前言

随着计算机技术、网络技术和通讯技术不断发展,人民物质生活水平的提高,人们对家庭质量的需求也日益增加。在科幻小说中有许多幻想场景:坐在沙发上,在家里控制照明系统,如果你躺在床上,你可以打开厕所扇子,如果你不需要睡觉,你可以为客人打开门。在上班途中发送短信可以提前在家里启动空调和热水器,每天晚上，所有的窗帘按时自动关闭.外面,你可以关掉你忘了关掉的家用电器。你还可以实时地查看老人和儿童在家里的状况。所有的这些，不断刺激消费者追求优质住宅,它 也 不断 鼓励 主要 的 科学 机构 和 制造商 促进 技术 进步,从此，智能家庭的概念非常吸引人.
为了 进一步 加快 经济 结构 调整 和 经济 发展 的 转变,中国认为物体互联网是技术发展的重要方向,它已成为全球关注的热门话题,它被认为是互联网以来最重要的技术创新。万物网(万物网)有无线频识别、红外传感器、全球定位系统、激光扫描仪等设备。按照商定的协议,将任何物品连接到互联网进行资料交换和交流,实现智能识别 、 定位 、 跟踪 、 监测和管理.
互联网作为我国新兴战略产业的重要组成部分,它不仅能提高经济效率,大大节约成本，它也可以为全球经济复苏提供技术动力。物体网络的发展,为智能家庭引入了新的概念和发展空间,智能家庭可以被看作是万物网的一个重要应用,它得到了政府的大力支持。基于物体网络的智能家庭,本文利用信息感应设备,以有机方式结合与家庭生活有关的各个子系统。并连接到互联网,监测、管理资料交换和通讯,实现家居智能化。
基于这一背景研究, 开发了一种基于3B卡电脑运行的智能家庭系统.Windows 10 IoT实时嵌入式操作系统。它体现了人与设备的和谐,该平台可以从多个设备中实时收集数据,并远程控制控制控制器的部件;并为云端的大型数据算法提供数据支持。

一、研究的主要内容

本文的主要内容是基于普通家庭环境的设计背景。设计一种兼容性好，可靠性高，扩展智能物体网络(IoT) Gateway系统的能力。该系统主要实现智能设备网络 、 数据采集和上传 、 远程控制在家庭环境中.利用云端分析和处理数据,智力水平大大提高,可以适用于尽可能多的不同的场景。这个设计最显著的特征是使用双无线协议,它基本上涵盖了市场上大多数智能家庭通信协议,拥有极强的兼容性。
根据阅读大量的文学,本文设计了整个网络开关检测传输系统方案。通过它的建筑设计,可以自动添加、删除和管理多个设备,确定了系统的基本部分。该设计的核心功能是实现多设备智能集群网络、数据采集、设备控制、然后讨论了各种数据分析结果的处理.验证系统整体方案。系统由五个子系统组成,每个子系统可以按照特定的协议进行通信,数据分析和处理主要依赖于本地服务器。该设计的主要功能是网络、管理、收集和上传数据,并分析智能家庭电器的数据。设计实施的参数是:
实现网络交换 、 硬件和驱动设计;
2.软件层MQTT、CoAP、TCP/IP和其他通信协议的实现;
3.人道和美丽的UI界面设计的实现;
4.环境数据:温度-20至50°C,误差少于0.1°C,湿度25%至90%,误差少于±5%;
5.在电力停电、网络故障等异常情况下保存数据,直至恢复正常工作状态;
6.系统内设备间的正确数据交换,误差率控制在1%以内,系统可以稳定运行超过4小时。
该系统是基于Windows10IoT嵌入式 Raspberry Pi 3B微机的智能网络设备,该设备可以通过发送到本地服务器或Azure IoT Hub云服务器存储和处理收集的数据,它也可以由手机控制器、PC管理软件或门户本身控制,以控制指定终端的指定操作;同时,为了模拟实际家庭使用,设计了基于ZigBee的远程模拟家庭照明系统和基于Wi-Fi的远程模拟家庭空调系统。

二、系统方案设计

1.硬件层通信协议选择

群网络方法直接决定了门户的通信能力和通信效率.目前, 智能家庭交换机有许多类型的网络.主要 IrDA 、 Bluetooth 、 Home RF 、 Wi-Fi 、 UWB 和 ZigBee 六大无线通信技术标准等,不同的通信模式决定其各自的通信能力、通信效率和网络能力。
IrDA,即红外数据组织技术,适用于在双方之间没有障碍的场景,通信距离约为10米。 这种通信模式只支持点对点通信,不能是灵活的网络。
蓝牙是一种符合IEE 802.15.1协议的无线技术标准,可以实现短距离数据交换,主要应用领域是消费电子、PC等,通信距离约10米。
HomeRF家庭无线电可以实现家庭内电脑和其他设备之间的无线通信。 由于技术细节不公开,目前该技术的应用并不广泛,其有效传输距离约为100米。
WiFi 允许 电子 设备 无线 地 连接 到 本地 区域 网络, 并 符合 IEE 802.11 互联网 标准, 其 传输 速度 可 达到 54 Mbps, 通信 距离 约 100 米, 应用 范围 非常 广泛 。
UWB超宽带使用非弦波窄脉冲数据传输,具有很强的抗干扰能力,高数据传输速率,其数据传输速率可达1Gbps。
ZigBee，也称紫蜂协议，一种低速、短距离无线网络协议,IEE 802与一般的无线宽带(WiFi)协议使用。它的底层使用低功率IEE802.10.4标准,同时, 在数据传输过程中, 采用银行级的硬件加密.这些独特的标准和设计具有低功耗、低成本、支持大量节点和多种拓扑、低复杂性、可靠性和安全性等特点,数据传输距离可以在室内无障碍地达到50米,它主要用于工业控制和智能仪器领域。
考虑到家庭IoT环境的现实,ZigBee协议和通用强的WiFi协议的结合是相对理想的网络解决方案,基本上可以容纳市场大多数智能家庭。
除了上述因素外,还应考虑多台设备的网络配置、数据包格式、数据丢失率、数据包处理、系统承受数据压力的能力等。

2.硬件层通信协议选择

在目前的物體網路市場中,兩個最受歡迎的協議是COAP和MQTT,兩者都专门用於物體網路裝置,它們比一般的HTTP更適合在 resource-limited Internet of Things裝置上使用。
MQTT协议(邮件队列遥测运输),它最初由IBM开发。它的底层基于标准的TCP协议,其核心设计理念是Subcribe(订阅)和Publish(传输)。客户端为主题订阅服务器后,如果其他客户端将支付载荷(有效的数据)发送到服务器上,服务器将数据传递给订阅主题的客户端。MQTT协议支持三个层次的信息,QoS 0 - 最大1次,QoS1至少一次,QoS2只有一次。
CoAP(约束应用协议),它是一种用于IoT设备的网络协议,它基于UDP的特性允许客户端与服务器进行无连接的通信。同时,它遵循客户端/服务器模型,客户端可以使用 POST,GET等指令，CoAP包比其他协议要小得多,且具有易于生成，它具有能够在源头进行分析的优点.
虽然与物体互联网通信协议相同,但是,MQTT和CoAP之间存在着相当大的差距。MQTT是一个多到多协议,主要用于不同设备之间转发代理消息,MQTT是一种基于TCP的长连接协议,它可以用于数据生成器和用户之间的耦合;适合作为实时数据通信巴士。CoAP是一个点到点协议,用于在客户端和服务器之间传输信息。MQTT本身不提供消息标签,MQTT消息可以用于任何目的,但是,在设备和服务器之间,设备和设备需要就一个好的数据格式达成协议。CoAP,恰恰相反,它提供协商协议，允许设备彼此窥测。总体而言,MQTT在传输模式中具有较好的灵活性,CoAP比设备更容易理解。
考虑到设备的操作能力和电力消耗限制等因素,该系统使用自编的UDP-based class COAP协议来从桌面到关口进行通信。门户与AZure服务器之间的通信使用开放源 AZure MQTT协议,网络交换机与本地服务器之间的连接使用TCP协议.

3.整体方案设计

智能家庭是使用互联网技术来住宅各种设备,电视 、 照明器具 、 窗帘 、 空调 、 安全系统等都连接在一起.提供各种功能,如家庭电控、照明控制、户外遥控、盗窃警报、环境监测、空调和加热控制,实现家庭环境的自动化和智能,这也是智能家庭设计的原始理念。有线和基于PC的无线是实现智能家庭系统的主要传统方式。有线名称的想法是使用电缆实现,这种方法的优点是稳定可靠,困难很小,缺点是缺乏灵活性,扩展性弱，成本高，改造困难。基于PC的无线方法比有线方法更灵活。扩展也容易一些，但服务器的稳定性要求更高,服务器必须随时运行,否则PC端无法正常运行系统功能,因此，该方法的缺点是低稳定性 、 高维护成本 、 升级困难等.上述两种智能家庭实现方法有许多不足之处.因此,为实现新一代智能家居系统而寻求新的技术已成为必然的,这是一个有效的方法。
综合上述分析，新一代智能家庭系统采用嵌入式无线网络的设计和实现,这种设计的优点是控制更加自动化,同时,互联网和家庭网络通信更加稳定、高效、成本效益、技术实现非常控制,应用场景更加丰富,基本上不受限制。
本文首先分析了国内外现有的智能家庭系统,然后根据智能家庭的发展现状和趋势,设计了基于Treeberry3B卡电脑的低成本、高稳定性、易扩展、易使用、高性能的智能家庭系统。
系统使用 Raspberry Pi 3B作为 Gateway 主机,网络由Wi-Fi网络和ZiggBee网络组成,由STC89C51系列和STM32系列单片机作为主控制器。主机将暂时将收集的数据从机器存储到存储器,并定期将数据上传到服务端,同时, 向服务器发送的指令被分析并发送到服务器.在常规环境下，TCP/IP协议堆栈可以同时连接20多个设备,ZigBee可以理论上支持65535个设备进行网络,满足大量设备同时的需求。ZigBee和Wi-Fi网络都是双用通信模式,可能不需要考虑按顺序发送实时通信。ZigBee设备可以在设置良好的通道和通信模式后,无需太多干扰的情况下自组装网络。基于TCP/IP协议堆栈的WiFi网络通信,最后的决定是通过一种不创建连接的数据传输UDP协议。UDP是OSI7参考模型中的传输层,它是可以使用的协议,不需要创建连接到直接传输的数据。它与TCP协议不同,因为它没有内置的数据校正和重新传输,所有数据由应用程序层检查并重新传输。由于系统最初设计时采用了多种传感器网络,因此,必须将识别序列和数据类型添加到数据包中来区分收集的数据。由于网络设备的IP地址具有独特的特性,WiFi设备可以使用IP地址作为识别号码,ZigBee设备通过添加一个识别号来分开。同时, 为了 便利 数据 处理,无线网络和ZigBee网络应该使用相同的格式包,除了识别标识符。
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总结

文中讨论了一套用于家庭IoT Gateway系统的Win10IoT嵌入式操作系统的设计、软件和硬件的设计和实现,最后完成了家庭IoT设备的中央管理和数据采集任务。
IoT接口的设计与市场传统的接口不同,具有以下特点:
1.多设备动态管理,集中数据收集
2.视觉化的图形界面、触摸、语音复合交互
3.配置&队列数据异常状况(掉电/断网) 自动保存
4.云端通道使用RSA不对称加密来确保通信保密
5.支持标准协议,支持多个云平台,可以在多个架构设备上运行
该系统基于WinRouter软件,使用Microsoft.Net核心软件平台,测试在至少两个不同的ARM平台和两个不同的X64平台上运行顺利,具有很强的跨平台能力。同时,Visual Studio测试了系统,它能有效地管理到51台设备,并完成其操作和数据处理,测试期间没有严重的数据错误。同时,Cortnan语音助理识别率很高,能够有效地承担相互作用的功能。RSA加密的实现可以有效地保证通信数据的安全.它在实际平台调试过程中至少运行了4小时。它保留的标准数据接口也允许它在短时间内实现其他云平台的支持。
该系统通过初步模型设计、程序建设、算法优化和实际环境调试,实现了大部分设计任务,可以在非极端环境中有效地实现设计目标。

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