基于TCP/IP協(xié)議的智能家居控制系統(tǒng)設計

引言

物聯(lián)網(wǎng)是多網(wǎng)融合時代的必然產(chǎn)物，它將人與人之間的 溝通連接擴展到了人與物、物與物之間的溝通連接，智能化、 網(wǎng)絡化的生活將讓人們工作、生活更加便捷和人性。智能家居 是物聯(lián)網(wǎng)的一個重要應用，智能家居控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)了家庭 智能網(wǎng)關對家庭各種設備的控制及設定。用戶可以通過手持 控制器或各種控制面板在家庭內部進行家電設備控制，完成 家庭內部的閉環(huán)控制，也可以通過手機、上網(wǎng)等方式實現(xiàn)對 家電的遠程控制。用戶可以根據(jù)自己的需求自由地增加/刪 減家電控制節(jié)點并可通過全圖形化向導設置家電，使用方便、 操作簡單。

用戶利用手機、電腦等終端登錄網(wǎng)絡服務器，輸入用戶 名和密碼后，通過互聯(lián)網(wǎng)連接到家中的智能控制器（控制中心）。 智能控制器調用相關的程序，將控制信息或查詢信息通過RF 無線通信網(wǎng)絡傳送給家電微控制器，家電微控制器收到數(shù)據(jù) 后，進行相應的處理，產(chǎn)生接口數(shù)據(jù)，然后將接口數(shù)據(jù)上傳至 網(wǎng)絡服務器，最終實現(xiàn)用戶通過瀏覽器可以看到家里各種家 電設備的狀態(tài)信息，并可以通過點擊瀏覽器頁面上的各種與家 電設備相關聯(lián)的按鈕來控制。

1系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)而設計，系統(tǒng)可分為感知層、網(wǎng)絡層 和應用層等三層。系統(tǒng)的層次結構如圖1所示。

本系統(tǒng)的感知層采用STM8S103單片機作為微控芯片,CC1101芯片作為RF無線收發(fā)芯片，該層功能是對終端電器 進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)收發(fā)以及狀態(tài)監(jiān)控，將電器的實時監(jiān)控 數(shù)據(jù)通過RF無線網(wǎng)絡傳送到家庭控制中心。具體工作流程 為:CC1101無線收發(fā)芯片收到控制中心的數(shù)據(jù)后，對其進行 解調，格式正確則存入接收FIFO,通知MCU有新數(shù)據(jù)到達。 STM8S103微控芯片讀取數(shù)據(jù)并進行解碼，然后進行相應操 作，上傳家電狀態(tài)數(shù)據(jù)或則控制家電并更新數(shù)據(jù)上報控制中心。 STM8S103采集到家電狀態(tài)信息后，將數(shù)據(jù)進行編碼，將一定 格式的數(shù)據(jù)通過SPI寫入CC1101的發(fā)送FIFO，由CC1101芯 片負責將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制中心。

網(wǎng)絡層采用STM32F103VCT6單片機作為核心處理芯 片，DM9000AEP芯片作為網(wǎng)絡接口控制芯片，該層功能主 要是處理來自應用層的TCP/IP數(shù)據(jù)包和來自感知層的RF 無線數(shù)據(jù)包。網(wǎng)卡芯片DM9000AEP實現(xiàn)接收和發(fā)送TCP/ IP數(shù)據(jù)包，CC1101無線通信模塊實現(xiàn)RF無線數(shù)據(jù)的收發(fā)， STM32F103VCT6負責將收到的數(shù)據(jù)進行處理。DM9000AEP 收到來自應用層TCP/IP數(shù)據(jù)包后，STM32F103VCT6對數(shù)據(jù) 進行解調、解碼。再將數(shù)據(jù)封裝成一定格式的RF數(shù)據(jù)包， 傳給CC1101無線通信模塊，發(fā)送給感知層。反之為逆過程。

應用層包括網(wǎng)站應用程序和網(wǎng)絡應用程序，其功能是接 收用戶請求，以實現(xiàn)對電器的遠程控制。其中網(wǎng)站應用程序 主要實現(xiàn)人機對話接口，是用戶進行帳戶管理和家電控制的 綜合系統(tǒng)，按照ASP的MVC模式進行開發(fā)，網(wǎng)站用戶名密 碼通過MD5不可逆加密算法進行處理，目前世界上仍不能對 MD5加密后的數(shù)據(jù)進行解密，以確保對家電控制的安全操作。 網(wǎng)絡應用程序則是使用線程池處理來自多個網(wǎng)絡層通信芯片的 TCP/IP數(shù)據(jù)包，同時將網(wǎng)站用戶請求通過TCP協(xié)議發(fā)送給網(wǎng) 絡層的網(wǎng)卡芯片DM9000AEP。這種分層結構將大量用戶的控 制請求轉由服務器CPU進行處理，從而大大降低了網(wǎng)絡層單 片機STM32F103VCT6的負荷。

2系統(tǒng)硬件電路設計

2.1網(wǎng)絡接口電路設計

主控芯片選用增強型的STM32F103VCT6單片機，內置 256 KB FLASH 和 48 KB SRAM，工作頻率為 72 MHz，完 全可以滿足TCP/IP數(shù)據(jù)包發(fā)送速度和接收速度的要求。采 用外部SPI FLASH來保存需要斷電保存的數(shù)據(jù)，例如IP地 址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關、客戶賬號及密碼等。STM32F103VCT6 內部有20 KB的運行空間(48 KB的SRAM)，完全可以滿 足處理TCP/IP數(shù)據(jù)包所需要的10 KB左右的內存空間，無 需外部RAM，這樣保證了數(shù)據(jù)的接收速度與發(fā)送速度。 STM32F103VCT6集成了 FSMC模塊，具有四個片選輸出， 支持 PC 卡 /CF 卡，SRAM, PSRAM，NOR 和 NAND。

網(wǎng)卡芯片采用DM9000AEP以太網(wǎng)控制器，該芯片具有 快速以太網(wǎng)MAC控制器、10M/100M自適應的PHY和4K DWORD值的SRAM, IO管腳兼容3.3 V/5.0 V電壓，支持8位、 16位和32位接口訪問內部存儲器。

本設計為STM32F103VCT6單片機通過高速FSMC與 DM9000AEP網(wǎng)卡芯片進行通信，最高速度可達100 Mb/s。 DM9000AEP 的數(shù)據(jù)引腳 SD0-SD15 連接 STM32F103VCT6 的數(shù)據(jù)總線(FSMC_D0~FSMC_D15),通過CMD引腳區(qū)分 數(shù)據(jù)總線和地址總線，IOW引腳接單片機的寫信號引腳 (FSMC_NOE), IOR引腳接單片機的讀信號引腳(FSMC_ NEW)，CMD引腳接單片機的PD11引腳(FSMC_A16)，CS 引腳接單片機的片選信號引腳(LAN_NCS)，PWRST引腳接 單片機的復位引腳(NREST)，INT引腳接單片機的中斷引腳 (PB0/LANINT)，RX+，RX-，TX+，TX-兩對差分信號線接 帶有隔離變壓器的RJ45座，LED2/LinkAct引腳和 LED1/Speed引腳用于顯示各種狀態(tài)。單片機通過FSMC總線 可以對DM9000AEP實現(xiàn)讀控制寄存器、寫控制寄存器、讀 緩沖器、寫緩沖器、位域置1、位域清零和軟件復位。網(wǎng)卡芯 片的連接電路如圖2所示。

2.2 RF無線通信電路設計

本文采用低成本、超高頻無線收發(fā)器CC1101作為RF無 線收發(fā)芯片，工作在433 MHz頻率上，可編程控制的數(shù)據(jù)傳 輸率最高可達500 Kb/s。CC1101芯片的接收或發(fā)送模式可通 過微控制器STM8S103F3編程配置。CC1101芯片處于接收狀 態(tài)時，首先對收到的RF信號進行放大處理，然后通過混頻 器將高頻信號轉換為中頻信號，中頻信號再被ADC轉換為數(shù) 字信號，解調后的信號經(jīng)前向糾錯和數(shù)據(jù)包處理，正確無誤 的數(shù)據(jù)存人接收FIFO,產(chǎn)生脈沖信號通知MCU收到新數(shù)據(jù), MCU通過SPI 口讀取數(shù)據(jù)。在發(fā)射模式下，MCU將待發(fā)送 的數(shù)據(jù)寫入CC1101的發(fā)送FIFO, CC1101把需要發(fā)送出去的 數(shù)據(jù)通過GFSK載波的形式發(fā)送出去。

3系統(tǒng)軟件設計

3.1終端程序設計

終端系統(tǒng)執(zhí)行兩個任務：CC1101無線收發(fā)信息、四線制 查詢或控制家電狀態(tài)。上電初始化時設置T0定時器和開啟外 部中斷。微控制器周期性采集家電狀態(tài)信息，通過與存儲信 息比較，發(fā)現(xiàn)家電工作狀態(tài)異?；騽t改變，則將數(shù)據(jù)封裝成固 定格式幀，通過CC1101發(fā)射數(shù)據(jù)，上報網(wǎng)絡層。當外部中斷0 接收到來自網(wǎng)絡層的控制命令時，微控制器解包后對家電進行 控制，并且回發(fā)狀態(tài)信息。

3.2網(wǎng)關(控制中心)程序設計

網(wǎng)關系統(tǒng)的功能主要有：通過DM9000AEP連接以太網(wǎng)， 實現(xiàn)網(wǎng)關與服務器通信;通過CC1101無線收發(fā)模塊，實現(xiàn)網(wǎng) 關與終端通信；通過STM32F103VCT6實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、協(xié)議 轉換。網(wǎng)關系統(tǒng)初始化包括ARP初始化、TCP初始化、內 存初始化、定時器初始化和網(wǎng)卡芯片初始化。初始化完成后，設置網(wǎng)卡芯片的IP地址、子網(wǎng)掩碼、默認網(wǎng)關和本地監(jiān)聽的 端口。接著就開啟中斷，以便主動連接服務器，其中IO外部 中斷之一用來處理來自DM9000AEP的請求，以便收發(fā)來互聯(lián) 網(wǎng)的數(shù)據(jù)包；外部中斷之二則處理來自CC1101的請求以便接 收來自感知層的RF信號，若中斷沒有發(fā)生則進入節(jié)電模式。 網(wǎng)絡層的單片機控制流程如圖3所示。

3. 3應用層程序設計

在應用層，系統(tǒng)采用MVC模式進行系統(tǒng)設計?？刂破?的Servlet程序分為兩部分：一部分與網(wǎng)站程序一起處理來自 瀏覽器的業(yè)務邏輯，包括用戶注冊、登錄和控制電器等操作; 另外一部分構建一個獨立的線程池，以便監(jiān)聽到指定端口， 等待來自網(wǎng)絡層中各個設備的TCP連接，完成與網(wǎng)絡層的會 話。ASP頁面是人機接口，完成顯示任務，其數(shù)據(jù)由Servlet 和JavaBean程序產(chǎn)生。JavaBean程序是處理用戶請求和電器 控制的事務邏輯程序，讀取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)并給予存儲和查 詢。

4通信協(xié)議設計

控制器通過RF無線通信技術與終端節(jié)點通信，考慮無 線通信的干擾以及保密，RF通信采用特定的幀格式，以確保 通信可靠。無線數(shù)據(jù)包的幀格式如表1所列，其無線數(shù)據(jù)包 包含的會話序號為控制通信流程；目的ID和源ID是判斷發(fā) 送方和接受方；節(jié)點類型用于判斷終端節(jié)點功能；控制命令用 于控制家電的工作狀態(tài)；數(shù)據(jù)字段用于攜帶家電的工作狀態(tài)信 息；校驗字段用于校驗數(shù)據(jù)包是否收發(fā)正確。

本系統(tǒng)通信會話流程如圖4所示。系統(tǒng)上電初始化后, 網(wǎng)絡層的網(wǎng)關主動連接服務器，建立一個基于TCP協(xié)議的 Socket連接來進行會話，并發(fā)送自身設備的序列號和密碼。 服務器監(jiān)聽到來自網(wǎng)絡層通信MCU的請求后，驗證序列號 和密碼是否在數(shù)據(jù)庫中存在，并將驗證后的狀態(tài)返回給通信 MCU，若驗證通過后將進行會話。若感知層有新的節(jié)點，控 制中心收到入網(wǎng)申請后，根據(jù)節(jié)點功能分配ID,并且儲存節(jié)點 信息。當控制中心收到外部中斷，首先判斷中斷來自應用層還 是感知層，進行數(shù)據(jù)處理和協(xié)議轉換后轉發(fā)出去。當感知層 接到外部中斷后，則根據(jù)信息直接報告當前工作狀態(tài)，或則改 變工作狀態(tài)后再上報新的工作狀態(tài)。服務器收到信息后，將工 作狀態(tài)與用戶請求比對：若狀態(tài)相同則報告處理完畢，反之則 重新發(fā)送控制命令。若任務完成，服務器端斷開此條TCP連接, 則一次通信完成。用戶可在遠端通過手機或者電腦上網(wǎng)登錄自 己的客戶端，就可以完成對家電的遠程控制。

圖4通信流程圖

5系統(tǒng)測試

5.1測試環(huán)境

控制器與服務器通信測試使用已配置好IP的商用電腦進 行測試，控制器與路由器連接，路由器與商用電腦連接，上電 自動完成測試。

5.2遠程控制系統(tǒng)測試

5.2.1連通性測試

在網(wǎng)絡設備端，采用Windows XP系統(tǒng)的Ping命令對 網(wǎng)絡設備進行連通性測試。網(wǎng)絡層精簡的TCP/IP協(xié)議中同時 實現(xiàn)了 ARP和TCP協(xié)議，所以也可以使用APR、Telnet或 PathPing命令測試網(wǎng)絡層設備的連通性。網(wǎng)絡層設備能夠被 Ping通，說明設備協(xié)議實現(xiàn)正確。通過以上各種方法進行測 試都表明網(wǎng)絡層設備與互聯(lián)網(wǎng)連通性良好，能夠穩(wěn)定進行局域 網(wǎng)通信。

5.2.2監(jiān)聽測試

在服務器端使用SocketTest工具軟件監(jiān)聽服務器1000端口，開啟接收數(shù)據(jù)提示。網(wǎng)絡層微控制器STM32F103VCT6 主動向廣域網(wǎng)服務器1000端口發(fā)起TCP連接請求，并將此設 備的ID和Password封包發(fā)送給服務器。能夠將數(shù)據(jù)包準確 發(fā)送到服務器，說明網(wǎng)絡層設備與互聯(lián)網(wǎng)連通性良好，能夠與 廣域網(wǎng)通信。

6參數(shù)測試

微控制器STM32F103VCT6在使用8 MHz晶振時，用 Sniffer抓包軟件測得其與服務器最高通信速度可達25 KB/s。 使用Ping命令，向192.168.1.101發(fā)送500個包，無丟包現(xiàn)象。 這500個數(shù)據(jù)包當中，返回速度最快耗時為41 ms，最慢耗 時為93 ms，平均耗時為53 ms，完全能滿足家電遠程控制的 實時性要求。

通過瀏覽器瀏覽家電狀態(tài)信息，點擊頁面電燈、風扇的 開關按鍵，實現(xiàn)了遠程控制電燈、風扇的開關狀態(tài)。

7結語

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的深入發(fā)展，智能家居前景廣泛并已 經(jīng)得到了世界著名廠商的關注并將被運用于實際生活中，它 能夠造福人類，讓人們的生活更舒適、更便捷。本文針對基 于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能家居系統(tǒng)進行了研究，主要完成了系統(tǒng) 的總體設計，該智能家居系統(tǒng)以STM32F103VCT6單片機與 DM9000AEP網(wǎng)卡芯片為硬件平臺，設計了 RF無線收發(fā)、家 電控制等模塊，通過無線網(wǎng)絡將各種家電設備連接在一起， 從而實現(xiàn)信息家電的網(wǎng)絡化和遠程監(jiān)控。家庭數(shù)字化道路在 我國還有漫長的路要走，智能家居系統(tǒng)具有廣闊的應用前景, 值得更深入地研究和探討。

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