文摘
智能家居网关中扮演一个重要的角色在物联网系统(物联网),负责网络层之间的连接和无处不在的传感器网络(USN)层。尽管家庭网络应用发展迅速,研究基于家庭网关的开发架构不太开放。这使得很难扩展家庭网络支持新的应用程序,分享服务,与其他家庭网络系统互操作。提出了一个集成的访问网关(IAGW)摘要向上连接运营商的机器对机器(M2M P / F)的平台。在家庭网络计划中,网关提供了标准接口支持各种应用程序在国内环境中,从现场配置节点和服务访问。此外,沟通管理能力也是由M2M P / F。一个简单的家庭网络应用程序系统的试验台,包括IAGW创建原型来测试它的用户交互功能。实验结果表明,该门户为用户提供了巨大的灵活性配置和部署一个家庭自动化网络;它可以应用到其他监控领域,同时支持multi-ubiquitous传感器网络。
1。介绍
物联网(物联网)被认为是近年来的一个主要的沟通进展,因为它提供了独立的发展合作的基础服务和应用程序(1]。广泛的研究正在探索使用这一概念在不同领域潜在的应用程序,比如ZigBee-based,穿戴式生理参数监测方案(2),监测动物的存在和在一个范围内的放牧时间3),药物和卫生保健的管理(4),特别是家庭网络应用程序(海航集团)。物联网的海航集团报道[潜力5- - - - - -8]。物联网监控的实现提出了一个家庭的环境条件(5]。一个智能家居的实验教学模式的基础上提出了基于项目的学习(PBL)本科教育(6]。室内的无线家庭自动化网络监测提出了(7]。同步智能和无线家庭能源管理场景提出了在8]和[9),分别。这些研究识别潜在能力自我配置,全面管理和沟通能力。
海航集团,家庭网关是最重要的水槽节点(SN),它提供了访问和管理功能的子节点(中枢神经系统),如家庭设备或智能家居终端。许多关于ZigBee-based家庭网关最近发表的文章(10- - - - - -12]。作者在10)提出一个ZigBee-based集家庭网关处理终端医疗数据的收集,最终将数据传递到远程诊断的医生。作者在11]介绍一个家庭控制器支持无线个域网和红外通信。基于osgi架构的无线个域网的动态集成家庭网络中提出了家庭网关(12),无线个域网家庭网络设备被表示为设备代理服务包。然而,根据这些海航场景,数据交互实现CN和SN之间主要由专有的无线协议,SN和CN是专门为海航集团计划,,因此,缺乏互操作性。这些专有网关和他们的系统难以扩展,以支持新的服务,整合新数据,或与其他海航集团进行互操作。
机器对机器(M2M平台P / F)集成服务方案提供自我配置和可扩展性有显著的潜力提高传统的家庭自动化系统的效率(13]。在[14),提出了一个快照最新进展的M2M之类的标准化需求,架构,候选人协议,安全方面,和设备管理。在[15),一个IoT-based伸缩式护柱管理系统来管理车辆的描述访问拨款限制城市地区。在[16),生物医学应用程序和各种低功耗无线传感器和链接技术进行了讨论,但提出的方案集成只是适合黑莓系统。在[17],M2M架构应用在医疗保健、能源管理、和娱乐,和固有的性能权衡现有设计评估。
在这篇文章中,一个集成的访问网关(IAGW)架构提出了与标准接口支持各种应用程序节点在家庭环境中,从现场配置节点和服务访问。上行和下行通信接口IAGW的标准化。基于IAGW的家庭网络系统架构采用终端管理和服务实现之间的分离原理;前者是实现M2M P / F,而后者是由服务层。的工作模式和参数配置IAGW网关可以使用web控制台设置。如果IAGW完成正确的配置,它将允许自动管理M2M P / F。与此同时,系统服务数据直接转移到服务层通过IAGW回家。根据拟议中的IAGW和M2M P / F融合架构,国内传感器和服务标准化,容易管理。因此,它可以减少开发工作量,促进multi-HNA系统之间的互操作性。系统架构,基于IAGW的海航集团的设计方法,将讨论和演示实验的部分2- - - - - -4。
2。系统概述
如图1,家庭网络系统的分层体系结构由3层:无处不在的传感器网络(USN)层,网络层和服务层。
的主要角色IAGW是中枢神经系统之间的数据传输和网络层。USN层中的中枢神经系统包括室内空气质量(IAQ)、无线控制套接字(WCS),红外接近传感器(IPS),摄像机和其他传感器或执行器在海航集团。除了摄像头,其他中枢神经系统与无线个域网集成模块和网络的能力。摄像机连接到IAGW网关通过wi - fi无线接口或一个RJ45接口连接。用户享受海航的便利和安全服务通过个人电脑(PC)、手机(MP)和垫。网络层由一个有线网络和3 g / 4 g无线蜂窝网络。服务层包括一个海航服务中心(HNASC)和一个家M2M平台(HM2M P / F);前者负责家庭服务管理,而后者提供了接口IAGW和支持网关管理。HNASC支持接收、验证和存储实时数据收集的IAGW。它还与业务操作支持系统(老板)来实现操作,比如业务订单同步,推动信息的形式向用户手持终端和短消息服务(SMS)。
3所示。设计方法
3.1。IAGW原型
图2显示了堆栈结构提出IAGW的硬件架构。IAGW原型设计提供标准进入中枢神经系统部署在海航集团系统。主板是核心单元的IAGW设计单片机,更快,和快闪记忆体;它运行Linux 2.6或以后的操作系统(OS)。USB接口是用于连接本地数据存储的记忆卡,尤其是视频监控数据。4领导IAGW代表不同工作状态的指标,相应的力量,网络连接/断开连接,数据传输,分别和报警开关。
(一)
(b)
IAGW提出了机载22-pin内部接口和一个RS232/485外部接口连接到主板,这是方便无线个域网SN集成。如果用户需要连接和控制家庭设备其他无线标准,相应的SN通过两个接口可以重新开发和集成。在内部接口的尺寸调整的无线个域网SN如图3。
3.2。功能体系结构
的功能架构IAGW图所示4。USN层接口实现通过无线个域网广播和网络的能力。公共网络接口命令一个基于ip的网络,如2 g / 3 g / 4 g,或以太网。USN管理器模块管理USN,包括提供一个统一的网络接口包经理或其他模块,检测USN网络状态(连接状态OK / NG),并收购所有的USN网络服务类型通过USN I / F。
“登记”模块用于管理节点注册到IAGW和请求网关注册HM2M P / F。与此同时,“网关配置”模块提供的通信参数和工作模式配置IAGW通过HM2M P / F。“节点Mngr”模块管理中枢神经系统,包括节点ID等方面管理、节点状态监控和节点控制。节点监测节点管理器的子模块,监控节点的状态。提出的“包Mngr”模块IAGW repacketizes数据收到CNs标准形式并将它们发送给HNASC P / F,解析请求发起的平台,并分成包成适当的形式发送到中枢神经系统。“安全”模块包括授权/身份验证和en /解密,和“QoS(服务质量)”模块保证服务质量。“远程维护”模块支持远程维护,如IAGW和SN HM2M P / F的软件升级。
3.3。自适应访问和M2M业务交互方法
如图5基于IAGW海航系统可以分为2种通信接口:HMMP - S和HMMP-A(家里M2M协议)。
HMMP-S接口(步骤)实现ZigBee-based中枢神经系统之间无线通信标准协议和IAGW,以解决家庭终端的各种类型的访问。它与家庭网络属性,阅读中枢神经系统的ID和描述信息和设置无线个域网的通信端口SN。它与家庭网络服务,获得所有的家庭网络通过IAGW服务类型。HMMP-A协议(步骤,,)之间的数据传输接口属于IAGW HM2M P / F。HMMP-S接口协议直接转发到HMMP-A接口通过IAGW和HMMP-A协议包括HMMP-S的包。与此同时,如果IAGW连接到HNASC平台,HMMP-A协议应该HMMP-S协议的扩张,这之间的通信的可靠性IAGW HM2M P / F, HM2M P / F, HNASC可以是安全的。
HM2M P / F的用途CONFIG_SET命令来配置不同的终端。如图6,根据家庭终端传输适配器软件通过HM2M P / F(步骤1)和远程推动IAGW(步骤2)。
针对基于HMMP-S CN节点管理协议,基于状态IAGW采取适当的行动,例如调整数据发送速率或错误状态。与此同时,它报告节点状态通过IAGW HM2M P / F,允许定期管理状态。HMMP-S协议还实现了控制中枢神经系统的工作行为,和节点控制命令最初发行的IAGW或HNASC P / F。主节点数据采集和处理流程如图7:步骤0代表家里CN的配置,包括数据采集和数据报告的规则;主节点使用传感器适配器步骤1代表的协议,这是由HM2M加载F P /读取数据;步骤2表明主节点使用TRANSPARENT_DATA命令传输数据到HNASC P / F;步骤3介绍了手持监控和显示CN遥感数据和状态。
3.4。用户开发过程
图8显示了用户开发步骤和接口提出了基于HM2M P / F的家庭网络系统。通过配置的通信端口IAGW, IAGW和SN之间的通信是安全的。端口配置完成后,会自动保存的内存IAGW。
如果HMMP-S通信配置完成后,那么沟通HMMP-A可以设置参数。应该配置的主要参数包括IP地址、端口和密钥的HNASC P / F。IAGW也可以配置加密模式。当COMM_CONFIG数据执行,IAGW发送通信密钥请求HM2M P / F,自动分配的后者。中枢神经系统和IAGW之间,也IAGW和M2M P / F,监控和维护通信实现与HEART_BEAT HEART_BEAT_ACK包。因此,海航集团的数据传输链路系统已经建立;HM2M P / F IAGW和中枢神经系统可以实现远程管理,并通过HNASC P / F来支持各种家庭服务用户。
4所示。系统实现
4.1。基于原型网关海航集团
如图9家庭网络系统的试验台,验证基本功能的智能IAGW已创建。实验包括一个IAGW (SN),两个室内空气品质节点,WCS节点时,感烟探测器,被动红外(PIR)节点安装在门口,和一个报警节点,和外部天线安装无线个域网广播的wi - fi天线接口(如图2),而机载天线使用的无线模块。对比传统的网关和IAGW表中列出1。IAGW和CN节点相互通信ZigBee-based网状网络。监控摄像头与IAGW和两种类型的用户通信服务客户端(包括本地客户端和远程手持客户端)通过wi - fi无线技术。
IAGW开始使用注册插孔- 45电缆连接到电脑后,通过web浏览器配置及其工作参数,如图10,它的配置完成后,它将自动重启的参数配置。连接配置的图形用户界面(GUI) IAGW如图10 ()。在平台选择的子,IAGW选择连接到HM2M P / F。在基本信息子选项,它配置IP地址、端口号和HNASC P / F的传输协议。在登记模式的子,它输入IAGW序列号和基地,上下的密码。如图10 (b)、通信参数IAGW和主板之间的无线个域网SN实现根据无线个域网配置选项。
(一)
(b)
(c)
图11显示了家庭网络的本地监控客户机系统。GUI功能包括数据采集和管理,图形显示,person-machine对话,和实时和历史数据库存储。用户可以控制每个设备在家庭网络中方便地使用这个服务客户端。三个标准监控场景对于家庭网络系统,包括监测、解除模式,和一个停止报警,进行选择。用户可以方便地选择系统的工作模式。一旦警报发生时,它会自动出现在PC端和定位报警事件的事件映射GUI。手持远程客户端可以接收报警短信通知;它还具有远程访问相机,让用户方便确认报警。
用户可以远程实时检查家庭环境参数和通过手持议员访问视频直播。上运行的GUI用户议员由5个模块组成,包括警告信息,节点管理、实时数据、服务指令,系统配置。如图12,(a)是室内温度监测图和(b)的监控视频提出了试验台。前使用不同的颜色来区分报警温度区间,使它方便用户了解它是否超过设定阈值。后者使用wi - fi网络连接到用户的议员获得实时监控视频,确保家里安全。
(一)
(b)
4.2。演示实验
进行一些测试来评估基于IAGW海航集团系统的稳定性。提出了试验台的室内空气品质节点实时感知家庭环境;温度、湿度和有限公司2数据收集和发送到HNASC P / F通过IAGW每隔5秒。测试持续24小时,数据存储和可视化的实时HNASC P / F。样本家庭环境监测实验结果如图所示13。在十七10叫,大曲线波动引起的吹气室内空气品质节点,和房间温度、湿度、和有限公司2在一天中显示这些数据的变化。
(一)
(b)
图14情节节点到节点间距与信心水平没有定向天线的情况下,没有视线。测试方法是由不断广播控制数据和接收成功的返回信号通过无线个域网网络。可以肯定的是,当一个链接是建立在一个建筑,它将表现出较短比指南建议的空间范围,即使视线。在混乱的环境中,减少范围可以非常重要。事实上,无线电波将传播通过砖墙、混凝土地板,和石膏板分区,其他材料,但损失将发生(如与无线传播)。
IAGW支持无线个域网和wi - fi无线标准2.4 GHz的乐队。在我们提出海航集团系统,ZigBee-based数据传输的需求远远大于无线通信。Wi-Fi-based视频传输对ZigBee无线通信图所示15。当家庭网络系统只使用ZigBee无线数据传输系统的丢包率约为0.4%;当用户启动远程视频监控任务,系统的丢包率达到约7.6%。因此,在海航集团系统,用户需要平衡视频与系统数据的访问包丢失。海航集团系统的最优工作模式是减少数量的视频访问服务,除非发生报警。这可以有效地提高系统的可靠性。
基于HM2M P / F, IAGW之间的远程数据交互和USN层可以实时监控。图16的定期监测结果表明包丢失在一个活细胞网络,这有助于评估无线通信质量和应急响应。在贫穷的无线网络条件,USN的失败的测试数据传输层将缓存IAGW集成存储和将提交HNASC未来数据传输过程与正常网络连接工作阶段。
5。结论
智能网关体系结构提出了提高家庭网络应用程序的效率。网关有堆栈架构和提供车载标准内部和外部接口,使无线通信模块集成方便。在网关和各种传感器节点,以及之间的网关和服务层,网关实现接口标准。因此,它可以很容易地实现家庭网络系统的标准化。网关的硬件和业务管理逻辑分离提高系统的可伸缩性。的工作模式和参数配置网关可以通过web浏览器设置。配置完成后,系统将直接进入正常工作模式,可以减少开发新家庭网络应用程序的工作负载。实验结果表明,该网关成功使用基础设施,实现家庭网络应用程序,它提供了一个更快和更灵活的方法构建和部署家庭自动化网络。
利益冲突
作者宣称,关于这项工作他们没有利益冲突。
确认
这部分工作由国家重大项目(批准号2010 zx03006 - 006)、国家863项目(批准号2014 aa01a702),中国国家自然科学基金项目(批准号61272379和61272379),江苏省关键技术研发项目(批准号BE2012165)和教育部科技创新工程专业培养中国项目(批准号107053)。作者要感谢科王,帮助实验Kai-jian阴。