智能家居系统设计理念解析

基于的智能家居系统设计IPv6摘要智能家居系统综合运用网络技术、自动控制技术，实现对家电设备的集中管理，同步为顾客提供远程控制的功能，I从而使顾客可以在千里之外理解家电设备日勺工作状态，并对家电设备日勺工作方式进行控制然而由于基于的互联网络的IPv4地址位宽日勺限制，路由效率等问题，正阻碍着智能家居系统的推广技术日勺出现，很好处理了上述日勺问题本文对基IPv6于技术的互联网络中怎样开展智能家居系统的设计问题进行IPv6研究，分析和总结技术中支持智能家居系统的一系列新特性，IPv6并以此为基础进行智能家居系统的总体设计，给出一套基于IPv6技术的智能家居系统总体设计方案关键词智能家居网关设备IPv6RIPng中图分类号文献标识码文章编号TP

273.5A1007-9416202303-0134-04在进行智能家居系统的设计时，首先需要保证满足家庭的实际功能需求，充足运用既有的技术条件，并在满足功能需求的基础上合适时保持一定的前瞻性，以支持系统未来一段时间内日勺扩展性ISR TIMER（接受到设备工作控制祈求）If（发送开关门指令；反馈设备工作控制响应；）读取门开关状态；（目前开关状态！二历史开关状态）If（发送设备状态上报消息、；）历史开关状态二目前开关状态；报警模块详细设计}

4.2（）功能设计；报警模块所实现的功能重要包括两个方面，1分别是在设备上电后自动进行设备信息登记，然后是对室内的红外信号进行监测，当出现目的信号后第一时间上报对应的状态（）硬件设计；报警模块的硬件设计上重要包括两个构成2I部分，分别是红外传感器和主控模块其中红外传感器重要用于对室内的红外信号进行检测，并在检测到红外信号后在输出引脚上给出高电平报警信号主控模块的设计与门禁模块相似，采用STM32F和对应日勺以太网控制物理层芯片构103C8T6ENC28J60L成将红外报警模块日勺输出信号与日勺STM32F103C8T6脚和脚相连当红外报警器给出报警信号时，可以Wakeup PAO通过脚唤醒主控模块，然后主控模块可以通过检测Wakeup PAO脚对报警状态进行确认（）软件设计；报警模块的软件系统工作可以划分为两3I个阶段，分别是启动阶段和值守阶段在设备上电后首先进入启动阶段，在该阶段发起设备信息登记过程，与网关设备进行交互握手，从而完毕设备日勺登记操作，将设备的信息添加到网关设备中，然后从网关设备端获取自己的地址，从而完毕网络接口时重配置接下来进入到值守阶段在值守阶段，为了减少设备的能耗，设备的主控模块会进入到休眠态由红外传感器保持对目的区域日勺检测当红外传感器检测到红外信号后，给出高电平报警信号唤醒主控模块主控模块读取脚日勺状态，并组织PAO设备状态上报帧，向网关设备发送报警消息上述操作过程时可以用如下的伪代码来描述Process Alarm读取红外传感器状态；（报警信号有效）If（发送设备状态上报消息、；））火警模块详细设计

4.3（）功能设计；火警模块所实现的功能重要包括两个方面，1分别是在设备上电后自动进行设备信息登记，然后是对室内的烟雾信号进行监测，当出现目的信号后第一时间上报对应的状态（）硬件设计；火警模块的硬件设计上重要包括两个构成部2分，分别是烟雾传感器和主控模块其中烟雾感器重要用于对室内的烟雾进行检测，并在检测到烟雾浓度超过门限后在输出引脚上给出高电平报警信号火警模块的主控部分的设计与报警模块相似，采用和对应时以太网控制物理层芯片STM32F103c8T6构成将烟雾传感器时输出信号与ENC28J60L STM32F103C8T6日勺脚和脚相连当烟雾传感器给出报警信号时，Wakeup PAO可以通过脚唤醒主控模块，然后主控模块可以通过检测Wakeup脚对报警状态进行确认PAO（）软件设计；报警模块的软件系统工作可以划分为两个3阶段，分别是启动阶段和值守阶段在设备上电后首先进入启动阶段，在该阶段发起设备信息登记过程，与网关设备进行交互握手，从而完毕设备日勺登记操作，将设备的信息添加到网关设备中，然后从网关设备端获取自己的地址，从而完毕网络接口时重配置接下来进入到值守阶段在值守阶段，为了减少设备日勺能耗，设备的主控模块会进入到休眠态由烟雾传感器保持对目的区域日勺检测当烟雾传感器检测到烟雾信号后，给出高电平报警信号唤醒主控模块主控模块读取脚的状态，并组织设PAO备状态上报帧，向网关设备发送报警消息上述操作过程时可以用如下的伪代码来描述（）Process_Alarm（读取烟雾传感器状态；（火警信号有效）If（发送设备状态上报消息；）控制子系统详细设计5控制子系统是本文所设计的智能家居系统的一种重要子系统，是智能家居内网系统中日勺一种构成部分控制子系统所包括日勺功能重要包括灯光控制功能和窗帘控制功能等下面将分别对这些功能模块的设计进行描述灯光控制模块详细设计

5.1（）功能设计；灯光控制模块所实现的功能重要包括三个1方面，分别是在设备上电后自动进行设备信息登记，然后在顾客终端的控制下进行灯光照明控制，最终是对灯光状态进行检测，I并在第一时间上报门日勺开关状态变化（）硬件设计；灯光控制模块的硬件设计上重要包括三个构2成部分，分别是开关继电器模块，光照传感器和主控模块其中开关继电器可以接受数字的控制信号，用于控制电灯开关时打开和闭合，从而实现对灯光的控制光照传感器用于对室内的灯光照明状态进行检测当室内日勺照明亮度低于某个门限值时，传感器输出低电平，反之则输出高电平灯光控制模块的主控部分设计与门禁模块相似，重要由的控制器STM32I MCU和对应日勺以太网控制物理层芯片STM32F103C8T6构成同步时输入输出接口与开关继电器和光ENC28J60L MCU照传感器相连分别用于对开关继电器进行控制和对光照传感器进行检测（）软件设计；灯光控制模块日勺软件系统工作可以划分3为两个阶段，分别是启动阶段和值守阶段在设备上电后首先进入启动阶段，在该阶段发起设备信息登记过程，与网关设备进行交互握手，从而完毕设备的登记操作，将设备时信息添加到网关设备中，然后从网关设备端获取自己的地址，从而完毕网络接口的重配置接下来进入到值守阶段在I值守阶段，同步监听网络端口的设备工作控制祈求帧和检测门开关的状态本系统软件设计上采用一种日勺定期I1S器触发进行两项检测操作当接受到设备工作控制祈求帧后，即对祈求的内容进行解析，从中提取出对应日勺控制内容和控制参数，从而进行对应的开灯和关灯操作当检测到室内的照明状态发生变化后，即组织对应日勺设备状态上报帧，上报室内的照明状态上述操作过程时可以用如下的伪代码来描述ISR_TIMER O{（接受到设备工作控制祈求）If（发送开关等指令；反馈设备工作控制响应；）读取室内照明状态；（目前照明状态！二历史照明状态）If发送设备状态上报消息；）历史照明状态二目前照明状态;窗帘控制模块详细设计

5.2（）功能设计；灯光控制模块所实现的功能重要包括三1I个方面，分别是在设备上电后自动进行设备信息登记，然后在顾客终端的控制下进行窗帘日勺开关控制最终是根据顾客终端的查询祈求，反馈窗帘的开关状态（）硬件设计；窗帘控制模块的硬件设计上重要包括三个2构成部分，分别是步进电器控制模块和主控模块其中步进电机控制模块由对应驱动芯片和永磁步进电机两ULN202328BYJ部分构成，可以接受数字日勺控制信号来驱动步进电机进行正转和反转，用于控制窗帘日勺打开和关闭窗帘控制模块的主控部分设计与门禁模块相似，重要由的控制器STM32MCU和对应日勺以太网控制物理层芯片STM32F103C8T6构成同步时输入输出接口与开关继电器和光ENC28J60L MCU照传感器相连分别用于对开关继电器进行控制和对光照传感器进行检测（）软件设计；窗帘控制模块日勺软件系统工作可以划分3为两个阶段，分别是启动阶段和值守阶段在设备上电后首先进入启动阶段，在该阶段发起设备信息登记过程，与网关设备进行交互握手，从而完毕设备的登记操作，将设备时信息添加到网关设备中，然后从网关设备端获取自己的地址，从而完毕网络接口的重配置接下来进入到值守阶段在I值守阶段，重要监听网络端口的设备工作控制祈求帧本系统软件设计上采用一种的定期器触发进行检测操作1S I当接受到设备工作控制祈求帧后，即对祈求的内容进行解析，从中提取出对应的控制内容和控制参数，从而进行对应时开窗帘和关窗帘操作上述操作过程时可以用如下的伪代码来描述ISR_TIMER O（（接受到设备工作控制祈求）If（发送开关等指令；反馈设备工作控制响应；））结语6本文重要对智能家居系统的实现方案进行详细设计，内容包括两个方面，一种是网关设备中所运行日勺路由机制和在整个智能家居系统中所运行的家电信息登记机制和家电设备控制机制等基于该通信机制，家电设备可以完毕设备信息时登记，顾客终端可以实现对家电设备的远程控制另一种是对智能家居系统中安防子系统和控制子系统的实现方案进行了详细的设计，包括每个子系统中各个模块日勺功能设计，硬件设计和软件设计等参照文献⑴高小平.中国智能家居日勺现实状况及发展趋势低压电[J].器，2023,419-

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28.智能家居系统架构1基于技术进行智能家居系统设计，与老式日勺系统设计IPv6相比一种明显的长处就是运用协议所提供的海量日勺地址空IPv6间，可以将系统中的每个设备都通过以太网进行连接，从而使得网络的构造形式统一，且所有的家电设备可以与顾客终端进行点对点时直接通讯，减少系统对家庭网关设备日勺依赖顾客终端可以是安装了智能家居客户端的电脑和智能设备顾客通过智能家居客户端所提供的顾客界面进行各类信息时查看和家电设备日勺控制等操作家庭网关设备是远程顾客终端在家庭网络环境中的一种当地代理设备，重要实现对智能家电设备的当地化管理功能和对所有数据包的路由功能各类家电设备安装了控制模块的家电设备，可以运行通过裁剪的协议，从而使IPv6得家电设备可以通过以太网与家庭网关设备和顾客终端设备进行通讯智能家居网关设备2智能家居网关设备是系统中日勺一种重要设备，该设备作为顾客终端设备的一种当地代理，负责者系统中的各类家电设备的管理以及顾客终端设备与家电设备之间数据交互的路由功能操作系统日勺选定

2.1目前嵌入式系统中所常用的实时操作系统重要有两类,分别是和嵌入式这两个操作系统中，VxWorks LinuxoVxWorks系统内核目前还不支持协议，因此需要对系统内容进行改造，IPv6这一工作不仅技术难度高，同步购置内核源码的费用也相称可观，不适合本课题的研究而嵌入式系统集成了丰富的网络功能，Linux支持多种平台，并采用了模块化的设计构造，并且集成了IPv6协议，同步嵌入式还是个开源时系统，可以以便的进行有Linux关代码的修改，各类有关学习和研究资料也丰富因此，Linux系统是一种很好的选择本课题的研究中选择了嵌入式作Linux为家庭网关设备日勺操作系统平台时实现

2.2IPv6在嵌入式操作系统日勺目录和Linux net/IPv6头文献中，寄存了嵌入式系统中实现include/net/IPv

6.h Linux协议所需的所有代码在实现中是在日勺基础之IPv6IPv6IPv4上实现的，因此两种具有很大程度上日勺共性在中日勺数IPv6据包传播过程可以形成三种方式，数据包可以通过三种方式中的任何一种进行传播当地传播层所创立的数据包通过接ip6_xmit口进行传播,通过一系列中间环节日勺处理后,最终抵达完毕发送处理当地网卡所接受到日勺数据交ip6_output_finish,给接口后开始进行接受处理ipv6_rcv网络通信机制详细设计3路由机制详细设计

3.1路由机制拥有的优势，是一种处理网络中RIPng IGPIPv6日勺路由问题的首选方案，具有无限的潜力面向日勺IPv6RIPng路由协议在继承了和协议重要特性日勺基础上，进RIPvl RIPv2行了某些改善所作的改善内容重要集中在信息格式以及地址有关方面，重要可以概括为如下三个方面（）中路由消息传播的通信端口由原先所使用的1RIPng520端口修改为端口（）由于在中对地址空间进行了扩5212IPv6展，因此在的消息格式中，地址空间也由位扩展到了RIPng32128位，且去掉了子网掩码字段（）中借助的安全机3RIPng IPv6制来保证路由信息更新的安全性和保密性，因此无需再设计其他安全操作路由功能的|实现可以划分为个功能模块，如RIPng6（图）所示1路由操作的过程可以描述为（）启动；启动过程中重要完毕一系列日勺初1RIPng RIPng始化操作，包括初始化路由表，初始化接口列表，初始化访问列表，初始化前缀列表，以及重定向路由匹配原则和为各个有关的命令指定对应的接口函数，并生产所需要的接口（）I RIPngI2输入管理；输入管理过程重要是对端口进行监听，并对接UDP受到日勺包进行读取，然后辨别接受到数据包日勺类型，分别进行对应的祈求处理和响应处理（）输出管理；输出管理重要负3责对路由时周期更新以及触发更新等进行处理，发送对应日勺路由更新包在路由更新包中，目的地址设为当地的多播地址，即面向当地局域网内的所有节点进行发送（）路由处理；路由处4理中重要负责对当地的路由表进行维护和更新在路由处理中会对接受到的路由响应包进行解析，从路由响应包中提取出对应的信息，并将该与当地路由表中所寄存的进行比IRTE RTEIRTE对，从而对路由记录进行更新，对新发现的路由记录进行添加，对过期时路由信息进行删除（）定期器；定期器是整个路由协5议中的一项重要功能根据路由机制日勺设计，共需要使用到三种定制器，分别是周期更新定期器，超时定期器和路由失效定期器，下面将分别进行描述（）停止；停止时首先6RIPng RIPng需要告知内核删除由其保留日勺部分路由信息，然后停止所有的定期器，删除路由处理模块中所维护的路由信息表，最终RIPng清除所创立的线程和并释放对应日勺资源RIPng Socket,

3.2家电信息登记协议家电信息登记协议重要用于新加入智能家居系统的家电设备进行系统注册和设备识别等过程进行约束家电信息登记的过程重要包括三个阶段，分别是网关设备日勺识别，网络地址日勺分派和家电设备有关信息的登记由于在智能家居系统中，家电设备硬件设计上日勺限制，使得家电终端设备的处理能力有CPU限，因此在设计中对协议栈进行了裁剪,只保留了最基本的网络通信功能和路由功能由于删除了等协议，因TCP/IP DNS此在网络中就需要自行实现动态地址分派的功能该功能正式通过上述的网关设备识别和网络地址分派的过程来实现家电信息登记协议报文格式；家电信息登记协议报文有1几种基本的格式，分别用于家电信息登记过程中的广播网关查询，网关查询应答，设备信息登记和设备登记应答等操作，对应时需要分别定义一种格式的协议报文报文类型字段占用一种字节的长度，用于指定本条协议报文的类型该字段用于对上述的四种协议报文进行辨别家电信息登记协议过程描述；家电信息登记的协议过程2可以分为两个阶段，即包括了两次握手的过程第一阶段是进行网关设备的识别，并从网关设备处获取该家电设备的地址第二阶段是进行家电设备信息日勺登记登记时过程如图所不2在家电设备发起第一种阶段的通信之前，需要先进行与否需要进行信息登记的判断该判断通过查询当地所维护的设备登I记状态标识来实现若该标识指示家电设备未完毕信息登记，于是家电设备就需要发起家电信息登记的过程设备组织一条网关查询广播报文，并广播该报文发送完毕后,家电设备就监听网关设备的应答，同步启动一种定期器和一种计数器该定期器用来进行该广播报文日勺超时判断，若定期器超时后仍未收到网关设备的应答，则认为该广播报文发送失败，重新发送广播报文在第二阶段的通信过程中，家电设备根据第一阶段所获取网关设备地址，组织设备信息登记报文，在该报文中详细的描述设备的类型、设备日勺功能、设备的厂商等信息，根据所指示日勺网关设备地址，向网关设备发送该报文家电控制协议

3.3家电控制协议是本文所设计日勺智能家居系统的关键，智能家居网关设备或者顾客操作的终端都通过本协议实现对家电设备工作状态的查询和控制；同步家电设备的各类报警信息也是通过该协议向网关设备或者顾客终端发送在本协议交互过程中，波及到三个主体，分别是顾客终端、家庭网关设备和家电设备在基于的网络协议中，这三类设备都可以互相直接访问IPv6（）控制协议报文格式；控制协议所需要支持的操作流程1包括两大类，分别是顾客发起的对家电设备的工作进行控制或I者是对工作状态进行查询日勺操作过程和由家电设备所发起的报警操作过程为了保障通信日勺可靠性，在每个操作过程中都设计了一种握手交互的过程控制协议过程描述；在本智能家居系统中，顾客可以通2过特定日勺终端设备来控制各类家电设备、查询家电设备日勺工作状态或者接受家电设备所上报的各类报警信息、确认提交后，顾客终端设备就会组织一条设备工作控制祈求消息，在该祈求消息中承载顾客所提交的控制命令类型和控制参数然后将顾客所指定的控制对象的地址作为该控制祈求消息的目的地址，并I I发送该消息发送完毕后就监听家电设备日勺响应消息，同步启动一种定期器如图所示3安防子系统详细设计4安防子系统是智能家居内网系统中的一种构成部分安防子系统所包括的功能重要包括门禁控制功能，报警功能和火警功能等下面将对这些功能模块的设计分别进行描述门禁模块功能设计

4.1功能设计；门禁模块所实现的功能重要包括三个方面，1分别是在设备上电后自动进行设备信息登记，然后在顾客终端的控制下进行门的开关控制，最终是对门日勺开关状态进行检测，并在第一时间上报门的开关状态变化硬件设计；门禁模块的硬件设计上重要包括二个构成2I部分，分别是电插锁模块，门磁传感器和主控模块其中电插锁模块可以接受数字的控制信号，用于控制锁舌时抬起和放下，从而实现对门开关日勺控制门磁传感器由两个磁极构成，当两个磁极靠近时电信号导通，磁极远离时，电信号断开主控模块重要有日勺控制器和对应日勺STM32MCU STM32F103C8T6以太网控制物理层芯片构成该控制器具有体ENC28J60L MCU积小，功耗低的特点，同步集成了以太网模块，可以以便MAC的实现协议，与芯片一起，可以实现与网关设IPv6ENC28J60L备和顾客终端设备之间的网络通信（）软件设计；门禁模块的软件系统工作可以划分为两个3阶段，分别是启动阶段和值守阶段在设备上电后首先进入启动阶段，在该阶段发起设备信息登记过程，与网关设备进行交互握手，从而完毕设备的登记操作，将设备的信息添加到网关设备中，然后从网关设备端获取自己的地址，从而完毕网络接口时重配置接下来进入到值守阶段在值守阶段，同步监听网络端口的设备工作控制祈求帧和检测门开关日勺状态本系统软件设计上采用一种的定期器触发进行两项检测操作当接受到设备工作控制1s祈求帧后，即对祈求的内容进行解析，从中提取出对应的控制内容和控制参数，从而进行对应的开门和关门操作当检测到门的开关状态发生变化后，即组织对应的设备状态上报帧，上报门的开关状态上述操作过程时可以用如下日勺伪代码来描述。