（2016）03-0041-05

2016-03-30

王佳欣（1989-），女，碩士研究生、主要研究方向：嵌入式軟件設(shè)計。