SIP协议下的智能家居网关应用
时间：2020-09-15 07:56:38 来源：达达文档网 本文已影响 人 
摘要
当物联网、云服务及无线通信技术渗透到智能家居系统之中，为智能家居行业带来了新的生机和活力，基于智能家居网关及其关键性技术的功能需求，可以建构基于SIP协议的智能家居网关方案，从硬件和软件两大部分进行模块建构和设计，使之具有可扩展性、多通信集成性和语音控制的特点，较好地满足智能家居的应用需求。
【关键词】SIP协议 智能家居 网关 应用
在计算机网络技术、信息技术迅猛发展的态势下，人们日益关注和探索智能化、自动化、数字化的智能家居生活，诸多科技公司也进入到智能家居之中，为其提供和设计多样化的方案，以提升人们家居生活的舒适性、安全性和便利性。可以基于家居设备自动控制的思路建构SIP协议下的智能家居网关，使综合布线、网络通信、自动控制等技术与家居生活相链接，通过传感器网络形成智能家居平台，实现对家居环境系统信息的实时采集、输入输出、集中控制和远程监控。
国外的Kim S H，Kang J S等学者重点研究基于ZigBee协议的无线个域网拓扑结构，A.RAI-Ali，A.H.El-Hag等人则通过兼容智能电网集成的方式，实现移动网络与家用电器的双向通信，就家庭能源损耗设计了一种智能家居网关，以实现对家用电器的智能监控和管理。Eric Simon，Albert Royo Manjon等人则构建模块化的第三方应用程序和软件体系结构，实现应用程序的自主管理和优化，不断更新网关。在国内，孙润通过传输层协议TCP、UDP，建构基于Wi-Fi的智能家居网关，它与红外控制和ZigBee组网相链接。朱迪奇则以ZigBee协议为依托，设计物联网智能家居网关，利用统一的应用编程接口实现网关服务和应用。孙兵则以uC/OS-Ⅲ操作系统、STemWin为软件平台，建构基于ARM的智能家居网关。
1 SIP协议下的智能家居网关应用总体方案设计
1.1 需求分析
基于SIP协议的智能家居网关设计是基于通信集成的需求进行开发和设计，面对功能差异、种类繁多的智能家居设备，要通过智能家居网关实现不同智能家居的通信集成，主要应当集成ZigBee通信或Wi-Fi通信技术，使家居内部网络与外部网络进行交互和应用。同时，智能家居网关通常采用嵌入式系统，要能够实现对智能家居网关设备的统一监控和管理，进行数据的上传下达、远程用户访问，并满足多媒体流传输的需求。
1.2 软硬件总体设计
从硬件设计部分来看，基于SIP协议下的智能家居网关主要包括以下内容：
（1）主处理器。要选取ARM1176JZF-S架构的主处理器，采用Samsung SX6410芯片、tiny6410核心板，内置SD卡槽、以太网口等，较好地满足嵌入式系统运行的需求。
（2）ZigBee协调器。可以設计应用CC2530射频模块作为系统ZigBee协调器，实现对终端节点及路由节点数据的整合、传输。
（3）Wi-FiAP。可以设计选用Wi-Fi模块EDUP无线网卡，在与核心板搭配驱动的条件下负责Wi-Fi组网。
（4）语音识别模块。可以设计选用扩展语音芯片的方式，将LD3320作为语音识别芯片模块，进行语音控制和识别。
从软件设计部分来看，它主要包括以下内容：
（1）操作系统。可以设计选用嵌入式Linux作为操作系统，利用其开源、可移植性强、运行稳定的特性，实现任务调度、内存管理、事件处理和任务通信，满足网关设计需求。
（2）核心通信协议。可以设计选用新一代会话初始协议SIP作为核心通信协议，并在网关中移植SIP协议栈，通过模块化的方式进行智能家居内外部网络的通信，体现出极强的可扩展性。
（3）人机交互界面。可以设计选用模块化程度高、可重用性好的QT平台进行开发，呈现网关接收的信息并进行有效的控制。
1.3 搭建智能家居网关开发平台
1.3.1 网关硬件开发平台
本文选取ARM1176JZF-S嵌入结构的S3C6410芯片作为核心板，内部主板以S3C6410为内核，SDK底板主要是实现主板功能和扩展开发。ZigBee模块则主要由CPU、外设模块及无线电相关模块构成。Wi-Fi模块以AP节点作为接入核心板的扩展模块，以ESP8266作为终端节点的Wi-Fi模块，实现不同模式的快速切换、信号处理、故障排除等功能。语音识别模块则以LD3320作为语音识别专用芯片，进行不同语音模式的识别和控制。
1.3.2 网关软件开发平台
要建构交叉编译环境，建立宿主机Linux系统，具体操作主要包括有：制作bootloader、内核及根文件系统，可以实现对配置好的源代码进行交叉编译。同时，还要安装交叉工具链，实现对程序的预处理、编译、汇编和链接。
2 SIP协议栈在智能家居网关的应用设计
2.1 SIP协议概述
SIP是一种基于文本编码形式的会话初始化协议，能够实现IP网络中的实时通信和会话，体现出结构简单、可扩展性强的优势特点，并能够开发功能不同的网络应用，如：SIP与SDP相结合使用，能够较好地描述会话通信的类型;SIP与RTP相结合，可以实时传输信息数据并生成QOS反馈;STP与RSVP相结合使用，可以实现对网络资源的预约处理;STP与SAP相结合，可以对发布的会话进行组播。
2.2 智能家居网关应用中的SIP协议栈的选择
目前主要的开源SIP协议栈包括有：
（1）OPAL.它是基于Openh323的架构前提，优化音视频的编解码和传输内容，对所有的VOIP协议进行多层次的抽象，处于不断成熟和完善的阶段。
（2）ReSIProcate。是支持新一代的rfc3261的独立SIP协议栈，体现出高稳定性、兼容性强的特性。
（3）osip2。在对原有协议栈进行封装处理的前提下，由C语言编写而成的SIP开发源码的协议栈，具有较大的开发难度和工作量，且必须与其他协议栈相整合使用。
（4）PJSIP。由C语言编写而成的一种开源协议栈，适用于嵌入式SIP功能的开发和应用，也是智能家居网关设计开发的首选。
2.3 SIP协议栈的模块应用设计
基于SIP协议下的智能家居网关应用功能模块主要包括以下方面：
（1）创建和初始化模块。这一模块主要实现对默认配置、回调函数及pjsua的初始化设计，要合理配置初始化参数，确保协议栈正常启动和运行，保障应用程序运行通畅与安全。
（2）注册模块。主要是利用相关代码完成账户属性设置，并向服务器申请注册，包括常规用户句注册、密码注册、服务器域名注册等。
（3）会话管理模块。该模块要依照SIP消息编码格式的顺序进行SIP信令解析，包括SIP消息、URI、头字段的解析，调用相关函数创建和改变服务器事务和客户机事务状态，并依照请求/应答架构，实现AP节点及终端节点的会话通信能力协商。
3 智能家居网关的外围模块及组网实现
3.1 ZigBee组网应用设计
ZigBee组网是基于ZigBee协议栈而形成的，各层之间通过数据服务访问点和管理服务访问点实现通信，以OSAL为核心，主要实现任务注册、初始化、任务同步与互斥、中断处理等功能，ZigBee终端节点实现与协调器的通讯、传感器数据的采集和I/O控制。
3.2 Wi-Fi组网应用设计
Wi-Fi組网以AP节点作为网关核心板扩展模块，支持无线网络协议，采用USB Host接口实现即插即用。在进行Wi-Fi组网程序设计的过程中，主要完成如下工作：Wi-Fi通信初始化;连接网关并绑定监控网络;采用透传模式实现数据发送、上传和存储。
3.3 语音识别应用设计
基于SIP协议下的智能家居网关采用嵌入式处理器外围扩展语音识别芯片LD3320，采用高精度的A/D和D/A转换接口，能够识别关键词并对其进行动态编译，包括系统初始化、关键词写入、识别及中断处理模块等。其工作实现原理主要为：采集并分析声音的频谱，提取声音特征并将其存储于LD3320芯片的内部存储器，再由模块MCU读取、对比语音信号，生成识别命令并将其转发给终端设备，较好地避免语音误识别的现象。
4 小结
综上所述，基于SIP协议的智能家居网关设计与应用顺应时代的要求，面对人们对于家居环境要求日益提升的趋势，要设计开发基于SIP UA的通信架构，使家庭内部网络与外部互联网相链接，可以集成ZigBee通信和WiFi通信，在嵌入式Linux系统中移植PJSIP协议栈，在不同的功能模块下实现组网设计，较好地实现智能家居设备的实时监控、通信管理和SIP通信。未来还要不断完善和优化智能家居网关系统，完善智能家居网关的QoS管理以及组合性服务，提升智能家居网关的通信安全与可靠性。
参考文献
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