智能家庭网关设计及其物联网应用

智能家庭网关设计智能家庭网关设计智能家庭网关设计智能家庭网关设计及其物联网及其物联网及其物联网及其物联网应用应用应用应用 章坚武章坚武章坚武章坚武，，，，颜颜颜颜 欢欢欢欢，，，，包建荣包建荣包建荣包建荣 (杭州电子科技大学通信工程学院，杭州 310018) 摘摘摘摘 要要要要：：：：提出一种智能家庭网关设计，采用 LPC2103 微控制器和 RTL8019AS 模块，基于改进的用户数据报(UDP)，实现智能家 庭信息处理平台。利用现有的网络设施，将采集到的家电终端信息进行处理和控制，达到智能联网与信息处理的效果。在物联网中的应用 结果表明，该网关具有成本低、实时性好及安全性高的特点。 关键词关键词关键词关键词：：：：智能家庭网关；物联网；UDP协议；数据加密；p-坚持 CSMA协议 Design of Intelligent Family Gateway and Its Application in Internet of Things ZHANG Jian-wu, YAN Huan, BAO Jian-rong (School of Telecommunication Engineering, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China) 【【【【Abstract】】】】This paper proposes a design scheme of intelligent family gateway. With the LPC2103 micro-controller and RTL8019AS module, it realizes the intelligent family information processing platform gateway based on the improved User Datagram Packet(UDP) protocol. It takes advantage of present network infrastructure to interconnect with the appliances. And it collects messages and sends corresponding commands to control the terminals to obtain the effect of intelligent networking and information processing. Application results in the Internet of Things(IOT) show that the gateway has good merits of low-cost, real-time, and security. 【【【【Key words】】】】intelligent family gateway; Internet of Things(IOT); User Datagram Packet(UDP) protocol; data encryption; p-persistent CSMA protocol DOI: 10.3969/j.issn.1000-3428.2011.18.082 计 算 机 工 程 Computer Engineering 第 37卷 第 18期 Vol.37 No.18 2011年 9月 September 2011 ····工程应用技术与实现工程应用技术与实现工程应用技术与实现工程应用技术与实现···· 文文文文章编号章编号章编号章编号：：：：1000————3428(2011)18————0246————03 文献标识码文献标识码文献标识码文献标识码：：：：A 中图分类号中图分类号中图分类号中图分类号：：：：TP393 1 概述概述概述概述 随着现代信息技术和家电控制技术的发展，人们的日常 生活逐渐向“信息化、自动化、网络化”的趋势发展。人们 可以构建自己的家庭网络，把家庭终端通过网络互联起来， 在家遥控或远程管理这些终端，真正实现人与物的交互。这 就是物联网(Internet of Things, IOT)理念在家庭网络系统中 的一个应用。而控制这些家庭终端、实现互联的核心便是智 能家庭网关。因此，本文从物联网和家庭网关的概念出发， 设计基于 UDP(User Datagram Packet)协议的智能家庭网关， 分析其基本原理和功能，并扩展了其物联网应用。 2 研究背景研究背景研究背景研究背景 物联网 [1]是物品信息互联网。它是在计算机互联网基础 上，利用射频识别(Radio Frequency Identification, RFID)、红 外线传感器、全球定位系统、激光扫描仪、无线数据通信等 技术构造的一种实现全球物品信息实时共享的网络。其来源 于人们希望未来的物联网可以实现在任何时间、任何地点的 人与物、物与物以及人与人之间的沟通连接。目前，具有代 表性的物联网构架是欧美支持的“电子产品编码(Electronic Product Code, EPC)”[2]和日本提出的“到处存在的身份识别 (Ubiquitous Identification, UID)”[3]2 种。前者是通过射频识 别系统运用电子标签读写器对 EPC标签上存储的信息进行读 取，而后者是采用泛在识别码(U-Code)来标记每个物品信息。 家庭网关是将计算机网络与自主构建的家庭网络连接在 一起的智能网络。它能应用网络实现家电控制和安全服务管 理。即它能通过连接家庭网络和外部网络，方便地对家庭终 端的运行情况进行监控和管理。同时，也可以让家庭终端间 进行简单的相互控制，有效地提高家电设备的工作效率。而 且，它还能支持不同类型的家庭联网协议，能保证较高的可 靠性、独立性和安全性。于是， IBM、Philip、Toshiba 等 15 家公司共同提出了 OSGi(Open Service Gateway Initiative) [4]，目的是建立一个开放性的网络服务传递标准。 家庭网关可将物联网应用到家庭中，构建起物联网的网 络中枢系统。电子标签是物联网终端识别的媒介。每个物品 的信息需通过预编码方式储存在电子标签上。一旦电子标签 读写器要获取该物品电子标签的信息，就通过物联网中间 件、域名解析系统进行处理和地址查询，引导物联网中间件 在相应的数据库里找到该物品的信息。然后，将标签携带的 信息发送到电子标签读写器及相应的信息处理系统。对于家 庭应用系统，需要给每个家庭终端贴上类似物联网的“电子 标签”，使它们能完成对家庭终端工作状态的“捕获”功能， 并把实时更新的消息发送到家庭网关进行处理。家庭网关根 据用户要求，对接收到的各家庭终端的信息进行解析和筛 选。如出现异常，根据异常的严重性，可及时通过外部网络 用户处理，或直接由网关处理系统来自动控制，再把处 理结果告诉给用户。 构建家庭物联网的关键要素如下： 基金项目基金项目基金项目基金项目：：：：国家自然科学基金资助项目(61001133) 作者简介作者简介作者简介作者简介：：：：章坚武(1961－)，男，教授、博士后，主研方向：移动通 信，嵌入式系统；颜 欢，硕士研究生；包建荣，讲师、博士 收稿日期收稿日期收稿日期收稿日期：：：：2011-03-24 E-mail：：：：yanhuanchina@hotmail.com 第 37卷 第 18期 247 章坚武，颜 欢，包建荣：智能家庭网关设计及其物联网应用 (1)终端状态信息的采集：需要一个既定的标准来各 制造商的数据信息输出，便于信息的统一处理和管理。 (2)信息处理系统的设计：需根据家庭终端的工作状态来 判断是否需要相应的控制，即一旦出现异常，就能够及时进 行相应的处理。 (3)安全性问题：需建立一个安全机制来保证家庭终端的 信息不被其他人窃取和篡改。其中，可行方式是采用用户登 录和处理的界面，使用户能高效、安全地接收信息并及时 反馈。 3 基于基于基于基于 UDP 协议的家庭网关协议的家庭网关协议的家庭网关协议的家庭网关设计设计设计设计 3.1 智能家庭网关的硬件结构智能家庭网关的硬件结构智能家庭网关的硬件结构智能家庭网关的硬件结构 家庭网关以 LPC2103 微控制器和 RTL8019AS 以太网模 块作为核心的硬件平台，其结构见图 1。其中，LPC2103 是 一个支持实时控制的 ARM7 微控制器，负责 RTL8019AS 模 块的读写及复位控制；RTL8019AS 是一个高度集成的以太网 芯片，能简单地实现即插即用等特性，能处理封装好的以太 网帧并通过网络接口和双绞线进行传输；RTL8019AS 有复位 及读写控制管脚，需要通过相应的地址端口和数据端口对 RTL8019AS 中的寄存器进行配置，实现网络数据的发送和 接收。 图图图图 1 智能家庭网关智能家庭网关智能家庭网关智能家庭网关结构框图结构框图结构框图结构框图 在实际连接中，可将 P0.8~P0.12 作为地址端口，将 P0.16~P0.23 作为数据端口，将 P0.7 作为复位端口对 RTL 8019 进行复位，将 P0.13 作为读引脚控制以太网模块读数 据，将 P0.14 作为写引脚控制以太网模块写数据。 3.2 基于基于基于基于 UDP 协议的改进协议的改进协议的改进协议的改进 TCP 和 UDP[5]是 2 种常用的数据传输协议。其中，TCP 协议是面向连接的应用，UDP 协议是面向无连接的应用。 2 个协议的区别在于数据传输的可靠性。在使用 UDP 协议 时，发送的数据可能未正确传送到接收端，因为它不像 TCP 协议能够在应用程序和远程应用程序之间建立一个逻辑连 接。但 UDP 协议使用简单，方便实现。因此，针对 UDP 协 议传输效率不高的特点，可以在 UDP 协议基础上做些改进， 以提高其传输可靠性。 当客户端接入服务器时，为了建立两者的连接，首先客 户端需发送一个握手数据包给服务器。数据包的传送流程如 图 2 所示。当服务器接收到该数据包后反馈给客户端一个握 手数据包，直到两端都接收到对方发送的握手数据包后，连 接才正式建立，并开始数据包的正常发送和接收。否则，如 在规定时间 t 内客户端没有接收到应答，那么客户端需再次 发送一个握手数据包给服务器端。在发送和接收数据阶段， 当客户端发送一个 UDP 请求数据包后，期待服务器端能给 客户端反馈一个确认数据包，以确认接收正确。如客户端发 送请求后，在规定时间 t 内没有收到服务器端的确认，则再 次发送前一次的数据包，直到确认为止。对于服务器发给客 户端的数据包也采用该机制，可减少因为发送丢包造成的一 些操作未及时执行的问题。 图图图图 2 服务器端的数据包接收发送流程服务器端的数据包接收发送流程服务器端的数据包接收发送流程服务器端的数据包接收发送流程 在实际数据发送和接收过程中，由于共用一个传输通 道，可能有 2 个或多个数据包在同时传送，出现冲突碰撞， 因此可采用以太网标准中“p-坚持 CSMA协议”对系统的吞 吐量进行仿真分析。p-坚持 CSMA协议算法如下：当监听到 信道空闲时，以概率 p发送数据，以概率 1 p− 延迟一段时间 τ 发送[6]。在无传播延时(即参数 0a = )下，它的吞吐量[7]为： (e (1 e ) ) e G G s G G P S G − − − + − = + (1) 1 1 (1 ) e (1 (1 ) )(1 e ) ! n n G s n G n np p G P p n − − ∞ − = − = ∑ − − − (2) 其中，G表示流入信道业务量。 不同概率 p下 p-坚持 CSMA的吞吐量仿真如图 3 所示。 可以看出，当流入业务量 G 在 1 附近时，系统的吞吐量最 大；当 p增大时，系统的最大吞吐量减小。 10-2 10 -1 10 0 10 1 10 2 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 吞吐 量 流入信道业务量 p=0.2 p=0.6 p=0.9 0.0 图图图图 3 不同概率不同概率不同概率不同概率 p下下下下 p-坚持坚持坚持坚持 CSMA 的吞吐量仿真的吞吐量仿真的吞吐量仿真的吞吐量仿真 在 p-坚持 CSMA协议下，实际系统的平均延时[7]为： ( 1)(1 2 ) 1p p G D a r a r S α δ= − + + + + + + + (3) 其中， , , ,a pT X ra r T T T T τ α δ= = = = ； T 为数据包传输时间； τ 为物理信道的传播时延； aT 为确认数据包的传输时间；X 为平均重传时延； r 为初始化延迟。 根据文献[7]可知，随着吞吐量增加，总平均延时增加。 因此，折中选择 0.p = 6，运用式(1)~式(3)计算得到的平均延 时作为系统的规定时间 t。 3.3 智能家庭网关的软件实现智能家庭网关的软件实现智能家庭网关的软件实现智能家庭网关的软件实现 对 UDP 数据包的数据内容作如下规定，自定义数据格 式如图 4 所示。 248 计 算 机 工 程 2011年 9月 20日 图图图图 4 自定义数据格式自定义数据格式自定义数据格式自定义数据格式 在自定义数据格式中，操作类型占用 1 Byte，00h 代表 初始化建立握手请求，01h 代表初始化建立握手应答，02h 代表发送请求，03h 代表发送响应，其他值默认保留。操作 对象占用 2 Byte，在服务器端，它接收到的 UDP 数据报内容 中的操作对象即为对应客户端的端口号；在客户端，它接收 到的 UDP 数据报内容中的操作对象则为自身的端口号。操 作内容即为具体的实现操作，占用 40 Byte。 针对数据内容的安全性问题，采用了 RC4 算法对数据内 容进行加解密。它是一个可变密钥长度、面向字节操作的流 密码 [8]。其原理示例如下：首先初始化一个长度为 256 的 S数组：依次对 S[0], S[1],…, S[255]赋 0~255 的 8 位数值，输 入可变长度密钥 K，根据密钥内容及长度建立临时数组 T。 然后根据数组 T的内容置换 S数组；最后将 S数组按一定的 方式转化成密钥流 q。在发送端，依据密钥流 q 对原始数据 “data”进行异或，即加密。在接收端，输入与发送端一样 的密钥，运用和发送端同样的算法生成相同的密钥流对已加 密的数据“datam”进行异或，即完成数据解密。该算法的实 现如图 5 所示。 图图图图 5 RC4 算法实现流程算法实现流程算法实现流程算法实现流程 数据包的封装过程，即将 UDP 数据报打包成 IP数据报。 最后，它能封装成以太网帧发送，具体可参考文献[5]。 数据包的解析过程为：系统接收到以太网数据帧后，首 先检验它的校验和，如果校验和出现错误就丢弃该数据包， 命令发送方重新发送。否则继续判断数据包的类型，确定是 IP 数据报后，根据数据报的格式进行进一步检验，最后再经 过一次拆包获取 UDP 数据报的内容来决定下一步的工作， 并发送一个确认数据包。 智能家庭网关的软件整体设计流程如图 6 所示。其中， 发送端应用层数据处理部分是从终端采集的数据按规定的数 据格式进行处理后再加密。 图图图图 6 软件设计流程软件设计流程软件设计流程软件设计流程 数据封装部分定义 put_ether()、put_ip()、put_udp()3 个 函数，功能分别是封装以太网帧、IP数据报和 UDP 数据报。 网络驱动部分需要通过 LPC2103 微控制器控制 RTL8019AS 以太网模块来完成，将以太网帧发送到接收端。接收端接收 到以太网帧后，进行数据拆包。数据拆包部分分别定义了 get_ether()、get_ip()、get_udp()3 个函数，实现了检验和解析 以太网帧、IP数据报、UDP 数据报的功能。最后再将数据在 应用层进行解密，来控制终端。 4 智能家庭网关在物联网中智能家庭网关在物联网中智能家庭网关在物联网中智能家庭网关在物联网中的的的的应用应用应用应用 经多次实践测试表明，在 100 Mb/s 带宽的局域网条件 下，使用 20 个测试终端进行测试，且一般的控制命令和状态 反馈信息都很短(不超过 200 Byte)，设计的智能家庭网关能 够达到 100%的成功发送和接收率。若数量更多的终端(比如 100 个)同时工作，也只占用了 20 Kb/s 带宽。对于 10 Mb/s 的网络带宽，归一化流量最多只有 0.002。因此，数据包发送 碰撞的概率非常小。同时，上文基于 p-坚持 CSMA协议分析 得出了改进的 UDP 协议能够进一步提高系统的可靠性。 在实际的家庭网络系统中，需要构建一个获取终端信息 的感知网络。通过在终端安装射频读写器或者传感器，可对 终端的状态进行实时监测，并根据用户预设要求适时发送该 信息。这些信息通过有线或无线链路传送到智能家庭网关 中。用户可以用微机或手机通过 Web 浏览器方式访问该网关 服务器，随时调取终端信息，并控制终端，实现远程监控。 该实现结构如图 7 所示。 图图图图 7 家庭网络应用系统家庭网络应用系统家庭网络应用系统家庭网络应用系统 嵌入式设备远程在线升级技术[9]还可通过 Web远程刷新 固件程序。采用 LPC2103 微控制器和 RTL 8019AS 模块设计 的智能家庭网关具有以下优势：价格便宜，成本仅几十元； 功耗小，在 0.5 W 左右；采用改进型的 UDP 协议，可靠性好； 在发送和接收端对数据进行加密，安全性高。因该网关具有 这些优势，很容易在物联网中获得应用，并值得推广。 智能家庭网关能够实现信息的输入、输出，交互控制、 集中控制和远程控制功能。在家电控制方面，用户可以根据 自己的需求来配置家电，从而方便地对家电进行远程控制； 在视频监控方面，通过远程调取安装在家里的监控设备所拍 摄到的视频信息，用户可以及时清楚地了解家里的情况，一 旦出现异常情况，及时报警；在多媒体接入方面，通过家庭 数字机顶盒，用户不仅可以观看到高清的数字节目，还可以 互动点播节目和浏览网页，真正实现多媒体在家庭中的应 用；在信息服务方面，通过将智能家庭网络与其他网络系统 互连，用户可以及时得到诸如商品售后、健康等方面的服 务。因此，智能家庭网关能够真正将用户和家庭终端及计算 机互联网联系在一起，推动物联网在家庭中的应用不断得到 发展。 5 结束语结束语结束语结束语 本文采用 LPC2103和 RTL8019AS模块设计了简单易行、 价格低廉的基于物联网的智能家庭网关。它可实现基于 UDP 数据报的可靠传输功能，即通过引入反馈确认机制，使得数 (下转第 251页)