基于WLAN技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

程 鵬，潘志鵬，王希朝，吳 斌

（中國科學(xué)院微電子研究所，北京100029）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等高科技手段的飛速發(fā)展，智能家居（Smart Home）正不斷地滲透到傳統(tǒng)家電產(chǎn)業(yè)中，逐漸改變著人們的日常生活，并由此掀開了家庭信息化和智能化的新篇章[1]。按照智能家居的普遍定義[2]，是將家居中各種與信息相關(guān)的通信設(shè)備、家用電器和家庭安保裝置等，通過一種專用技術(shù)連接到一個(gè)家庭可用的智能系統(tǒng)上，可以實(shí)現(xiàn)集中或異地的監(jiān)視、控制和家庭事務(wù)性管理等功能?；谙到y(tǒng)組網(wǎng)的簡易性考慮，選擇無線技術(shù)作為各設(shè)備之間相互通信的方式將是一種必然的發(fā)展趨勢(shì)。如今，比較流行的無線技術(shù)主要有：WiFi、Bluetooth（藍(lán)牙）、ZigBee、RFID以及一些簡單專用無線通信協(xié)議（如CC1100、NRF905、Si4432等）。本文提出了一種智能家居的無線控制系統(tǒng)，其中客戶端通過WLAN技術(shù)與中心網(wǎng)關(guān)進(jìn)行信息交互，而中心網(wǎng)關(guān)通過工作在433 MHz免費(fèi)頻段下的CC1100模塊與家庭中的各種終端設(shè)備進(jìn)行命令交互，前者是基于WLAN技術(shù)的普遍應(yīng)用性考慮的，而后者是基于系統(tǒng)的成本控制選擇此低成本、低復(fù)雜度的通信手段。

1 智能家居概述

1.1 解決方案選擇

智能家居通常需要具備一個(gè)中心控制器，也稱家庭網(wǎng)關(guān)，主要的職能是接收用戶的控制指令和控制并管理網(wǎng)絡(luò)中的各設(shè)備，根據(jù)其實(shí)現(xiàn)方式的不同，智能家居控制系統(tǒng)有3種解決方案[3]：基于PC機(jī)、采用單片機(jī)和基于嵌入式架構(gòu)系統(tǒng)。

分析比較3種解決方案，采用專門設(shè)計(jì)的嵌入式主控制器作為智能家居網(wǎng)絡(luò)控制平臺(tái)，以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性強(qiáng)、擴(kuò)展性好等特點(diǎn)成為智能家居控制器的首要選擇。通過該嵌入式主控制器可以很好地實(shí)現(xiàn)一個(gè)家居系統(tǒng)的管理和控制功能，無論是與客戶端，還是與底層家電設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，基于嵌入式平臺(tái)的開發(fā)將大大降低系統(tǒng)的復(fù)雜性。

1.2 WLAN技術(shù)簡介

WLAN[4]技術(shù)是一種無線局域網(wǎng)技術(shù)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各類電子設(shè)備中，從筆記本電腦到個(gè)人多媒體播放器，再到移動(dòng)電話，幾乎隨處可見。WLAN是基于IEEE 802.11無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的，只涉及OSI/RM模型中的數(shù)據(jù)鏈路層與物理層協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單。由于WLAN技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛普及，使得協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行不斷的更新與改進(jìn)，現(xiàn)已有的協(xié)議有：IEEE 802.11a、IEEE 802.11b、IEEE 802.11g、IEEE 802.11n等。WLAN所具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)也使得基于該技術(shù)的智能家居系統(tǒng)具有良好的通用性和可擴(kuò)展性。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)由3部分組成，分別為終端設(shè)備，中心控制器和用戶控制臺(tái)。智能家居控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能家居控制系統(tǒng)架構(gòu)

在整個(gè)智能家居控制系統(tǒng)中，中心控制器處于核心地位，作為用戶控制臺(tái)和設(shè)備終端信息交互的橋梁。終端設(shè)備面向的是家庭中的家電設(shè)備等，通過家電設(shè)備中內(nèi)嵌的CC1100無線通信模塊和中心控制器端的無線模塊進(jìn)行信息交互，從而達(dá)到控制家電設(shè)備的作用。

家電設(shè)備和中心控制器之間通常只傳輸控制信息，數(shù)據(jù)量小，但穩(wěn)定性要求較高，CC1100模塊是工作在ISM頻段專為低功耗無線應(yīng)用設(shè)計(jì)的無線收發(fā)模塊，能夠滿足本設(shè)計(jì)的需求。用戶控制臺(tái)與中心控制器之間通信，是通過目前較為流行的WiFi技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，控制臺(tái)利用WiFi遠(yuǎn)程接入中心控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)端設(shè)備的訪問和控制。中心控制器上集成的WiFi模塊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)的無線收發(fā)，同時(shí)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，完成控制臺(tái)和終端設(shè)備的信息交互。因此中心控制器在整個(gè)智能家居控制系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。

2.1 中心控制器硬件結(jié)構(gòu)

中心控制器的硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，核心處理器選用飛思卡爾公司基于ARM926-EJ-S核心的MCIMX27控制器，該芯片工作頻率達(dá)400 MHz，集成了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)所需的大部分外部接口，適用于設(shè)計(jì)便攜式多媒體音視頻產(chǎn)品及智能家居網(wǎng)關(guān)等。為滿足家電控制的功能，中心控制器上還集成有CC100無線通信模塊，用于家電與網(wǎng)關(guān)間的信息交互，該模塊通過SPI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸及相關(guān)參數(shù)配置，只要控制器有SPI接口，即可利用該模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。同時(shí)中心控制平臺(tái)集成了可配置成AP和Station的WiFi模塊，用于控制臺(tái)和網(wǎng)關(guān)的信息傳輸。WiFi技術(shù)是當(dāng)今最為流行的無線傳輸方式，本設(shè)計(jì)中控制臺(tái)和中心控制平臺(tái)間傳遞的是數(shù)據(jù)量較小的控制信息，因此專門設(shè)計(jì)了操作較為簡單的UART_WiFi無線傳輸子模塊用于本系統(tǒng)中，該子模塊和控制平臺(tái)間通過標(biāo)準(zhǔn)UART接口進(jìn)行通信，通過UART接口可配置其系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，同時(shí)支持?jǐn)?shù)據(jù)透明傳輸，支持AT指令集，只要具有UART接口的設(shè)備即可通過其接入到WiFi無線網(wǎng)絡(luò)中。

圖2 中心控制器硬件結(jié)構(gòu)

中心控制平臺(tái)上還集成的LCD模塊，提供終端設(shè)備的控制界面以及實(shí)時(shí)顯示終端設(shè)備的狀態(tài)信息。鍵盤模塊方便用戶手動(dòng)配置控制器參數(shù)和對(duì)終端設(shè)備的控制。

2.2 兩種工作模式

智能家居控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到了系統(tǒng)的各種應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的兩種工作模式，即直接控制模式和間接控制模式。

2.2.1 直接控制

系統(tǒng)工作在直接控制模式下時(shí)的數(shù)據(jù)流向如圖3所示，直接控制模式是通過中心控制平臺(tái)來完成與終端設(shè)備的數(shù)據(jù)交互的。在該工作模式下，對(duì)設(shè)備的訪問是中心控制器通過無線模塊發(fā)送命令請(qǐng)求來完成的，當(dāng)終端設(shè)備接收請(qǐng)求后會(huì)向中心控制器發(fā)送響應(yīng)，從而完成一次通信過程。

圖3 直接控制

2.2.2 間接控制

圖4所示是系統(tǒng)工作在間接控制模式下時(shí)的數(shù)據(jù)流向示意圖，在該模式下，中心控制平臺(tái)起著接收用戶命令、進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)發(fā)終端設(shè)備響應(yīng)消息的作用。在遠(yuǎn)端用戶通過WiFi無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)起對(duì)終端設(shè)備的訪問時(shí)，首先是中心控制平臺(tái)通過UART_WIFI無線收發(fā)模塊接收到請(qǐng)求，通過對(duì)相關(guān)協(xié)議的解析，完成對(duì)請(qǐng)求命令的識(shí)別，再發(fā)送請(qǐng)求命令到終端設(shè)備，直到終端設(shè)備返回響應(yīng)消息，中心控制器將響應(yīng)消息解析，重新封裝完成后通過UART_WIFI模塊發(fā)送到遠(yuǎn)端用戶控制平臺(tái)。

2.3 系統(tǒng)軟件框架

圖4 間接控制

整個(gè)智能家居控制系統(tǒng)圍繞中心控制平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)，其軟件架構(gòu)如圖5所示，分別由底層硬件、接口驅(qū)動(dòng)、內(nèi)核層、應(yīng)用層構(gòu)成。硬件是整個(gè)系統(tǒng)軟件運(yùn)行的承載體，其上集成有所需的硬件接口，驅(qū)動(dòng)層提供硬件與操作系統(tǒng)接口，簡化了上層操作硬件的流程。與一般智能家居系統(tǒng)軟件架構(gòu)不同，本設(shè)計(jì)的軟件架構(gòu)中，在內(nèi)核層次添加了業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)和協(xié)議轉(zhuǎn)換與適配層功能模塊。業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)上層應(yīng)用層不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的匯聚、處理和分發(fā)，協(xié)議轉(zhuǎn)換與適配層將下層遞交的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有固定幀格式的數(shù)據(jù)幀，交由上層業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)處理，提高了系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)幀的實(shí)時(shí)性，方便系統(tǒng)的擴(kuò)展。

圖5 智能家居中心控制平臺(tái)軟件架構(gòu)

智能家居控制系統(tǒng)軟件運(yùn)行總體流程圖如圖6所示，整個(gè)軟件運(yùn)行過程分為兩個(gè)線程進(jìn)行，主線程負(fù)責(zé)發(fā)送定時(shí)掃描命令給終端設(shè)備，同時(shí)處理終端設(shè)備返回的響應(yīng)信息，次線程用于處理WiFi中斷以及鍵盤或者LCD中斷等。多線程程序的實(shí)現(xiàn)，需要線程同步的引入，本系統(tǒng)采用互斥鎖加信號(hào)量的線程同步方法，有效地提高了系統(tǒng)工作穩(wěn)定性以及響應(yīng)命令的時(shí)效性。

圖6 軟件執(zhí)行流程

2.4 用戶控制臺(tái)和中心控制器的信息交互協(xié)議

通過WiFi無線網(wǎng)絡(luò)在用戶控制臺(tái)和中心控制器之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)稱之為用戶接口數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)格式如圖7所示。

圖7 信息交互協(xié)議

接口數(shù)據(jù)分為控制數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)兩種類型?？刂茢?shù)據(jù)是用于控制臺(tái)和中心控制器之間的控制信息傳輸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端設(shè)備對(duì)中心控制器的系統(tǒng)參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的配置。用戶數(shù)據(jù)是用于用戶控制臺(tái)和終端設(shè)備間信息交互的數(shù)據(jù)，根據(jù)不同需求，用戶可在用戶接口數(shù)據(jù)幀格式的框架下對(duì)其進(jìn)行個(gè)性化的定義。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

依據(jù)本文提出的基于WLAN技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)際的驗(yàn)證系統(tǒng)，中心控制器采用一個(gè)ARM處理器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的核心控制。底層的設(shè)備終端選取幾種典型的家電設(shè)備，如電磁爐、風(fēng)扇、豆?jié){機(jī)、熱水器等。

中心控制器和上層用戶之間采用WiFi技術(shù)作為主要的通信手段。對(duì)于用戶控制臺(tái)上運(yùn)行的應(yīng)用程序不受任何操作系統(tǒng)的限制，可以支持Windows、Android、iOS等。

本文提出了一種基于WLAN技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案，包括硬件系統(tǒng)和軟件架構(gòu)。利用WiFi技術(shù)實(shí)現(xiàn)了家庭用戶控制臺(tái)與智能家居中的中心控制器進(jìn)行無線組網(wǎng)，同時(shí)，采用普通專用的無線模塊（CC1100）實(shí)現(xiàn)了中心控制器與底層各家電設(shè)備之間的控制和信息交互。經(jīng)過實(shí)際硬件系統(tǒng)和軟件方案的測(cè)試驗(yàn)證表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，且具備較好的擴(kuò)展性。

[1]魏振春，韓江洪，張建軍，等.智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，28（7）：751-754.

[2]葉興貴，繆希仁.基于ZigBee的智能家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)[J].現(xiàn)代建筑電氣，2010，1（9）.

[3]原林，于伸.嵌入式技術(shù)在智能家居控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2006，25（1）：72-74.

[4]GAST M S.802.11 Wireless Networks：The Definitive Guide[M].O′Reilly，Sebastopol CA，USA，April，2002.