摘 要： 為簡化傳統智能家居系統的復雜結構，并增強其擴展性和易用性，提出了一種智能設備即插即用的智能家居系統。該系統引入智能插座，降低家庭網關與智能設備的依賴性，制定一種自定義即插即用協議，在設備注冊階段將設備的動作和狀態提交給網關，并設計與該協議相適應的家庭網關。測試結果表明，該系統允許在不改動家庭網關的情況下連接不同類型的智能設備，雖然增加設備連接數會增加網關的內存消耗，但不影響網關的響應速度和數據包的丟失率，驗證了該方法的有效性和可行性。
關鍵詞： 即插即用；自定義協議；家庭網絡；智能插座；智能家居
0 引言
目前市場上智能家居系統的智能設備通過有線或無線與家庭網關直接相連，智能設備與系統的耦合性高，且未實現智能設備的即插即用，擴展性和易用性差[1]。
現有即插即用協議有通用即插即用（Universal Plug and Play，UPnP）和Jini（Java Intelligent Network Infrastructure），UPnP技術是基于TCP/IP協議之上，用于PC等復雜設備的對等互聯；Jini技術是基于Java平臺的一種動態分布技術。以上技術在智能家居系統中都有一定的應用，但都是針對資源豐富且有網絡連接能力的設備[2-3]。家庭內智能設備（如傳感設備）數量眾多，而其存儲資源、計算能力有限，無網絡互聯能力，因此現有即插即用技術不完全適用于智能家居系統中。
針對即插即用技術在物聯網領域的應用，方遠[4]提出一種物聯網即加即用設計框架，但沒有給出實現方法。為此本文面向智能家居系統，設計一種基于智能插座的家庭網絡拓撲結構，并自定義一種簡單的即插即用協議，使一些簡單設備也能實現即插即用。
1 家庭網絡拓撲結構設計
在智能家居系統中，一般可將智能設備分為復雜設備和簡單設備兩種，復雜設備具有網絡連接能力且功能復雜，簡單設備一般不具有網絡連接能力，且在智能家居系統中占多數。采用ZigBee網絡連接家庭設備，節點成本高且存在供電問題，因此本文引入一種帶數據交互和網絡通信功能的智能插座[5]，為簡單設備供電的同時還解決了簡單設備的網絡連接問題，其所構成的智能家居網絡拓撲結構如圖1所示。
采用該智能家居網絡拓撲結構有如下優勢：（1）引入智能插座，降低家庭網關與智能設備之間的依賴性，減少家庭網關和系統結構的復雜度；（2）智能插座可以隨意地增加或撤除，具有良好的擴展性；（3）智能插座屏蔽了簡單設備特定的接口類型和底層通信協議，智能設備對家庭網關而言保持了一致性，是家庭網關設計的基礎。
2 協議規范設計
2.1 協議設計
要實現智能家居系統中智能設備的即插即用，智能設備與家庭網關之間的交互需要符合一定協議，本文將該協議稱為HPnP（Home network Plug and Play）。
在家庭網關和智能插座進行交互時，數據緩沖區內可能同時存在兩個或多個交互數據包，即所謂的粘包。為區分多個數據包，解決粘包問題，HPnP協議數據包采用包頭+包體的格式。其包頭的具體結構如表1所示。
不同的命令代碼對Value和Length字段值的意義會不一樣，表2是各種命令的結構。
其中，Length域為0時，說明該數據包沒有包體，大于0則為該數據包的包體長度。HPnP協議的包體主要包括設備描述符、圖標描述符、動作指令和狀態報告等，詳見下節。
家庭網關與智能插座及設備之間的交互需滿足一定的應答要求，主要包括設備的注冊和設備正常工作時與家庭網關之間的交互。其中，智能設備還會以狀態報告形式定時發送心跳包，判斷家庭網關與智能設備的連接狀況，具體如圖2所示。
2.2 設備描述規范
智能設備在智能家居系統中主要是實現具體功能，例如用學習型紅外遙控設備控制電視、機頂盒等，燈光集中控制器控制多盞燈。但要實現智能設備的即插即用，在設備注冊階段，要向家庭網關提交設備本身的描述信息。一般智能設備的描述信息包含了設備的基本屬性、所能執行的動作和能夠提供的狀態。為更好地描述設備，參考UPnP協議對設備的描述[6]，并提出適合本系統的設備描述規范。
UPnP協議對設備的描述分成設備描述和服務描述，對于設備的圖標和控制界面，通過在設備描述中提供其URL的方式來提供。當家庭網絡沒有連入Internet時，無法添加新的智能設備，因此本文對設備的描述分成設備描述、圖標描述及界面描述等幾部分，在設備注冊階段再一一提交給家庭網關。其中設備描述是必備的，其框架如圖3所示。
該設備描述文件主要包括：
?。?）設備屬性（唯一設備名、設備別名、廠商名稱等）；
?。?）動作列表（動作名稱、參數、動作返回值等）；
?。?）狀態列表（狀態名稱、數據類型、有效值范圍等）。
3 家庭網關設計
家庭網關是智能家居系統的核心，負責控制家庭內部的智能設備，本文設計的家庭網關其軟件架構如圖4所示。
該家庭網關主要由網絡及線程管理單元、設備管理單元和界面管理單元三部分組成。為提高設備的響應速度，采用多線程方式為每個插座及插座上的設備服務，網絡及線程管理單元負責線程的創建與銷毀。以下是該家庭網關對數據的處理過程：
?。?）線程通過HPnP協議處理單元解析接收到的數據。
?。?）設備管理單元將解析結果分發到入網注冊管理等各個子管理單元處理，以維護設備句柄表上的數據信息。
?。?）當解析結果為設備注冊、狀態更新或退出時，設備管理單元發出相應信號給界面管理單元，如果為設備注冊或退出信號，則根據圖標設備映射表維護界面圖標；如果為狀態更新信號，則通知當前動態生成的界面更新狀態。
（4）當用戶操控設備界面產生控制信息時，設備管理單元將控制信息交給網絡及線程管理單元。
?。?）網絡及線程管理單元負責把待發送消息分發到指定線程，指定線程通過HPnP協議處理單元將消息打包并發送。
動態生成的界面采用基于數據驅動的圖形界面開發方案，實現了設備控制界面和設備邏輯功能的分離。界面生成主要有以下3種方式：（1）根據動作和狀態鏈表生成控制界面。此種方式適用于簡單設備，如環境傳感設備。通過分析動作和狀態的特征，找到與之匹配的控件。（2）根據設備提供的界面描述文檔生成控制界面[7]。此種方式適用于較復雜的和希望生成個性化界面的設備。（3）通過Web瀏覽器獲得控制界面。此種方式適用于具有提供Web服務的設備，服務地址可在設備描述中提供。
4 實驗驗證
4.1 即插即用驗證
為驗證該智能家居系統具有即插即用的特性，基于HPnP自定義協議和Qt5 SDK[8]實現本文所述的家庭網關，并模擬一個智能插座及兩個不同智能設備，不同設備其設備描述符不同。
圖5顯示了智能插座注冊成功后，家庭網關上創建該設備的圖標Socket和控制界面，以及家庭網關一側控制智能插座的交互過程。
圖6顯示了另一個智能設備（燈光集中控制設備）注冊成功后，家庭網關上生成該設備的圖標Light和控制界面，以及智能設備狀態改變時與家庭網關的交互過程。
4.2 可行性驗證
將上述實現的家庭網關程序交叉編譯，運行于搭載Linux操作系統的S3C2440處理器上，在PC上模擬智能插座及設備。1個智能插座（包括3個設備）向家庭網關發起1個連接，針對不同參數進行測試，共測試41組數據，其中5組數據如表3所示。
從表3可以看出，隨著連接數的增加，該家庭網關對設備的響應速度都維持在7 ms左右，且丟包率為0%，說明在通信鏈路正常連接的情況下，該家庭網關能及時響應每個設備，具有較高的穩定性和可靠性。但隨著連接數的增加，該家庭網關內存消耗量幾乎呈線性增加，其趨勢如圖7所示。從圖7可推測出，當家庭網關承受240個連接共計720個設備時，內存消耗量約為20 MB左右，因此用一般的嵌入式設備充當家庭網關即可滿足普通家庭的需求，具有較好的可行性。
5 結論
本文設計的一種即插即用的智能家居系統，使無 計算能力和無網絡連接能力的簡單設備也能實現即插即用。此外，可對系統作簡單修改，使之適用于其他物聯網的應用中。實驗結果表明，該系統在不更新家庭網關的前提下，可實現智能設備零配置地接入系統，方便設備的添加、升級和撤除。
參考文獻
[1] 趙玉民.家庭網絡互聯技術與數字家庭組建方案探討[J].電視技術，2011，35（1）：27-38.
[2] EOM B， LEE C， LEE H. UPnP remote UI and sensor collaboration framework for cloud AV service in smart home [C]. 2013 International Conference on ICT Convergence （ICTC）， USA： IEEE Press， 2013：907-908.
[3] 肖曉霞.基于Jini技術的智能家居網絡應用探討[J].湘潭師范學院學報，2009，31（2）：65-67.
[4] 方遠，劉強，趙澤，等.物聯網即加即用及其智能配置技術研究[J].電子學報，2013，41（9）：1744-1752.
[5] 福州大學.帶數據采集和網絡通訊功能的智能插座：中國，201320336673.5[P].2013-12-04.
[6] PRESSER A， FARREL L. UPnP device architecture[EB/OL].[2014-01-15]（2014-06-30）. http：//www.upnp.org/specs/arch/UPnP-arch-DeviceArchitecture-v1.1.pdf.
[7] 彭順順，周傳生.基于數據驅動的圖形界面開發方案[J].微型機與應用，2013，32（19）：1-3.
[8] DIGIA. Qt reference documentation[EB/OL]. [2014-01-10]（2014-06-30）. http：//qt-project.org.