随着人们生活水平的提高和自身对生活环境的不断追求,智能家居成为未来生活的必然需求之一,而家庭网关是智能家居内外连接通信的核心,是进行远程控制、视频监控、多媒体通信等的载体,对智能家居家庭网关的研究已经成为世界热点之一。本文针对现有智能家居家庭网关不能解决不同标准终端混合接入问题,率先提出了家庭网关P2P化的解决方案,解决了混合终端接入问题,同时实现了智能小区资源共享,优化了家庭网关的路由算法,并提出了家庭网关P2P环境下应该进行的健壮性研究。本文在总体开发方案上采用嵌入式开发流程,以QQ2440V3开发板为基板,对Linux系统、应用软件进行相应的裁剪和移植,实现了论文设计的家庭网关的软硬件平台。为实现基于SIP协议的嵌入式家庭网关,本文做了大量的研究工作:(1)在对比H.323协议基础上,将3GPP和IETF推崇的SIP协议引入家庭网关,使得家庭网关能够更好的接入下一代核心网和3G网络,并且基于SIP协议的家庭网关能够支持丰富的多媒体功能。SIP协议通过扩展信息包头可以方便的实现新功能的拓展,极大的提升了家庭网关的扩展性。(2)为实现非标准SIP终端接入智能家居及实现整个智能小区的资源共享,本文引入Chord算法,使整个智能小区的家庭网关构成Chord环。智能家居终端信息和智能小区共享信息按照Chord算法均衡的存储于各个家庭网关的SDRAM中,利用Chord路由算法能够实现不同标准混合终端之间的定位与会话。(3)为方便智能家居终端布线,本文采用Zigbee技术设计了无线收发模块,其性能远优越于蓝牙技术,使得家庭网关实现了有线终端和无线混合的灵活接入,提升了用户体验。(4)将RADIUS认证软件和iptables防火墙进行ARM平台移植,配合SIP协议本身支持加密传输,使得整个智能家居的安全性得到极大的提升。(5)本文设计的家庭网关中,SIP协议采用OpenSER协议栈实现,并且为了进一步实现其与RADIUS认证机制的融合,本文修改了OpenSER协议栈、RADIUS认证模块的相关配置,实现了RADIUS认证软件、OpenSER协议栈、Mysql数据库的整合。(6)家庭网关P2P化方案解决了不同标准混合终端接入及智能小区资源共享问题,但是同时也使得家庭网关应用于新的、复杂的环境,为进一步提升整个智能家居乃至于智能小区的健壮性,本文提出了P2P环境家庭网关健壮性研究包括的内容,并研究和设计了相关的健壮性机制。本文在对家庭网关进行总体设计的基础上,分别进行硬件平台架构和软件平台架构。其中硬件平台是在QQ2440V3开发板基础上进行二次开发的,根据本文设计家庭网关的使用环境,对Internet接口模块进行改进,使用DM9000芯片替代CS8900a,使得家庭网关可以接入100Mbits/S的物理连接。Internet接口模块的改进,满足家庭网关多媒体通信和数字电视接入的要求。在硬件平台中,主要设计开发了Zigbee无线收发模块,使用Freescale的MC13193作为家庭网关的无线射频芯片,MC13193和Freescale的无线控制器芯片MC9S08GT60一起组成无线收发模块。采用MC13193和MC9S08GT60构成无线收发模块直接通过串口与微处理器连接,不用设计和实现Zigbee协议栈,极大的缩减了家庭网关的研发成本和研发周期。家庭网关的软件平台架构分为嵌入式系统实现和应用软件实现,本文中主要研究了应用软件实现。嵌入式系统的实现分为bootloader、统内核、文件系统的裁剪和ARM移植。应用软件的研究包含OpenSER协议栈、RADIUS认证、Chord算法,OpenSER协议栈的ARM移植在家庭网关实现了SIP协议,为多媒体通信提供了载体;RADIUS认证模块的ARM移植使得家庭网关更加安全,通过修改配置文件实现了与OpenSER协议栈、Mysq1数据库的融合;Chord算法是本文实现家庭网关P2P化的关键,通过SHA-1算法具体来实现Chord算法,设计了Chord算法的功能模块并研究了模块间的通信机制。为解决不同标准混合终端接入问题,家庭网关将运用在P2P环境下,新的使用环境使得家庭网关的健壮性具有新的特点。本文对家庭网关的健壮性研究主要分为四个方面:家庭网关外部连接健壮性、家庭网关资源转移备份、Chord算法三表及时更新、Chord算法路由优化。家庭网关外部连接健壮性研究使得终端消息及会话能够被路由,防止单链路的中断;家庭网关资源转移备份使得家庭网关保存的非标准SIP终端消息和共享消息能够在家庭网关重启时得到有效的保护;Chord算法三表指的是FingerTable、反向FingerTable、后继备份表,FingerTable在消息路由时有着至关重要的作用,反向FingerTable和后继备份表主要在家庭网关资源转移备份时使用。FingerTable和反向FingerTable在本文设计时采用事件触发更新,后继备份表使用heartbeat参数来进行实时更新。Chord算法三表的更新反映了Chord网络的拓扑结构变化,将对家庭网关终端之间的定位、呼叫、会话产生决定作用;家庭网关处理的信息量大,信息路由速度是其健壮性的直接体现,本文中根据家庭网关中设计的FingerTable和反向FingerTable将Full Chord路由算法引入,使得路由效率相对于原始Chord算法提高了将近50%。为验证基于SIP协议的嵌入式家庭网关的性能,本文对家庭网关进行了功能测试,并截取了标准SIP终端语音会话、视频会话及不同标准混合终端三方会议三个典型试验的运行图像。测试试验说明本文设计的家庭网关功能达到论文开题要求,支持多媒体通信,解决了不同标准混合终端接入问题。基于SIP协议的嵌入式家庭网关还在杭州地区进行了规模性实际使用,取得了良好的效果。基于SIP协议的嵌入式家庭网关具有以下创新点:(1)提出了家庭网关P2P化的方案,将Chord算法引入到智能小区以实现家庭网关构建Chord环,解决了智能家居不同标准混合终端接入问题,实现了智能小区资源的共享。(2)提出了在P2P环境下家庭网关健壮性机制新的特点,并且进行了相关健壮性研究。本文设计的基于SIP协议的嵌入式家庭网关解决了不同标准终端混合接入问题,支持多媒体通信,同时具有可拓展性、高安全性、高健壮性,并且通过实验验证和规模性实际使用测试,具有一定的经济意义和社会意义。