基于SIP和ZigBee的物联网家庭网关设计
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引言
物联网带动了继互联网之后全球信息产业的又一次科技与经济浪潮，智能家居及家庭网络无疑是物联网的热点应用领域。家庭网关是连接公网和家庭内网的喉舌，负责家庭内部设备对公网的访问、交互，用户从公网上对家庭网络访问、控制，以及家庭内部设备的互联等操作。物联网家庭网关需要具备宽带接入、业务识别和控制信息转发等功能。
1SIP的概念
会话起始协议(SessionInitiationProtocol，SIP)是由互联网工程任务组(InternetEngineeringTaskForce，IETF)于1999年提出的一个基于IP网络实现复杂通信应用的应用层信令协议。
SIP是一个C/S协议，包含用户代理(UserAgent，UA)和网络服务器(Server)两类组件。SIP终端系统上运行的与用户交互的软件称为用户代理，网络服务器为用户代理提供注册、认证、鉴权、路由等服务。SIP呼叫建立和SIP会话功能依靠SIPUA及SIPServer实体完成。
SIP协议定义了两种类型的消息：请求和响应。SIP请求包含INVITE、ACK、BYE、CANCEL、OPTIONS,REGISTER等六种基本方法，以及SUBSCRIBE、NOTIFY、PUBLISH等扩展方法。SIP响应包含1xx、2xx、3xx、4xx、5xx、6xx等六类消息。
SIP消息的3个基本部分消息类型、消息头和消息体均可扩充，并且SIP采用基于UTF-8字符集的文本编码形式实现,可十分简便地对消息进行扩展，使之适应各种具体的应用场景。
2ZigBee技术
ZigBee基于IEEE802.15.4标准，在众多短距离无线通信协议中，ZigBee技术有以下优势：
⑴成本低，开发相对容易，芯片CC2530的售价不到2美元，且免费提供ZigBee通信协议和开发工具；
能耗低，CC2530正常使用时功率不到1W；
可靠；
（4）组网方式灵活。
ZigBee技术的唯一缺点是传输速率不高，但也完全能满足物联网家庭网络中的无线感知与监控需要。
3系统总体架构
图1所示是物联网家庭网络架构。釆用ZigBee协议构建家庭网络时，可连接各种传感器、继电器（家电及控制设备）与家庭网关。在ZigBee无线家庭网络中，传感器、继电器担任终端的角色，家庭网关中的ZigBee主控模块担任协调器的角色。家庭网关上集成了ZigBee协调器与SIPServer的功能，能同时实现ZigBee网络协调器功能、SIP与ZigBee协议数据格式的转换功能以及经SIP协议到Internet的访问权。SIP/ZigBee网关按SIP协议规范，代理ZigBee网络内的各种传感节点及继电器节点设备；家庭成员可通过SIP协议由SIPUA经Internet访问家庭网关，实现对家庭内传感器信息的获取,以及对家庭设备的远程访问和控制。
家庭网关的一个重要作用就是实现公网中SIP协议与家庭网络中ZigBee协议与数据格式的转换。本文采用如图2所示的协议模型，图2中，左侧为ZigBee网络协议模型，右侧为SIP协议模型，中部为物联网家庭网关协议模型。
4家庭网关的硬件设计
硬件上采用DMATEK的DMA210XP整合平台，整合了ZigBee协调器ZB2530-03模块，两者间采用串口交换数据。图3所示是本系统家庭网关的硬件设计图。
图3中的DMA210XP采用具有先进ARMCortexA8核心的SamsungS5PV210处理器，该处理器采用先进的ARMCortexA8核心，运算速度可达1GHz，且自带32/32KB指令一级缓存，512KB二级缓存。具备128M×8片共1GBDDR2SDRAM，
512MBSLCNANDFlash外部内存；另有SD卡接口、MicroSD（T-Flash）卡接口、USB接口、网口、串口、音频接口、CMOSSensor摄像头接口、CAN总线接口、HDMI接口、GSensor接口等，并有16.7M色800×4807.0inTFT电容式多点触摸液晶屏，达到图形监控与收集资料的应用。
ZigBee协调器ZB2530-03模块由TI公司的核心芯片CC2530F256及其外围电路组成。CC2530F256是用于2.4GHzIEEE802.15.4/ZigBee应用的一个片上系统（SoC）解决方案。它以非常低的总的材料成本（约2美元）建立强大的网络节点。CC2530F256结合了领先的RF收发器的优良性能，具备业界标准的增强型8051CPU，256KB可编程闪存，8KBRAM，低功耗，高接收灵敏度和抗干扰性能，以及许多其他强大的功能，其电路图如图4所示。
5家庭网关的软件设计
5.1协议栈的实现
本系统采用开源的libosip2、eXosip2来实现SIPUA,并采用开源的OPENSER实现SIPServer。家庭网关采用linux操作系统，SIPServer在linux环境下编译、调试。
采用TI提供的ZStack协议栈［4］实现IEEE802.15.4/ZigBee协议栈，而采用IAR嵌入式集成开发环境具有在线下载、调试、仿真等功能。
5.2各操作的SIP协议实现
任何访问家庭网关及网络的SIPUA均要向位于家庭网关的SIPServer注册，以获得身份认证及访问权限，注册用RRGISTER方法实现。
为了能实时远程获取家庭网络内各类传感器采集到的监测信息,SIPUA需要向SIPServer订阅家庭网络中事件的变化。当所订阅的事件状态发生变化时，订阅者会接收到来自通告者的通知。订阅用SUBSCRIBE方法实现，通知用NOTIFY方法实现［5］。
SIPUA通过Internet远程控制家电设备的开启或关闭，利用INVITE方法实现。
SIPUA向SIPServer注册
图5所示是SIPUA向家庭网关注册的关系图。其注册步骤如下：
SIPUA发送REGISTER消息到SIPServer。
SIPServer返回40l响应给SIPUA，要求认证。
SIPUA加入认证信息，重新向SIPServer进行注册。
SIPServer检查REGISTER消息参数合法性。若参数合法且正确，贝峋SIPUA返回200OK，完成注册；若参数不合法或不正确，则返回403Forbidden，表明注册失败。
注册成功后，SIPUA需要按指定超时时间进行刷新注册,否则SIPServer令其注销。
SIPUA订阅家庭监测信息
图6所示是SIPUA订阅家庭监测信息示意图。该过程可分为两步：其一是SIPUA发送SUBSCRIBE消息给SIPServer订阅远端家庭网络传感节点监测信息；其二是SIPServer检查SUBSCRIBE消息参数的合法性，同时查询该用户是否具有相应的订阅权限，并根据查询结果对SIPUA做
200OK或403Forbidden回执。
5.5家庭网络信息发布和更新
图7所示是家庭网络信息发布和更新示意图。SIPServer/ZigBee协调器实时汇聚ZigBee网络内各传感节点的采集值，若监测到某订阅的ZigBee传感器感测值有变化，及时构造相应的NOTIFY消息发送给成功订阅该事件的SIPUA。
5.6SIPUA远程控制家庭设备
图8所示是用SIPUA远程控制家庭设备的原理图。SIPUA远程控制家庭设备时，SIPUA首先发送INVITE消息给SIPServer，以请求远程控制家庭设备。之后，SIPServer解析INVTIE请求，并向对应的家电设备(继电器)发出控制命令(打开或关闭)。若家电设备正常动作且发回正确应答，则按图8(a)所示信令流程继续本次SIP会话；若家电设备未能正常动作或未发回正确应答，则按图8(b)所示信令流程，由SIPServer向SIPUA回应486Busy应答，以结束本次SIP会话。
6SIPXML消息体的设计
在SIPSUBSCRIBE,NOTIFY及INVITE方法的XML消息体中携带与ZigBee家庭网络通信的数据内容。采用XML格式的消息体为管理ZigBee家庭网络提供了高度的灵活性和高效率的实施方法。
6.1用SUBSCRIBE方法设计XML消息体实例
（1）示例一：订阅温湿度传感器监测信息。
<?XMLversion=v1.0vencodingsvutf-8”?><subscribe>
<temprature></temprature>
<humidity></humidity>
</subscribe>
（2）示例二：订阅安防监测信息。
<?XMLversion=”1.0”encoding^'utf-8”?>
<subscribe>
<body></body>
</subscribe>
6.2用NOTIFY方法设计XML消息体实例
（1）示例一：发布和更新温湿度信息。
<?XMLversion='1.0'encodings'utf-8'?>
<notify>
<temprature>26.5</temprature><humidity>58.2</humidity>
</notify>
分别在<temprature>和<humidity>的XML字段中携带温度与湿度值。
（2）示例二：发布和更新安防信息。
<?XMLversion='T.0"encoding="utf-8"?>
<notify>
<body>Y</body>
</notify>
Y表示有人闯入，N表示无人。
6.3用INVITE方法设计XML消息体
<?XMLversion="1.0"encoding="utf-8"?>
<command>
<open>Y</open>
<item>aircon</item>
</command>
在<open>字段中携带开或关的指令，Y表示开，N表示关;在<item>字段中携带要操控的设备，例如aircon表示空调,curtain表示窗帘。
SIPServer需要完成SIP协议与串口数据格式的双向转换，从串口接收ZigBee主控汇聚的监测信息供SIP上层应用使用，从SIP方法的XML消息体中提取指令转换为串口数据格式，发向ZigBee协调器模块。
7ZigBee无线通信数据格式设计
在ZigBee家庭网络中，位于家庭网关中的ZigBee协调器负责接收和汇聚各类传感器采集到的监测信息，并将接收到的信息通过串口发往上层SIP应用（ZigBee串口与ZigBee无线数据格式一致），同时将从串口接收到的控制指令发往各继电器（家电）。
7.1协调器接收格式
发送端的传感器格式（byte1～byte10）如图9所示。
在图9中，byte1byte2:传感器端数据发送的固定头,固定为0xFA0xFB；byte3:数据类型的标识，0x00为温湿度,0x01为安防，0x02为火焰，0x03为烟雾，0x04表示可燃气体;byte4:传感数据长度（统一为0x04）；byte5〜byte8:传感器采集到的具体数据;byte9:保留；byte10:byte1〜byte9校验值（相加取低8位）。
7.2协调器发送数据格式
接收端家电设备（继电器）的格式（byte1〜byte10）如图10所示。
在图10中，byte1byte2:协调器端数据发送控制继电器命令的固定头0xFA0xFB;byte3:协调器端数据发送对象和继电器序号（0x01为发送命令给继电器1端，表示空调；0x02为发送命令给继电器2端，表示电灯；0x03表示发送命令给继电器3端，表示窗帘；0x04为发送命令给继电器4端，表示电饭煲，依此类推……）；byte4:命令长度，固定为0x04；byte5:发送给继电器的命令内容（0x02为关闭，0x01为开启）；byte6〜byte9:保留:byte10:byte1〜byte9校验值（相加取低8位）。
7.3家电设备（继电器）应答数据格式
本系统的接收端协调器格或byte1〜byte9）如图11所示。
图11中，byte1〜byte4表示收到的数据原值返回；byte5〜byte8为应答码，固定为0xAA0xBB0xCC0xDD；byte9为byte1〜byte8校验值（相加取低8位）。
8结语
家庭网关在物联网智能家居网络中具有重要地位，本文从硬件和协议数据格式上对家庭网关进行了设计，通过SIPXML消息体和ZigBee无线通信数据格式的设计，能很好实现家庭网关对协议及数据格式的转换功能，实现基于SIP协议的公网访问基于ZigBee协议的家庭网络。
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