LV―Home智能家居通信系统设计

【摘要】随着物联网技术高速发展，而智能家居系统则是物联网技术一个重要应用领域之一。但现有的智能家居通信接口较为单一[1]，限制了终端功能的扩展和系统的部署能力。在现有的智能家居通信基础上提出了一种多种通信接口统一体的解决方案，该系统的通信接口容纳包括RS232、USB、TCP/IP、GSM和WIFI。且该解决方案成功部署在lv-home智能家居系统中，实现了PC、win8平板、智能手机和数据采集仪器在局域网的协同工作。为今后智能家居通信系统发展创造了条件。

【关键词】智能家居;通信系统;LabVIEW

1.方案简述

本系统具备与多种类型终端通信功能，按照通信终端类型可分为RS232串口设备、USB采集卡终端、PC终端、手机或平板终端。欲实现不同设备正常通信，必须使用不同的通信技术及其协议。与串口设备通信时采用基于RS232串口的Modbus协议[6]，通信数据格式遵循Modbus规范;与6009数据采集卡和USB摄像头通信时，使用USB通信协议;与GSM模块通信时采用基于RS232串口[7]的AT通信协议[2][3]，即数据格式遵循AT指令规范;与PC客户端通信时采用基于以太网的NI Data socket通信协议，遵循DSTP通信规范;与手机或平板客户端通信时采用基于WIFI协议的Web service通信协议，遵循web Service相关规范。

2.基于Modbus协议的设计

2.1 Modbus协议简介

Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如何回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。

当在Modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。在其它网络上，包含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。

此协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备。

2.2 Modbus特点

（1）标准、开放，用户可以免费、放心地使用Modbus协议，不需要交纳许可证费，也不会侵犯知识产权。目前，支持Modbus的厂家超过400家，支持Modbus的产品超过600种。

（2）Modbus可以支持多种电气接口，如RS-232、RS-485等，还可以在各种介质上传送，如双绞线、光纤、无线等。

（3）Modbus的帧格式简单、紧凑，通俗易懂。用户使用容易，厂商开发简单。

本章将在该协议的基础之上完成通信格式的设计。将在RS-232串口实现通信。

2.3 Modbus通信消息帧

表1 Modbus通信消息帧

地址码 功能码 数据区 CRC校验码

1字节 4字节 1-252字节 2字节

数据区：从机发给主机的数据需将各种类型数据转换为ASCII码，包含如表3所示数据。

CRC校验码：用于校验数据传输过程中是否收到干扰。取数据区最前两个字节，结果计算后将结果与收到的数据区前两个字节进行对比，若相同，则表示数据传输过程中没有收到干扰。校验算法请参加参考文献《CRC校验码在单片机中的程序实现及其冗余码表的求取[4] 》。

3.基于Datasocket 技术通信设计

3.1 Datasocket 技术简介

Datasocket[5]技术是由NI公司开发，主要面向测控计算机网络间通信领域，用于共享和实时数据，是一种易用的高性能数据交换编程接口。它能有效地支持本地计算机上不同应用程序对特定数据地同时应用，以及网络上不同计算机地多个应用程序之间的数据交互，实现跨机器、跨语言、跨进程的实时数据共享。用户只需要知道数据源和数据宿及需要交换的数据就可以直接进行高层应用程序的开发，实现高速数据传输，而不必关心底层的实现细节，从而简化通信程序的编写过程，提高编程效率。

在本系统中，主要利用它在以太网上实现远程控制功能。用户可以通过远程计算机客户端对家居的实时控制。采用一对多通信架构，在软件实现上需要编写一个受于服务器运行的服务器软件和受于PC客户端运行的客户端软件。

3.2 服务器与PC客户端通信消息帧（如表4、5所示）

4.基于Web Service通信设计

4.1 Web Service 简介

Web Service技术，能使得运行在不同机器上的不同应用无须借助附加的、专门的第三方软件或硬件，就可相互交换数据或集成。依据Web Service规范实施的应用之间， 无论它们所使用的语言、平台或内部协议是什么， 都可以相互交换数据。Web Service是自描述、 自包含的可用网络模块，可以执行具体的业务功能。Web Service也很容易部署， 因为它们基于一些常规的产业标准以及已有的一些技术，诸如标准通用标记语言下的子集XML、HTTP。Web Service减少了应用接口的花费。Web Service为整个企业甚至多个组织之间的业务流程的集成提供了一个通用机制。

在本系统内中主要利用它来实现手机客户端与服务器的通信，主要基于wifi网络。用户可通过手机实时查看家里检测到的各种数据，并且可以通过面板远程控制家里的电器。其原理就是在PC服务器端基于Web Service 的标准XML数据，然后通过编写的手机App 订阅该服务，可支持安卓、IOS和WP平台。

4.2 服务器与手机客户端通信消息帧（如表6、7所示）

4.3 MOBUS、Datasocket和Web服务通信流程

图1 通信流程

图2 PC客户端基于以太网的通信效果图

如图1、2所示，在本系统中，MODBUS、Datasocket和Web Services通信流程都一样，尽是所占资源不一样而已。具体请见参考相关文献。

参考文献

[1]杨利平.基于网络技术的远程智能家居系统[J].仪器仪表学报，2009，25（4）：309-311.

[2]刘松，赵忠，孙学磊.基于GSM 的远程家庭智能监控系统设计[J].电子测量技术，2009，32（1）：89-91.

[3]张俊. SMS 短消息传输的远端控制技术及其实现[J].仪器仪表学报，2003，24（4）：610-611.

[4]唐鹏程，邹久明.CRC 校验码在单片机中的程序实现及其冗余码表的求取[J].工业自动化与装置报，2004（3）：56-57.

[5]阮奇珍.我和LabVIEW：一个NI工程师十年编程经验[M].北京航空航天大学出版社，2009：210-230.

[6]施耐德电气有限公司.MODBUS通信协议技术规范.2000.

[7]EIA.RS232技术规范.1962.

基金项目：2013-2014年大学生创新创业训练项目（编号：201310649005）;乐山市科研启动项目（编号：LS-ZX005）。