基于家庭基站技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王振朝，王藝衡，王竹毅

（河北大學(xué) 無線通信實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071000）

智能家居是一個(gè)以住宅為依托，利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)，使住宅內(nèi)的相關(guān)設(shè)施形成一定自主管理事務(wù)能力的多功能綜合系統(tǒng)。在智能家居系統(tǒng)中，家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況和與外部網(wǎng)絡(luò)溝通的流暢性影響著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效果。智能家居系統(tǒng)往往通過有線的以太網(wǎng)進(jìn)行組網(wǎng)，通過SIM300系列芯片與手機(jī)進(jìn)行短信收發(fā)。有線的組網(wǎng)方式布線麻煩，增減設(shè)備需要重新布線，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性差。只具備發(fā)短信功能的SIM300系列芯片造成了SIM卡資源的浪費(fèi)。本文提出的將家庭基站技術(shù)應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案很好地解決了上述問題[1-3]。

在3GPP Release 8中首次提出的家庭基站（毫微蜂窩基站，也被稱作Femtocell）技術(shù)，為用戶提供了遍及全家各處的優(yōu)質(zhì)信號(hào)覆蓋和與外部網(wǎng)絡(luò)的便捷連通。家庭基站技術(shù)是一種擴(kuò)展移動(dòng)通信室內(nèi)覆蓋的解決方案，可以把用戶手機(jī)發(fā)出的話音和數(shù)據(jù)呼叫傳輸?shù)交跇?biāo)準(zhǔn)接口的移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的核心網(wǎng)絡(luò)，它通過用戶已有的ADSL、LAN等寬帶電路連接，遠(yuǎn)端由專用網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)從IP網(wǎng)到移動(dòng)網(wǎng)的聯(lián)通。家庭基站的大小與ADSL調(diào)制解調(diào)器相似，具有安裝方便、自動(dòng)配置、自動(dòng)網(wǎng)規(guī)、即插即用的特點(diǎn)[4-7]。

基于家庭基站上述功能特性，本文提出將家庭基站技術(shù)應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)智能家居系統(tǒng)的多項(xiàng)功能進(jìn)行優(yōu)化。本系統(tǒng)利用家庭基站對(duì)信號(hào)的收發(fā)處理及其向上連接IP網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)的功能特性，在其上集成智能家居控制單元，形成智能家居系統(tǒng)多功能控制器。多功能控制器不但提供了移動(dòng)信號(hào)在室內(nèi)的良好覆蓋，而且用戶可通過移動(dòng)網(wǎng)用智能手機(jī)進(jìn)行語音、短信控制或者通過互聯(lián)網(wǎng)對(duì)智能家居系統(tǒng)的各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[8-9]。多功能控制器使得智能家居系統(tǒng)信息交流更加及時(shí)與暢通，節(jié)約了系統(tǒng)的建設(shè)成本。

1 基于家庭基站技術(shù)的智能家居系統(tǒng)

基于家庭基站技術(shù)的智能家居系統(tǒng)通過局域網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)以及小區(qū)廣播實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和通信，在完成家庭基站提供室內(nèi)信號(hào)的優(yōu)質(zhì)覆蓋的功能后繼而完成以下三大智能家居功能：1）家庭安全防范：發(fā)生盜竊、火災(zāi)、天然氣泄露等緊急情況發(fā)送報(bào)警信息；2）智能化控制：控制電燈的開關(guān)、明暗，下雨時(shí)自動(dòng)關(guān)窗，火災(zāi)時(shí)自動(dòng)斷電等；3）遠(yuǎn)程控制：用戶可通過移動(dòng)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等方式在戶外遠(yuǎn)程控制家庭設(shè)備[10-11]；另外，用戶也可以根據(jù)自己實(shí)際需要訂制智能家居系統(tǒng)的功能。

如圖1所示，本智能家居系統(tǒng)主要由一個(gè)兼有家庭基站及智能家居控制器功能的多功能控制器和若干個(gè)無線終端節(jié)點(diǎn)組成，其中多功能控制器有內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)和連接外部網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)功能。無線終端節(jié)點(diǎn)由傳感器和Zigbee無線模塊組成，傳感器負(fù)責(zé)采集各種數(shù)據(jù)，如：光照變化，煙霧濃度、突發(fā)火災(zāi)、天然氣泄露、盜賊入侵等危害用戶財(cái)產(chǎn)安全的信息，無線模塊通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)把此類信息發(fā)送給控制器。多功能控制器內(nèi)部的Zigbee無線模塊，用來接收無線終端節(jié)點(diǎn)發(fā)來的信息并交給控制器的核心芯片做進(jìn)一步處理，然后發(fā)射各種控制信號(hào)做出預(yù)定處理或者通過短信、網(wǎng)絡(luò)等形式告知用戶[12-13]。

圖1 基于家庭基站技術(shù)智能家居系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

2 智能家居系統(tǒng)中的多功能控制器

多功能控制器的設(shè)計(jì)如圖2所示，從功能和集成度以及性價(jià)比與功耗等方面考慮，選擇Mindspeed公司開發(fā)的一款多核DSP處理芯片PC205作為本智能家居系統(tǒng)多功能控制器的核心芯片。PC205不但能夠完成多功能控制器對(duì)基帶信號(hào)的處理和控制，還能夠完成對(duì)智能家居系統(tǒng)設(shè)備的控制、數(shù)據(jù)收發(fā)和數(shù)據(jù)管理等任務(wù)。

圖2 多功能控制器設(shè)計(jì)框圖

邏輯上PC205芯片分為Picoarry陣列子系統(tǒng)和ARM子系統(tǒng)。該ARM子系統(tǒng)基于ARM公司的ARM926EJ核，32位的RISC（精簡(jiǎn)指令集）處理器，具有低功率、高性能的特性，獨(dú)立的JTAG端口為基站開發(fā)提供了簡(jiǎn)單和便于操作的開發(fā)環(huán)境?？刂破鞯乃谢鶐幚砉δ苋缇幋a、調(diào)制、加密等可以借助Pico陣列實(shí)現(xiàn)，控制和高層處理功則可以通過ARM處理器來實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用程序接口APl支持Pico陣列和ARM之間的數(shù)據(jù)和控制信息的傳輸[3,6]。

控制器還有一個(gè)重要的模塊是匯聚節(jié)點(diǎn)模塊，在本系統(tǒng)中該模塊選用的是TI公司的CC2530，它在智能家居系統(tǒng)中承擔(dān)著網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)的角色，提供信息的雙向傳輸，以連接智能家居系統(tǒng)中其它終端節(jié)點(diǎn)。CC2530是TI公司的一款真正符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的片上系統(tǒng)解決方案。CC2530除了包括RF收發(fā)器外，還集成了加強(qiáng)型8051MCU、256 KByte的Flash內(nèi)存（32/64/128可選）、8 KByte的RAM、8路輸入12位ADC、2個(gè)支持多種串行通信協(xié)議的U-SART通信接口、內(nèi)置Z-stack等。CC2530工作在2.4 GHz頻段，采用低電壓（2.0～3.6 V）供電，且功耗很低（接收數(shù)據(jù)時(shí)為27 mA，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)為25 mA）、靈敏度高（-97 dBm）、最大傳送速率為250 kbit/s。CC2530的這些特性使其具有很長(zhǎng)的使用壽命和很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[11-12]。

SIM卡模塊是基于運(yùn)營(yíng)商固定移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)融合需要設(shè)計(jì)的，通過將SIM卡設(shè)置在家用基站上，運(yùn)營(yíng)商只需控制家用基站設(shè)備的SIM卡號(hào)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)家用基站覆蓋范圍內(nèi)各種移動(dòng)終端設(shè)備的統(tǒng)一認(rèn)證和一卡計(jì)費(fèi)；電源模塊的作用是通過電平轉(zhuǎn)換獲得控制器各模塊正常工作所需的電壓，并監(jiān)視各個(gè)電壓的變動(dòng)情況，保證控制器的正常工作；RS232模塊為家用基站提供RS232接口，方便控制器的串口調(diào)試[3-6]；射頻模塊的主要作用是進(jìn)行信號(hào)的放大發(fā)送和接收，主要由發(fā)射/接收器、功率放大器、低噪聲放大器和雙工器/濾波器組成。

3 智能家居系統(tǒng)中的通信網(wǎng)絡(luò)

3.1 智能家居系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)

ZigBee技術(shù)是一種新興短距離傳輸?shù)臒o線局域網(wǎng)技術(shù)，具有功耗低、成本低、容易安裝和擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)。Zigbee模塊一般工作在2.4 GHz頻段上，具有250 kbit/s的傳輸效率，傳輸距離為10～75 m。智能家居系統(tǒng)的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較小，通信數(shù)據(jù)量不大，數(shù)據(jù)傳輸速率相對(duì)較低。采用ZigBee技術(shù)，可以很好地滿足智能家居系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的上述需求，而且還具有其它無線局域網(wǎng)技術(shù)不具有的低成本和低功耗。

ZigBee標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星形、樹形和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。其中星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，連接方便，管理和維護(hù)都相對(duì)容易，而且擴(kuò)展性強(qiáng)，重新配置靈活，更適合家庭自動(dòng)化小范圍的應(yīng)用，本系統(tǒng)采用的便是星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。本結(jié)構(gòu)由一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)和一個(gè)或多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成的。匯聚節(jié)點(diǎn)位于網(wǎng)絡(luò)的中心，負(fù)責(zé)發(fā)起建立和維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，其它的終端節(jié)點(diǎn)分布在協(xié)調(diào)點(diǎn)的覆蓋范圍內(nèi)，直接與協(xié)調(diào)點(diǎn)進(jìn)行通信。

在完整的Z-stack中，雖然已經(jīng)分別實(shí)現(xiàn)了匯聚節(jié)點(diǎn)（coord）以及終端節(jié)點(diǎn)（rfd）的程序，但主要是網(wǎng)絡(luò)層及以下各層的通信協(xié)議，要完整實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能，需要對(duì)Z-stack應(yīng)用層程序進(jìn)行相應(yīng)編寫和修改。本系統(tǒng)在安放終端節(jié)點(diǎn)的過程中，增加了參考終端節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)的距離以及兩者之間有無障礙物的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置終端節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率大小的步驟，以保證其信號(hào)能被匯聚節(jié)點(diǎn)收到和降低室內(nèi)各種信號(hào)的干擾。最后將修改后的coord程序下載到匯聚節(jié)點(diǎn)以及修改的rfd程序下載到終端節(jié)點(diǎn)，對(duì)其供電，各個(gè)節(jié)點(diǎn)就可以以無線組網(wǎng)的方式正常工作了。

3.2 智能家居系統(tǒng)外部網(wǎng)絡(luò)

連接外部網(wǎng)絡(luò)的功能主要由多功能控制器完成，其核心處理芯片PC205中的ARM處理器通過串口與無線網(wǎng)絡(luò)中的匯聚節(jié)點(diǎn)模塊交換數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通。多功能控制器功能的軟件實(shí)現(xiàn)主要通過以下兩個(gè)方面：一方面是控制器的基站功能和技術(shù)指標(biāo)的軟件實(shí)現(xiàn)，主要完成的有通信系統(tǒng)（3G或LTE、LTE-A）物理層的處理和控制功能；第二方面是本文研究的重點(diǎn)，即控制器作為智能家居系統(tǒng)匯聚節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)的功能的軟件實(shí)現(xiàn)。

多功能控制器軟件的整體架構(gòu)主要由2個(gè)邏輯模塊構(gòu)成：信號(hào)處理模塊、管理調(diào)度模塊。信號(hào)處理模塊實(shí)現(xiàn)家用基站物理層信號(hào)處理功能，向管理調(diào)度模塊和射頻子系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)的接口；管理調(diào)度模塊實(shí)現(xiàn)控制器物理層的管理調(diào)度功能，向ARM子系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)的接口，用來實(shí)現(xiàn)控制面、用戶面和OAM處理。

硬件方案設(shè)計(jì)中選用的PC205核心芯片已經(jīng)集成了信號(hào)處理模塊的主要功能，完成碼片、符號(hào)和抽樣級(jí)速率物理層處理，包括調(diào)制、編碼、擴(kuò)頻等。管理調(diào)度模塊需要在Linux環(huán)境下，依據(jù)PC205芯片的ARM子系統(tǒng)開發(fā)手冊(cè)進(jìn)行開發(fā)，在主處理器PC205中的ARM子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。

首先剪裁Linux操作系統(tǒng)，移植內(nèi)核到ARM上，開發(fā)串口、以太網(wǎng)模塊等驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序。為了達(dá)到用戶在Internet上的任何一臺(tái)PC上通過IE瀏覽器登陸網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互的目的，需要在ARM上嵌入Web服務(wù)器。設(shè)置服務(wù)器運(yùn)行環(huán)境、參數(shù)等，并且把相關(guān)的配置文件、CGI程序以及html文件放在系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的文件中，然后把Boa服務(wù)器添加到系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)的服務(wù)中，嵌入式Web服務(wù)器便能夠在硬件系統(tǒng)上運(yùn)行。架設(shè)完Web服務(wù)器以后，就可以通過CGI（通用網(wǎng)關(guān)接口）調(diào)用后臺(tái)的CGI程序。CGI程序與Web服務(wù)器之間通過標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出、環(huán)境變量和命令行就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，然后調(diào)用相應(yīng)的處理程序，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的控制?？梢栽谕獠烤W(wǎng)絡(luò)上的PC或者裝有相應(yīng)APP應(yīng)用的智能手機(jī)上對(duì)整個(gè)智能家居的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制[14-15]。

另外，只要滿足發(fā)送報(bào)警或緊急情況短信息的條件，多功能控制器便會(huì)給移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送短消息，由短信中心轉(zhuǎn)發(fā)給用戶手機(jī)，具體資費(fèi)的結(jié)算由控制器上的SIM卡來承擔(dān)。

4 結(jié)束語

本方案將家庭基站技術(shù)首次應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)，在解決移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)在室內(nèi)覆蓋差的問題同時(shí)，連接外部網(wǎng)絡(luò)十分便捷，遠(yuǎn)程監(jiān)控與報(bào)警方式多樣。Zigbee組網(wǎng)的特性滿足了智能家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)低成本、低功耗、低速率的要求?？傮w來說，整個(gè)系統(tǒng)功能完善，適合未來家居智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展方向。

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