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摘要

最近ad-hot无线网络的发展，单芯片嵌入式系统和家庭网络的广泛可用性使得能够远程监控的外部数据源和家庭状态使用小的独立的无线设备。 本文提出了一种开放式架构和实现这样的系统被称为Infopods系统。该架构是基于基于ZigBee的控器。该架构允许多个家庭成员同时监测他们的家电以及使用外部廉价的因特网资源，单机手持移动无线设备。本文提出的架构可以与现有的很容易地集成智能家居系统。该结构实现和表现在现有的基于Java的智能家居architecture.的背景下。

关键词 智能家居，Zigbee协议，嵌入式系统，设计模式，移动设备

Ⅰ介绍

智能家电通常局部地控制和/或远程监控。该控制器通常包括计算元件，如单芯片微控制器，基于PC的控制器，可编程控制器，电视和单机单板上微处理器。监测技术，另一方面，已经利用通信技术，如GSM / GPRS网络，蓝牙，因特网和电力线载波。监测通常需要访问到一台计算机或一个固定面板。此外，大多数的上述技术通常允许单个用户在一个时间访问。

本文提出了一种多用户无线家庭监控系统称为Infopods系统，它利用的Zigbee协议。该系统可以与任何很容易地集成上述智能家居建筑之一。 一个这个系统的独特之处在于它提供了一个并行

无线监视设施到多个家庭成员同一个家庭中。换言之，一个家庭成员的确不必去一个特定的位置，在家庭（例如，面板或计算机）来访问他们的设备的状态。相反，每个家庭成员进行类似小的无线设备T.V.一个遥控器，这让他们了解项目的他们的设备的状态。例如，在一种情况下，一个家庭成员可以监测炉子，而在被花园。这个系统的一个附加的优点是，它还可以获取外部信息，例如天气从互联网预测数据。这样的天气数据，反过来，可以通过家电被利用，以节约能源。该系统采用基于XML的Really Simple Syndication（RSS）协议与任何外部数据源的接口。

本文的其余部分安排如下。

第二节描述了Infopods系统硬件。信息荚软件架构在第三节描述。接下来，一个案例研究示出如何Infopods系统可与集成现有硬连线家庭监控系统提出了在第四节进行讨论。最后一个结论，提出第五节

Ⅱ硬件架构

该Infopods硬件架构由三个基本的建筑模块;一个标准的PC，协调和董事会几个监控板。每个构建块描述下面：个人计算机：这是配备了一个标准的PC大硬盘容量和DRAM的大量。这台电脑被用作一个硬件服务器来托管软件服务器，并提供互联网连接。协调员板：这是一个商业Zigbee协议基于板，由收发器和片上的微控制器。该收发器工作在2.4GHz和是符合IEEE 802.15.4标准（无线通信范围〜50-70m）。微控制器是一个16MHz的32位RISC对于低功率的优化，96 KB RAM，4输入12位ADC，2-11位DAC，2个应用程序定时器/计数器和一个2线串行接口。监控主板：每个板是类似功能来协调器板。然而，除了到ZigBee协议栈，各监测板上有一个LCD显示器以使用户能够查看数据。

III 软件体系结构

该Infopods软件体系结构被分成三个主要块;监控节点软件（M节点），则协调器节点软件（C-节点）和Infopods服务器软件（ISS）。 ISS具有通过本地服务互联网供应商。此外，国际空间站连接到紫蜂协调器使用RS-232接口节点（C节点）。图1显示了Infopods系统部署图。此图显示该C-节点部署在协调器板中，M-节点显示器板和国际空间站的电脑上。每三个的软件构建模块描述如下：

A答监测节点（M-节点）

监视节点（M-节点）是基于商业ZigBee平台。每个M-节点运行的Zigbee栈和有一个小的液晶显示屏，显示的数据。每个节点运行的嵌入式操作系统。此操作系统编译执行所利用的Zigbee嵌入式C-程序协议来访问和显示数据。

所显示的数据可以从一个设备发出，从局部控制器，从家庭自动化控制器，或者从外部源，例如因特网。是表示从实时数据监控节点纳斯达克证券交易所。相同的显示，也可用于显示家电状态。通过适当的包装，监视节点可容易地在携带周围一个典型的衬衣口袋。

图3示出了C代码的UML序列图在一个M节点上运行。每个M节点执行以下功能：

1. AppCola热启动（）功能：这是主要的入口点M节点被后被叫ROM驻留引导装载程序被执行。它初始化该数字输入/输出端口，并且设置了消息对象参数诸如通信通道。

1. VstackEvent功能：该功能用于添加为每个节点简单的描述符（即，配置文件ID和DEVICEID）的M-节点。
2. JZA_bAfMsgObject（）：在M节点，该MSG_Object此函数，这收到功能是用来存放从传递的信息在C-节点。该功能还确定发送通过设备的地址的设备，并且它检查目的地址嵌入内的广播MSG_Object。一旦查实，该消息随后被解码并通过使用M-节点的显示功能DisplayData（）。
3. DisplayData（）：显示在接收到的数据液晶屏在M-节点。

B.协调器节点（C-节点）

协调器节点（C-节点）之间提供一个链接国际空间站和M-节点。在CNode和M-节点之间的数据交换是基于Zigbee协议。 C-节点使用ISS RS232串行端口进行通信。在C-节点程序正在使用C语言编写。 如图3所示，该C代码分为五大函数来执行以下任务：

1. AppColdandWarmStart（）功能：该功能执行相同的任务，因为在M-节点中的除了设定个人区域网络（PAN）的ID为C节点。

2. VstackEvent功能：该功能用于添加简单的描述为每个节点（即，

在C-Note的配置文件ID和DEVICEID）。

3.启用UART中断（）：该功能使每当国际空间站发送一个被打断C-节点请求。

4. receiveData的（）功能：该功能代表从接收数据的回调函数国际空间站通过串口。

5.送出数据（）功能：C-节点使用此功能将消息发送对象事务

相应的M-节点与指定对象参数。

C.该Infopods服务器（IS）ISS

主要设计目的是提供一个可靠的数据源和手持通过M-节点之间的接口在C-节点。因此，国际空间站执行下任务：

1.配置外部数据源。

2.接收和处理用户通过请求基于互联网的应用程序。

3.获取从指定的数据向上的最新数据源。

4.解析来自数据源的输入数据。

5.数据整理成符合一个包规定的传输协议。

6.通过RS-232接口的CNode在那里将被转发到相应的发送数据M节点。执行上述任务，一个Java程序的开发。这个程序分为六个包。图4显示了国际空间站UML包图。每个包包括几类。每个包的简要描述提供如下：

1.配置接口 - 该接口的链接与Web应用程序的Java服务器。这个包

还包含了指定的功能该系统的通信协议。

2.配置 - 这个软件包包含了所有的这手柄配置节点类用于跟踪用户定义的数据源3.数据访问 - 这个软件包允许用户保存其数据源配置，并（重新）加载它们。

4.节点跟踪 - 这个包下的类跟踪物理节点的当前活着网络。

5.实时信息Track-这个包包含类，以跟踪由指定的不同来源用户。

6.显示工厂 - 这个包是负责产生取决于不同的显示用户的偏好。

图5 显示了高水平的UML类图上面提到的包。为了实施模块化和低耦合，国际空间站的软件设计采用了数著名软件设计模式。例如，该数据源（如家庭监控之间的互动系统），并监测节点（M-节点）被建模使用观察者设计模式。每个M-Node是明确地表示为一个观察者，并且与在登记的主语（ISS服务器）通过配置界面。同样，工厂模式被用于产生不同的类型的显示器为在M-节点（文字与图形，用于

例）。目前，M-节点支持的文本和一个图形界面。同样，Singleton设计模式用于创建内部队列。分派器设计模式用来解决在M-节点的同步问题多线程的方式。最后，模型 - 视图 - 控制器（MVC）设计模式是用于从数据中分离查看和控制每个M-node的属性。

如图5所示，ISS还采用了开放源代码ODBC兼容的关系数据库管理系统（DBMS）来存储和检索的配置信息。图6显示了说明如何一个UML序列图特定M节点被配置为从一个数据跟踪数据资源。用户通过GUI来与系统交互配置一个可用的M节点从一个特定跟踪数据数据源像家电。图形用户界面发送sendConfig消息到配置对象，其中新“受试者”实例为每个数据源和一个新的创造“观察者”实例为M-节点跟踪创建源。主题然后创建一个新的线程来跟踪所有变化数据。最后，该数据被发送到C-节点通过在那里它被路由到物理串口代表M节点的Zigbee节点。

图6还示出了UML序列图表现如何，当新的数据到达一个线程被通知主体。这个通知过程是至关重要的，以确保上对M-节点显示的数据始终是最新的。只要一个M节点的主题实例被创建，它立即轮询选择数据源，以检查是否该数据自上次读取操作已被更新。如果是，则适当线程被通知，并且反过来将数据发送到在C-节点。

国际空间站只要它成为发送数据到C-节点可用。发送的数据报的格式示于图7.数据在1个字节的每个，其中第一字节的数据包发送包含节点地址;因此该系统可支持多达至最大256的端点。下面的每个字节包含数据和数据报端接一个字节包含 0。

当将C-节点接收数据分组时，它确定其目的地址，它是附加到一个8位的地址数据的开头将其转发给相应的通过由中央广播PAN味精框架端点协调（C-节点）。在节点之间没有沟通;所有通信通过C-节点发生从而有效地形成了基于星型网络。该社还支持Web应用程序接口，允许用户在网上配置他们的M-节点。 Web应用程序

接口使用Java Servlet的技术与服务器应用程序进行通信。图8示出数据像一个真正简单的聚合​​源（RSS）源是用作来源在型的四MNodes一个标准接口。简单的检查框和一个下拉菜单使Web界面易于使用的天真homeusers。此外，业主可以改变从网上的M-节点的远程配置使用标准的网络浏览器。

任何从互联网的信息可以在一个M节点被显示。例如，M节点表示当前的RSS提要天气圣何塞，加利福尼亚示于图9。

IV 与智能家居系统集成本节介绍Infopods系统如何集成

与开发基于Java的智能家居自动化系统由早期的共同作者之一。

A智能家居系统

智能家居系统是它的核心，智能家居自动化系统包括服务器PC和E-板的。在这个系统中，一个服务器PC用于托管Java应用程序，使用户能够监测他们的家电产品在互联网上。电子板是一个现成的现成的现成的8位微控制器包含数字I / O端口，内存，扩展槽，一个两行16字符液晶和额外的硬件资源，使它适合此任务。微控制器已被使用C语言编程。

家用电器被连接到的数字输出E-板通过继电器提供足够高的电流和电压兼容性。为了克服在家庭的任何缺陷电器，一个反馈电路的设计和实施，以指示该设备的实际状态。主要的感测元件是电流变压器和信号调理电路，其输出表示该数字信号设备的状态。控制和管理引擎用C语言，驻留在董事会的EPROM。它被称为C-控制管理引擎（CCAM）。该引擎的主要功能是与沟通连接到家用电器的电路。基于Java的控制与管理引擎（JCAM）被用于验证用户参数和显示的家电数据一个用户。

B.系统集成

智能家居自动化系统的服务器是基于在JSP和JavaBeans。因此，一个明显的融合选择是用java合并Infopods系统（ISS）家庭自动化系统的代码。但是，这样做违反了系统的模块化。由于模块化国际空间站的设计，融合涉及编写了主题每个设备的状态，并对其进行注册。如图10所示，一受试者为每个器具状态下创建（例如，上或关），需要通过一个M节点进行跟踪。本课题要求该JCAM的仪器状态。 JCAM，又连接到铜包铝镁从家里返回适当的值器具。一旦受试者接收值，使用观察者模式，它调用回调为适当的观察者或m节点。这导致的值之中转移并在相应的M-节点显示。

图11显示了E-板和门的状态和风扇被显示在一个M节点。国际空间站：主题是通过一个RS-钩到C-节点的计算机上运行233连接。该JCAM服务器在同一个运行电脑。铜包铝镁直接在E-板运行的通过RS-232接口与JCAM通信。家电通过不同的端口连接在E-板.

VI 结论

本文提出了一个无线的体系结构监控系统，让房主监控其智能家居的各种组件。该架构是根据Zigbee协议是成本效益和鳞到大量的设备。该系统可以连接与现有的智能家居自动化系统，让多个用户以无线方式监控他们的家电从万维网地位，并获得实时数据如天气和交通状况，栈的市场价格和公共运输计划

致谢

我们要感谢苏雷什先生雷达整合国际空间站服务器与智能家居自动化系统。

一种关爱单人家庭的独立智能家居系统

计算机科学与技术 郑州航空工业管理学院

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