智能家居系统-软件协议

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3. 家庭网关的软件平台

随着嵌入式电子系统越来越复杂，系统软件的稳定性对系统的稳定运行显得愈发重要，在一些功能复杂的系统中，软件的工作量已经超过硬件开发。此时，嵌入式操作系统的作用凸显出来，操作系统可以把开发人员从无尽的软件编码工作中解放出来，只专注于应用开发，而系统资源的管理交与操作系统来完成，这种方式极大地提高了开发效率，缩短了开发周期。同时，基于操作系统的开发可以极大地提高系统的健壮性，各个任务并发执行，各自独立，即时有一个任务程序跑飞，但并不会造成系统的崩溃。另一方面，现代处理器的功能越来越强大，单纯的前后台系统已经不能显示出处理器的处理能力，甚至限制了芯片功能的发挥，而操作系统可以充分利用处理器的逻辑计算与数据处理能力，充分发挥了32位CPU的多任务潜力，最大化的发挥芯片性能。

嵌入式系统软件的设计有两种方法：使用操作系统和不使用操作系统，简单的小系统的结构如图3-6 所示。这种没有操作系统的系统可以称为前后台系统或超循环系统，应用程序是一个无限循环。此时的用户程序又被称作裸机程序，或被称为“裸跑”。前后台系统一般实时性低，但其结构简单，代码规模小，在低端应用中使用广泛。

                图3-6 前后台系统示意图

与前后台系统相对应的是多任务系统，一个任务就是一个无限循环，是一个简单的程序，该程序可以认为系统中只有自己一个任务，CPU完全只为自己服务。系统通过基于优选级或时间片的调度技术，动态地切换各个任务，保证实时性要求。每个任务可能处在以下五个状态之一：休眠态、就绪态、运行态、挂起态与被等待状态^[38]，任务运行状态切换如图3-7所示。

                                 图3-7 任务的运行状态

本系统中有4个串口通信，并且需要保证数据实时性，如人机交互使用的迪文液晶屏是串口和微控制器交互，若实时性无法保证，就会极大地降低用户体验。另外还有数据共享，多任务之间的通信，任务互斥等问题。这种情况下，如果用传统的前后级系统结构进行编程，就会造成系统高度耦合、结构混乱，并且实时性和可靠性得不到保证，不便于后期维护和扩展，造成实时性差、系统可靠性低、稳定性差的缺点。因此，这里选用了多任务的系统结构，选择的系统是嵌入式的实时操作系统uC/OS-II，按照任务优选级进行调度，它可以使各个任务独立工作，并发执行，系统之间通过信息邮箱、消息队列来完成数据通信和共享，系统结构清晰，维护方便，使得应用程序的设计和扩展变得容易。

本系统使用uC/OS-II操作系统为软件，uC/OS-II是Jean J. Labrosse在1990年前后编写的一个实时操作系统内核，uC/OS-II来源于术语Micro-Controller Operating System，即微控制器操作系统^[37]。uC/OS-II具有内核精炼，实时性和可靠性高，占用资源少，移植性好等优点，非常适合嵌入式系统应用。

3.2 系统数据协议设计

3.2.1 家庭网关上层协议设计

家庭网关上层协议是网关与应用层之间的通信协议，是整个控制系统对外的通信通道，通过这一通道，家庭网络和设备接入公共通信网络，实现智能家居的远程网络化控制。家庭网关上层协议数据通信格式如表3.1所示。

表3.1家庭网关上层数据通信协议

其中各部分解释如下：

帧头 :7E 9A 两个字节的帧头，固定长度；

长度：06，本字节后校验字节前的数据个数；

客户端编号：01:GPRS；02:WIFI平板；03:WIFI手机； 04:xx；

消息号：第几次发消息，以后可扩展为超时机制,现在默认为0x01；

设备类：高四位是0时为家电控制，高四位是F时为环境监测。

    01--空调；02--电视；03--红外灯；04--窗帘

    F1--温度查询；F2--湿度查询 ；F3--光照查询；F4--xx

设备类数据范围：

    0000 0000--0000 1111 家电控制       可控制16种设备

    1111 0000--1111 1111 环境参数查询   可进行16种参数查询

设备号：某一类设备的第几个设备，如01为1号电视，或1号机温度；

设备号可表示最多16个从机，低4位表示从机号，当家电控制时，高四位是0；当查询环境监测数据时，网关将向上位机回复数据，高四位扩展为正负符号表示，1111表示负数，0000表示正数；

功能号：家电控制中为实际控制的功能：

环境监测中上位机发送数据时为00，

下位机向上位机回复时为数据的整数部分；

扩展位：家电控制时收发都为0；环境监测下，上位机发送数据时为00，下位机向上位机回复时为数据的小数部分；

校验：字长1BYte的和校验，从长度字节开始到本字节前的数据求和，进位自动溢出。

帧尾：5A 3E两个bytes的帧尾，固定字节。

数据通信的其它约定：

1) GPRS通信用户协议

GPRS第一次连接或者掉线后再次重连，网关向服务器发送初始包6个0x00表示第一次连接：

 7E 9A 06 00 00 00 00 00 00 06 5A 3E

GPRS的IP地址是运营商为用户分配的临时IP，一旦一定时间内该IP没有数据传输，运营商就会收回该IP。为了系统GPRS连接不掉线，如果超过2分钟没有数据传输，网关就向服务器发送心跳包保证自己永久在线，心跳数据为6个0xFF：

 7E 9A 06 FF FF FF FF FF FF 06 5A 3E

2）家电控制模式下，上位机发送的两条控制指令时间间隔大于2s。

3）环境监测模式下，WiFi传输命令时两条指令时间间隔大于1s，GPRS传输命令时两条指令时间间隔大于2s。

3.2.2 家电控制系统协议设计

家电网关通过nRF模块与学习型万能红外遥控器（即万遥）连接，实现功能是接收用户的命令，然后无线方式转发到空中，万遥另一端无线接收到命令并做出相应响应。目前的设计中，有两种家电控制方式，方式一是RF模块通信，方式二是xBee模块通信。

（1）    基于nRF24L01的学习型红外遥控器

基于nRF24L01模块的家电控制系统使用RF无线模块实现数据传输，数据协议格式见表3.3。

表3.2 网关数据通信协议

万遥协议是网关协议的一部分，目前支持的家电设备与万遥控制器映射关系：

    表3.3 基于nRF24L01的万遥通信协议

（2）基于xBee的学习型红外遥控器

基于xBee模块的家电控制系统使用xBee完成数据传输，数据格式遵从xBee的API数据编码规则。

这里只分析用户协议，下面的数据说明只包括xBee协议的数据部分（DATA PAYLOAD），格式见表3.4。

其中：

Device       ：设备类型，固化格式，01表示电视，02表示空调....

Devic_Num ：设备号，表示某类型的第几台家电，从01开始添加。                                  

如设备码：01 01——电视1，02 02——电视2 。

Function    ：功能类型，固定格式，01表示开关量，02表示加减量。

Fun_Num   ：功能号，表示某功能类型的第几组功能。

                   如电视功能码：02 01——加/减频道，02 02——加/减音量。

Cmd_Num  ：控制码，高四位决定万遥工作方式，低四位是控制参数。

控制命令具体分析如下：

D7D6D5D4=1111 红外学习；D7D6D5D4=0000 红外发射；

D3D2D1D0 =      0001     0010     0100    1000

对应状态为：   关（OFF） 减（-）  加（+）  开（ON）

目前支持的家电设备与协议映射关系见表3.5所示。

                                  表3.5 遥控器命令与家电映射关系

   当出现错误帧或者传输过程中出现丢帧情况，万遥无法正确解析命令，则向主机（Coordinator）发送错误报告。当万遥接收命令无错误并且操作成功，则回复操作成功标志。万遥向主机回复的帧如表3.6所示。

  表3.6 万遥回复命令数据协议

注：5A 3E——回复码标志，45 52——错误码标志（ER），4F 4B——操作成功标志（OK），第五字节——错误号，当红外学习和发射操作成功时，第五字节是该命令存储的地址号。

3.3.3 环境监测系统协议设计

环境监测系统是本智能家居系统的子系统，是物联网的数据感知层，实现数据获取和无线传输功能。在系统结构中，家庭网关定时发送查询请求，传感器节点向网关返回数据，网关保证数据的实时性，用户应用层的命令直接由网关响应。每一个监测节点监测两个参数，数据格式参照第二节。目前支持的设备的协议如表3.7所示。

表3.7环境监测系统节点设备协议格式

注：光强测量采用BH1750FVI传感器，对应光输入范围1--65535LX，单位是LX（照度）。在F3命令下，回复的数据是16位的，占2个字节，只有整数，无小数部分。

交互实例：

上位机发：7e 9a 06 02 01 F1 02 00 00 FC 5a 3e 

说明：2号WiFi设备请求2号机温度查询

下位机回：7E 9A 06 02 01 F1 02 12 03 11 5A 3E 

说明：2号WiFi设备回复2号机温度+18.03℃

智能家居系统-软件协议

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