基于6LoWPAN技术的智能家居系统及基于6LoWPAN技术的UDP报文收发方法

摘要

基于6LoWPAN技术的智能家居系统及基于6LoWPAN技术的UDP报文收发方法，它涉及一种智能家居系统及一种基于6LoWPAN技术的UDP报文收发方法，本发明要解决现有基于物联网技术的智能家居系统由于使用IPv4地址，会出现IP地址枯竭而无法大规模推广使用的问题、以及现有智能家居系统的无法实现UDP报文的实时传输问题。基于6LoWPAN技术的智能家居系统可以分为监控终端、6LoWPAN星型通信网络和系统服务器三部分；基于6LoWPAN技术的UDP报文收发方法包括：UDP报文接收过程和UDP报文发送过程。本发明可应用于智能家居系统。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于6LoWPAN技术的智能家居系统及一种基于6LoWPAN技术的UDP报文收发方法。 

背景技术

智能家居应用物联网技术，将家庭中各种与信息相关的设备（例如家用电器和家庭安防装置等）通过总线技术连接到一个智能化系统服务器上进行集中的、联网的监制和管理。 

现在很多国家和地区都在大力推行家庭智能化系统，比如三星公司从2003年春节后，开始在中、韩两国同时推出其智能家居系统，通过机顶盒和网络，将家居自动控制、信息家电、安防设备以及娱乐和信息中心这四部分集成为一个全面的、面向宽带互联网的家居控制网络。 

国内对智能家居系统的研究还处于起步阶段，目前基于物联网技术的智能家居系统，大多数是试用Zigbee技术作为数据传输协议。Zigbee协议作为无线传感器网络的主流协议在物联网上得到广泛应用，如农业监测，远程医疗，智能家居等等。且目前多数物联网的应用，都是通过主控端增加GSM模块发送、接收短信，或者在IPv4协议基础上，实现与用户的远程交互。这样做的局限性很明显：随着互联网这么多年飞速的发展，IPv4地址已经枯竭，因为IPv4在设计之初只考虑到为全球每个电脑主机分配IP地址，如果要为全球各家各户的家电设备、监测传感器分配一个唯一IP地址，几乎是不可能的。 

然而，IPv6具有丰富的地址资源，且支持动态路由机制等，能够满足海量无线传感器节点对通信网络在地址、网络自组织以及扩展性等诸多方面的要求，IETF（Internet Engineering Task Force）的6LoWPAN工作组(The IPv6in Low-Power Wireless Personal Area Networks Working Group)致力于解决IPv6协议如何在IEEE802.15.4标准上实现的问题，工作组发布的草案RFC4944说明了在IEEE802.15.4网络上如何传输IPv6报文的问题。本发明将现有的6LoWPAN技术应用到智能家居系统上，解决IP地址枯竭的问题。 

发明内容

本发明是要解决现有基于物联网技术的智能家居系统由于使用IPv4地址，会出现IP地址枯竭而无法大规模推广使用的问题、以及如何在6LoWPAN技术上实现UDP报文的实时传输问题，从而提供一种基于6LoWPAN技术的智能家居系统及一种基于6LoWPAN技术的UDP报文收发方法，基于6LoWPAN技术的智能家居系统可以分为监控终端、6LoWPAN星型通信网络和系统服务器三部分； 

监控终端包括带有JTAG调试接口的ATmega128单片机、若干个传感器、电源电路、时 钟电路、LCD液晶屏、RFID射频识别子系统和电器设备控制子系统； 

其中，监控终端中的若干个传感器和电器设备控制子系统以I/O口与ATmega128单片机连接；RFID射频识别子系统以串口UART2与ATmega128单片机连接；电源电路、时钟电路和LCD液晶屏直接与ATmega128单片机连接； 

6LoWPAN星型通信网络包括6LoWPAN中心节点、若干个6LoWPAN子节点、IPv6路由器、Internet和/或移动通信网络、电脑、智能终端和/或手机； 

其中，6LoWPAN星型通信网络中若干个6LoWPAN子节点通过无线链路与6LoWPAN中心节点连接；6LoWPan中心节点同时也是IPv6网络中的边缘路由器，该边缘路由器与网络中其他IPv6路由器有线连接；IPv6路由器与Internet网络有线连接，与移动通信网络无线连接；电脑、智能终端与Internet网络有线或无线连接，手机与移动通信网络无线连接； 

系统服务器包括ARM9嵌入式平台，该平台硬件上配置一个触摸屏，软件上配置一个嵌入式WebServer； 

监控终端以串口UART1与6LoWPAN星型通信网络的若干个6LoWPAN子节点连接；6LoWPAN星型通信网络的中心节点与系统服务器的ARM9嵌入式平台也通过串口方式连接； 

6LoWPAN协议下的UDP报文收发方法包括：UDP报文接收过程和UDP报文发送过程； 

6LoWPAN协议下的UDP报文接收过程如图7所示， 

A1、6LoWPAN中心节点或者子节点接收到IEEE802.15.4数据包后，通过IEEE802.15.4的MAC帧处理之后，由6LoWPAN适配层完成报文处理：适配层首先判断IPv6报头是否采用了HC1编码压缩，如果确定IPv6报头采用了HC1编码压缩后，便进行IPv6报头解压缩处理，否则便做非解压缩处理； 

A2、本发明采用UDP报文传输，如果确定UDP报头采用了HC2方式进行压缩后，数据包将进行UDP报头解压缩处理，否则进行非解压缩处理； 

A3、通过UDP输入处理函数提交给具体的应用程序做进一步处理。 

6LoWPAN协议下的UDP报文发送过程如图8所示， 

B1、判断UDP报头是否被压缩，如果是则进行UDP报头压缩处理，否则进行非压缩处理； 

B2、UDP报文在填充完毕后，进行IPv6报头的填充，也是先判断IPv6报头是否被压缩，如果是则进行IPv6报头压缩处理，否则进行非压缩处理； 

B3、完成报文填充后将完整的数据包添加到任务调度表中进行发送，便将数据帧传输到 了IEEE802.15.4的MAC帧。 

系统服务器实现本地化集中监控：系统服务器为用户提供Qt GUI界面，让用户可以通过GUI界面对智能家居系统进行集中监控管理，并且具备硬件报警功能；实现远程监控：6LoWPAN通信网络与Internet的互联互通，在服务器硬件平台上配置Web服务器并开发Web应用程序，从而让用户可以通过网站访问的方式远程访问智能家居。 

本发明包括以下有益效果： 

1、通过使用6LoWPAN技术，实现了目前智能家居系统面临IPv4资源地址断缺，无法大规模推广智能家居系统的应用问题； 

2、监控终端即可以搭载市面上的各式传感器，实现监测室温，防火、防盗、防止可燃气体泄漏等功能，也可以实现刷卡门禁以及电器开关控制的功能； 

3、基于6LoWPAN技术实现了智能家居系统UDP报文的实时传输； 

4、系统服务器用于本地化集中控制与远程控制。 

附图说明

图1为智能家居系统示意图；图2为基于6LoWPAN的智能家居系统网络结构框图；图3为智能家居系统监控终端结构框图；图4为监控终端信息采集与封包处理程序流程图；图5为6LoWPAN星型通信网络结构图；图6为6LoWPAN星型通信网络端到端双向传输UDP数据报文示意图；图7为6LoWPAN协议下的UDP报文接收过程流程图；图8为6LoWPAN协议下的UDP报文发送过程流程图； 

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本具体实施方式，图1中1为主卧，2为次卧，3为客厅，4为厨房，5为卫生间，6为阳台，图中为6LoWPAN中心节点，为6LoWPAN子节点， 为监控终端，为系统服务器，为无线链路；一种基于6LoWPAN技术的智能家居系统，可以分为监控终端、6LoWPAN星型通信网络和系统服务器三部分，见图2，其中1为6LoWPAN中心节点，2为6LoWPAN子节点，3为internet网络，4为移动通信网络； 

监控终端包括带有JTAG调试接口的ATmega128单片机、若干个传感器、电源电路、时钟电路、LCD液晶屏、RFID射频识别子系统和电器设备控制子系统； 

其中，监控终端中的若干个传感器和电器设备控制子系统以I/O口与ATmega128单片机连接；RFID射频识别子系统以串口UART2与ATmega128单片机连接；电源电路、时钟电路和LCD液晶屏直接与ATmega128单片机连接，见图3； 

6LoWPAN星型通信网络包括6LoWPAN中心节点、若干个6LoWPAN子节点、IPv6路由器、Internet和/或移动通信网络、电脑、智能终端和/或手机； 

其中，6LoWPAN星型通信网络中若干个6LoWPAN子节点通过无线链路与6LoWPAN中心节点连接；6LoWPan中心节点同时也是IPv6网络中的边缘路由器，该边缘路由器与网络中其他IPv6路由器有线连接；IPv6路由器与Internet网络有线连接，与移动通信网络无线连接；电脑、智能终端与Internet网络有线或无线连接，手机与移动通信网络无线连接； 

系统服务器包括ARM9嵌入式平台，该平台硬件上配置一个触摸屏，软件上配置一个嵌入式WebServer； 

监控终端以串口UART1与6LoWPAN星型通信网络的若干个6LoWPAN子节点连接；6LoWPAN星型通信网络的中心节点与系统服务器的ARM9嵌入式平台也通过串口方式连接； 

监控终端的操作流程如下： 

ATmega128单片机通过电源电路接通电流，单片机初始化后，开始从上次的电器设备控制信令得到电器设备状态，再查询各个传感器状态，得到参数，将他们保存在特定格式的数组中，然后调用串口UART1发送程序，按定时查询的方式将电器设备状态、传感器数据发送至中心节点；监控终端接收中心节点发来的电器设备控制信令；监控终端按电器设备控制信令执行电器设备的通断，RFID射频识别子系统采集到的身份信息得到系统服务器的验证，中心节点还会接收到一个开门信号，监控终端可以控制开门/关门； 

6LoWPAN星型通信网络实现远程监控的过程如下： 

6LoWPAN星型通信网络结构如图所示，其中1为6LoWPAN中心节点，2为6LoWPAN子节点，3为IPv6路由器，4为IPv6终端，6LoWPAN网络内部所有网络节点都有一个相同的IPv6地址前缀，子节点通过6LoWPAN中心节点与其他IPv6网络的互联； 

在这种网络架构下，6LoWPAN子节点就可以通过6LoWPAN中心节点与外部IPv6网络节点之间，实现端到端的双向通信，在UDP/IPv6/6LoWPAN/IEEE802.15.4协议支持下，双向传输UDP数据报文的过程如图所示； 

因为智能家居系统是实时系统，对实时性要求较高，因此采用双向传输UDP数据报文，本发明在RFC4944草案的基础上，在基于CC2430射频芯片的硬件平台上，移植TinyOS开源嵌入式操作系统，自主采用NesC语言编程实现一个遵照6LoWPAN协议的UDP报文传输程序； 

6LoWPAN协议下的UDP报文收发方法包括：UDP报文接收过程和UDP报文发送过程； 

6LoWPAN协议下的UDP报文接收过程如图7所示，TinyOS系统触发receive事件信号， 表明6LoWPAN中心节点或者子节点接收到IEEE802.15.4数据包，具体来说就是由TinyOS的组件ActiveMessageC的Receive接口发出receive()信号；IEEE802.15.4MAC层处理函数mac_process()会对接收的MAC帧做进一步处理，对于6LoWPAN协议定义的多种可选报头该函数都能够进行处理，另外报文分片与重组功能也是由该函数来实现；本智能家居系统，应用层负载字节数较小，因此无需对报文进行分片与重组处理；确定报文分片与重组并执行相应功能后，适配层处理函数adapt_process()通过IPv6报头之前的Dispatch字段可以判断IPv6报头是否采用了HC1编码压缩；确定IPv6报头采用了HC1编码压缩后，它将被传递到ipv6_header_compressed()函数进行处理，否则IPv6报头后面的数据负载将被传递到ipv6_header_uncompressed()函数处理；首先判断报头是否被压缩，如果报头被压缩，就还原相应的数据字段从而完成解压缩功能；根据IPv6报头中Next Header域的值的不同，确定是采用UDP、TCP、ICMP中的哪一种传输层协议，本方案中需要完成UDP报文传输，调用了函数udp_header_uncompressed()或者udp_header_compressed()用于处理udp协议；确定UDP报头采用了HC2方式进行压缩后，数据包将交给udp_header_compressed()函数处理，未经压缩的UDP数据包则由udp_header_uncompressed()函数完成处理；UDP输入处理函数完成两方面的功能：根据校验和字段完成校验功能；判断接收到的UDP数据包是否需要交给具体的应用程序UDPProc实例做进一步处理；当发送到该实例时，应用程序会收到UDPProc接口发出receive()信号，然后应用程序对接收到的数据包做进一步处理； 

6LoWPAN协议下的UDP报文发送过程如图8所示，应用程序将调用UDPProc()接口的send()或者sendDone()，从而调用UDP输出函数；UDP报文的发送程序与UDP报文的接收程序是相反的处理过程，思想基本一致；首先判断UDP报头是否被压缩，UDP报文压缩则交给udp_header2_compressed()处理，否则交给udp_header2_uncompressed()处理，UDP报文在填充完毕后，则进行IPv6报头的填充，完成报文填充后将完整的数据包添加到sendTask任务调度表中进行发送，所谓任务调度表本质上就是一个队列，由sendTask()函数完成功能，运行时它会处理队列中的第一个数据包；如果该报文的大小超过一帧的长度，那么该函数将在该包中加入正确的分片报头，同UDP报文接收程序一样，本发明中无需分片； 

系统服务器实现本地化集中监控：系统服务器为用户提供Qt GUI界面，让用户可以通过GUI界面对智能家居系统进行集中监控管理，并且具备硬件报警功能；实现远程监控：6LoWPAN通信网络与Internet的互联互通，在服务器硬件平台上配置Web服务器并开发Web应用程序，从而让用户可以通过网站访问的方式远程访问智能家居。 

本发明包括以下有益效果： 

1、通过使用6LoWPAN技术，解决目前智能家居系统面临IPv4资源地址断缺，无法大规模推广智能家居系统的应用问题； 

2、监控终端即可以搭载市面上的各式传感器，实现监测室温，防火、防盗、防止可燃气体泄漏等功能，也可以实现刷卡门禁以及电器开关控制的功能； 

3、基于6LoWPAN技术实现了智能家居系统UDP报文的实时传输； 

4、系统服务器用于本地化集中控制与远程控制。 

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，监控终端中的若干个传感器为温湿度一体传感器、可燃气体传感器、火焰传感器、人体红外传感器和声音传感器；监控终端中的JTAG调试接口用于向ATmega128单片机输入应用程序。 

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，监控终端中的ATmega128单片机以中断的方式与RFID射频识别子系统连接。 

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，系统服务器的ARM9嵌入式平台配置一个Linux系统，并开发一个Qt图形用户界面程序，使用户能在触摸屏上看到各个子节点传来的数据并控制各个子节点的设备开关，在Linux系统的后台用Ajax+CGI+HTML技术编写网站服务器程序，让用户通过移动终端实现对系统服务器的上述操作。 

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四的进一步说明，所述移动终端为手机和平板电脑。 

具体实施方式六：基于6LoWPAN技术的UDP报文收发方法，包括：UDP报文接收过程和UDP报文发送过程； 

6LoWPAN协议下的UDP报文接收过程： 

A1、6LoWPAN中心节点或者子节点接收到IEEE802.15.4数据包后，通过IEEE802.15.4的MAC帧处理之后，由6LoWPAN适配层完成报文处理：适配层首先判断IPv6报头是否采用了HC1编码压缩，如果确定IPv6报头采用了HC1编码压缩后，便进行IPv6报头解压缩处理，否则便做非解压缩处理； 

A2、本发明采用UDP报文传输，如果确定UDP报头采用了HC2方式进行压缩后，数据包将进行UDP报头解压缩处理，否则进行非解压缩处理； 

A3、通过UDP输入处理函数提交给具体的应用程序做进一步处理； 

6LoWPAN协议下的UDP报文发送过程： 

B1、判断UDP报头是否被压缩，如果是则进行UDP报头压缩处理，否则进行非压缩处理； 

B2、UDP报文在填充完毕后，进行IPv6报头的填充，也是先判断IPv6报头是否被压缩，如果是则进行IPv6报头压缩处理，否则进行非压缩处理； 

B3、完成报文填充后将完整的数据包添加到任务调度表中进行发送，便将数据帧传输到了IEEE802.15.4的MAC帧。