論智能家居的網(wǎng)關設計

【摘 要】在現(xiàn)階段，發(fā)展智能家居系統(tǒng)的關鍵是Internet等外部網(wǎng)絡的接入和家庭內(nèi)部網(wǎng)絡的組網(wǎng)問題，核心是智能家居的網(wǎng)關設計問題。本文設計的智能家居網(wǎng)關采用S3C2440微處理器為主控制器，以開源的Linux 作為ARM9 S3C2440處理器平臺的操作系統(tǒng)，并結(jié)合 ZigBee協(xié)調(diào)器模塊，實現(xiàn)了家庭物聯(lián)網(wǎng)與外部網(wǎng)絡的通信功能。

【關鍵詞】智能家居，網(wǎng)關設計，ZigBee

1引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對生活方式提出了更高的要求，而智能家居作為統(tǒng)籌管理家庭內(nèi)部各種設備的系統(tǒng)，它能使家居生活更加舒適和安全，因而備受關注。智能家居是指利用先進的無線網(wǎng)絡技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、RFID技術(shù)和傳感器技術(shù)等先進技術(shù)實現(xiàn)和家居生活有關的各種設備互聯(lián)互通與智能控制，是未來居住模式發(fā)展的必然趨勢。智能家居網(wǎng)關是整個智能家居系統(tǒng)的核心，它通過Internet或者移動通信網(wǎng)絡等外網(wǎng)連接家庭物聯(lián)網(wǎng)和遠程智能控制終端，使用戶可以在遠端就對家庭設備進行監(jiān)控。本文所設計的智能家居網(wǎng)關主要由ARM9 S3C2440主處理器模塊、ZigBee 協(xié)調(diào)器模塊以及相關 ZigBee 終端設備構(gòu)成，并移植Linux操作系統(tǒng)，然后在其上完成網(wǎng)關軟件功能的設計。

2智能家居網(wǎng)關總體方案設計

2.1系統(tǒng)總體設計。本文采用ARM9 S3C2440微處理器為主控制器，以開源的Linux 作為ARM9 S3C2440處理器平臺的操作系統(tǒng)，以 CC2530 作為ZigBee 協(xié)調(diào)器的核心芯片。其中，主控制器主要負責響應來自用戶智能終端設備（智能手機、平板電腦等）的請求并處理來自ZigBee 終端設備的信息；ZigBee協(xié)調(diào)器主要負責家庭內(nèi)部物聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)并為主控制器和家庭物聯(lián)網(wǎng)之間提供通信信道。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，家庭物聯(lián)網(wǎng)由 ZigBee設備以及家庭內(nèi)部其他設備組成。因為當前家電的主要控制方式為紅外控制，所以家電需要通過 ZigBee 轉(zhuǎn)紅外設備連接到家庭物聯(lián)網(wǎng)中來。

2.2系統(tǒng)基本流程。智能家居網(wǎng)關主要完成了從TCP/IP協(xié)議棧到ZigBee 協(xié)議棧之間的相互轉(zhuǎn)換。來自家庭內(nèi)部物聯(lián)網(wǎng)上的信息可以通過網(wǎng)關系統(tǒng)傳輸?shù)接脩舻倪h程智能終端上，同時主控制器內(nèi)配置有存儲器，以便建立嵌入式數(shù)據(jù)庫存儲這些信息用。而來自用戶遠程智能終端的請求也可以通過網(wǎng)關系統(tǒng)到達家庭物聯(lián)網(wǎng)以實現(xiàn)用戶的查詢或控制需求。

3網(wǎng)關硬件結(jié)構(gòu)

智能家居系統(tǒng)通常由主控器模塊、家庭物聯(lián)網(wǎng)、家庭網(wǎng)關與遠程智能終端四部分組成。家庭物聯(lián)網(wǎng)負責將各終端節(jié)點采集到的信息傳輸給網(wǎng)關，并將經(jīng)網(wǎng)關處理后傳輸給用戶的遠程智能控制終端。而用戶可以則通過手機、平板電腦、個人PC等遠程智能終端完成對家庭物聯(lián)網(wǎng)的查詢和控制功能。

3.1主控制器模塊。如圖2所示，本文設計的主控制器模塊由ARM9 S3C2440、DM9000AE網(wǎng)卡和SIM300手機模組構(gòu)成。其中，主控器所采用的ARM9 S3C2440芯片是基于ARM920T內(nèi)核而開發(fā)的32位RISC微處理器芯片，其最高主頻為400Mhz，完全滿足智能家居的控制需求；網(wǎng)卡是實現(xiàn)家庭物聯(lián)網(wǎng)與Internet互聯(lián)互通的必備硬件，本文設計采用DM9000AE網(wǎng)卡；SIM300手機模組將家庭物聯(lián)網(wǎng)的信息以短信形式發(fā)送到用戶的智能手機等遠程智能終端上，用戶也可以通過發(fā)送短信的形式實現(xiàn)對家庭物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控。由于GSM 網(wǎng)絡完全可以實現(xiàn)本文設計網(wǎng)關系統(tǒng)的所有功能并且成本更低，所以本文設計沒有選用3G/4G移動通信網(wǎng)絡。

3.2 ZigBee協(xié)調(diào)器模塊。ZigBee 協(xié)調(diào)器模塊作為家庭物聯(lián)網(wǎng)的協(xié)調(diào)器需要完成組網(wǎng)、管理設備的添加與刪除、傳輸信息等功能。考慮到ZigBee的穿墻能力較差，為了讓其適應不同的家庭環(huán)境，因此本文采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡進行組網(wǎng)。在傳輸信息時，由ZigBee 協(xié)調(diào)器模塊發(fā)出的信息可以直接或者通過多跳路由到達相應的終端設備，而從終端設備發(fā)來的信息也可以通過同樣的原理到達ZigBee 協(xié)調(diào)器模塊。

本文設計的ZigBee協(xié)調(diào)器模塊采用CC2530作為核心芯片。該模塊通過一個異步串行接口和ARM9 S3C2440主控器模塊相連，只需三根線發(fā)送、接收、地線即可以完成全雙工的通信，完全能夠滿足家庭物聯(lián)網(wǎng)與ARM9 S3C2440主控器之間的通信功能需求。

4網(wǎng)關的軟件

本文設計的網(wǎng)關主控制器建立在嵌入式的Linux系統(tǒng)之上。Linux內(nèi)核具有免費、開源、易于移植、占用資源小以及支持多進程等優(yōu)點，完全滿足本文網(wǎng)關的設計要求。

智能家居網(wǎng)關在接收到用戶遠程智能終端通過Internet/GSM傳送來的信息之后，進行相應的處理，通過串口發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器模塊。ZigBee協(xié)調(diào)器模塊再把接受到的信息進行處理后發(fā)送給家庭設備。此外，智能家居網(wǎng)關還可以將通過家庭物聯(lián)網(wǎng)采集到的家庭設備上的信息進行存儲，并根據(jù)需要做出響應以及發(fā)送到用戶的遠程智能終端上。整個網(wǎng)關系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)的功能有兩個：主控制器工作流程和ZigBee 協(xié)調(diào)器工作流程。

4.1主控制器流程

主控制器啟動之后，首先完成軟硬件的初始化，然后程序分為以下兩個分支：（1）處理通過家庭物聯(lián)網(wǎng)采集到的家庭設備數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲到主控制器中配置的存儲器上（如SD卡等）；（2）處理用戶通過遠程智能終端發(fā)來的查詢和控制等請求，并對其進行處理。

4.2 ZigBee 協(xié)調(diào)器流程

CC2530 協(xié)調(diào)器模塊啟動之后，首先完成軟硬件的初始化，初始化包括：先建立ZigBee 網(wǎng)絡，再建立家庭物聯(lián)網(wǎng)。在家庭物聯(lián)網(wǎng)建立后，程序分為三支進行輪詢處理：第一支處理要加入的子節(jié)點；第二支處理 ZigBee 網(wǎng)絡傳來的數(shù)據(jù)；第三只處理從主控制器傳來的串口數(shù)據(jù)。

5結(jié)束語

作為一個蓬勃發(fā)展的朝陽產(chǎn)業(yè)，智能家居系統(tǒng)受到了社會的廣泛關注，而其網(wǎng)關技術(shù)的發(fā)展一直是制約其實際應用水平提高的障礙。在現(xiàn)階段，發(fā)展智能家居系統(tǒng)的關鍵是Internet等外部網(wǎng)絡的接入和家庭內(nèi)部網(wǎng)絡的組網(wǎng)問題，核心是智能家居的網(wǎng)關設計問題。智能家居網(wǎng)關設計應從智能家居系統(tǒng)的整體功能出發(fā)，采用最先進的技術(shù)，同時還應兼顧當前智能家居系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，以此推動智能家居系統(tǒng)的整體應用水平不斷取得提高。

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