您当前的位置:首页 > 论文

基于移动融合网络的智能家居系统

论文 / 2015-04-19

 智能家居是物联网发展的一个重要分支,它以住宅为中心,将综合布线技术、无线网络技术、音视频技术和自动控制技术融合到传统的家居生活中,并利用Android手机等智能化终端,实现随时随地,随心所欲的控制我们家中“智慧”物品的功能,使我们的生活更加方便快捷。

新一代的移动融合网络允许终端绑定Wi-Fi与LTE接入,并维护一个IP地址。当用户处在WLAN覆盖区时,自动询问是否接入WLAN,以最大限度地发挥WLAN的分流作用。并利用WALN高带宽、大管道的特点,与家用电器中的ZigBee等通信设备进行通信,解决“智慧物体”之间的实时、无缝通信所需流量大、延时高等难题。最后为智能终端增强软件的编写,除了必须的控制功能外,控制软件还要考虑用户的年龄、接受能力等问题,以上为目前智能家居的研究现状。
为克服现阶段智能家居通信传输效率慢,控制不方便等缺点,本文设计了Wi-Fi与LTE融合网络架构下的智能家居系统。此系统解决了移动融合网络通信技术下的智能家居系统存在的三个主要问题: LTE与WLAN的融合问题、WLAN与ZigBee的通信问题以及Android控制软件的编写问题。融合网络的规划如图1所示,分组核心网(Packet Core Network,PCN)利用MIG(移动融合网关,Mobile Intergrated GW)进行深度DPI,自动根据业务量检测数据热区负荷,指导终端与GW直接交互,PCRF根据不同的流量分配终端接入不同的无线网络[1]。
 
      图1基于LTE的无线网络规划
2   LTE与WLAN的融合架构
 
通讯行业通常所说的异构网络包含两大层面:物理层的接入异构与高层网络核心的交融。针对上述问题,3GPP提出了三种基于3GPP EPC网络的融合方案,如图2和图3所示。
Android终端设备的WLAN可以通过S2a、S2b或S2c接口接入3G网络,并执行统一认证标准,无需更改现有的网络网元。
 
图2  S2a/S2b接口下的WLAN接入
 
图3 S2c接口下的WLAN接入
网络层移动性和多接口数据并发传输等问题,给传统意义上的TCP/IP协议带来了新的挑战。比如,在无线多接入的情况下,以有线网络为蓝本设计的TCP/IP协议栈会把网络层切换时的分组丢失和失序现象误认为拥塞,从而严重影响TCP的流量数据。Mobile IP机制也并没有屏蔽网络切换时所带来的一系列不可见的影响,而TCP层的数据流量也会出现介于最大传输速率和最小传输速率之间的现象。面对上述亟待解决的问题,现有的严格分层机制已经不能适应新的技术要求。所以,MAPA(多接入协议适配层)应运而生。MAPA协调底层不同的接入技术(接口为Media_SAP),为网络层提供统一数据的接口(MAPA_SAP),其功能实体包括:消息服务、数据调度和接口控制。消息服务根据高层功能要求周期性的采集底层无线模块的性能状态,并将底层信息传输给上层,同时根据某种算法运算描述性和预测性事件;接口控制是上层模块控制下层模块的接入接口;数据调度用来解决UE(User Equipment)上数据分组在并行数据传输上的分配操作能力。其功能结构如图4所示。
 
图4 MAPA功能图
3  LTE与WLAN的切换
 
论文采用基于S2c的WLAN网络融合方案。S2C网络要求相对S2A/S2B对UE要求更严格,它需要DSMIPv6的支持,协议栈直接将业务报文分配到Wi-Fi的物理层上,业务锚点会给UE配置相应的业务地址,而非本地地址。
3.1  用户终端从LTE转接WLAN
为保证IP层切换时数据业务的连续性,切换必须由Android系统或者相应的应用程序发出高权限的指令,由LMA/PGW统一分配相应的IP本地地址,ANDSF网元进行规划决策,切换完成以后,系统会自动更新UE端的使用信息。S2c的接入包含三个模块:无线局域网的授信接入,HA的发现、链接与DSMIPv6的关联保护以及PDN GW(归属代理)的数据更新。具体接入步骤如下,流程如图5所示[2]:
 
图5 UE从LTE授信转接WLAN
(1)HSSS/AAA给接入的L2分配相应的签约数据,建立L3链接,分配UE和接入系统之间的本地IP,并与PCRF之间的网关建立会话过程。
(2)终端搜索发现归属代理,并使用S6b通信与AAA完成对EPA的认证,认证之后终端用IKEv2建立安全关联。
(3)UE将切换后新接入网络的IP和生命周期传输给PDN GW,PDN GW处理整个归属网络的IP预留和绑定更新。PDN GW获取并使用PCC规则和包含UE ID 与APN的消息,最后向终端发送DSMIPv6,用户终端接收DSMIPv6,从而实现网关控制和QoS规程。
3.2  用户终端从WLAN转接LTE
         UE从WLAN切入LTE网络时的方式和从LTE转接WLAN网络时基本一致,UE从支持DSMIPv6的S2c接入LTE的过程如图6所示[3]。
 
                                                  图6 WLAN转接LTE
4    WLAN与ZigBee的通信
 
4.1  WLAN与协调器(Coordinator)的通信
         系统设计采用Wi-Fi标准。模块采用深圳海陵科技公司生产的HLK_RM04,ZigBee通信设备采用亿道公司Coordinator和End-Device(设备终端)CC2530。基于CC2530的Wi-Fi与ZigBee通信设计原理如图7所示。
图7 基于CC2530Wi-Fi与ZigBee通信设计原理
ZigBee与Wi-Fi的通信采用星形拓扑结构,如图8所示。
 
                   图8  ZigBee与Wi-Fi通信结构
HLK_RM04模块无线标准为IEEE 802.11n、IEEE 802.11g、IEEE 802.11b,和ZigBee一样主要工作在2.4GHz的ISM频段,调制方式也均为DSSS,所以两者可以互相通信,互为补充,共享资源。ZigBee解决设备监控问题,而Wi-Fi则利用本身数据传输速度快(11n下最高可达150Mbps/s)的优势解决Internet接入问题。HLK_RM04 Wi-Fi模块与ZigBee协调器之间的通信通过串口来实现,HLK_RM04第20引脚UART_RX与MAX3232芯片的第13引脚R1IN链接,第21引脚UART_TX与MAX3232芯片的第14引脚R2IN链接,如图9所示。
 
图9  HLK_RM04、串口及CC2530连接图
4.2  ZigBee协调器与设备终端之间的通信
Coordinator作为组网的第一个设备负责确定一个信道和一个PAN ID,并启动、配置整个ZigBee网络。完成这些工作以后,Coordinator将作为一个Router(路由器)存在,同时所有子设备的增加,都必须得到Coordinator的允许后才能加入。ZigBee新设备的加入有两种方法,分别是:MAC层关联和直接加入,设计采用“直接接入”的方法[4]。步骤如下:
(1)NLME-DIRECT-JOIN.request原语初始化。NLME-DIRECT-JOIN.request原语被接收到后,DeviceAddress参数将被设为新的设备地址。
(2)NLME首先搜索近邻表的64位MAC扩展地址(物理地址)来判断这个新的设备参数是否与原网络中的设备地址重复。如果重复,NLME将会终止申请加入网络的请求,并发送证实原语NLME-DIRECT-JION.confirm,其中,status参数为ALREADY_PRESENT;如果不重复,且父设备有足够的地址空间收纳一个New Device,NLME则为New Device分配一个16位短地址(随机不重复,网络地址),status参数为SUCCESS,同时,近邻表中记录新设备信息。否则,分配地址失败,返回status参数TABLE_FULL。
(3)子设备通过孤立申明加入/重新加入网络,完成与父设备的关系建立。Coordinator通过NLME_JOIN.request原语启动扫描。启动后,如果孤立扫描成功,status参数为SUCCESS,否则,终止请求,返回status参数NO_NETWORKS。
(4)Coordinator接收MAC层发送的孤立设备存在的原语MLME-ORPHAN.indication,其他设备则会屏蔽该过程。若设备是Coordinator的子设备则获取其短地址,若不是,将信息反馈给MAC层(是子设备时也会将信息反馈给MAC层)。
系统设计了融合CC2530的智能开关,如图10所示,交流电经整流以后由7805稳压,输出的5V电压作为继电器和CC2530(工作电压3.3V,5V接入后还需3.3V稳压管稳压)的供电电源。接入Wi-Fi网络的手机通过Coordinator以广播的形式向End-Device发送指令,匹配的End-Device接收到命令以后用P2.1口控制NPN的通闭,从而控制继电器的开关,以达到控制开关的目的。
              图10 融合ZigBee的智能开原理图
5   Android增强软件设计
 
UE上的控制程序主要实现以下功能:
(1)Wi-Fi的连接。Android对Wi-Fi的操作大致可分成四个主要类,ScanResult用来获取UE周围可接入热点的信息,wifiConfiguration用来获取所需连接Wi-Fi的基本信息,WifiInfo可以在Wi-Fi连通以后获取当前连接信息,wifiManager则用来管理所连接的热点。
(2)扫描并接入新设备。首先,建立了一个SQLite数据库,在扫描到新设备以后,系统将新设备添加到指定的数组中,并将获取的设备MAC地址显示在ListView,用户可以修改MAC地址的备注,达到区分不同设备的目的,如“客厅灯”、“空调遥控器”等。软件设计如图11所示。
 
图11 Android软件设计界面
(3)控制程序的实现。在Android程序中加入相应的打开、关闭或选择程序即可完成对物联网家电的智能化控制。控制流程如图12所示。
 
图12 Android控制程序流程图
6  结语 
 
基于移动融合网络通信技术的智能家居系统,充分利用了当前快速发展的LTE网络和WlAN网络,使用户可以随时随地,方便快捷的利用ZigBee监控家中的一切,市场前景广阔。
[!--temp.foot--]
印度神油| 东革阿里| 麒麟丸| 植物伟哥| 益肾壮阳膏| 复方玄驹胶囊| 艾滋检测网| Male Edge| 补天灵片| 蟑螂| 延时喷剂| 万艾可| 袋鼠精