基于嵌入式的無線智能家居網(wǎng)關(guān)設(shè)計方案

摘要：針對傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)中多種無線通信技術(shù)之間互聯(lián)的困擾，設(shè)計了一個新的兩種無線通信技術(shù)直連的智能家居網(wǎng)關(guān)。該網(wǎng)關(guān)以ARM920T嵌入式處理器S3C2440A為核心，ARMLinux為實時操作系統(tǒng)，采用新興的Zigbee與Wi-Fi融合的通信技術(shù)，以滿足家庭遠(yuǎn)程監(jiān)控、家庭安防和家電控制的個性化需求。在ARM9處理器上構(gòu)建嵌入式Web服務(wù)器，通過擴(kuò)展Wi-Fi模塊與Zigbee模塊實現(xiàn)家庭內(nèi)部無線網(wǎng)絡(luò)的建立以及與Internet的連接，并給出了硬件組成結(jié)構(gòu)和軟件實現(xiàn)流程。實驗結(jié)果表明，該網(wǎng)關(guān)在丟包率與時間響應(yīng)方面優(yōu)于有線網(wǎng)關(guān)和Wi-Fi-藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)，適合在智能家居系統(tǒng)中應(yīng)用。

0引言

隨著人們生活水平的提高以及計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，智能家居逐漸成為未來家居生活的發(fā)展方向。智能家居不僅能給用戶提供安全、健康和舒適的生活環(huán)境，而且用戶能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控自己的家居狀態(tài)和控制家庭電器設(shè)備。在智能家居系統(tǒng)中，采用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以提供更大的靈活性、流動性，更符合家庭網(wǎng)絡(luò)簡潔性、靈活性、模塊化、擴(kuò)展性及獨(dú)立性的通信特點(diǎn)，將無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于家庭網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為主流趨勢。

Zigbee作為一種新興的無線通信技術(shù)，其低速率、低成本、低功耗、自配置和靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，非常適合于家庭內(nèi)部組網(wǎng)。而Wi-Fi作為一種無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，最主要的優(yōu)勢在于不需要布線，不受布線條件的限制，因此特別適合移動辦公用戶的需要，在智能家居中采用Wi-Fi技術(shù)使得家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與Internet連接更加便捷，通過一臺Wi-Fi的手持終端設(shè)備就可以直接進(jìn)入家庭網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)對家電設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和智能控制。系統(tǒng)中家庭網(wǎng)關(guān)為Wi-Fi-ZigBee的Web服務(wù)器，它是ZigBee協(xié)議、Wi-Fi協(xié)議和以太網(wǎng)之間的轉(zhuǎn)換接口，并負(fù)責(zé)建立和管理無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及實現(xiàn)外網(wǎng)的通信連接。

1網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計和工作流程

系統(tǒng)主要包括ARM9處理器S3C2440A（家庭網(wǎng)關(guān)）、Zigbee模塊（協(xié)調(diào)器）、Wi-Fi模塊、Zigbee終端設(shè)備（如紅外探測器、門磁開關(guān)和火災(zāi)探測器和煙感燃?xì)馓綔y器等），其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在ARM9處理器中移植Web服務(wù)器Boa作為家庭網(wǎng)關(guān)，負(fù)責(zé)對整個智能家居設(shè)備的管理以及遠(yuǎn)程監(jiān)控。

由于智能家居中許多家電設(shè)備都是通過Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)來工作的，因此必須在處理器中保存數(shù)據(jù)并對Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)家庭內(nèi)部Zigbee網(wǎng)絡(luò)的管理與控制。Wi-Fi模塊用來傳輸大容量信息，通過無線訪問節(jié)點(diǎn)（AccessPoint，AP）路由器與以太網(wǎng)連接，實現(xiàn)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與Internet的通信。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)處理基本流程如下：系統(tǒng)內(nèi)部由Zigbee星型網(wǎng)絡(luò)組成，家中電器開關(guān)狀態(tài)和傳感器的控制信息在網(wǎng)絡(luò)中自由傳輸，經(jīng)由協(xié)調(diào)器（Zigbee模塊）傳送至Web服務(wù)器的網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)通過Wi-Fi經(jīng)無線路由連接到外部以太網(wǎng)，用戶可以通過遠(yuǎn)程用戶界面端了解家中電器狀態(tài)；家庭網(wǎng)關(guān)可以通過無線網(wǎng)絡(luò)對遠(yuǎn)程用戶的控制命令作出判斷和響應(yīng)，從而開啟或關(guān)閉家中的電器。

2網(wǎng)關(guān)硬件平臺設(shè)計

網(wǎng)關(guān)硬件電路主要由控制器模塊（S3C2440A）、存儲單元（64MBSDRAM、64MBNandFlash和2MBNorFlash）、通信模塊（Zigbee模塊和Wi-Fi模塊）和顯示模塊（LCD）等組成，其硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2系統(tǒng)硬件電路

2。1控制器模塊

控制器是整個嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)的核心，用來對Zigbee通信模塊進(jìn)行相應(yīng)配置并接收Zigbee終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，利用Wi-Fi協(xié)議將網(wǎng)關(guān)通過Wi-Fi模塊連接到Internet網(wǎng)絡(luò)。為了能達(dá)到高性能、低功耗的目的，設(shè)計的嵌入式網(wǎng)關(guān)采用以ARM920T為核心的32位的RISC微處理器S3C2440A作為主控制器，該處理器集成了LCD控制器、USBHost、NAND控制器、BUS控制器、中斷控制、功率控制、存儲控制、UART、SPI和GPIO等豐富的外圍資源，通過外擴(kuò)存儲器、串口、USB接口和JTAG調(diào)試接口等構(gòu)成硬件平臺。

2。2Zigbee組網(wǎng)模塊

在智能家居系統(tǒng)中，采用Zigbee無線通信技術(shù)將智能家電設(shè)備組成星形網(wǎng)絡(luò)。星形網(wǎng)絡(luò)是一個輻射狀的結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)命令和數(shù)據(jù)都是通過協(xié)調(diào)器傳輸，終端設(shè)備之間通信也是通過協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)，終端設(shè)備不是通信的起點(diǎn)就是通信的終點(diǎn)。

Zigbee擴(kuò)展模塊在家庭網(wǎng)關(guān)中作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，可以是通信的起點(diǎn)或終點(diǎn)，負(fù)責(zé)各子傳感器節(jié)點(diǎn)的通信管理、動態(tài)組網(wǎng)與數(shù)據(jù)傳輸。Zigbee終端節(jié)點(diǎn)包括家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中的門磁開關(guān)、紅外對射探測器、玻璃破碎探測器、火災(zāi)探測器以及煙感和燃?xì)庑孤短綔y器等。

Zigbee模塊采用JENNIC公司的JN5139，這是業(yè)界第一款與IEEE802。15。4兼容的低功耗、低成本無線控制模塊。

該模塊與S3C2440A中的UART1相連，S3C2440A中有三個通用異步串行接口，UART0是RS232接口，用來連接PC機(jī)，UART1和UART2是TTL接口。這里使用UART0來連接，設(shè)置相應(yīng)波特率后實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。其通信接口電路如圖3所示，只需連接TXD0和RXD0兩根信號線即可實現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)傳輸通信。

圖3JN5139的通信接口電路

2。3Wi-Fi通信模塊

該模塊用來實現(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)與Internet連接。Wi-Fi模塊采用威盛的VT6656芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，VT6656芯片內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，降低了設(shè)計的難度，同時大大提高了主控制器處理其他數(shù)據(jù)的能力。VT6656與S3C2440A的連接非常簡單，二者可以通過標(biāo)準(zhǔn)的USB接口直接相連。VT6656芯片的主要特性：54Mbps標(biāo)準(zhǔn)802。11g無線Internet訪問，比基于802。11b協(xié)議快5倍；采用USB2。0最高比USB1。1快40倍；新的天線技術(shù)支持更遠(yuǎn)距離的無線訪問；支持所有標(biāo)準(zhǔn)802。11g和802。11b無線路由器及接入點(diǎn)；支持64/128/152位WEP加密；支持WPA/WPA2、WPA-PSK/WPA2-PSK等高級加密與安全機(jī)制。

3軟件平臺設(shè)計

軟件平臺采用一種開放源碼的Linux操作系統(tǒng)，便于在其基礎(chǔ)上完成各項相關(guān)應(yīng)用程序的開發(fā)。軟件主要涉及到操作系統(tǒng)的裁剪與編譯、驅(qū)動程序編寫和系統(tǒng)主程序編寫。