一种智能家居嵌入式网关的制作方法

专利名称：一种智能家居嵌入式网关的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种网关，特别是一种智能家居嵌入式网关。
背景技术：
随着互联网技术的发展，智能家居的概念得到了多数人的接受和认可。现代的智能家居系统不仅仅能够实现简单的安防报警系统，更是涵盖了环境检测、可燃气体报警、智能家电控制、节能等功能。网关是智能家居系统的重要组成部分，是底层数据传感和高层广域网通信的桥梁，网关设计的良好与否直接决定了智能家居系统的好坏。现有智能家居网关，多采用专用线缆或者ZigBee无线传感通信网络。采用专用线缆，虽然成本较低，但是布线非常繁琐，添加或者删除智能家居监控节点，都需要较大的工程改造，这对智能家居的推广造成了较大的影响。基于ZigBee的无线通讯系统，虽然解决了无须布线的问题，但线通信受障碍物影响较为明显，在穿越钢筋混凝土墙体后，信号大幅度衰减，传输距离锐减。虽然可以采用自组网(节点中继技术)来部分解决问题，但成本会急剧上升。为了实现家庭内部的覆盖，需增加节点发射功率。对于采用ZigBee和蓝牙技术的节点来说，一旦增加功率，辐射大幅度上升，超过安全范围。电力载波通信技术很好的解决了这个问题，低压电力线载波PLC (Power Line Carrier )通信是以低压配电线(380 V / 220V电力线)作为信息传输媒介进行数据或语音等传输的一种特殊通信方式。电力线网络是目前覆盖范围最广的网络，有着巨大的潜在利用价值。国外对此研究已有近百年的历史，在理论和技术上有着绝对的优势。电力载波通信可以很好的解决智能节能监控电力插座的通信传输，但是一些传感器使用电池供电，且摆放位置特殊，不适合经过电力线传播，需保留无线通信功能。ZigBee、蓝牙(BlueTooth)技术、WiFi技术在无线智能家居中得到广泛应用，但是其功耗较大且组网协议复杂，适合在更高级场合使用。

发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种布线简单、无线信号覆盖强的智能家居嵌入式网关。实现本发明目的的技术解决方案为一种智能家居嵌入式网关，包括核心控制器、 内部感知通信网模块和视频监控模块，所述内部感知通信网模块、视频监控模块分别与核心控制器相连接，其中核心控制器用于数据上行和数据下行时不同协议数据和信号的转化，内部感知通信网模块通过RS232标准串口与核心控制器相连，用于连接内部网络中的家用设备；视频监控模块与核心控制器相连，将检测到的视频信号传输给核心控制器，该监控模块还通过AV同轴电缆线与视频摄像头相连接。本发明与现有技术相比，其显著优点为针对智能家居监控通信节点较少的特殊情况，采用电力载波通信和SimpliCiTI无线通信协议结合的技术方案，建立一个布线简单、无线通信信号强的智能家居嵌入式网关。精简版的SimpliciTI协议更显得小巧精悍， 易于使用。SimpliciTI协议最多支持255个节点通信，支持星型组网和点对点通信，专门为智能家居等小规模组网量身定做。


图1是本发明智能家居智能控制系统应用示意图。图2是本发明智能家居嵌入式网关内部结构示意图。图3是本发明智能家居嵌入式网关SimpliciTI无线通信模块拓扑结构示意图。图4是本发明智能家居嵌入式网关实施中网络发送至新型智能家居嵌入式网关的数据包格式示意图。图5是本发明智能家居嵌入式网关实施过程中返回包格式示意图。图6是本发明智能家居嵌入式网关实施例示意图。图中标号所代表的含义为1、监控摄像头，2、智能家居嵌入式网关，3、移动通信基站。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细描述。如图1、图2，本发明的一种智能家居嵌入式网关，包括核心控制器、内部感知通信网模块和视频监控模块，内部感知通信网模块、视频监控模块分别与核心控制器相连接，其中核心控制器用于数据上行和数据下行时不同协议数据和信号的转化，内部感知通信网模块通过RS232标准串口与核心控制器相连，用于连接内部网络中的家用设备；视频监控模块与核心控制器相连，将检测到的视频信号传输到核心控制器，该监控模块还通过AV同轴电缆线与视频摄像头相连接。本发明的智能家居嵌入式网关还包括公网通信模块，该模块通过RS232标准串口与核心控制器相连，用于对内部网络与外部通信网之间的地址转换和数据传送。公网通信模块包括以太网通信模块和GSM/GPRS通信模块。所述核心控制器包括Cortex-M3系列ARM、扩展FLASH和SDRAM存储器，其中ARM和SDRAM存储器之间通过数据总线和地址总线连接，ARM和FLASH存储器之间通过I2C接口进行连接。所述内部感知通信网模块包括无线传感通信模块或电力载波通信模块或二者的组合模块。无线传感通信模块网络兼容SimpliciTI协议来进行无线方式的通信连接，网内最多由255个无线传感通讯节点组网，所述无线传感通讯节点通过智能家居嵌入式网关组成星型网络。电力载波通信模块采用扩频通信技术对电力载波信号进行的传输和解调。电力载波通信模块通过电力线与智能节能电力插座相连接。核心控制器负责数据上行和数据下行时不同协议数据的转化；数据上行时核心控制器接收从无线传感通信网络和电力载波通信网络传送的温度、湿度、光照、可燃性气体浓度、电器实时功率等数据，并将其转换成TCP/IP数据包发送或将其打包成可以通过短信或者GPRS形式的数据帧转发；数据下行通过手机或者PC机客户端访问新型智能家居嵌入式网关，网关接收到GSM/GPRS网络或者互联网传送的数据，在进行解包后，将相应数据转发到无线传感通信网络或者电力载波通信网络，传感器节点或者智能节能电力插座在接收到传送的数据后，执行对应命令。
网关通过AV电缆线外接视频摄像头；通过无线传感通信网络添加温度、湿度、可燃性气体浓度、烟雾浓度等传感器并实时传送相关信息；通过电力载波模块，利用电力载波通讯技术添加智能节能电力插座，可以实时反馈当前插座电器功率、累计用电量等信息。无线传感通信网络兼容SimpliciTI协议，工作于2. 4G频段，网内最多由255节点组网，无线传感通讯节点通过新型智能家居嵌入式网关组成星型网络；温度、湿度、光照、可燃性气体浓度、烟雾浓度、报警信号等监控信息，通过SimpliciTI无线传感通信网络传输到新型智能家居嵌入式网关，由网关通过网络或者短信报警。电力载波通讯模块采用扩频通信技术，将待传输信息的频谱用扩频函数扩展后成为宽带信号送入信道中传输，再在接收端将该宽带信号压缩；智能节能电力插座通过电力载波技术经电力线连接至新型智能家居嵌入式网关电力载波通信模块；通过电力载波技术，智能节能电力插座将附着与插座上电器的实时用电功率、电流、电压等信息实时的反馈至新型智能家居嵌入式网关。用户可以通过手机短信、手机客户端PC机客户端等多种方式和新型智能家居嵌入式网关进行通信；在系统初始化时，设定网关IP地址和报警电话，同时可以设定新型智能家居嵌入式网关的工作模式自动模式或手动模式；在自动模式下，各类监控数据通过无线传感通信网络或电力载波通信网络传送至新型智能家居嵌入式网关，并通过网络发送至监控终端，监控数据超过设定值时，自动发出报警；在手动模式下，用户通过客户端主动访问新型智能家居嵌入式网关获得监控数据。网关具有视频监图像处理匹配功能；其视频接口安装有监控摄像头，通过手机网络或者LAN互联网访问网关，可以获得当前最新的监控视频；同时网关具有图像视频处理功能，在智能家居网关设定为监控模式时，监控中的图像有任何变化时，如有人闯入，会立即发出警示，通过智能网关内置GSM/GPRS模块发送短信至预设定的号码，同时通过LAN互联网发送警告信息至PC机客户端；用户在收到报警信息后，可以通过手机或者PC机查看当前监控视频，并根据需要，决定是否忽略或者报警。通信帧主要分为控制帧、地址帧和数据帧；在进行任何一次操作之前，通过GPRS 网络或者LAN互联网向网关发送控制帧，如(系统开/关、查询报表、设定初值、控制电器)， 在发送了控制帧后，发送地址帧和数据帧；在接收到地址和数据后，根据地址的不同，网关决定将相应的数据广播到SimpliciTI无线传感通信网络或者是电力载波通信网络。下面对本发明做进一步的说明
(1)新型智能家居嵌入式网关的接口及实现
如图1所示，为新型智能家居智能控制系统的应用示意图，嵌入式网关通过AV电缆连接视频监控摄像头，实时监控家庭内部。无线传感通信模块，包括温湿度传感器、一氧化碳传感器、玻璃破碎传感器、红外传感器等，通过多跳网络的形式连接至新型智能家居嵌入式网关。无线传感通信网络的拓扑结构如图3所示。电力载波通信模块通过电力线连接至新型智能家居嵌入式网关电力载波通信模块。上述新型智能家居嵌入式网关，核心控制器负责跨层协议的翻译。在设计中，选择 TI Cortex-M3系列低功耗处理器，该平台控制器具有高性能的32位运算能力，即拥有32位RISC性能，但价位和传统的8位和16位相当。同时，新型智能家居嵌入式网关需包含GSM/ GPRS通讯模块、电力载波通讯模块以及SimpliciTI通讯模块，扩展这些模块的前提是控制器拥有多个串口或者空闲I/O可用，Cortex-M3系列至少拥有2个串口，满足了这一要求。 部分Cortex-M3系列微处理器自带LAN通讯端口，只需连接上接口即可使用，省去了外接芯片设计，缩短了设计时间同时降低了系统的整体成本。(2)新型智能家居嵌入式网关工作流程
按照如图1所示搭建好基于新型智能家居嵌入式网关的智能家居系统，嵌入式网关上电后，自动初始化无线传感通信模块、电力载波通信模块、GSM/GPRS通信模块、LAN通信模块以及视频监控模块。初始化成功后，网关为自己设定网内通信地址编号为GATE，设定无线传感通信网络模块网内通信地址编号为HUBWO (无线传感通信0号节点，即无线传感通信汇聚节点)，设定电力载波通信模块网内通信地址编号为HUBPLC0 (电力载波通信0号节点，即电力载波通信汇聚节点)。若系统为第一次启动，则需为系统设置LAN通信地址，即IP地址，如 172. 18. 130. 1。该IP地址必须为公网可以访问的IP地址。同时，若系统为第一次启动，还需设定报警指向电话，即在监控数据超出正常范围值时，短信或电话报警的号码。该号码可以是110、119或者户主的手机或者单位电话。无线传感通信网上电后，通过广播信号“获取地址命令”，网关板在收到该命令后， 为其分配网内通信地址编号，并返回此编号，如温度传感器为第一个上电的节点，则此温度传感器获得编号HUBW0001。在通信过程中，若此节点因电池耗尽而失效，不影响其编号，网络为其保留通信地址编号。在节点恢复供电后，查询保留的节点编号，以原节点编号继续通智能电力监控插座在上电后通过广播信号“获取地址命令”，网关板在收到该命令后，为其分配网内通信地址编号，HUBPLC0返回此编号。系统初始化完毕后，系统可以工作于自动模式和手动模式两种状态。当系统工作于手动模式时，用户可以通过手机或PC机访问新型智能家居嵌入式网关，获得当前监控数据。网络发送至新型智能家居嵌入式网关的数据包格式如图4所示封装，包括引导码、包有效长度、命令码、命令参数、目标地址、源地址和校验码。引导码标示一个新的数据包的开始，同时区分在网络上发送包的类型，占用1个固定字节，规定发送时引导码固定为40H。包有效长度，表示整个数据包从包命令码到校验码所有字节的总长度，占用1个字节。命令码，表示命令类型，占用1个字节。命令参数，其长度随命令而变化，可以为命令的执行参数或者命令的数据段。目标地址，包的最终目的地址，可以为IP地址或者网内通信编号，如是广播帧，则置为FFH，占用4字节。源地址，包的发送方地址，可以为IP地址或者网内通信编号，方便在接收到数据包后，按照源地址反馈数据信息，占用4字节。校验码，为从引导码开始到源地址全部字节综合、丢弃进位后的字节补码，占用1字节。新型智能家居嵌入式网关在接收到命令或数据或，根据包的内容进行相关操作， 并返回数据包，返回数据包如图5所示封装，包括引导码、包有效长度、命令码、返回数据、 目标地址、源地址和校验码。引导码标示一个新的数据包的开始，同时区分在网络上发送包的类型，占用1个固定字节，规定返回数据时引导码固定为F4H。包有效长度，表示整个数据包从包命令码到校验码所有字节的总长度，占用1个字节。命令码，与接收到命令码相同，表示该返回包是对该命令的响应，占用1个字节。返回数据，其长度随数据的大小而变化。目标地址，包的最终目的地址，可以为IP地址或者网内通信编号，如是广播帧，则置为FFH，占用4字节。源地址，包的发送方地址，可以为IP地址或者网内通信编号，方便在接收到数据包后，按照源地址反馈数据信息，占用4字节。校验码，为从引导码开始到源地址全部字节总和、丢弃进位后的字节补码，占用1字节。当命令执行失败后，返回包的引导码为F4H，其返回数据部分为1个字节的错误代码。手动模式下，用户通过手机短信或GPRS网络，或者通过PC机客户端通过互联网访问新型智能家居嵌入式网关。网关在接收到数据包后，解析数据包并根据其命令执行操作， 假设命令为查询当前室内温度，则新型智能家居嵌入式网关通过无线传感通信模块向整个无线网络广播“查询当前室内温度”的命令。无线传感通信节点在接收到查询命令后，计算当前节点温度并根据数据包内的源地址计算出当前数据包的目标地址，反馈至新型智能家居嵌入式网关。若当前网络传送至新型智能家居嵌入式网关的命令为“关断卧室总电源”，新型智能家居嵌入式网关接收到命令后，通过电力载波通信模块，向对应“卧室总电源”编号的节能电力插座发送指令。对应 “卧室总电源”编号的节能电力插座接收到关闭的指令后，关闭当前插座电源，并反馈OK执行完毕指令。在自动模式下，各类监控数据通过无线传感通信网络或电力载波通信网络传送至新型智能家居嵌入式网关，并通过网络发送至监控终端，监控数据超过设定值时，自动发出报警。本网关主要用于新型智能家居系统之中，主要用于室内各类参数的监测以及家电的智能控制等功能，为了配合实现此功能，在对应的监测节点或者家电上，需加装兼容于对应协议的通信模块，如兼容SimpliciTI协议的无线通信模块或者兼容电力载波通信的节点模块。本网关用于智能家居，环境参数监控及智能家电控制，采用功耗和成本都很低的 SimpliciTI技术，同时，本网关也通过混合通信网(SimpliciTI无线通信技术或者电力载波通信技术)实现环境监控、智能家电控制等任务。下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述本发明的智能家居嵌入式网关通信模块可以分为两大类内部感知通信网和公网。公网包括以太网通信模块和GSM/GPRS通信模块，内部感知通信网主要包括SimpliciTI无线监控通信模块和电子载波通信模块。每个模块在设计时，设计为可拆卸的单独模块，其中公网模块为选配，内部感知通信网模块为必配，如某个网关可以只装配电子载波通信模块。 各个模块通过RS232标准串口与主控MCU相连。只有需要跟外网通信节点需安装公网通信模块。另外，网关在整个网络中可以实现多跳中继的角色。如图6所示房间，房间a中放置了具备电力载波的插座a，上面连接着电脑，房间b 放置有兼容于SimpliciTI协议的无线温度传感器b，房间c放置有无线煤气传感器c，房间 d装有空调d。为了实现通信的全部过程，我们可以这样设置网关，a选择带有公网模块的“以外网通信模块”，a的配置为“以太网通信模块”，“内部感知通信网模块(无线和电力载波)”，由于a已经设置了公网通信模块，b, c，d三个内部网关只需将感知或控制数据汇集至a网关即可，所以b，c，d无需配置公网通信模块。假设房间c内煤气泄漏，需向“119”或用户自动发出报警，则数据传输流向如下，煤气传感器通过无线网络，将数据传输给在覆盖范围内的新型网关c，网关c需要传给网关a，但网关a不在网关c的传输范围内，则网关c可以通过无线或者电力载波将报警信号传给网关b，再由网关b传给网关a，网关a则通过公网将报警信号传送出去。由上可知，利用本发明提出的新型智能家居嵌入式网关组成的智能家居系统，具有布线简单，无线信号覆盖强，对人体辐射小等优点。
权利要求
1.一种智能家居嵌入式网关，其特征在于，包括核心控制器、内部感知通信网模块和视频监控模块，所述内部感知通信网模块、视频监控模块分别与核心控制器相连接，其中核心控制器用于数据上行和数据下行时不同协议数据和信号的转化，内部感知通信网模块通过 RS232标准串口与核心控制器相连，用于连接内部网络中的家用设备；视频监控模块与核心控制器相连，将检测到的视频信号传输到核心控制器，该监控模块还通过AV同轴电缆线与视频摄像头相连接。
2.根据权利要求1所述的智能家居嵌入式网关，其特征在于，还包括公网通信模块，该模块通过RS232标准串口与核心控制器相连，用于对内部网络与外部通信网之间的地址转换和数据传送。
3.根据权利要求2所述的智能家居嵌入式网关，其特征在于，所述公网通信模块包括以太网通信模块和GSM/GPRS通信模块。
4.根据权利要求1、2或3所述的智能家居嵌入式网关，其特征在于，所述核心控制器包括Cortex-M3系列ARM、扩展FLASH和SDRAM存储器，其中ARM和SDRAM存储器之间通过数据总线和地址总线连接，ARM和FLASH存储器之间通过I2C接口进行连接。
5.根据权利要求1或2所述的智能家居嵌入式网关，其特征在于，所述内部感知通信网模块包括无线传感通信模块或电力载波通信模块或二者的组合模块。
6.根据权利要求5所述的智能家居嵌入式网关，其特征在于，无线传感通信模块网络兼容SimpliciTI协议来进行无线方式的通信连接，网内最多由255个无线传感通讯节点组网，所述无线传感通讯节点通过智能家居嵌入式网关组成星型网络。
7.根据权利要求5所述的智能家居嵌入式网关，其特征在于，电力载波通信模块通过电力线与智能节能电力插座相连接。
8.根据权利要求6所述的智能家居嵌入式网关，其特征在于，无线传感通信模块包括温湿度传感器、一氧化碳传感器、玻璃破碎传感器、红外传感器，上述传感器通过多跳网络中继的形式连接至新型智能家居嵌入式网关。
全文摘要
本发明涉及一种智能家居嵌入式网关，包括GSM/GPRS通信模块、LAN通信模块、视频监控模块、核心控制器、无线传感通信模块和电力载波通信模块；网关通过电缆接视频摄像头，通过无线传感通信网络添加温度、湿度、CO传感器、烟雾浓度等传感器并实时传送相关信息，通过电力载波模块，利用电力载波通讯技术添加智能节能电力插座，反馈插座当前实时电器功率等信息；通过手机短信、PC机客户端等多种方式访问网关；网关可工作于自动模式或手动模式，在自动模式下，各类监控数据通过无线传感通信网络或电力载波通信网络传送至网关；在手动模式下，用户通过客户端主动访问网关获得实时数据。
文档编号H04L12/28GK102185802SQ20111010539
公开日2011年9月14日 申请日期2011年4月27日 优先权日2011年4月27日
发明者卜权, 崔益军, 王心一, 王成华 申请人:南京航空航天大学