在新型智能家居系統(tǒng)中，家庭網(wǎng)關(guān)將取代 PC 機(jī)作為家庭控制中心。傳統(tǒng)客戶端/服務(wù)器模式不能保持家庭網(wǎng)關(guān)與遠(yuǎn)程服務(wù)器實(shí)時(shí)連接。基于百萬級(jí)的家庭網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器保持長(zhǎng)連接的目的，采用主從服務(wù)器框架進(jìn)行負(fù)載均衡，心跳機(jī)制保障網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器實(shí)時(shí)連接的方案。

1、新型智能家居系統(tǒng)整體框架

基于傳統(tǒng)C/S架構(gòu)的智能家居系統(tǒng)需要保持一臺(tái)PC 機(jī)運(yùn)行中間件才能達(dá)到隨時(shí)控制的目的，這與智能家居綠色節(jié)能的理念相違背。在光纖到戶的推動(dòng)下，PON上行家庭網(wǎng)關(guān)在全國(guó)得到普及，并且有低功耗保持長(zhǎng)時(shí)間工作的特點(diǎn)，適合用于智能家居系統(tǒng)中。

本方案設(shè)計(jì)一種新型智能家居系統(tǒng)，由家庭網(wǎng)關(guān)替代PC成為家庭網(wǎng)絡(luò)控制中心。圍繞家庭網(wǎng)關(guān)與遠(yuǎn)程服務(wù)器互聯(lián)問題展開，探討一種適合家庭網(wǎng)關(guān)與遠(yuǎn)程服務(wù)器的連接方案。基于家庭網(wǎng)關(guān)的智能家居系統(tǒng)整體框架如圖1 所示。 智能家居系統(tǒng)由傳感器網(wǎng)絡(luò)，家庭控制中心，遠(yuǎn)程服務(wù)器，手機(jī)終端組成。其中傳感器網(wǎng)絡(luò)通過Zig Bee、Wi-Fi等無線通信技術(shù)組建。

傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)中控制中心采用家用PC 和協(xié)調(diào)器等設(shè)備，新型的智能家居系統(tǒng)如圖 1 所示，采用家庭網(wǎng)關(guān)充當(dāng)家庭控制中心的角色。

2、新型智能家居系統(tǒng)中家庭網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器連接的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 遠(yuǎn)程服務(wù)器方案設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的服務(wù)器方案往往使用單一服務(wù)器模式，傳統(tǒng)業(yè)務(wù)不需要客戶端與服務(wù)器保持長(zhǎng)連接，客戶端獲取數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)送一個(gè)連接即可。并且客戶端運(yùn)行在 PC 機(jī)上，客戶端對(duì)服務(wù)器發(fā)起連接后，服務(wù)器可暫存客戶端的IP 地址和端口，當(dāng)服務(wù)器需要給客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)直接用客戶端的IP 地址和端口號(hào)即可。所以用單一服務(wù)器即能滿足傳統(tǒng)業(yè)務(wù)的需求。

當(dāng)業(yè)務(wù)量大的時(shí)候，傳統(tǒng)服務(wù)器采用服務(wù)器集群技術(shù)來保證服務(wù)器不因業(yè)務(wù)量過大而癱瘓。 隨著智能家居網(wǎng)關(guān)用戶逐步上升，用戶將達(dá)到百萬級(jí)。 每個(gè)網(wǎng)關(guān)都要與服務(wù)器保持長(zhǎng)連接，同時(shí)服務(wù)器還要與手機(jī)端通信。為了保證服務(wù)器的負(fù)載會(huì)達(dá)到百萬級(jí)時(shí)，其仍能正常其正常工作，本方案采用主從服務(wù)器框架來實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。主服務(wù)器負(fù)責(zé)網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器首次建立連接，然后根據(jù)地理位置等因素為網(wǎng)關(guān)分配一個(gè)從服務(wù)器并告知其 IP 等信息，網(wǎng)關(guān)再根據(jù)從服務(wù)器信息對(duì)從服務(wù)器發(fā)起連接，建立連接后網(wǎng)關(guān)與從服務(wù)器保持長(zhǎng)連接并斷開與主服務(wù)器的連接。

主服務(wù)器對(duì)手機(jī)終端也是如此，只負(fù)責(zé)首次建立連接，判斷該手機(jī)號(hào)控制的網(wǎng)關(guān)分配到哪個(gè)從服務(wù)器，然后讓其對(duì)從服務(wù)器進(jìn)行連接。

本方案設(shè)計(jì)的服務(wù)器框架如圖 2 所示，由主服務(wù)器和從服務(wù)器組成，網(wǎng)關(guān)第一次連接或者與服務(wù)器連接中斷后重連都是對(duì)主服務(wù)器發(fā)起，主服務(wù)器收到網(wǎng)關(guān)發(fā)起的連接信息后進(jìn)行認(rèn)證，查看是否在服務(wù)網(wǎng)關(guān)列表，認(rèn)證成功后分配從服務(wù)器 IP 和服務(wù)號(hào)給網(wǎng)關(guān)。從服務(wù)器用于保持與網(wǎng)關(guān)的長(zhǎng)連接，一方面可以對(duì)網(wǎng)關(guān)發(fā)送控制命令，一方面可接收網(wǎng)關(guān)上報(bào)的監(jiān)控信息。備用主服務(wù)器用于主服務(wù)器故障時(shí)切換使用。

2.2 家庭網(wǎng)關(guān)與遠(yuǎn)程服務(wù)器連接方案的設(shè)計(jì)

家庭網(wǎng)關(guān)所屬的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為電信運(yùn)營(yíng)商的子網(wǎng)環(huán)境，IP動(dòng)態(tài)更改，并且經(jīng)過了多層 NAT 轉(zhuǎn)換，服務(wù)器無法對(duì)網(wǎng)關(guān)發(fā)起主動(dòng)連接。而用戶需要隨時(shí)對(duì)家庭設(shè)備進(jìn)行控制，服務(wù)器必須隨時(shí)能夠?qū)�網(wǎng)關(guān)發(fā)起連接。為了實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)與遠(yuǎn)程服務(wù)器互相通信。

本方案采用 socket 長(zhǎng)連接模式實(shí)現(xiàn)，服務(wù)器配置固定 IP，網(wǎng)關(guān)上電后發(fā)起對(duì)服務(wù)器的 socket 連接，連接成功后保持連接不中斷，服務(wù)器可通過此 socket 連接收發(fā)網(wǎng)關(guān)的信息。

2.2.1 網(wǎng) 關(guān)與服務(wù)器長(zhǎng)連接及意外中斷恢復(fù)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

用戶需要隨時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控家庭信息，例如回家路上打開空調(diào)，離開的路上關(guān)掉電源等，網(wǎng)關(guān)也需要隨時(shí)向用戶反饋家庭異常，例如煙霧報(bào)警信息，所以家庭網(wǎng)關(guān)必須與服務(wù)器隨時(shí)保持連接。

本方案采用心跳包監(jiān)控網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器之間的長(zhǎng)連接，當(dāng)網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器連接成功后，服務(wù)器每隔一段時(shí)間（暫時(shí)設(shè)置為 15 s）向網(wǎng)關(guān)發(fā)送心跳包，網(wǎng)關(guān)接收到心跳包后需立即回應(yīng)心跳包給服務(wù)器。若超過 5 次無回應(yīng)，則判定為連接斷。

服務(wù)器會(huì)將次網(wǎng)關(guān)在線標(biāo)志位置為0，同樣家庭網(wǎng)關(guān)上線后會(huì)有監(jiān)控心跳線程，若連續(xù) 75 s 內(nèi)無心跳信息，則會(huì)判定已與服務(wù)器斷開連接，網(wǎng)關(guān)會(huì)自動(dòng)重啟連接服務(wù)器線程。

2.2.2 家 庭網(wǎng)關(guān)控制權(quán)安全性的設(shè)計(jì)

家庭網(wǎng)關(guān)的控制權(quán)必須是保證是家庭成員，不能讓陌生人取得控制權(quán)，否則會(huì)帶來不可估量的后果。家庭網(wǎng)關(guān)存儲(chǔ)有一個(gè)可控手機(jī)號(hào)列表，必須通過本地 web 連接后才能更改，不能遠(yuǎn)程更改（防止黑客等利用漏洞遠(yuǎn)程添加控制權(quán)）。網(wǎng)關(guān)連接服務(wù)器后會(huì)上報(bào)可控手機(jī)號(hào)列表，只有在列表中的號(hào)碼才能遠(yuǎn)程登錄服務(wù)器，并且手機(jī)遠(yuǎn)程登錄服務(wù)器還要短信驗(yàn)證碼配合，防止他人偽裝登錄。手機(jī)登錄服務(wù)器后，發(fā)送控制家庭網(wǎng)關(guān)的命令時(shí)會(huì)在消息頭部增加手機(jī)號(hào)信息，網(wǎng)關(guān)收到信息后會(huì)核對(duì)該手機(jī)號(hào)是否在本地可控手機(jī)號(hào)列表中（防止服務(wù)器的手機(jī)號(hào)列表與網(wǎng)關(guān)本地手機(jī)號(hào)列表不一致 ）。

2.3 家庭網(wǎng)關(guān)連接控制模塊工作流程

家庭網(wǎng)關(guān)的軟件流程如圖 4 所示，上電后初始化，然后向主服務(wù)器發(fā)送連接信息，若無法連接主服務(wù)器則向備用主服務(wù)器發(fā)送連接信息。連接上主服務(wù)器后會(huì)上報(bào)自身的一些信息，包括可控手機(jī)號(hào)列表，主服務(wù)器會(huì)根據(jù)地理位置等信息返回一個(gè)最近的從服務(wù)器序號(hào)和 IP 地址等信息，然后網(wǎng)關(guān)連接從服務(wù)器。

若連接從服務(wù)器連接不上，則會(huì)反饋給主服務(wù)器， 主服務(wù)器會(huì)返回另一個(gè)從服務(wù)器的序號(hào)和 IP 地址信息用于連接。 連接好從服務(wù)器后，家庭網(wǎng)關(guān)即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，但必須與從服務(wù)器保持心跳連接，才能保證其是可控狀態(tài)。

2.4 模擬測(cè)試的測(cè)試步驟和結(jié)果

本模擬測(cè)試方案中，為使數(shù)據(jù)庫(kù)訪問效率滿足性能要求，且 PC 遠(yuǎn)程控制可直接用瀏覽器實(shí)現(xiàn)，主服務(wù)器采用 PHP的 YII 框架搭建的 web 服務(wù)器，手機(jī)等終端和家庭網(wǎng)關(guān)連接主服務(wù)器則需要建立一個(gè) socket 連接并把數(shù)據(jù)封裝為 https協(xié)議。主服務(wù)器負(fù)責(zé)存儲(chǔ)網(wǎng)關(guān)信息，可控手機(jī)號(hào)列表等信息，并負(fù)責(zé)分發(fā)從服務(wù)器序號(hào)和 IP 給網(wǎng)關(guān)，查找與手機(jī)號(hào)配對(duì)的網(wǎng)關(guān)所在的從服務(wù)器序號(hào)和 IP 并發(fā)送給認(rèn)證后的手機(jī)。

從服務(wù)器則采用 PHP 的 Workerman 框架來搭建，此框架是一個(gè)基于 PHP 的 socket 服務(wù)框架。網(wǎng)關(guān)與從服務(wù)器連接后保持心跳，手機(jī)獲取從服務(wù)器序號(hào)和 IP 后連接從服務(wù)器，根據(jù)網(wǎng)關(guān)服務(wù)號(hào)綁定與網(wǎng)關(guān)在同一個(gè)服務(wù)號(hào)里，在一個(gè)服務(wù)號(hào)里可包含多個(gè)手機(jī)，但只能一個(gè)網(wǎng)關(guān)，手機(jī)和網(wǎng)關(guān)之間可以互相通信。服務(wù)器端打開 workerman 的進(jìn)程，開啟服務(wù)，如圖 5 所示。

網(wǎng)關(guān)遠(yuǎn)程登錄到服務(wù)器，id 為 67，服務(wù)號(hào)為 1，與服務(wù)器保持心跳連接，如圖 6 所示。瀏覽器遠(yuǎn)程登錄，服務(wù)器認(rèn)證后分配其 id 為 68，匹配到網(wǎng)關(guān)所在服務(wù)號(hào)為 1，向網(wǎng)關(guān)（id 為 67）發(fā)出指令“light1 turn on”，服務(wù)器將指令轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)。

結(jié)語

模擬實(shí)現(xiàn)結(jié)果表明，通過心跳保持家庭網(wǎng)關(guān)與遠(yuǎn)程服務(wù)器長(zhǎng)連接，分配服務(wù)號(hào)保證手機(jī)與家庭網(wǎng)關(guān)相關(guān)聯(lián)的方案可行。用家庭網(wǎng)關(guān)代替?zhèn)鹘y(tǒng) PC 作為智能家居系統(tǒng)中家庭的控制中心，能充分利用現(xiàn)有家庭網(wǎng)關(guān)資源。

本文來源于《電子設(shè)計(jì)工程》，由天下數(shù)據(jù)小編整理！

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