智能家居安防系统网关解决方案

前言

安防系统作为智能家居重要的组成部分，无疑是至关重要的，随着物联网、移动互联网、云计算、智能化技术应用发展到一定阶段叠加，传统安防也产生了剧变，然而谈到智能安防的发展前景不管智慧城市建设，还是说我们整天听到的大数据、云计算、智能交通、智慧酒店、智慧医院、智慧校园等等都必须添加安防这重要的一 笔，所以安防作为智能家居的切入点是具备充足的理由的。智能家居安防系统网关解决方案主要分为硬件主控方案和软件控制方案、硬件控制方案。

互联网网关是整个智能家居安防系统的中枢，类似于人类的中枢系统。有了网关，我们可以将智能终端的数据上传到云端，通过手机、电脑等查看信息，再经由网关轻松控制智能终端，实现无线数据安全、可靠传输。此次介绍Intel、NXP、TI 三大品牌的高速存取智能家居安防系统网关解决方案，通过方案的原理以及应用场景对比，用户可选择合适自身产品特性的方案作为参考。

一、NXP LPC3240 网关方案

方案概述：NXP LPC3240 ARM9处理器采用了一个ARM926EJ-S CPU，具备Harvard架构，5级流水线和完整的存储器管理单元（MMU），工作频率最高可达266 MHz，包含256 kB片内静态RAM，一个NAND闪存接口，一个以太网MAC，一个支持SDR和DDR SDRAM的外部总线接口，以及其它静态设备。

主控芯片：NXP LPC3240

1，功能描述：

无线通信：符合基于IEEE 802.15.4标准，具有 Zigbee自组网功能，可以与Zigbee 设备联接，进行数据通讯

以太网通信：通过 RJ45 网口传输 Zigbee 收到的数据到电脑显示。

2，方案优势

可支持ZigBee HA&LL或JenNet-IP智能照明网络；

连通以太网网关/协议；

支持标准的网络安全，支持本地Web服务器；

可编程的自定义应用程序，可定制的LED和按键的功能；

使用OpenWRT Linux操作系统；

NXP LPC 3240 ARM9主机控制器；

通过CE和FCC认证。

二、Intel Quark 网关解决方案

方案概述：基于 Intel x1000物联网智能网关方案采用 Quark SOC x1000 处理器，内嵌 Linux 操作系统，拥有更高的安全性和更强的可管理性。还带有 2 个百兆网口、3 个 USB 2.0 接口，可以支持 Zigbee 网络。此外，设备还支持 2 个 miniPCIe 插槽，以支持蓝牙、 Wi-Fi 和 3G/4G 网络对边缘设备进行数据采集、分析并将其传输至云平台。符合工业级环境要求，提供 I2C、SPI、UART 等丰富的拓展 I/O，可以用于连接至传感器或控制设备进行数据采集。 该方案适用于工厂自动化、智能楼宇、物流、环境监控等 IoT 应用。

主控芯片：Intel Quark SOC x1000

1，功能描述：

支持 10/100Mbps 的传输速度以太网

支持 USB 2.0

具有 Mini-PCIE 接口 ，支持蓝牙、 Wi-Fi 和 3G/4G 网络对边缘设备进行数据采集、分析并将其传输至云平台

提供 I2C、SPI、UART 等丰富的拓展 I/O

可支持 Zigbee 无线功能

支持 SD 卡

2，方案优势：

Quark SOC x1000 处理器，400MHz 主频；

配置 x 8 256MB DDR3，一片 8MB SPI Flash；

支持 1 个 SD 卡；

2 个 RJ45 接口，支持 10/100Mbps 的传输速度；

2 个 USB 2.0 Host 和 1 个 USB 2.0 Client 接口；

2 个 Mini-PCIE 接口 ，并提供 USB2.0 Host 支持；

1 个 RS232 DR9 接口和 1 个 RS485 DR9 接口；

1 个 10-pin JTAG 接口；

Linux Firmware Pre-Install；

Quark Soc X1000 Software Stack.

三、TI AM335X 网关解决方案

方案概述：TI AM335X基于ARM Cortex-A8内核，在图像、图形处理、外设和诸如EtherCAT和PROFIBUS的工业接口选项方面进行了增强。该系列包括AM3352、AM3354、AM3356、AM3357、AM3358、AM3359等，其速度为275 MHz至720 MHz它们最高都可工作在720Mhz的速度。

主控芯片：TI AM335X

1，功能描述：

AM335x 开发板

7 寸液晶显示屏， 电阻式触摸屏

10/100/1000Mbps 以太网接口

支持无线局域网

音频输入输出功能

方案优势

720MHz 高速 ARM Cortex-A8 内核

Android ， Linux ， WinCE 操作系统

分辨率高达 1366 x 768

4G DDR3 内存

可拓展蓝牙、WIFI、Zigbee 功能

系统网关是整个智能家居系统的中枢，它几乎控制着智能家居系统的一切，从台灯、手机，一直到电脑、门禁等等。因此，智能家居系统的安全性将成为左右智能家居市场的重中之重，并将引领整个智能家居应用的市场需求。

由于当前物联网基础架构以及边缘节点的开发采用不同的开发工具、不同的编程语言、不同的开发环境，网关（即一体化盒子）面临着巨大的挑战。从节点到网关，Wi-Fi、蓝牙、ZigBee 等多种标准共存；从网关到云端目前也具备光纤/以太网、802.11ah、Sub Gig 和 PLC 等通讯方式。这些标准要能够共存，需要一个统一的平台，网关是发展的关键。本文介绍了三种网关方案，通过对方案特性以及应用场景的介绍，帮助读者更加清晰地了解方案本质，筛选出合理的解决方案。

2，软件控制方案

在新型智能家居系统中，家庭网关将取代PC机作为家庭控制中心。传统客户端/服务器模式不能保持家庭网关与远程服务器实时连接。基于百万级的家庭网关与服务器保持长连接的目的，采用主从服务器框架进行负载均衡，心跳机制保障网关与服务器实时连接的方案。

3，新型智能家居系统整体框架

基于传统C/S架构的智能家居系统需要保持一台PC机运行中间件才能达到随时控制的目的，这与智能家居绿色节能的理念相违背。在光纤到户的推动下，PON上行家庭网关在全国得到普及，并且有低功耗保持长时间工作的特点，适合用于智能家居系统中。

本方案设计一种新型智能家居系统，由家庭网关替代PC成为家庭网络控制中心。围绕家庭网关与远程服务器互联问题展开，探讨一种适合家庭网关与远程服务器的连接方案。基于家庭网关的智能家居系统整体框架如图1所示。智能家居系统由传感器网络，家庭控制中心，远程服务器，手机终端组成。其中传感器网络通过ZigBee、Wi-Fi等无线通信技术组建。

传统的智能家居系统中控制中心采用家用PC和协调器等设备，新型的智能家居系统如图1所示，采用家庭网关充当家庭控制中心的角色。

4，远程服务器方案设计

传统的服务器方案往往使用单一服务器模式，传统业务不需要客户端与服务器保持长连接，客户端获取数据时发送一个连接即可。并且客户端运行在PC机上，客户端对服务器发起连接后，服务器可暂存客户端的IP地址和端口，当服务器需要给客户端发送数据时直接用客户端的IP地址和端口号即可。所以用单一服务器即能满足传统业务的需求。

当业务量大的时候，传统服务器采用服务器集群技术来保证服务器不因业务量过大而瘫痪。随着智能家居网关用户逐步上升，用户将达到百万级。每个网关都要与服务器保持长连接，同时服务器还要与手机端通信。为了保证服务器的负载会达到百万级时，其仍能正常其正常工作，本方案采用主从服务器框架来实现负载均衡。主服务器负责网关与服务器首次建立连接，然后根据地理位置等因素为网关分配一个从服务器并告知其IP等信息，网关再根据从服务器信息对从服务器发起连接，建立连接后网关与从服务器保持长连接并断开与主服务器的连接。

本方案设计的服务器框架如图2所示，由主服务器和从服务器组成，网关第一次连接或者与服务器连接中断后重连都是对主服务器发起，主服务器收到网关发起的连接信息后进行认证，查看是否在服务网关列表，认证成功后分配从服务器IP和服务号给网关。从服务器用于保持与网关的长连接，一方面可以对网关发送控制命令，一方面可接收网关上报的监控信息。备用主服务器用于主服务器故障时切换使用。

5，家庭网关与远程服务器连接方案的设计

家庭网关所属的网络环境为电信运营商的子网环境，IP动态更改，并且经过了多层NAT转换，服务器无法对网关发起主动连接。而用户需要随时对家庭设备进行控制，服务器必须随时能够对网关发起连接。为了实现家庭网关与远程服务器互相通信。

本方案采用socket长连接模式实现，服务器配置固定IP，网关上电后发起对服务器的socket连接，连接成功后保持连接不中断，服务器可通过此socket连接收发网关的信息。

6，网关与服务器长连接及意外中断恢复的设计实现

用户需要随时远程监控家庭信息，例如回家路上打开空调，离开的路上关掉电源等，网关也需要随时向用户反馈家庭异常，例如烟雾报警信息，所以家庭网关必须与服务器随时保持连接。

本方案采用心跳包监控网关与服务器之间的长连接，当网关与服务器连接成功后，服务器每隔一段时间(暂时设置为15s)向网关发送心跳包，网关接收到心跳包后需立即回应心跳包给服务器。若超过5次无回应，则判定为连接断。

服务器会将次网关在线标志位置为0，同样家庭网关上线后会有监控心跳线程，若连续75 s内无心跳信息，则会判定已与服务器断开连接，网关会自动重启连接服务器线程。