2家庭网关总体设计方案

2.1家庭网关的地位和工作原理

智能家居系统中家庭网关是其最重要的部分，是智能家居系统的核心，在设计和功能体现上与整个系统相互协调运作。家庭内部使用短距离无线通信的组网方式，家庭网关与它在一个网络中，家庭网关接入因特网。它是一个智能化的接口，这个接口处于家庭内部网络和家庭外部因特网连接的位置。在1995年工业论坛组织RG（Residential Gateway Group）成立，它将家庭网关定义为：一种具有智能化、灵活化、标准化的家庭网络接口单位，从外部将不同的通信信号通过家庭内部网络传递给某个家庭设备[1]。文献综述

家庭网关的工作主要分为两个方面：一是将智能家居系统中家庭内部网络与外部因特网相互连接，完成两个网络间的协议转换，实现互联互通；二是以集中式的方式对智能家居设备进行控制和统一管理，进行数据采集和信息交换。家庭内部网络节点收到用户通过客户端发出的各种控制指令都是必须经过家庭网关分析、处理后才能实现的。同时，用户所需要的网络节点数据也是经过家庭网关存储或则转发至客户端接受的。家庭网关采用基于C/S模式的TCP连接至因特网，远程控制TCP连接。家庭网关接收远程客户端的命令并解析发送至家庭内网，在内部网络中经过路由送到智能家电设备。ZigBee通信模块负责家庭内部网络组建以及对相应智能家居设备的管理运行，网关负责接受这些数据，经过分析重新打包后成因特网数据包格式发送到因特网上。

2.2家庭网关设计需求分析

作为智能家居系统核心的家庭网关，随着智能家居产业欣欣向荣的发展，它的市场需求也越来越广。家居设备的监控和远程访问越来越受到用户的重视，传统的家庭网关已经不能满足更高的需求了，这就需要设计新的网关。该家庭网关需要满足一定的功能需求，不仅要求连接家庭内部网络，同时又能连接外部因特网，相当于一个工作接口。智能家居系统中，节点设备间是通过ZigBee组网进行通信的。它所采用的协议能够实现可靠高效的数据通信，同时覆盖范围在住宅内也比较广。但是，因为覆盖范围只能在住宅内的局限性，所以家庭网关必须支持用户能够对家居设备进行远程控制，所以，网关也起到了扩展通信距离的作用。ZigBee网络协议和因特网用户之间使用的是不同的协议，家庭网关也可以看作是一种协议转换器，通过网关家庭内网和外部网络建立可靠通信。

    住宅内部家居设备的调控、安防报警等动作以及确定底层ZigBee网络工作方式，需要网关来实现。通常简单的家居节点设备是无法承担这样的工作量的，虽然ZigBee协调器有一定的工作能力，但是也不能支持整个智能家居系统的工作。所以，本次设计工作中的其中一部分，是需要实现一个单独的模块来实现网关的各种功能，实现智能家居系统的核心部分。

2.3家庭网关组网方案

2.3.1接入因特网方案

目前，三大网络运营商对于家庭宽带的接入均采用动态分配IP地址的方式，每次接入网络时获得的IP地址均不相同，因此，无法将家庭网关设计为Web服务器，只能采用用有固定IP地址的代理服务器实现家庭网关与用户之间的通信。

家庭网关主要由以太网接口芯片和运行TCP/IP协议的微控制单元结合而成，实现不同网络之间的通信和解封数据包处理数据的过程。

2.3.2家居设备内部组网方案

本课题设计中智能家居系统内部网络采用ZigBee技术实现。ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的一种低功耗局域网协议。国际标准规定了ZigBee技术是短距离、低功耗的无限通信技术。采用这种通信网络的特点是距离近、复杂度低、数据速率低、功耗低、自组织。适用于远程控制和自动控制领域中，并且可以嵌入各种设备。ZigBee技术与蓝牙非常相似，但是在使用蓝牙技术的过程中，虽然有很大优点，但是其缺陷严重阻碍着无线通信的发展。尤其是对于工业以及家庭自动化控制领域，蓝牙技术复杂，距离太近、功耗大、组网规模太小，不能满足智能家居系统的网络需求。ZigBee技术的突出的优点就是低功耗、响应快，休眠状态与工作状态之间的切换只需要十几毫秒，数据传输时延很短。ZigBee工作频段在无需申请的ISM频段，在组网过程中，不需要人工的参与，可以自行组织网络，节点之间能够相互确定连接关系来,自|优;尔`论^文/网www.youerw.com ，采用一个协调器连接组网。为了保障家庭内部网络的正常工作，ZigBee网络能够自行调整和修改网络拓扑结构，有很强的自我修复能力。