基于嵌入式的無線智能家居網關設計方案

摘要：針對傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)中多種無線通信技術之間互聯(lián)的困擾，設計了一個新的兩種無線通信技術直連的智能家居網關。該網關以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，以滿足家庭遠程監(jiān)控、家庭安防和家電控制的個性化需求。在ARM9處理器上構建嵌入式Web服務器，通過擴展Wi-Fi模塊與Zigbee模塊實現(xiàn)家庭內部無線網絡的建立以及與Internet的連接，并給出了硬件組成結構和軟件實現(xiàn)流程。實驗結果表明，該網關在丟包率與時間響應方面優(yōu)于有線網關和Wi-Fi-藍牙網關，適合在智能家居系統(tǒng)中應用。

0引言

隨著人們生活水平的提高以及計算機技術、通信技術和網絡技術的發(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，而且用戶能夠遠程監(jiān)控自己的家居狀態(tài)和控制家庭電器設備。在智能家居系統(tǒng)中，采用無線網絡技術可以提供更大的靈活性、流動性，更符合家庭網絡簡潔性、靈活性、模塊化、擴展性及獨立性的通信特點，將無線網絡技術應用于家庭網絡已經成為主流趨勢。

Zigbee作為一種新興的無線通信技術，其低速率、低成本、低功耗、自配置和靈活的網絡結構，非常適合于家庭內部組網。而Wi-Fi作為一種無線聯(lián)網技術，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技術使得家庭內部網絡與Internet連接更加便捷，通過一臺Wi-Fi的手持終端設備就可以直接進入家庭網關，實現(xiàn)對家電設備的遠程監(jiān)控和智能控制。系統(tǒng)中家庭網關為Wi-Fi-ZigBee的Web服務器，它是ZigBee協(xié)議、Wi-Fi協(xié)議和以太網之間的轉換接口，并負責建立和管理無線傳感器網絡以及實現(xiàn)外網的通信連接。

1網關總體設計和工作流程

系統(tǒng)主要包括ARM9處理器S3C2440A（家庭網關）、Zigbee模塊（協(xié)調器）、Wi-Fi模塊、Zigbee終端設備（如紅外探測器、門磁開關和火災探測器和煙感燃氣探測器等），其結構如圖1所示。在ARM9處理器中移植Web服務器Boa作為家庭網關，負責對整個智能家居設備的管理以及遠程監(jiān)控。

由于智能家居中許多家電設備都是通過Zigbee無線傳感網絡來工作的，因此必須在處理器中保存數(shù)據(jù)并對Zigbee無線傳感網絡進行數(shù)據(jù)融合處理，協(xié)調器負責家庭內部Zigbee網絡的管理與控制。Wi-Fi模塊用來傳輸大容量信息，通過無線訪問節(jié)點（AccessPoint，AP）路由器與以太網連接，實現(xiàn)家庭內部網絡與Internet的通信。

圖1系統(tǒng)結構

系統(tǒng)處理基本流程如下：系統(tǒng)內部由Zigbee星型網絡組成，家中電器開關狀態(tài)和傳感器的控制信息在網絡中自由傳輸，經由協(xié)調器（Zigbee模塊）傳送至Web服務器的網關，再由網關通過Wi-Fi經無線路由連接到外部以太網，用戶可以通過遠程用戶界面端了解家中電器狀態(tài)；家庭網關可以通過無線網絡對遠程用戶的控制命令作出判斷和響應，從而開啟或關閉家中的電器。

2網關硬件平臺設計

網關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，其硬件電路結構框圖如圖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關的核心，用來對Zigbee通信模塊進行相應配置并接收Zigbee終端節(jié)點的數(shù)據(jù)，利用Wi-Fi協(xié)議將網關通過Wi-Fi模塊連接到Internet網絡。為了能達到高性能、低功耗的目的，設計的嵌入式網關采用以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，通過外擴存儲器、串口、USB接口和JTAG調試接口等構成硬件平臺。

2。2Zigbee組網模塊

在智能家居系統(tǒng)中，采用Zigbee無線通信技術將智能家電設備組成星形網絡。星形網絡是一個輻射狀的結構，網絡命令和數(shù)據(jù)都是通過協(xié)調器傳輸，終端設備之間通信也是通過協(xié)調器轉發(fā)，終端設備不是通信的起點就是通信的終點。

Zigbee擴展模塊在家庭網關中作為網絡協(xié)調器，可以是通信的起點或終點，負責各子傳感器節(jié)點的通信管理、動態(tài)組網與數(shù)據(jù)傳輸。Zigbee終端節(jié)點包括家庭內部網絡中的門磁開關、紅外對射探測器、玻璃破碎探測器、火災探測器以及煙感和燃氣泄露探測器等。

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，UART1和UART2是TTL接口。這里使用UART0來連接，設置相應波特率后實現(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)家庭網關與Internet連接。Wi-Fi模塊采用威盛的VT6656芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸，VT6656芯片內嵌TCP/IP協(xié)議棧，降低了設計的難度，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，二者可以通過標準的USB接口直接相連。VT6656芯片的主要特性：54Mbps標準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；新的天線技術支持更遠距離的無線訪問；支持所有標準802。11g和802。11b無線路由器及接入點；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制。

3軟件平臺設計

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