基于ZigBee技術的智能家居系統(tǒng)的設計方案

　　摘要： 本文介紹一種基于ZigBee 技術的網(wǎng)絡化智能家居系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)方案。系統(tǒng)硬件上以S3C2440A 為控制核心，利用CC2430(＄4.0170) 組建家庭內(nèi)部網(wǎng)絡來采集家庭設備的數(shù)字信號， 用USB camera 采集家庭內(nèi)部的視頻信號。軟件上利用嵌入式Web服務器和CGI 技術實現(xiàn)家庭內(nèi)網(wǎng)和Internet 相連，達到遠程監(jiān)控的目的。通過實際測試證明系統(tǒng)功能強大，運行穩(wěn)定，滿足了家庭信息網(wǎng)絡化的要求。

　　1 引言

　　隨著信息時代的到來和網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展， 實現(xiàn)家庭信息化、網(wǎng)絡化是當今智能家居設備系統(tǒng)發(fā)展的新趨勢。智能家居系統(tǒng)是將相對獨立的家用電器構成一個統(tǒng)一的系統(tǒng)， 進而實現(xiàn)對這些設備和家庭環(huán)境的智能管理、遠程監(jiān)控和資源共享。其目的是為人們提供一個安全、舒適、高效和便利的生活環(huán)境。本文介紹一種基于嵌入式Web 和ZigBee 技術的網(wǎng)絡化智能家居系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)方案。

　　2 系統(tǒng)結構和功能介紹

　　系統(tǒng)有遠端PC、嵌入式網(wǎng)關、USB 攝像頭和ZigBee 組成的家庭內(nèi)部無線網(wǎng)絡四部分組成。設計思想是在每一個家庭設備上都裝上ZigBee 模塊和相應傳感器來組成一個終端節(jié)點，用來實時監(jiān)控設備的狀態(tài)， 并且把采集到的數(shù)據(jù)以無線方式發(fā)給ZigBee 協(xié)調(diào)器，這樣就由ZigBee 協(xié)調(diào)器和各終端設備組成了一個無線連接的星型結構的家庭內(nèi)部網(wǎng)絡。嵌入式網(wǎng)關是系統(tǒng)的中樞，可以把USB 攝像頭采集的視頻信息和來自協(xié)調(diào)器接收的終端節(jié)點信號傳送到Internet 上， 這樣就把內(nèi)部網(wǎng)絡連接到互聯(lián)網(wǎng)上。特別是USB 攝像頭的使用，讓用戶可以直觀的看到家里的一切變化， 彌補了大部分智能家居系統(tǒng)只可以查看家庭設備數(shù)字信息的不足。用戶可以通過遠程PC 機訪問家庭內(nèi)部網(wǎng)絡，查看家庭設備的數(shù)字信息和視頻信息，實現(xiàn)遠程監(jiān)控的目的。

　　3 系統(tǒng)硬件設計

　　3.1 核心處理器模塊

　　本系統(tǒng)選用S3C2440A 作為核心控制器， 它是Samsung 公司推出的一款基于ARM920T 核的處理器， 采用了16/32 位RISC 處理器， 具有外部存儲器控制器，LCD 控制器，4 通道DMA控制器，三通道UART，兩通道SPI，兩路全速USB 主設備芯片，帶有MMU 虛擬存儲器單元，這一特性可以移植linux 系統(tǒng)和建立Web 服務器，主頻400MHz，有130 個I/O 端口和24 路外部中斷源，有多種通信接口，體積小，功耗和成本低，可靠性高，特別適合作為嵌入式微處理器。

　　3.2 存儲模塊

　　NAND FLASH 存儲模塊選擇Samsung 公司生產(chǎn)的K9F1208U0M-YCB0 64M*8bits 的高性能存儲芯片。掉電后信息不會丟失，用于存儲啟動代碼、內(nèi)核和文件系統(tǒng)。

　　SDRAM 是系統(tǒng)的內(nèi)存， 它不具有掉電保持數(shù)據(jù)的特性，其存取速度大大高于Flash 存儲器， 在系統(tǒng)中主要作程序的運行空間、數(shù)據(jù)和堆棧區(qū)。系統(tǒng)中SDRAM 選用K4S561632C-TC75芯片。K4S561632C-TC75 的存儲容量為16M*16 位（32M 字節(jié)），數(shù)據(jù)寬度為16 位，由于S3C2440A 是32 位的，外部總線也是32位的， 為了最大限度發(fā)揮處理器的性能， 本系統(tǒng)選用兩片K4S561632C-TC75 芯片并聯(lián)起來，以構成32 位內(nèi)存系統(tǒng)。

　　3.3 以太網(wǎng)接口

　　系統(tǒng)選用CS8900A(＄6.3240) 芯片建立網(wǎng)絡接口。CS8900A 是Cirrus公司生產(chǎn)的一款單芯片、全雙工、全面支持IEEE802.3 標準的高集成以太網(wǎng)控制器。在本系統(tǒng)中網(wǎng)絡控制器發(fā)揮著重要作用，它負責將監(jiān)控數(shù)據(jù)發(fā)送到Internet， 并把來自Internet 的控制指令傳送至底層。

　　3.4 攝像頭選擇

　　對于圖像采集傳感器，采用以中星微公司的ZC301 感光芯片為核心的USB 攝像頭作為圖像采集模塊。中星微301 系列高清芯片擁有影像光源自動增益補強技術，自動白平衡、邊緣增強以及伽馬矯正等先進的攝像控制技術。

　　3.5 ZigBee 模塊

　　無線收發(fā)芯片采用Chipcon （已于2006 年被TI 公司收購）公司生產(chǎn)的CC2430.CC2430 芯片除了整合ZigBee 射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器外， 還具有128KB 可編程內(nèi)存和8KB 的RAM、模擬數(shù)字轉換器（ADC） 、定時器（Timer） 、AES-128 協(xié)同處理器、看門狗定時器以及21 個可編程I/O 引腳等。因此選擇CC2430 做為無線收發(fā)部分， 使用起來非常容易上手。由于CC2430 的高度集成度， 外圍需要很少的器件可以組成最小系統(tǒng)。它結合Chipcon 公司全球先進的ZigBee 協(xié)議棧、工具包和參考設計，展示了領先的ZigBee 解決方案。其產(chǎn)品廣泛應用于汽車、工控系統(tǒng)、家居系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡等領域。

　　4 系統(tǒng)軟件設計

　　系統(tǒng)軟件主要包括移植Linux 操作系統(tǒng)，USB 攝像頭驅動的編寫，ZigBee 協(xié)調(diào)器工作程序和終端設備的收發(fā)程序，嵌入式Web 服務器的移植等等。

　　4.1 移植Linux 操作系統(tǒng)

　　本系統(tǒng)選用2.6 版本的Linux 內(nèi)核， 首先從ftp://ftp.kernel.org/pub/linux/kernel/下載內(nèi)核源碼。在編譯內(nèi)核前先要修改根目錄下的Makefile 文件：

　　ARCH=arm

　　CROSS COMPILE=arm-linux-gcc

　　然后運行make menuconfig 進入配置菜單， 選擇需要的選項， 配置完成后保存退出， 依次執(zhí)行內(nèi)核編譯命令：make dep ;make clean;make zImage 編譯成功后會在/linux/arch/arm/boot/下找到編譯好的內(nèi)核鏡像文件zImage.然后可以用Bootloader 菜單命令把內(nèi)核鏡像燒寫到NAND FLASH 中。

　　4.2 USB 攝像頭程序

　　在Linux kernel 源碼目錄中driver/usb/usb-skeleton.c 提供了一個基礎的USB 驅動程序。通過它僅需要修改極少的部分，就可以完成一個USB 設備的驅動。重新編譯內(nèi)核生成攝像頭驅動文件，然后執(zhí)行insmod 加載USB 攝像頭驅動，Linux 系統(tǒng)就在/dev 目錄下注冊了USB 視頻設備/dev/video0.

　　攝像頭驅動程序安裝好后為了進行視頻采集必須加入Video4Linux 模塊，Video4Linux 是Linux 中關于視頻設備的內(nèi)核驅動，它為針對視頻設備的應用程序提供一系列接口函數(shù)。對于USB 口攝像頭， 其驅動程序中需要提供基本的I/O 操作接口函數(shù)open、close、read、write 等的實現(xiàn)。對中斷的處理實現(xiàn)，內(nèi)存映射功能以及I/O 通道的控制接口函數(shù)ioctl 的實現(xiàn)等， 并把它們定義在struct file_operations 中。這樣當應用程序對設備文件進行諸如open、close、read、write 等系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)時，Linux 內(nèi)核將通過file_operations 結構體訪問驅動程序提供的函數(shù)。

　　4.3 ZigBee 協(xié)調(diào)器和設備節(jié)點程序

　　ZigBee 家庭無線網(wǎng)絡主要負責對現(xiàn)場各種信息的監(jiān)控以及數(shù)據(jù)的采集， 并將內(nèi)部處理過的數(shù)據(jù)經(jīng)家庭網(wǎng)關傳送到外部網(wǎng)絡。本系統(tǒng)中ZigBee 協(xié)調(diào)器主要用于建立無線網(wǎng)絡，分配地址，向終端節(jié)點發(fā)送控制命令和接收終端節(jié)點的工作狀態(tài)，并將接收到的狀態(tài)數(shù)據(jù)全部上傳至Web 服務器， 最后通過Internet傳送到遠端的用戶端。終端設備節(jié)點主要有加入網(wǎng)絡，接收控制命令，以及發(fā)送狀態(tài)信息給協(xié)調(diào)器等。協(xié)調(diào)器主程序流程如圖2所示。

　　4.4 Web 服務器

　　Web 服務器的作用是監(jiān)聽用戶的服務請求， 并根據(jù)用戶的請求給出相應的服務。服務器和客戶端瀏覽器之間的通信協(xié)議是超文本傳輸協(xié)議HTTP.HTTP 協(xié)議規(guī)定了發(fā)送和請求的標準方式， 瀏覽器和服務器之間傳輸?shù)南⒏袷郊案鞣N控制信息。

　　Linux 支持boa、httpd、thttpd 等幾種Web 服務器， 其中boa 是一款單任務的Web 服務器軟件，源代碼開放，速度快，性能優(yōu)秀，支持能夠實現(xiàn)動態(tài)Web 技術的CGI（Common Gateway Interface）技術，特別適合應用在嵌入式系統(tǒng)中。

　　CGI 提供了一個Web 服務器的外部程序通道，運行在服務器上，由瀏覽器輸入觸發(fā)，是Web 服務器和系統(tǒng)中其他程序連接的通道。CGI 程序就是符合這種接口的程序。服務器接收到用戶的請求，并將數(shù)據(jù)送給CGI 程序，CGI 程序接收到數(shù)據(jù)后，啟動編寫好的應用程序，并按照用戶提供的數(shù)據(jù)執(zhí)行。應用程序執(zhí)行完成后，返回執(zhí)行結果，并通過Web 服務器傳送給用戶瀏覽器顯示。

　　本系統(tǒng)采用了CGI 來實現(xiàn)動態(tài)Web 技術，CGI 規(guī)定了Web服務器調(diào)用其他可執(zhí)行程序（CGI 程序）的接口協(xié)議標準。Web服務器通過CGI 程序實現(xiàn)和瀏覽器的交互，也就是CGI 程序接受瀏覽器發(fā)送給Web 服務器的信息進行處理，將響應結果再回送給Web 服務器及瀏覽器。CGI 程序可以用多種程序設計語言編寫， 本系統(tǒng)選用C 語言編寫的CGI 程序。嵌入式Web 服務器工作流程如圖3 所示。

　　5 系統(tǒng)測試

　　將服務器用網(wǎng)線和電腦主機相連， 服務器的地址設為192.168.1.6，電腦主機地址為192.168.1.8（只要主機IP 和服務器IP 處在同一個網(wǎng)段就可以）系統(tǒng)的網(wǎng)頁包括家電系統(tǒng)、安防系統(tǒng)和視頻畫面三個頁面，這三個畫面可以相互切換， 在瀏覽器輸入服務器IP 對系統(tǒng)進行測試，并選擇攝像頭遠程控制畫面，攝像頭采集的視頻畫面截圖如圖4 所示。

　　6 結論

　　本文設計的智能家居綜合控制系統(tǒng)，采用ZigBee 技術組建家庭內(nèi)部無線網(wǎng)絡， 用USB 攝像頭實時采集家庭視頻信息，在S3C2440A 為控制核心的硬件平臺移植嵌入式Linux 操作系統(tǒng)和Web 服務器完成家庭網(wǎng)關的設計，經(jīng)過實際測試，本系統(tǒng)達到了家庭信息網(wǎng)絡化的目的，實現(xiàn)了對家庭設備遠程監(jiān)控的愿望。系統(tǒng)的功能強大，功耗低，實現(xiàn)簡單，具有廣闊的應用前景。