基于Cortex和ZigBee的智能家居網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 毅，馬鈞元，楊校權(quán)

(重慶郵電大學(xué)通信學(xué)院，重慶 400065)

短距離通信技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中已得到廣泛應(yīng)用，其中ZigBee技術(shù)以低成本、低功耗、較好的安全性、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)，成為了組建智能家居網(wǎng)絡(luò)的首選［1］。在ZigBee技術(shù)大量應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)的同時(shí)，對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備如何查看、控制、管理家居現(xiàn)場(chǎng)的研究也在快速發(fā)展。目前基于PC方案的網(wǎng)關(guān)不僅靈活性差，不能滿足人們對(duì)家居現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，而且成本較高，不便于智能家居系統(tǒng)的推廣，所以，采用廉價(jià)嵌入式CPU的網(wǎng)關(guān)對(duì)于普通家庭來說是非常適合的，但若采用8位或16位MCU，其數(shù)據(jù)處理速度、外設(shè)資源等方面不能滿足網(wǎng)關(guān)的功能需求。

因此，本文以ARM Cortex－M3為平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)、GPRS、藍(lán)牙3種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的緊密結(jié)合。

1 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)功能分析

網(wǎng)關(guān)的主要功能是用戶通過其在現(xiàn)場(chǎng)或者遠(yuǎn)程查詢、控制智能家居網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)。監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的節(jié)點(diǎn)將各自采集的信息傳送給網(wǎng)關(guān)上的協(xié)調(diào)器，經(jīng)過主控制器處理后，將信息通過有線或者無線方式傳送至電腦或者手機(jī)等用戶終端。而終端的控制指令也需要經(jīng)過網(wǎng)關(guān)的處理，轉(zhuǎn)換后才能下傳至監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)各節(jié)點(diǎn)。設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

文中設(shè)計(jì)主要現(xiàn)實(shí)以下2個(gè)目標(biāo):

圖1 智能家居網(wǎng)絡(luò)圖

1)完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)、藍(lán)牙、GPRS這3種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)通過多種終端完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控，滿足用戶對(duì)實(shí)時(shí)性、便捷性的要求;

2)從成本、性能上考慮硬件及軟件設(shè)計(jì)，滿足用戶對(duì)性價(jià)比的要求。

2 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)硬件電路主要由控制器模塊、供電模塊、通信模塊等組成。其結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 硬件設(shè)計(jì)框架圖

2.1 控制器模塊

作為整個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的核心，控制器負(fù)責(zé)接收、處理ZigBee協(xié)調(diào)器上傳的家居節(jié)點(diǎn)信息以及用戶終端下傳的控制信息，通過AT指令初始化GPRS模塊、藍(lán)牙模塊，使其分別鏈接至GPRS網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)，利用基于μC/OS－Ⅱ的小型TCP/IP協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與Internet的鏈接。綜合性能、功耗、成本等方面因素考慮，文中的網(wǎng)關(guān)主控制器采用以ARMv7－M為架構(gòu)的32位 Cortex－M3處理器LM3S8962，該芯片運(yùn)行頻率最高可達(dá)50 MHz，片內(nèi)含256 kbyte Flash，64 kbyte SRAM，無需再外擴(kuò)存儲(chǔ)模塊，此外該處理器還集成了 UART，GPIO，SPI，I2C，CAN，以太網(wǎng)控制器，SSI等豐富的外圍資源［2］。

2.2 供電模塊

LM3S8962控制器、藍(lán)牙模塊、ZigBee協(xié)調(diào)器的供電電壓為DC 3.3 V，GPRS模塊的電源范圍為3.4～4.7 V，文中采用低壓差穩(wěn)壓器SPX29302實(shí)現(xiàn)4.0 V的輸出電壓，經(jīng)過濾波處理后，即可滿足GPRS模塊的供電要求。4.0 V通過低壓差穩(wěn)壓器SPX1117M3穩(wěn)壓輸出3.3 V，為L(zhǎng)M3S8962、ZigBee協(xié)調(diào)器、藍(lán)牙模塊進(jìn)行供電。為了降低模擬電源/模擬地的噪聲，將模擬電源/模擬地與數(shù)字電源/數(shù)字地進(jìn)行隔離［3］，如圖3所示，模擬地AGND與數(shù)字地GND分別通過小磁珠FB1和FB2接到POWER_GND上，降低數(shù)字電源對(duì)模擬電源的噪聲干擾。

圖3 降噪電路

2.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊

此部分電路包括GPRS模塊、藍(lán)牙模塊、ZigBee協(xié)調(diào)器、PC機(jī)的接口電路設(shè)計(jì)，及以太網(wǎng)接口電路設(shè)計(jì)。LM3S8962具有兩個(gè)通用異步串行接口:UARTO是TTL接口，使用RXD和TXD兩根信號(hào)線與ZigBee協(xié)調(diào)器相連傳輸數(shù)據(jù)，PC機(jī)通過RS－232電平轉(zhuǎn)換芯片查看ZigBee協(xié)調(diào)器與控制器間的數(shù)據(jù)交互;UART1也是TTL接口，設(shè)計(jì)通過跳線帽選擇使用RXD和TXD兩根信號(hào)線與藍(lán)牙模塊或者GPRS模塊通信。

2.3.1 ZigBee協(xié)調(diào)器

ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)整個(gè)智能家居ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立，以及網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)設(shè)置，儲(chǔ)存各家居節(jié)點(diǎn)的信息，管理新節(jié)點(diǎn)的加入等。文中采用TI推出的2.4 GHz IEEE802.15.4/ZigBee片上系統(tǒng)(SoC)解決方案CC2430芯片作為ZigBee協(xié)調(diào)器的控制核心。該芯片具有可編程內(nèi)存以及通過認(rèn)證的ZigBee TM協(xié)議棧，完全滿足ZigBee協(xié)調(diào)器功能要求。主控制器只需通過串口即可與ZigBee協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

2.3.2 GPRS模塊

該模塊負(fù)責(zé)網(wǎng)關(guān)與GPRS網(wǎng)絡(luò)的鏈接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。文中采用華為推出的一款GSM/GPRS無線模塊EM310作為GPRS傳輸模塊，它支持電話、短信及GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)饶Ｊ?，?nèi)置協(xié)議棧中包含透?jìng)髅?，方便主控制器進(jìn)行透?jìng)髂Ｊ綌?shù)據(jù)傳輸［4］。

2.3.3 藍(lán)牙模塊

在文中設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)中，用戶可通過手機(jī)藍(lán)牙與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，查看、控制家居現(xiàn)場(chǎng)。由于只要求藍(lán)牙技術(shù)在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和手機(jī)藍(lán)牙之間提供無線傳輸，所以模塊只需實(shí)現(xiàn)HCI層以下的協(xié)議棧即可。文中采用的匯承公司HC－06藍(lán)牙模塊完全符合了這一點(diǎn)，它不僅可實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙HCI層以下物理鏈路的建立，而且主控制器只需RXD，TXD兩組信號(hào)即可對(duì)其控制、傳輸，大大降低了設(shè)計(jì)難度。

2.3.4 以太網(wǎng)接口

網(wǎng)關(guān)的主控制器內(nèi)部已集成了一個(gè)由介質(zhì)訪問控制器(MAC)和網(wǎng)絡(luò)物理(PHY)接口器件組成的以太網(wǎng)控制器，這使得以太網(wǎng)接口外圍電路設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，成本更低。主控制器要與外部以太網(wǎng)通信需要RJ－45接口，而RJ－45前端信號(hào)并不是理想化的，由于衰減、損耗、干擾等原因，接收端可能會(huì)出現(xiàn)丟包或者傳輸距離不夠而中斷等問題，所以在主控制器和RJ－45接口之間還需添加一個(gè)網(wǎng)絡(luò)變壓器用于解決以上問題，從成本、性能、設(shè)計(jì)難度等方面考慮，文中選用了漢仁公司的網(wǎng)絡(luò)變壓器HR601680。

3 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

文中采用開源實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS－Ⅱ作為應(yīng)用程序開發(fā)和運(yùn)行平臺(tái)，它具有構(gòu)思巧妙、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、實(shí)時(shí)性好、開源、移植性好等特點(diǎn)［5］。運(yùn)行于操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上的各個(gè)任務(wù)即為網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序，系統(tǒng)根據(jù)各個(gè)任務(wù)的情況，分配優(yōu)先級(jí)，完成資源管理、任務(wù)調(diào)度等工作。網(wǎng)關(guān)程序主程序流程圖如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

其分為三大子任務(wù)，分別是使用以太網(wǎng)協(xié)議棧以及其數(shù)據(jù)收發(fā)、GPRS模塊初始化及其數(shù)據(jù)處理傳送、藍(lán)牙模塊初始化及其數(shù)據(jù)處理傳送。主任務(wù)啟動(dòng)后，使用鍵盤輸入來選擇初始化子任務(wù)，子任務(wù)完成數(shù)據(jù)傳輸后即可關(guān)閉鏈接，或者根據(jù)需要重新選擇啟動(dòng)子任務(wù)。

3.1 以太網(wǎng)

文中使用的ZLG/IP是周立功公司基于μC/OS－Ⅱ的小型TCP/IP協(xié)議棧，它完成了TCP/IP的建立、通信和連接管理，能實(shí)現(xiàn)一個(gè)最簡(jiǎn)單的TCP服務(wù)器功能。此外，還需編寫一個(gè)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)與ZigBee協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)交互的程序，負(fù)責(zé)對(duì)來自兩種網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收、處理、轉(zhuǎn)發(fā)。用戶利用PC機(jī)上的客戶機(jī)軟件，執(zhí)行連接服務(wù)器操作，一旦連接上，即可對(duì)智能家居現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行查詢、控制。

3.2 GPRS

該任務(wù)完成對(duì)GPRS模塊EM310(簡(jiǎn)稱TA)的初始化，向EM310發(fā)送AT指令，建立GPRS數(shù)據(jù)無線傳輸鏈路，通過GPRS方式實(shí)現(xiàn)控制終端與智能家居控制現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)交互。GPRS模塊初始化流程如圖5所示。

圖5 GPRS模塊初始化流程圖

AT指令用于對(duì)GPRS模塊的控制，每發(fā)出一個(gè)AT指令，模塊都會(huì)返回一個(gè)OK。ATE0為命令回顯模式，使用該命令，可設(shè)置TA在命令狀態(tài)下是否回顯從TE(控制終端)接收到的字符。設(shè)置 AT%IOMODE=1，1，0，即數(shù)據(jù)模式命令，本文設(shè)置的模式為模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮轉(zhuǎn)換(例如，當(dāng)發(fā)送兩個(gè)字符“1A”/“1a”——AT%IPSEND=“1A”/“1a”時(shí)，模塊會(huì)自動(dòng)將兩個(gè)有效字符的 ASCII碼0x31，0x41/0x31，0x61壓縮為一個(gè)字節(jié) 0x1A/0x1A 發(fā)送);AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMNET”，注冊(cè)移動(dòng)的CMNET 網(wǎng)關(guān);AT%ETCPIP=“user”，“gprs”注冊(cè)用戶名密碼，等待分配IP，收到ok后表示分配IP完成，這個(gè)時(shí)間根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況有所不同，建議等待時(shí)間可以設(shè)置為10 s，注冊(cè)過程中做其他AT操作會(huì)注冊(cè)不到IP;AT%IPOPEN=“TCP”，“219.151.168.116”，6800 設(shè)置接收服務(wù)器的協(xié)議類型、IP和端口號(hào)，返回CONNECT表示鏈接成功。

3.3 藍(lán)牙

該任務(wù)實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙模塊的初始化、模塊與智能家居網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互等。主控制器通過串口發(fā)送AT指令對(duì)藍(lán)牙模塊進(jìn)行初始化工作，包括將其設(shè)置為從模塊、配置串口通信波特率、獲取模塊地址、初始化SPP規(guī)范庫(kù)等。

4 小結(jié)

本文提出了一種智能家居綜合網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，該方案采用高穩(wěn)定性、高性價(jià)比的Cortex－M3處理芯片LM3S8962為核心，設(shè)計(jì)通過以太網(wǎng)、GPRS、藍(lán)牙3種通信方式使控制終端與智能家居無線網(wǎng)絡(luò)相連，用戶即可快速，便捷地實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的控制查詢。該網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)不僅可以應(yīng)用于智能家居，在醫(yī)療自動(dòng)化、酒店管理以及其他新興無線應(yīng)用領(lǐng)域，都有很廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

［1］高守瑋，吳燦陽(yáng).ZigBee技術(shù)實(shí)踐教程［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

［2］周立功.ARM Cortex－M3開發(fā)指南—基于LM3S8000［M］.廣州:廣州致遠(yuǎn)電子有限公司，2007.

［3］周立功.EasyARM8962實(shí)驗(yàn)教程［M］.廣州:廣州致遠(yuǎn)公司，2007.

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［5］周航慈，吳光文.基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)技術(shù)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2006.