基于IPv6的丽江特色智能家居系统研究

【摘要】智能家居系统以家庭的通讯网络为基础，兼备互联网技术、信息家电技术、自动化技术等，将室内的各类家电设备进行联网和集中管理、远程控制，从而为用户营造一个舒适、便捷、安全的居住环境。目前，通常利用有线或者无线网络，将家居生活中所涉及的各类家电设备进行联网，并通过家庭信息平台进行集中管理的系统定义为智能家居系统。

【关键词】智能家居 互联网

智能家居系统通常包括照明控制系统、智能门禁系统、电动窗帘、家电控制、煤气安全检测、火警检测、安防监控、远程抄表等一系列丰富的功能，涵盖了家居生活的各个方面。

在这一背景下，现有的基于IPv4的互联网的不足之处逐渐显现，由于地址位宽的限制，路由效率等问题，正阻碍着智能家居系统的推广。而IPv6技术的出现，很好的解决了上述的问题。凭借128位的IP地址位宽，使得所有的家庭网关设备，甚至是家电设备都能够直接通过以太网络与用户终端进行通信，很好的解决了地址空间和路由效率的问题。因此，针对IPv6的一系列新特性，及其在目前IP网络中所存在的问题和相应的解决方案进行研究，对于智能家居系统的发展具有重要的实际意义。对如何基于IPv6协议设计一套简便高效、低成本、扩展性强的智能家居系统问题进行研究。并根据丽江特色家居环境，结合丽江历史、文化、家居使用习惯，最终设计出一套基于IPv6的丽江特色智能家居系统方案，实现先进的智能家居系统和古老的丽江特色家居文化相结合。

一、IPv6对智能家居的支持

随着信息家电技术的发展和家庭网络的广泛使用，我们的很多家庭网络中出现了技术和相关标准共存的问题，投资重复和资源冲突问题严重。解决方法就是采用IPv6技术，它使得多种家庭网络技术并存的现状得到了改善。

IPv6和IPv4一样具有较好的技术通用性，都支持现有主流的智能家居应用需求，尤其是在特殊的家庭网络环境中，IPv6网络优势明显，主要表现在可为每一个设备分配了一个独立IP地址并提供更为安全的家庭网络使用环境两方面。IPv6巨大的地址空间技术优势，使每一个真正的IPv6设备都可以自由的在互联网环境下和其他的设备进行任何方式的数据通信。这也为我们建立基于IPv6的智能家庭网络应用提供了良好的支持。

图1显示了基于IPv6的智能家居系统实例，它集成了两台电脑，两台HUB和四种家电设备，例如空调，冰箱，风扇，浇花系统。两台电脑中，PC1安装Windows7作为客户端，PC2安装了Windows2008作为路由器，并为两台电脑都配置IPv6地址模块。在这样的网络中，PC1通过以太网控制四种家电设备：控制风扇转动，控制浇花系统进行浇花，监控冰箱运行，控制空调。

图1 IPv6智能家居系统实例

二、智能家居系统架构

基于IPv6技术进行智能家居系统设计，所设计的智能家居系统架构如图2所示。

图2 智能家居系统架构图

如图所示，用户终端为各类智能终端设备。用户通过终端界面进行信息查询和设备的控制。智能家居网关设备实现对智能家电设备的本地化管理功能和对所有数据包的路由功能。各类设备是安装了主控模块的家电设备，它们运行经过裁剪的IPv6协议。

三、智能家居网关设备

在智能家居系统中，采用家庭网关设备来对家庭内的各类家电设备进行管理。网关设备与各类家电设备之间构成一个星形的网络，家庭网关设备作为家电设备的集中管理服务器。所有的家电设备上电后，都需要主动发起一个登记的过程，网关设备接收到相应的网关设备查询帧之后进行响应，向家电设备发送自己的地址和端口等信息。然后等待家电设备所上报的设备信息登记帧。当接收到设备信息登记帧后，将响应的设备信息添加到网关设备所维护的设备信息列表中，然后根据设备的请求，进行设备地址的分配等处理，向家电设备反馈相应的回复帧。从而实现网络内家电设备的自动加入。

同时网关设备还会对家电设备的状态进行检测，定期向家电设备发送状态查询帧，以查询家电设备的工作状态，若家电设备无响应的查询帧数量超过一定门限后，则认为该家电设备已经掉线，将其从设备列表中删除。

通过上述机制的设计，网关设备能够实现自动的对家电设备进行管理的操作，从而避免这一过程的人工干预。

家庭网关设备的另一项重要功能就是作为用户终端的本地控制，对智能家居系统中的所有家电设备进行控制。本系统所实现的对家电设备的控制功能包括最基本的打开、关闭功能，及对家电设备的运行参数进行控制的功能，例如对空调可以设置他的制冷、制热模式，调整他的工作温度，风量等参数。此外，本系统中还能够在远程的用户终端上对家电设备的工作状态进行查询。用户的一系列控制和状态检测操作都通过在电脑上或者移动终端设备上所安装的智能家居系统用户终端设备来实现。由于在实际部署中，用户的终端设备与智能家居的各类家电设备不在同一子网内，因此用户终端设备无法直接连接到家电上报进行控制，这样就需要通过家庭网关设备来实现这一控制过程，在家庭网关设备中运行一个控制软件，负责接收用户终端所发送的控制命令，然后根据控制命令中所指定的目标设备信息，将控制命令路由到相应的设备上。对于状态查询类的控制命令，该控制软件可以直接将本地所维护的设备状态信息封装后发送给用户终端，以降低智能家居设备的资源消耗。

四、智能家居内网系统

智能家居内网系统主要由各类智能家电设备构成，为了实现智能家居系统的远程家电控制和室内状态检测等功能，所设计的智能家居内网系统中所包含的家电设备包括各类电器设备，如电灯、电动窗帘等设备；同时还包括各类传感器设备，例如烟雾传感器，红外传感器；以及家庭门禁系统。对于不同种类的家电设备，其实现的功能各不相同。

设备自动登记功能主要用于和家庭网关设备进行配合，实现家电设备的自动化管理。为了实现对家电设备的管理和控制，在家庭网关内部需要维护一个家电设备信息表。因此在家电设备上电后就会主动广播一个网关设备查询帧，搜索网络内的网关设备，并在接收端口中监听网关设备的响应。当接收到网关设备的响应帧后，从响应帧中提取网关设备的地址，并加入到本地的网关设备列表中。接下来就组织一个设备信息登记帧，向网关设备登记自己的详细信息。并根据自己的地址指配状态，设置登记帧中的动态地址分配请求字段。发送完成后就监听网关设备的响应。当接收到网关设备的响应帧后，对响应帧进行解析，确认设备登记成功，并从响应帧中获取分配的地址信息等。当接收到成功的响应帧后，标记着设备成功登记，至此即完成了设备自动登记的过程。

若设备登记不成功，家电设备会启动一个重试定时器，并在定时器超时后重新启动设备自动登记过程，直到设备登记成功。

为了使网关设备和用户终端设备实时的掌握家电设备的工作状态，在家电设备需要在自身的工作状态发生变化时，主动的上报自己的工作状态。这样就需要家电设备一方面要持续的检测自身的工作状态，另一方面在自身的状态发生变化时组织相应的设备状态上报帧。

其中，对于设备工作状态的检测操作，不同类型的电器设备具有不同的工作机制。对于电器类设备而言，只有在设备启动的过程中，才能够有状态变化，因此只需要在启动过程中CPU持续进行检测即可。例如洗衣机的工作状态，只需要在洗衣机启动洗衣服的时间内，一直检测洗衣服的状态即可。而对于传感器类的电器设备，其状态变化不频繁，因此控制器会进行休眠以降低耗电，这样就需要外部传感器在出现状态变化时唤醒控制器，进行后续的状态上报处理。例如红外传感器设备在待机时，控制器可以休眠，只保留传感器工作。当传感器检测到触发信号后，会将输出电平拉高，唤醒控制器。

当状态变化条件触发后，控制器会根据状态变化的类型，组织相应的设备状态上报帧，调用Socket接口，向网关设备发送该状态上报信息，并等待网关设备的响应。当接收到响应消息并显示网关设备成功处理该状态上报信息后，即完成本次设备状态上报过程。

设备远程控制功能是智能家居系统的一项重要功能。家电设备在完成登记过程之后就持续监听发送给自己的设备工作控制请求帧。并对接收到的请求帧进行解析，从中提取响应的控制指令和控制的参数。并调用相应的设备状态设置接口，设置相应的设备工作状态。例如空调设备在接收到调整工作温度的指令后，就调用空调设备的控制接口，设置空调设备的目标工作温度。然后将设备的工作状态设置结果封装为设备工作控制响应帧进行回复，以便用户对控制的结果进行确认。

五、丽江的家居特点

我们设计的智能家居系统是基于丽江的地理范围内进行的，因此，要对传统的丽江特色家居特点进行一定的研究。

在丽江，传统的民居是数量最大的建筑类型，它以鲜明的特点反映着丽江的经济文化水平、民族习俗、生产生活方式、伦理、及哲学价值观念。丽江民居大多为土木结构或砖木结构，比较常见的有三坊一照壁、四合五天井、前后院、一进两院等几种形式。丽江民居非常注重房屋的装饰，其重点是门楼、照壁、外廊、门窗隔扇、天井等。房屋的门窗均饰以木雕图案，如鸟禽、花卉、琴棋书画、博石器皿等，是功能与艺术相结合的产物。家居内部装修过程中，也主要使用木质材料进行房屋装饰，如木质的地板，木质的天花板，木质的隔板等。在内部家居环境中，多摆设古朴的中式家具，通常以木质家具为主兼备少数的石质家具，陈设古朴，韵味悠长。极少摆设大量的现代家具和现代家电。因此，在设计基于IPv6的丽江特色智能家居系统方案时候，一定要把丽江的的传统家居特色充分考虑。

六、详细智能家居系统设计

在具体的智能家居系统设计过程中，整个系统主要由安防子系统和控制子系统构成。其中，安防子系统包括了：门禁模块、报警模块、火警模块；控制子系统包括了：灯光控制模块、窗帘控制模块；每个模块的主控模块都包括有STM32的MCU控制器STM32F103C8T6和相应的以太网控制物理层芯片ENC28J60L构成。该MCU控制器具有体积小，功耗低的特点，同时集成了以太网MAC模块，能够方便的实现IPv6协议，与ENC28J60L芯片一起，能够实现与网关设备和用户终端设备之间的网络通信。同时该MCU控制器还具有丰富的输入输出接口，便于对每个具体模块进行控制和传感器通断状态的检测。在具体的软件设计上，具体的模块功能实现以伪代码来描述。

但考虑到丽江的传统家居特色，如果直接以电气化的智能家居系统对古朴的家居进行升级，会很大的破坏丽江传统家居的鲜明特点，所以在具体的方案中，特别是系统的具体构建中，尽可能的使用具有民族特点的木质构件来完成。例如，在门禁模块中，金属的电插锁模块系统会给丽江民族家居的环境带来很大的影响，破坏原来的和谐，所以就取消了电插锁模块的使用，而是改造成了中国古建筑中的传统插销结构，使用隐藏在木质构件中的步进电机来实现。在报警模块中，同样将塑料材质的红外报警器加工成为具有丽江特色的木质构件，既完成了报警器的功能，也能在丽江传统的家居环境中起到一定的装饰装潢效果。在火警模块中，采用类似方法完成烟雾传感器的构造和使用。在灯光控制模块中，开关继电器和光照传感器也尽可能的隐藏在中国仿古灯具中，或者直接将智能灯泡模块进行丽江特色家居环境改造。同理，在窗帘控制模块中，使用能接收数字控制信号的步进电机，但和普通的城市家居相比，将传统的管槽结构直接改造成为符合丽江家居特色的撑拉结构。

通过以上的方法，最终实现先进的智能家居系统和古老的丽江特色家居文化相结合。

参考文献：

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