基于OSGi架构可扩展智能家居网关的设计与实现

1、Google合作项目结题报告项目名称： 基于OSGi架构可扩展智能家居网关的设计与实现 主负责人： 李国冬 学 校： 西南石油大学 院 系： 计算机科学学院 报告日期： 2015.10.30 一、合作项目概述随着家庭信息化水平逐步提升，人们的生活、工作、学习与网络通信的关系日渐紧密，智能化的家庭将促使人们的生活习惯与生活方式更加方便快捷。目前，越来越多的家电厂家开始生产智能家电设备，并且这些产品迅速进入了千家万户，因此智能家电相互组网，组建家庭网络的需求也逐步增加。然而不同的商家开发产品的协议之间往往缺乏互通性，造成家庭网络内部协议不统一，给开发软件和提供服务造成了很大的困难，网关协议不统一，

2、网关设备上的配置和维护工作也在日益增加，并且变得复杂。因此，解决协议之间的不同，已经达到了刻不容缓的地步。从计算机通讯业来看，主流的网关协议有4种，分别是OSGi、UPnP、Jini和HAVi。UPnP缺乏兼容性；Jini系统过于庞大，不太适合应用于嵌入式设备；HAVi则只应用与A/V领域。相对于UPnP、Jini与HAVi，OSGi有其独特的优势和广泛的应用前景，然而，国内外基于OSGi协议开发的智能家居网关几乎空白。OSGi(Open Services Gateway initiative)叫做开放服务网关协议，指一系列用于定义Java动态化组件系统的标准。这些标准通过为大型分布式系统以及

3、嵌入式系统提供一种模块化架构,减少了软件的复杂度。该标准具有开放和独立的平台，较高的独立性和保密性，支持不同类型的家庭联网协议，具有较高的可靠性。ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。主要特点是低功耗、低成本、低速率、支持大量节点、支持多种网络拓扑结构、低复杂度、快速、可靠、安全。在实际使用中操作简单，节约成本，易于维护，无线自动组网和实现双向通讯功能。本项目应用ZigBee协议与OSGi框架，提出一种普适计算环境下的智能家庭网络系统的解决方案，为用户提供一致的多样化服务，屏蔽多种接入技术的差异。本项目的确立和实现，将有助于解决智能家居设备的异样性，在智能家居的发展

4、进程方面有重大意义。二、参与人员及分工姓名具体分工李国冬系统规划，应用Bundle的设计迟文林Linux系统裁减、移植，Java虚拟机移植与OSGi框架平台的搭建杨光ZigBee无线自组网设计三、项目实施过程（一）项目总体架构图1 项目总体框架本项目总体框架如图1，研究的内容主要集中在两个方面。第一，实现基于ZigBee协议的家庭内部局域网。第二，实现一个基于OSGi框架的家庭网关，提供一个服务平台，对内提供控制接口，对外提供访问接口，从而实现远程登录访问控制。（二）基于Zigbee协议的家庭内部网络设计图2 内部网络图由于ZigBee技术在智能家居中具有抗干扰能力强，保密性好，传输速度快，可

5、扩展性强，低功耗等优点。本项目家庭内部网络设计如图2所示，通过对ZigBee网络拓扑结构的分析，采用了其中的星型网络作为智能家居内部网络的拓扑结构。以家庭网关作为家庭网络的核心，通过ZigBee无线通信技术将家庭中的一些家电、感应设备、监控设备等连接起来，从而形成一个家庭内部网络。（三）家庭网关设计图3 家庭网关本项目以工业级芯片ARM A8作为控制核心，核心板是一款高度集成的高性能Cortex-A8核心析，采用三星S5PV210作为主处理器，运行主频可高达1GHz，S5PV210内部集成了PowerVR SGX540高性能图形引擎，支持3D图形流畅运行，并可播放1080P大尺寸高清视频。内置

6、RAM512M、FLASH512M，提供了USB、RS485、WIFI、Zigbee、以太网、SD卡、LCD等接口。外围STM32电路提供了4路继电器输出、4路按键输入、4路AD输入、温湿度感应器、蜂鸣器、LCD板接口。Linux是一个成熟且稳定的操作系统，将Linux根植于嵌入式设备有众多优点。首先，Linux的源代码是开放的，任何人都可以用于开发自己的产品。其次，Linux是可裁减的，可以根据自己的需求进行裁减，其系统内核最小只有约134KB，并且它的可移植性非常强，可以移植到多种硬件平台。OSGi框架采用Java技术，跨平台性好。对下载模块进行数字签名和对访问权限进行控制，安全性高。它是

7、一个开放性公共平台，支持多种服务，与多种局域网互联技术兼容。无论底层使用何种协议，OSGi都定义了互通的服务。兼容多种家庭网络协议。与UPnP、Jini可以互联。它的主要职责就是让开发者能够构建动态化、模块化的Java系统。你可以在不重启容器的情况下，动态的安装、卸载、启动和停止你的应用程序中的不同模块。对于应用程序中的某一模块，在容器中可以同时运行该模块的多个版本。OSGi框架为开发嵌入式应用提供了非常优秀的基础架构，特别适合应用于家庭网关的设计，进行远程管理和控制。本项目所实现的家庭网关如图3所示，硬件设施采用 ARM A8开发板作为硬件设备，裁减嵌入式Linux操作系统.并修改相应的配置

8、文件，交叉编译Linux的内核和组件，生成操作系统镜像文件。通过bootloader把镜像文件移植到开发板，然后再将Java虚拟机CVM移植到ARM A8开发板，最后再搭建OSGi架构，并根据相应的需要设计和布局相关的Bundle，最后如图4、图5所示，通过web界面远程登录并访问家庭内部的器件。图4 家庭网关登录图5 控制界面四、原定计划与实际成果1、 完成对基于ZigBee协议的家庭内部网络的设计，并对外提供接口。2、 完成对基于OSGi框架的家庭网关的设计，提供一个服务平台，对内提供控制接口，对外提供访问接口。3、 用户可通过Web客户端登录，通过登录信息验证用户身份的合法性，并对已验证

9、身份的用户确定他所具备的权限。4、 登陆后可实时精确地监控家电设备（如控制灯开关，空调温度等）。5、 实现对进入网关的智能家电设备的驱动模块进行自动添加、识别与删除，用户可以对各个模块进行统一的管理以及软件的动态更新。五、经费预算及实际使用情况（1） 经费概算图书资料费：500元 系统网站建设：2500元 ARM11开发板设备费：2500元 ZigBee模块设备费：3500元 其他：1000元 总计：10000元（2）实际使用情况图书资料费：1000元 系统网站建设：2200元 ARM11开发板设备费：3000元 ZigBee模块设备费：2800元 其他：1000元 总计：10000元六、结论和体会通过基于OSGi架构可扩展智能家居网关的设计与实现这个项目，让我更加深刻的理解了如何实现一个物联网的应用，从物联网的前端信息采集，并通过中间件进行信息的传输，再到后台进行数据处理。通过这次科研项目，学习了科技文档的写作，学习了Web界面设计，学习了ZigBee无线传感器网络，Linux系统裁剪，OSGi等相关的技术，了解到了项目开发过程中，交流的重要性，即使刚开始的时候，不知道去怎么解决一个问题，但是通