实验评价基于sip的家庭网关与多个无线接口Domotics系统

文摘

在现代房屋、传感器和执行器的存在越来越多,通信服务和娱乐系统早已习惯了日常生活。利用无线通信技术,如无线个域网,wi - fi,蓝牙,是有吸引力的,因为他们短的安装时间和低成本。研究正朝着各种家用电器和设备的集成到单个domotics系统,可以利用不同的子系统之间的合作和最终用户提供一个通用平台。在这个场景中,介绍了实验评价domotics框架集中在基于sip的家庭网关(宋惠乔)。虽然SIP是用来构建一个共同的控制平面,宋惠乔负责翻译的用户命令和特定domotics语言。一直致力于分析评估宋惠乔软件框架的性能和同步干扰产生的负面影响在三个广泛的无线技术。

1。介绍

Domotics是指一个系统控制几个(或者全部)家”服务,“如照明、空调(采暖、通风和空调),通信、安全、医疗、娱乐、集成和自动或半自动的方式,允许用户从一系列的异构设备管理(例如,触摸面板、遥控器、手机、和智能手机),在家里或在世界任何地方。domotics原型,所有子系统都能够以无缝的方式相互交流和互动,实现一个智能结构,提高了生活质量,降低了成本,达到节省能源。实践这种模式,单一之间的通信设备和各个子系统之间的基本操作。因此,有线和无线网络将成为现在和未来的构建块domotics解决方案。除此之外有些“物理”元素,共同控制飞机也是必要的,为了统一管理操作到一个单独的和便携式的用户界面。

domotics系统的主要组件之一是传感器和致动器的集合。这些通常是在一个或多个网络的形式,支持通过一个单一的技术或不同。然而,并不总是做的规范定义一个共同的控制平面适合当今管理设备归属不同的标准,但即使是不同的应用程序配置文件。结果,协调的负担,使设备经常离开完全互操作系统实现者。的确,与混合场景配置文件和技术并不罕见,尤其是在那些环境中多个服务请求。这样的一个例子就是“智能家居”或domotics概念,在这几个配置文件和技术(如无线个域网的家庭自动化、智能能源、电信服务,或KNX的照明、取暖、和能源management-just引用最吸引人的)可能存在。

从用户的角度来看,设备属于不同子系统的家庭服务平台可以通过专用的设备通常控制位于房子(如一个触摸面板、智能电话、电视遥控器)。但是,这种模式不再适用于遥控操作,当用户发生是远离家乡。在这种情况下,用户通常会有一个单独的设备,如一个笔记本或智能手机,通过他/她想控制任何设备在家里,不仅属于一个特定的配置文件或技术,并可能没有复杂的配置和选择程序。

除了DSANs协调系统的必要性,在今天的房子我们已经找到人际沟通和多媒体娱乐系统。因此,domotics平台的设计还应该考虑与DSAN-based通信和多媒体应用程序的集成服务。

在这个场景中,我们将描述一个架构设计获得设备属于不同技术之间的互操作性和概要文件。在我们的视野中,常见的控制平面实现通过会话初始化协议(SIP) (1),而基于sip的家庭网关(宋惠乔)翻译用户命令和特定DSAN语言,从而允许用户控制所有domotics设备在家里或远离它,使用移动终端或他喜欢的SIP客户端,在一个透明、统一和简单的方法。宋惠乔,是系统的主要推动者的设想,还设计了保持兼容现有的SIP基础设施和已部署的SIP客户端,因此可以利用。

在各种domotics传感器和致动器网络(DSANs),无线传感器网络(WSNs-note“传感器”一词通常用于严格意义上的传感器和执行器)是增长速度快的版本,由于缩短部署时间和简化的配置。几个技术和标准是现在用于传感器网络的实现(2]。尤其是基于开放或广泛采用的标准,如无线个域网、蓝牙、Z波,KNX-RF无疑可以被认为是最有趣的。这是因为他们允许大,几乎自配置网络的部署在相对较短的时间和降低成本。两个标准、无线个域网和蓝牙,已经嵌入到宋惠乔。

另一方面,当前的趋势在多媒体和通信系统是将物理运输服务的无线技术。因此,我们装备宋惠乔还具有无线接口,用于提供上述“宽带”服务。

大多数的这些无线标准操作到未授权的2.4 GHz的ISM波段,可以利用多个用户和网络在同一时间。然而,由于相互干扰,不同的设备操作的共存接近彼此的麻烦。证明了许多作者(3,4),特别是无线个域网网络,其性能是深受wi - fi设备的存在。虽然有时是可行的,以避免设备共享同一频谱之间的干扰和执行相同的标准(例如,避碰方案可能工作在单独的网络),使用不兼容的调节和信道访问计划使得它几乎不可能,以确保设备属于不同技术之间的共存。

总之,domotics网关的设计和实现必须面对的两个关键问题:整合异构室内设备和网络,允许动态的构成和普及服务(包括人际通信和多媒体),和保证的物理共存接口位于网关设备。

1.1。贡献

宋惠乔我们提出一个工作原型,用于构建一个完整的概念验证的基于sip的domotics架构。定制的SIP事件包和一个通知服务器也被开发来验证可能扩展新服务。宋惠乔是界面上的一个实际的无线个域网网络和蓝牙锅,除了一般的wi - fi连接。我们通过实验评估的性能宋惠乔原型,证明其有能力支持大型domotics系统。

在描述我们的基于sip的系统,我们也呈现方面,使其创新。我们安排宋惠乔唯一实体有一个SIP地址,这样就避免了为每个家庭开销的SIP地址设备。我们设计并实现了一个功能寻址和控制方案,以减轻用户与系统的交互,一个抽象层分离实现SIP和DSAN面。我们也显示如何利用无线个域网的一些功能改善与SIP和宋惠乔集成。

然后,本文报告一个实验研究涉及wi - fi无线个域网,和蓝牙网络。本研究的目的是描述的性能宋惠乔共存的三个系统,特别是因为他们都活跃在同一时间和空间,也就是说,在原型宋惠乔董事会,因此受到强烈的互相干扰。

2。相关工作

在本节中,我们画一个草图domotics系统当前状态的艺术和干扰的研究,与特定的关注作品的主题是最接近我们。的差异,使我们的创新贡献也指出。

从domotics区域,一些作者靠近轮之间的集成和控制面协议通过将定制或降低版本的SIP或其他传感器节点。例如,Luckenbach et al。5)使用其他为客户连接到互联网提供直接与MICAz传感器交互的能力。同样,萨•和兰格(6,7]提出TinySIP,架构提供多个客户端访问传感器信息通过SIP。

这些方法受到一系列的缺点。由于设备资源受限,协议必须剥夺了许多功能。由于传感器节点上运行特定的操作系统,开发时间可能是不可忽视的。同时,考虑到设备的高异质性,它可能需要重复和修改每个技术的定制和开发步骤将被集成到系统中。最后,与部署的硬件和软件的兼容性不保留。相反,我们的框架开发一个高端设备(宋惠乔),允许更快的实现时间和完全兼容现有的传感器和致动器设备和SIP。

这种方法遵循的哲学可以找到一个开放和灵活的服务平台(8]的作者开始他们的工作从一个架构类似于我们的。

Acker et al。9)提出了一个无处不在的“家”的概念和设备控制,利用IP多媒体子系统(IMS),一个基于sip的控制架构考虑的移动网络运营商。

最接近我们的工作可能是一个由伯et al。10,11],SIP作为家庭自动化的通用通信总线测试环境。SIP网关和一系列的SIP适配器和口译员已经实现和部署使SIP所有设备兼容。然而,有些方面可能把我们的框架领先一步。

伯等人没有考虑的问题处理和可达性单一DSAN设备。相反,我们设计了一个功能解决方案,大大简化了用户交互,不需要DSAN节点注册到任何SIP服务器或其他额外的实体。然后,我们设计了一种保持兼容性不仅与DSAN元素,而且还与用户终端。这也允许我们向用户提供与本地功能,不支持他/她的设备。这种模式甚至可以扩展到与新的domotics服务确保向前兼容性。相反,伯等人并不重视这方面。第三个区别在于SIP和DSAN世界之间的适应性。而伯等人设计一个软件模块放在网关,我们执行这个操作在两个步骤,通过DFA层。这允许解耦两个域的实现,使系统更加灵活。最后,我们更详细地研究了两种可能的DSANs的集成,即无线个域网和蓝牙,表明可以利用他们的特性来简化集成到系统中。 In [11),实验平台的主要焦点是在网关的性能数据(如果我们考虑当前的硬件技术,可能不是最相关的障碍domotics发展,证明了我们的测试部分7.2)。

一个主要缺点,通常建议像(8- - - - - -10是需要每一个家庭设备注册自己的URI。当设备数量的增加(严重监控和自动化建筑可能有成百上千的节点),用户的处理能力显然阻碍了他们通过uri。同样的缺点也适用于区域经理提出的解决方案(6),大多数的通信只能通过了解每个网关的地址,感兴趣的传感器参考。另一方面,在我们的系统中唯一宋惠乔必须注册到一个外部SIP服务器(除非宋惠乔本身实现了注册),我们可以掩盖了许多DSAN节点通过“功能寻址”方法。

作为多个无线接口的共存,我们可以找到大量的分析和模拟研究,特别是关于无线个域网的性能的干扰下wi - fi和蓝牙(如[12),只引用一个)。这些方法的主要缺点是,由于非常复杂的无线信道的性质和环境,没有与现实,测量他们的协议,因此其实际效用是有限的。

Sikora和Groza实验获得了每一个无线个域网系统的无线设备的干扰下,蓝牙设备,微波炉(4]。然而,研究仅限于单个源的干扰(如wi - fi和蓝牙),并分析无线个域网的共存和蓝牙并不完整,(实际上很少)结果以来只在一个方向上(即收集。、蓝牙无线个域网)。然而,一个有趣的观察Sikora和Groza的论文是关于收集之间的显著差异的存在提供了实验数据和仿真结果内部IEEE 802.15.4任务组提供服务。

一个类似的实验研究是由Musaloiu-Elefteri terzi,谁评估wi - fi无线个域网系统干扰的损失率(3]。从这个结果,他们开发了干扰估计算法和分布式动态更改无线个域网操作通道。这种方法被证明大大减少无线个域网网络的损失率。

的作者(13]目前实证研究的结果之间的共存IEEE 802.11 b和蓝牙设备。然而,主要目标是开发一个分析模型来估计的相互干扰,而不是描述真实世界的场景。因此,建立这样的模型,实验通过使用衰减器控制,信号发生器,和同轴电缆,从而导致一个相当理想的环境。

从引用的作品的分析,可以看出,在所有情况下,即使是在(4),作者研究了不超过两个系统的干扰。双向同步的实验分析干扰在wi - fi,蓝牙,无线个域网可以在找到14],它证实了无线个域网的弱点,也表明,一些所谓的无干扰的无线个域网渠道实际上是影响无线传输的存在。

然而,在所有引用作品,干扰来源总是放置在身体上分离设备。相反,预计domotics网关等设备中嵌入多个无线接口上相同的董事会。在这种情况下,干扰的效果可能会更大,由于电耦合在黑板上。我们实验测量进行了原型宋惠乔旨在填补这一空白。

3所示。Domotics需求和SIP控制飞机

domotics系统的复杂性要求的一系列要求,允许一个简单的子系统之间的集成和开发的“友好”,总是可用的用户界面。一组的主要需求是由下面的列表(参见[8,15类似的调查)。(我)domotics系统必须实现并提供一个请求/响应模式允许用户发送命令到DSAN设备和可能有一个反馈。命令也可以各种domotics实体之间交换。(2)用户和系统事件时应及时通知一些重要的环境中发生。因此,网络预计将支持异步和/或周期事件通知。(3)命令和事件适合交换少量数据的需要在很短的时间。的使用会话将允许各种类型的流媒体数据在一段时间内(如音频和视频,但是也快不同传感器读数或大文件transferrals)。(iv)广泛采用的智能手机和平板电脑等移动设备已连接可用的全球网络无处不在。因此,用户应该被视为一个移动用户,谁会想要控制他/她从不同的地方,通过多样化的访问技术(如无线局域网、移动、宽带)。(v)尽管不同的异质性domotics子系统,用户很难被热衷于使用几个不同的人机接口设备(HIDs),记住每个DSAN设备的网络地址,或学习domotics系统特定于技术的方面。相反,它将是有益的,如果用户可以与一个独特的界面层和副助记符名称(即设备及其功能。我们后来称之为“功能地址”,例如,房间在哪里放置他们执行和/或行动)。因此,domotics体系集成的子系统同时在技术和用户界面级别。(vi)虽然domotics想法领域增长缓慢,通信服务和娱乐系统早已习惯了日常生活。因此,无缝设计应该包括这些服务到domotics平台(见[10一些有趣的例子)。

在众多选项实现共同控制平面(见,例如,15- - - - - -19]),我们选择了会话初始化协议的众多优势。从概念的角度,其中涉及到的操作进行的控制平面,SIP提供了一组方法那些适合DSAN控制和管理的必需品如下。(我)低开销的消息方法(不需要设置阶段)完全匹配的要求请求/响应操作。(2)发布/ subscribe-notify语义可在SIP规范,允许用户及时通知网络中发生的事件。这允许一个几乎直接映射的异步和/或周期事件通知SIP方法。(3)SIP是本地设计提供会话管理功能(即。,session creation, modification, and tear down).(iv)利用了SIP的核心基础设施注册方法来透明地管理的移动用户之间不同的连接到网络。

从更实际的和实现的角度来看,我们可以确定以下要点。(我)SIP是一个基于文本的协议:信息构建和解析是一个相对简单的任务。SIP都广泛使用解析器和解释器。因此,开发工作量大大减少。(2)SIP消息的身体结构灵活,可以包含各种各样的信息。这允许一个简单的扩展协议支持定制DSAN-related数据和命令。(3)一个巨大的SIP基础设施已经部署和工作;因此,不需要部署新基础设施元素(核心网络或服务器软件)。(iv)SIP是在应用程序层,透明的底层物理和网络技术。它可以为异构系统作为粘合层。

进一步的SIP是使用价值的资产助记名字。每个SIP资源与一个URI相关联(统一资源标识符),一个助记符文本模式建立了web服务基于相同的语法。这允许用户记住的名字而不是复杂的数字地址。一种利用该特性提出了后来。

尽管它的许多优点,采用SIP的控制平面domotics系统不免费的。有几个问题必须解决如下。(我)SIP是由一系列rfc定义仅提供一般的使用标准化的过程上的迹象。应用程序实际情况下留给实现者,它显然取决于特定的场景。因此,使用SIP可能需要一个初步阶段映射现有方法和设计互补过程符合应用要求。这样的一个例子是事件通知框架,一个标准化的但是空的框架中,我们定义了一个新的包中使用我们的domotics架构(见部分6.3)。(2)要有效,必须普及及其过程控制平面系统所有设备支持的形成。然而,移植SIP设备上以最小的处理和/或存储功能,如传感器和致动器,是一个重要的任务,通常是减少移植只是原始方法和特性的一个子集(见,例如,6])。显然,这种方法不是最佳的,应该避免的一个完整的换位可用的范例和/或功能。(3)尽管SIP是成熟的和相对普遍技术,大多数的终端用户设备使用SIP支持很少的服务。设计一个系统假设所有用户设备可以支持所有的SIP方法无疑是吸引人,也很不现实的。相反,定义程序允许用户利用这些范式通过他们当前的终端是一个困难但绝对更明智的任务。

3.1。选择SIP方法

在本小节,我们提供一个简要的描述我们使用SIP方法以及如何集成到domotics系统。注意集成模式不是单一的和其他映射可以实现。因此,特别关注的原因导致我们的选择,这些方法是如何被利用,以及他们如何与其他元素的交互系统。

3.1.1。即时消息

SIP消息方法(20.)是用来提供简短的短信,每条消息的实时调度是独立于他人。一个消息事务不需要会话设置和没有建立一个对话框。UA接收消息必须发送方立即回复,告知它的成功或失败的接待信息成功的情况下,答案是什么200好了。

我们使用这个实时和低开销的方法来实现请求/响应范式(见部分3)。在细节,请求映射到第一消息事务,响应映射到另一个消息事务。因此,四个实现SIP消息是必要的请求/响应范例。一个典型的使用这个方法如图1。

的一个非常重要的方面消息方法是兼容所有现有SIP客户端。由于每个SIP客户端必须支持这种方法,这将确保我们的系统的基本管理功能也支持。

3.1.2。发布/ Subscribe-Notify范式

SIP事件通知框架(ENF)中定义的(21为SIP元素),提供了一种方法学习的时候发生了“有趣的事”在网络。提示的程序允许此类事件的分布被称为发布/ Subscribe-Notify范例。

简单地说,一个初始订阅消息发送到用户(用户感兴趣的事件)的通知(是第一个意识到事件的节点)。如果接受订阅,a200好了答案是发送给订阅者。然后,事件报告通知订阅者通过通知方法。通知可以发送定期或在特定事件发生时(或两者)。

SIP也提供了一个框架的出版事件通知服务器上,称为事件状态排字工人(ESC)。这个任务是使用来完成的发布方法(22]。然后ESC负责管理和分发这些信息通过ENF有关当事人。

完整的映射发布/ Subscribe-Notify范式domotics架构如图2。图中显示期刊和事件驱动的通知。

注意,ESC是一个逻辑实体,可身体驻留在系统的不同部分;在我们的原型ESC宋惠乔所提供的功能。特别是,宋惠乔是唯一的实体发布事件。DSAN设备因此保存从知道任何关于SIP的存在。此外,宋惠乔可以过滤和组成事件中没有单一DSAN域。

3.1.3。登记

在拟议的domotics体系结构中,两个元素必须注册:用户和宋惠乔。传感器和执行器的各种子系统由宋惠乔通过特定DSAN管理接口。因此他们可以完全不知道的SIP控制飞机。另一方面,用户与系统的交互可以通过了解的SIP URI宋惠乔可以参考DSAN设备通过我们称之为“功能寻址”计划(见部分4.2),也就是说,一组记忆名称(如房间名称和设备功能)。这使得系统也非常用户友好的和高度可伸缩的。不管有多少设备,用户可以控制它们总是通过相同的URI(宋惠乔之一),从任何地方他/她,他/她使用任何允许sip设备。

4所示。系统架构

构思domotics系统的一般体系结构如图3。我们可以确定四个主要物理要素:客户、SIP服务器,宋惠乔,DSANs。

专家的读者可能已经注意到,这种架构是不完全的小说:一个类似的图片已被提出,例如,通过(8,10]。这意味着domotics系统中的场景会操作可以被认为是完全解决。然而,尽管解决类似的建筑,不同的作品,尤其是我们的,在许多方面都有所不同,如SIP是如何集成到框架和由设计师,利用语义在考虑什么,他们如何与系统的其他组件交互,以及如何对用户有益。更具体地说,我们的方法目标可伸缩的、透明的、无痛的集成,从用户的角度和从DSANs”的观点。

新和区分元素的架构在下面描述。

4.1。基于sip的家庭网关

基于sip的家庭网关(宋惠乔)是系统的关键因素。它使远程控制的各种DSANs翻译来自世界SIP消息和程序具体DSAN技术,反之亦然。此外,它执行的“智能”操作,如驾驶设备DSAN以响应事件的另一个DSAN(例如,打开后KNX-enabled加热器无线个域网传感器报告了温度/湿度变化)和解释普通用户命令并将它们映射为特定于设备的操作。

宋惠乔原型报告的完整描述部分6.1。

4.2。Domotics设备抽象

一个名叫domotics设施的中间实体,抽象(DFA),引入了具有双重目的:分离的实现系统的两个域(即。SIP和DSANs),创建一个单一的用户友好的服务抽象。前者的目标是为了缓解开发SIP和DSAN接口,可分别进行。使抽象的定义domotics服务功能寻址和控制范式用于用户界面,使得SIP纯传输层,从而向用户隐藏。

图文并茂的描述框架中可以看到图4。用户沉浸到功能服务抽象,这是通过在客户机上的用户界面,实现和宋惠乔理解和处理。部分将详细介绍6.1,实现DFA宋惠乔在大多数情况下,存储组的操作和执行必要的任务来完成用户的指令。

一个示例应用程序框架可以迅速提供。想象一个用户在一个偏远的地方(例如,出国旅行归来)希望找到在一个舒适的温度。他/她可以发出一个简单的命令,如“设定温度20家。“客户端然后包装命令到适当的SIP过程和传达宋惠乔,映射到一个DFA服务。然后宋惠乔关心翻译成适当的组DSAN操作,如启动空调系统和设定的报警阈值温度传感器部署在房子里。当达到所需的温度时,宋惠乔将自动停止空调系统。

从这个例子我们可以看到,用户要求执行特定操作,但他/她显然无视所有的技术流程domotics系统,透明地处理的宋惠乔DFA的层。

4.2.1。准备系统配置和重新配置

显然,释放DFA的功能层和功能寻址和控制方案,必须配置阶段。在我们的视觉,这个阶段可以分为两个步骤。

在第一步中,系统开发期间,发生的行为和用户关键词必须定义和实现。参照上一个示例中,开发人员应该让宋惠乔意识到关键字“,”“,”和“温度”和实现程序,将这些关键字转换成实际行动(如暖通空调执行器发送一个命令)。然而,这些程序不能解决一个特定的设备,自组可用的设备在部署时才会知道。因此程序可以定义通用的命令,成为实际特定于技术的行为一旦DSAN设备相连。例如,典型的通用空调操作可以是“热”,“通风”,和“酷。”完成此阶段定义的关键字和范例的用户可以利用。

第二个配置步骤发生在部署时。查看图7显示了宋惠乔内部,可能有助于使概念清晰。特定安装细节,比如房子的计划和房间名称,存储到宋惠乔数据库和/或文件系统。这个任务可以通过安装程序或用户。提供一个GUI让用户安装和/或配置宋惠乔可能是一个商业的选择。同时,DSAN经理检测到连接设备并填充宋惠乔数据库,插入信息,如设备类型、功能,以及他们可以执行的操作。插入设备的物理位置由用户/安装程序,设备后与宋惠乔注册。

系统现在可以工作了。当用户收到请求,宋惠乔将它映射到适当的行动,其数据库搜索设备(s)支持这一行动,并发出命令(s)对那些DSAN设备。宋惠乔及其内部的完整的工作流程中描述的部分6.1。

显然,在部署阶段可以修改输入的信息,例如,由于设备动作,替换,或添加。虽然可能是一个更微妙的操作,还可用关键词的设置和操作,用户可以更改,例如,通过升级宋惠乔固件。

5。宋惠乔无线技术

在本节中,我们给出一个快速概述的三个无线技术,也就是说,wi - fi无线个域网,和蓝牙,我们选择了家庭网络,因此,集成到宋惠乔原型。我们还概括了如何这些标准开发这个地区的2.4 GHz的乐队和交互的光谱。

5.1。无线网络

最新的IEEE 802.11标准(23]定义了CSMA / CA(载波监听多路访问与避碰方案作为强制性的介质访问计划。根据CSMA / CA,每一个无线设备传输前应当听取媒介。传播是只允许如果媒介已经感觉到闲置一个预定义的时期。在案例中感觉到忙碌或碰撞后,设备应避免传播一段的长度是由一个随机变量(指数倒扣)。

IEEE 802.11网络可以操作一个11、13或14频道为2.4 GHz的ISM波段定义(确切的数量取决于地方性法规)。每个通道宽22 MHz,通道部分重叠(因为整个ISM略高于80 MHz带宽)。因此,不超过三个网络可以同时运行在同一地区为了保持的传输不受他人的干扰。

手术通道和传动功率通常设置静态(例如,由制造商或用户在配置时),即使动态频道选择(DCS)和传输功率控制(TPC)例程已定义的操作5 GHz乐队。2.4 GHz的乐队,最大传输功率100兆瓦(dBm) 20日在欧洲和1 W (30 dBm)在北美;在日本,权力是测量与带宽,最大允许功率是10 mW / MHz。

最后,调制方案是DSSS(直接序列扩频)低比特率或者一个OFDM(正交频分复用)更高。

5.2。无线个域网

内部IEEE 802.15.4标准提供服务(24)指定的物理和介质访问控制层低速率无线锅,针对10米的通信范围内250 kb / s的传输速率。

内部类似于wi - fi, 802.15.4设备提供服务使用CSMA / CA通道访问算法和DSSS调制(实际上,最新版本的标准定义了四个调制方案,但在2.4 GHz乐队只允许DSSS调制)。

全球16个通道被定义为使用2.4 GHz的乐队。然而,不同于802.11,它们更窄(2 MHz),不重叠,因此,内部16 802.15.4网络可以很容易地提供服务在同一地区共存。当开始一个新的网络、能源检测(ED)功能是用来确定其他系统的活动,从而决定操作通道;但不支持动态信道选择。

最新的无线个域网发布了支持“无线个域网Pro”标准的跳频。这样整个锅锅协调员可以移动到另一个频道,如果使用的是超载。然而,这不是一个快速、可靠和节能的方式来解决这个问题。此外,它不是强制实施。

5.3。蓝牙

蓝牙是一个标准的通信协议设计面向连接服务,如语音、低功耗和短程操作。输出功率取决于设备类,从1到100兆瓦。因此,预期的范围应该从1到100米,虽然实际范围是高度可变的。

蓝牙传输在79频道在2402 - 2480 MHz范围。每个通道1 MHz宽,一名警卫通道用于上下带边缘。为了减少来自外部的干扰来源,跳频(FHSS)用于传播信号在所有频道。因此一个蓝牙网络使用完整的2.4 GHz频率可用ISM波段。不同的网络可以共处在同一个区域采用不同的跳跃模式或时移相同版本的模式。从规范v1.2,蓝牙还包含一个自适应跳频(AFH)方案,减少了就业渠道的数量提高其鲁棒性对干涉。

蓝牙信道访问过程是基于主从模式,它是建立在一个时分双工(TDD)传输方案。基本的调制是高斯频移键控(GFSK),它允许一个1 Mb / s的传输速率。自的引入增强数据速率与规范v2.0 (EDR),/ 4-DQPSK(微分求积相移键控)和8-DPSK调节也可以使用,将数据速率为2和3 Mb / s,分别。

5.4。频道、频率和调节

图5显示了分配的无线个域网和wi - fi频道2.4 GHz的ISM波段。注意,一个802.11通道完全重叠和四个无线个域网频道。蓝牙通道是没有报告,FHSS覆盖整个可用频谱。

使用的三个最不重叠的wi - fi频道1,6和11所示。在这种情况下,两个无线个域网频道应该是免费的从无线传输干扰,也就是说,频道25和26(最右边的的两个)。然而,没有保证使用频道25和26解决干扰问题。例如,两个渠道可能不足以让共处几个地理位置重叠的锅。此外,尽管在北美无线个域网频道25和26可以从无线传输真的认为自由,在其他地区,如欧洲和亚洲的所有可以使用wi - fi频道,从而覆盖完整的一套无线个域网频道。

进一步使wi - fi的共存和ZigBee困难方面允许传动功率的不同。事实上,最大的wi - fi输出功率可达100倍的最大允许无线个域网传输功率(100 mW和1 mW)。相同的考虑适用于wi - fi和蓝牙设备属于类2和3。

6。概念验证

把前面几节中表达的思想付诸实践,我们已经意识到一个小的实验涉及的所有元素的架构。宋惠乔,核心和最创新的元素,从零开始。两个DSANs已经使用两套实现无线个域网和蓝牙设备。最后,为了说明扩张的潜力和定制我们的架构中,我们定义和实现了“家庭自动化”包,一个特定的SIP事件包domotics框架。

6.1。基于sip的家庭网关

唯一的要求构建宋惠乔是足够的处理能力和内存来运行软件和接口的能力与特定的传感器网络的技术控制。

关于前方面,我们使用一个通用的单板计算机(SBC)与德州仪器是3730处理器(ARM Cortex-A8)运行在720 MHz和256 MB的DRAM和256 MB的NAND闪存。因为它将部分所示7.2这个硬件是绰绰有余。给宋惠乔物理接口向无线网络,无线个域网模块被嵌入到董事会和连接到主处理器通过一个串行接口;哈马蓝牙适配器,无线网卡插入两个USB端口。图6显示了原型宋惠乔。

宋惠乔软件是建立在Linux(内核2.6.36),提供必要的支持和开发工具(如一个SIP库、接口驱动程序)。软件实现宋惠乔功能已经从头开始使用c++语言编写的ARM平台,然后交叉编译。多线程方法之后。每个用户请求是由一个不同的线程并行处理。这有助于提高可伸缩性宋惠乔的性能。

内部宋惠乔报道在图的软件架构7。从顶部开始,我们遇到的第一个对象是SIP接口。这只不过是SIP软件(GNU oSIP和eXosip库)中提取用户的命令从SIP消息并将它们传递到下一个模块的形式纯文本字符串。这些然后翻译成合适的DFA的行动翻译模块,获取一组可用的DFA行动从DFA图书馆。这个模块的输出是美联储宋惠乔引擎,我们把情报用户的指令执行的适当的方法。这通常是通过创建一系列基本实现DSAN命令被送到各种DSAN元素。一组可用的元素和从设备数据库检索命令。宋惠乔引擎然后将DSAN命令传递到各种DSAN经理是负责翻译成特定于技术的命令和执行所有的操作,确保指定的操作实现。最后,无线个域网、蓝牙和无线接口的软件模块(无线个域网的定制软件,蓝牙的BlueZ栈,wi - fi和Linux驱动程序和工具),飞行员的物理对象连接到各种传感器和执行器。

设备数据库(DdB)持有DSAN可用的集合对象,相关的属性(如命令、位置、技术)。DdB填充,保持最新的DSAN经理,知道的数量和类型的设备通过各种DSAN接口连接。进一步的信息,如每个设备的物理位置,可以插入在配置时由用户或服务提供者。

反方向的操作,从DSAN网络SIP接口,类似于上面提到的那种。从传感器传递的通知,通过DSAN经理宋惠乔引擎,决定要采取什么行动。例如,一个新命令可能会向DSAN发行,或一个信息消息可以发送到用户(或两者)。在后一种情况下,将消息传递给翻译模块,最后SIP接口。

6.2。无线网络

本节简要描述的设置两个DSANs和无线局域网的。一些必要的技术细节。

6.2.1。的无线个域网DSAN

无线个域网的节点传感器网络基于飞思卡尔MC1322x板、集32位ARM-7单片机和低功耗2.4 GHz收发器。飞思卡尔提供的完全兼容的无线个域网栈是安装在节点。

一个自定义应用程序,支持环境数据收集(温度和压力),远程光控制,和消息路由了ZigBee堆栈的顶部通过集群无线个域网(ZCL)函数库。APS ACK特性(一个端到端的应答机制)启用无线个域网传输可靠。

环境数据检索基于固定时间和需求,和用户可用两种方法都可以订阅这个事件或问宋惠乔检查一个特定的传感器的值。至于远程光控制,led的MC1322x板配有一个数组,用来模拟多级光。环境数据收集和灯光控制,我们定义一组文本命令。结合他们的名称空间允许用户设置所需的光级或检索传感器读数。

无线个域网系统的一个重要方面是它提供了一种机制,称为绑定,连接端点(一个“端点”是一个逻辑线连接的分布式应用程序驻留在不同的节点)。绑定创建逻辑端点之间的联系和维护这些信息在一个绑定表中。绑定表也有信息上的设备提供的服务网络。无线个域网协调器(佐)通常持有绑定表为整个网络。这种结构的一个显著优点是它允许的实现服务发现通过绑定过程。无线个域网网络内的服务可以直接无线个域网域内被发现,没有采取任何额外的软件或外部实体。SIP与特定引用控制飞机,这意味着没有必要SIP注册程序移植到无线个域网网络,因为这将是一个无线个域网服务发现的重复。

6.2.2。蓝牙DSAN

哈马蓝牙适配器连接到宋惠乔板嵌入一个版本2.0兼容芯片支持功能特性。二班这是一个设备,输出功率的2.5 mW (4 dBm)允许10米的大致范围和物理3 Mbps的比特率。操作这个设备,我们利用蓝牙Linux堆栈(BlueZ),使支持扫描和配对等基本操作。在这些基本功能之上,我们建立了蓝牙接口,这是清单和管理连接设备的能力。

为了验证domotics系统,我们建立了一个音频流测试。蓝牙耳机(索尼DR-BT101)用作客户端设备。音频流媒体处理直接由BlueZ(宋惠乔一侧)和耳机,通过A2DP概要文件。

基于sip的控制平面,我们定义和实现一些简单的命令,如清单的内容和蓝牙耳机的音频流。

6.2.3。无线局域网

构建无线局域网中,我们使用两个适配器基于Ralink RT3572芯片组,IEEE 802.11 a / b / g / n卡兼容。其中一个适配器是安装在宋惠乔和其他常见的笔记本电脑。最新的司机“compat-wireless”方案已用于飞行员卡。

我们建立了一个私人ibs网络2.4 GHz的渠道之一。ibs拓扑结构的使用,而不是一个“基础设施”是合理的设置时间越短(主要的驱动程序和软件配置),但也没有影响的交通运输和应用程序层和物理层的机制。因此宋惠乔和PC两站“对等”。

交通生成wi - fi连接通过常见的测试应用程序,如FTP或iperf。

6.3。Domotics事件框架

SIP事件通知框架(ENF)标准化在RFC 3265 (21),后来的RFC 3903 (22),提供了事件的过程,使通知(如部分中概述3所示。1),但不定义任何特定”活动方案。“的确,几包SIP ENF目前已经批准。其中,存在包(25)可能是最流行的,实现的是一些广泛使用SIP客户端。然而,这个包不适合domotics环境的需要,因为它提供了一个基本功能(给定用户的存在),指的是裸露ENF,没有利用发布方法。

测试我们的domotics系统与一个完整的和灵活的发布/ Subscribe-Notify范式,我们建立了一个新的包,命名为“家庭自动化。“家庭自动化的基本特征相似的存在,但我们的包使用发布方法。我们设计了嵌入一个定制的XML文本,如图所示8,其中包含domotics特定数据(比如一些环境传感器读取的值)。在这个特殊的例子中,从宋惠乔发送到一个XML片段增强的客户报告关于传感器的读数实验室房间和当前光水平。注意标签实现DFA的功能命名的抽象层。显然,这个XML方案可以取代任何其他类型的文本格式,比如REST或SOAP(受雇于无线个域网的网关(26])。

为了正确处理这个包,我们也建立了一个定制的ESC服务器。我们使用Kamailio,开源SIP服务器在GPL下发布的,我们做了一些修改。添加特定的家庭自动化的变化主要是由关键词让它认识到家庭自动化包以类似的方式,其他的包。

注意XML文本不是感动了ESC(只有一个正式的检查完成),但通过直接传递给用户通知消息。因此,SIP是立即使用现有的基础设施能够提供这些信息。

6.4。SIP客户端

我们开发了一个测试SIP客户端支持完整的发布/ Subscribe-Notify范式和家庭自动化包中描述部分6.3。一个这样的客户在所有方面SIP-compliant软件,但由于额外的功能,可以控制DSAN本地语义。

6.5。SIP服务器

对SIP服务器建设必要的基础设施正常工作。在我们的概念证明,我们使用两个不同的服务器。外部提供的注册和代理服务器iptel.org被用作一个现有的SIP网络元素的一个示例。这个服务器是符合现有的SIP标准,完全不知道我们的本质domotics试验台。

一个定制的SIP服务器建在我们的实验室通过Kamailio开源软件。节中解释6.3,这是必要的,以支持我们的家庭自动化活动方案。因此,该服务器代表SIP domotics-aware元素的基础设施。我们叫这个服务器增强通知服务器(实体)。

7所示。执行测试

执行测试可分为两组。第一个系列旨在评估原型的性能宋惠乔能力而言,可伸缩性和处理延迟。第二组而不是的目的是验证干涉量的无线接口上宋惠乔和宋惠乔性能的影响。

在讨论这个测试之前,我们大纲已部署的网络和环境中进行了测试。

7.1。网络拓扑结构

所有测试已经进行的前提Dipartimento di Ingegneria戴尔'Informazione大学的比萨,意大利。这确实可能构成一个良好的环境对两种测试:应用,如智能能源、建筑自动化,以及入侵检测系统适合这种结构,和我们可能的确希望找到几个设备同时使用不同的无线技术工作。

意识到实验是由五个无线个域网传感器节点,包括无线个域网协调人(佐),这是嵌入在宋惠乔董事会为已经显示在图6。节点的物理位置如图9。所有无线个域网节点佐无线路径。由于室内环境,节点楼梯,办公室,走廊使用多次反射路径。蓝牙耳机(蓝芽)宋惠乔放置在同一个房间里,大约分开8米;电脑作为一个wi - fi站(sta1)被放在一个房间相邻的宋惠乔。我们检查,蓝牙和无线网络设备,以及实验室节点,宋惠乔操作范围内。sta0代表了wi - fi宋惠乔适配器连接到USB端口。

7.2。宋惠乔的性能

我们评估宋惠乔性能的两个指标:提供用户请求的数量/秒(简而言之:SURPS)和平均响应时间。

第一指标来计算,我们连接宋惠乔不同数量的客户通过我们的100 Mbps的局域网。每个客户端程序发送100个请求使用的连续流消息方法。每个请求尽快投前收到响应宋惠乔(我们回想一下,一个反应是有不同的实现消息事务)。以这种方式宋惠乔总是有一个未决请求处理每个客户端。辅助SIP程序、登记等被排除为了测量原始宋惠乔能力。出于同样的原因,我们没有宋惠乔连接到任何真正DSAN但实现了一个假的界面,返回响应就收到一个命令。在实践中,参照图7、加工路径停在无线个域网接口。蓝牙和无线网络不活跃。

收集到的数据总SURPS和平均SURPS每客户,平均十多个实验,在图10的函数连接的客户机的数量。专注于红线(标记为“eXosip”),我们可以看到,当一个客户端连接,这可以享受服务速率大约是每秒89个请求。无疑这个数字可以被视为足够不仅对任何人性化的活动也对任何合理的自动化应用程序(见,例如,11])。在两个客户的情况下,总SURPS的数量几乎翻了一番,但当添加进一步的客户,有一个突然的性能下降。当四个客户端连接,总SURPS甚至低于单一客户情况。

我们有了这样一个巨大的退化的原因,发现是由于eXosip库集成到宋惠乔。没有深入研究软件的细节,这个图书馆提出了一些结构和超时,减缓整个系统调用eXosip时许多请求在同一时间。因此我们设计了一个简单的补丁,绕过这些缺点和重复SURPS测试。

修改版本的结果也显示在图10(蓝线,标记为“打补丁”)。宋惠乔有所改善的性能几乎任意数量的连接的客户机(它仅略有恶化对于两个客户机)。更值得注意的是,然而,是这一趋势的数量SURPS现在更为顺畅,最重要的是,SURPS总数达到稳定级别层约146 SURPS。这意味着宋惠乔并不明显的性能受到客户的数量。因此,我们可以合理地确认宋惠乔可以扩展为许多来自不同客户端的请求在同一时间。

第二次性能测试,我们分析了宋惠乔从内部的行为的观点。我们测量之间的间隔的接收请求消息和响应的问题消息。的测量进行了一个客户,辅助SIP程序在工作,但仍与蓝牙和无线网络一直闲置。我们使用两种构型。第一个仍基于假接口,而第二个设置是一个手术场景和一个真正的无线个域网DSAN附呈。保持事情简单,然而,ZigBee DSAN仅由两个节点:协调器(身体宋惠乔板焊接)和设备节点直接通信范围。无线个域网网络运营25个频道,这是最不受外部干涉的来源。

表的第一行1显示了处理时间的宋惠乔两种构型。明显不同的是,它们是分开了近两个数量级。这个结果显然不给投机和更大的空间识别系统的瓶颈domotics传感器网络。

在第二排表1我们有报道,宋惠乔软件运行时的性能在一个通用的PC基于英特尔酷睿i3处理器运行在2.66 GHz 4 GB的RAM。这些数据的目的是提供一个比较“高端”硬件。运行软件的电脑有点慢,但是实际的无线个域网网络连接时更快。“软件”的差距可以归因于缺乏优化的代码和硬件,而“DSAN”差距来自于不同的连接的无线个域网协调人:串行(慢)宋惠乔原型和USB(快)电脑。

7.3。干扰的影响

检查domotics系统干扰的影响,我们建立了一种“用例”的场景。我们假设使用wi - fi和蓝牙网络向用户提供不同,但大量的数据(年代)。具体地说,一个FTP或HTTP传输转达了wi - fi连接,而一个音频流是通过蓝牙设备来执行的。宋惠乔从而充当数据的来源,和其wi - fi和蓝牙接口工作主要是发射器。这种情况可以映射,例如,一个文件从互联网下载(FTP传输)和一个用户听一首歌从本地存储库中检索(音频流)。至于无线个域网DSAN,这是用来将命令发送到传感器分布在房子。我们利用请求/响应通过双口模式实现消息事务(如部分3.1。1)。因此,宋惠乔和传感器替代流量的源和目的地的角色。

由于薄弱的环节是无线个域网连接,我们的努力主要是针对测量的影响两个“强”技术,也就是说,wi - fi和蓝牙,无线个域网的性能子系统的功能,因此用户控制和反馈从无线个域网DSAN。

测试是在类似的方式组织在前一节中描述的性能实验。SIP客户端发送一个连续流的100个请求宋惠乔通过当地100 Mbps以太网局域网。每个请求尽快发送前收到响应。不迷失在请求和响应系统的这一部分。辅助SIP程序(注册、发布等)被禁用,因为他们没有任何影响无线电干扰。宋惠乔然后翻译投在无线个域网网络的请求。只有一个无线个域网传感器节点用于测试。这对测试的目的是充分的,随着干扰主要发生在第一个无线跳。

至于无线部分,我们把无线网络通道1或11和ZigBee DSAN频道25日或15频道。我们没有测试系统下无线个域网和wi - fi频道重叠,因为我们相信这是逻辑假设一个系统将部署显然足够聪明来避免这样的麻烦的分配。也,我们没有测试的各种可能的组合,而不是礼物的目的——读者感兴趣这种分析可以参考(14]。

我们收集四个性能参数:平均命令服务时间登记在客户端(简而言之:服务延迟),平均和峰值命令执行时间无线个域网接口(简而言之:执行延迟和峰值延迟),和(即失去了命令。,要么失去了请求或失去响应;我们自己确定的损失只能发生在无线个域网网络)。

监控2.4 GHz频段上的活动,包括可能的外部干扰源(如其他无线网络),我们使用了AirView2-EXT ism波段频谱分析仪(http://www.ubnt.com/airview)。截图的功率测试区域已经在执行每个实验之前,检查是否有足够强的外在外部干扰,从而避免偏见的结果。

表2测试的结果报告。第一个测试中,标记为“0”,是一个初步测试,用于基准系统当完全无线个域网网络活跃(频道25)。丢失,我们可以看到,没有命令执行高峰延迟几毫秒大于平均水平。这表明无线个域网网络的行为是相当稳定的。此外,平均服务和执行延迟不同只有3女士。

在接下来的测试(1),我们激活蓝牙和无线网络,与wi - fi放置在通道1,也就是说,从无线个域网一个最远的可能。在这种情况下,干扰主要是由于蓝牙,涵盖整个2.4 GHz的乐队。性能下降明显,增加了12%的平均时间。高峰延迟的值改变了大部分,现在将近7倍的平均延迟执行。因此,无线个域网网络仍然可以把所有命令来完成,但其响应时间变得非常难以预测。按绝对价值计算,然而,即使是最高的值(1.268秒)可以被认为是可接受的。

在测试(2)我们将wi - fi排放接近无线个域网的;也就是说,我们把wi - fi频道11。从理论上讲,仍然没有无线个域网和wi - fi频道之间的重叠。但事实上无线个域网段严重处罚,证明的值在表2。平均延迟接近1秒,最高执行延迟超过5秒。对于某些应用程序这些值可能是至关重要的,为用户烦人。但是请注意,没有命令丢失。

这些数字的原因在于长期超时和无线个域网的众多重试允许应用程序和MAC层。例如,默认应用程序重试超时时间是1.5秒,并允许重试次数是3,MAC和在应用程序层。因此,无线个域网网络,这是高度受到wi - fi,可以利用几次试图提供每个数据包,因此总的传输时间变得非常大。

有确认无线干扰无线个域网即使在不重叠的渠道,我们反复测试通过移动无线信道1和无线个域网到15频道。这个测试的数量(3)非常相似,甚至比以往,确实证实了这个事实。

8。结论

本文提出一个架构和一个家庭网关实现domotics系统异构设备和用户终端。架构是基于SIP的共同控制飞机的使用和集中在回家的基于SIP网关。翻译功能解决方案和一个抽象层(DFA)用于使底层技术对用户透明。DFA是DSAN域之间的胶水和SIP世界,同时允许单独的SIP和DSAN接口的实现。此外,通过选择暴露给用户一个SIP URI(宋惠乔之一),系统增加了用户使用方便,可以很容易地扩展到大的部署。注意,这个单uri方法既不是一个固有特性的SIP和domotics概念本身。相反,它是一个显著的优势,我们建立我们的架构和宋惠乔的方式。这种方法的积极影响大于随着网络的规模更大。

我们已经建立了一个概念验证,包括原型宋惠乔,三个标准的无线个域网,蓝牙,无线网络,新定义的SIP事件包,和一个定制的事件状态排字工人。

宋惠乔已评估的性能而言,每秒用户请求服务,服务延迟处理延迟,平均和峰值。的影响有三个无线接口在同一个板操作在同一频带也被评估。

结果证明宋惠乔能力支持每秒相当数量的请求,也从一个不同数量的客户。因此,开发原型确实可以用于大型部署,一样有能力扩展到任何现实的需求。

在干扰方面,有消息称,无线个域网有蓝牙和wi - fi的存在。然而,尽管前者技术生产只是一个相对较小的性能下降,wi - fi的存在无疑是更麻烦,因为无线个域网网络的能力来完成它的任务在短时间严重阻碍。虽然无线个域网的弱点是众所周知的,非凡的,发生这种情况即使wi - fi和无线个域网操作渠道名义上分开。我们的实验显示,一个巨大的性能下降,当无线个域网和wi - fi相邻通道。然而,通过适当的配置,我们也证明可以避免命令损失。

确认

这项工作是支持的意大利指令、大学和研究(MIUR)主要GATECOM 2009个研究项目。作者要感谢卢卡Boggioni和塞德尔Chiaro帮助发展中原型和运行测试。

引用

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