基于6LOWPAN的智能家電監(jiān)測與控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

魏燕達(dá)+周衛(wèi)星

摘 要： 系統(tǒng)以Android智能手機(jī)為操作終端，IP網(wǎng)絡(luò)為傳輸介質(zhì)，使用STM32F107微處理器和集成射頻功能在內(nèi)的STM32W108微處理器構(gòu)建嵌入式網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過網(wǎng)絡(luò)物理芯片DP83848傳輸操作終端的控制或查詢命令，利用6LOWPAN技術(shù)傳輸無線傳感網(wǎng)絡(luò)的無線數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)對家電終端的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制功能。該系統(tǒng)解決傳統(tǒng)家居傳感器節(jié)點與互聯(lián)網(wǎng)信息融合的問題，實驗測試結(jié)果表明，系統(tǒng)設(shè)計合理，具有良好的可行性，有一定的應(yīng)用價值和前景。

關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 智能家電； 6LOWPAN； STM32； Android

中圖分類號： TN919.2?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）14?0101?04

0 引 言

現(xiàn)代社會提倡節(jié)能減排，人們不良的用電習(xí)慣往往帶來不必要的浪費。這就需要能夠?qū)Ω黝愑秒娖鬟M(jìn)行監(jiān)測和控制的系統(tǒng)。智能家居在傳統(tǒng)的家居環(huán)境中引入自動化控制等技術(shù)，可以解決以上問題，但是布線復(fù)雜，價格昂貴[1?2]。而物聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)今學(xué)術(shù)和應(yīng)用研究的熱點之一，接入互聯(lián)網(wǎng)需要專用的適配器[3?4]，6LOWPAN技術(shù)的提出，將IP網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為可能[5]。本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運用到家電系統(tǒng)，在不改變舊式家電的基礎(chǔ)上，提出在燈座插線增加轉(zhuǎn)接器的非侵入低成本手段，該轉(zhuǎn)換器利用6LOWPAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議搭建低功耗的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對家電終端的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制功能。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

基于6LOWPAN的智能家電監(jiān)測與控制系統(tǒng)框架圖如圖1所示，系統(tǒng)由手持客戶終端、嵌入式網(wǎng)關(guān)、IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主智能節(jié)點和從轉(zhuǎn)換器節(jié)點等部分構(gòu)成。手持客戶終端采用Android手機(jī)，安裝開發(fā)的APP軟件就能通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制家電；嵌入式網(wǎng)關(guān)提供互聯(lián)網(wǎng)訪問服務(wù)和轉(zhuǎn)發(fā)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)指令的功能，負(fù)責(zé)接收手機(jī)發(fā)來的指令，并將其轉(zhuǎn)換為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可識別的指令以及轉(zhuǎn)發(fā)到對應(yīng)的智能節(jié)點上。網(wǎng)關(guān)采用STM32W108和STM32F107雙核處理器方案，STM32W108處理無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的6LOWPAN數(shù)據(jù)，STM32F107處理互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。嵌入式網(wǎng)關(guān)是整個系統(tǒng)的核心，擔(dān)任數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)發(fā)工作，需要很強(qiáng)的可靠性和穩(wěn)定性[6]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由主節(jié)點和從節(jié)點組成，主節(jié)點作為嵌入式網(wǎng)關(guān)與從節(jié)點之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆酚善?，從?jié)點嵌入到家電中，監(jiān)測和控制家電狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)框架

2 硬件電路設(shè)計

該系統(tǒng)采用Android智能手機(jī)作為客戶端；嵌入式網(wǎng)關(guān)的STM32F107與STM32W108處理器之間通過Uart接口連接；網(wǎng)絡(luò)物理層芯片采用DP83848；IPv6無線傳感網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點采用都是STM32W108處理器。嵌入式網(wǎng)關(guān)和IPv6無線傳感網(wǎng)絡(luò)的無線收發(fā)模塊采用的都是STM32W108內(nèi)部自帶的RF模塊，外接一個陶瓷天線構(gòu)成。硬件總體框架圖如圖2所示。

圖2 硬件總體框架圖

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

IPv6無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。主節(jié)點“R”和從節(jié)點“N”都采用STM32W108處理器，不同之處在于節(jié)點“N”比節(jié)點“R”增加傳感器和控制電路模塊。

STM32W108是意法半導(dǎo)體（ST）公司推出的一個完全集成的系統(tǒng)級芯片，該芯片集成符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz收發(fā)器、32位ARM Cortex?M3微處理器、FLASH閃存、RAM儲存器和其他通用外設(shè)。在保持低功耗的基礎(chǔ)上， 采用32位ARM Cortex?M3內(nèi)核，它有別于其他的[816]位處理器，其提供更強(qiáng)大的處理能力，并有廣泛的ARM開發(fā)工具，群體支持；芯片內(nèi)部帶有功率放大器，發(fā)射輸出功率可達(dá)7 dBm，無需外部功放就可以獲得較遠(yuǎn)的通信距離[7]。

圖3 IPv6無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2.2 嵌入式網(wǎng)關(guān)

嵌入式網(wǎng)關(guān)主要由STM32F107，STM32W108和DP83848三部分電路模塊構(gòu)成。STM32F107也是由ST公司推出全新SMT32互聯(lián)型系列控制器中的一款性能較強(qiáng)的產(chǎn)品，此芯片集成各種共性能工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，并且STM32F10X不用型號產(chǎn)品在引腳和軟件上具有完美的兼容性，可以輕松適應(yīng)更多的應(yīng)用。此芯片的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)包括10個定時器，2個12位A/D，2個12位D/A，2個I2C接口，5個USART接口，3個SPI接口，高質(zhì)量數(shù)字音頻接口I2S。另外擁有全速USB（OTG）接口，2個CAN 2.0B接口和10M/100M以太網(wǎng) MAC模塊。STM32F107內(nèi)部自帶以太網(wǎng)模塊，以及嵌入式網(wǎng)關(guān)無需用戶顯示界面，不需要性能很高的處理器，所以選用性價比較好的STM32F107處理器。

DP83848是美國國家半導(dǎo)體（NS）公司生產(chǎn)的集成以太網(wǎng)控制芯片，是一種10M/100M單路物理層以太網(wǎng)收發(fā)器器件，支持MII和RMII接口模式，集成度高，具有全功能、低功耗等性能。本系統(tǒng)采用RMII接口，配置成100 Mb/s以太網(wǎng)模式。

3 軟件設(shè)計

3.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

節(jié)點“N”和“R”移植Contiki操作系統(tǒng)，Contiki系統(tǒng)由瑞典計算機(jī)科學(xué)研究所開發(fā)，是一個開源多任務(wù)事件驅(qū)動操作系統(tǒng)，專為網(wǎng)絡(luò)嵌入式設(shè)備設(shè)計。輕量級的足印很適合內(nèi)存有限的MCU。一個Contiki系統(tǒng)只需2 KB的RAM和40 KB的ROM。包含一個事件驅(qū)動的內(nèi)核，使用輕量級的protothreads進(jìn)程模型，可以在事件驅(qū)動內(nèi)核上提供一個線性的、類似于線程的編程風(fēng)格，Contiki操作系統(tǒng)可運行于各種平臺[8?9]。

在Windows系統(tǒng)環(huán)境下，采用Cygwin開發(fā)平臺。Cygwin是許多自由軟件的集合，最初由Cygnus Solutions開發(fā)，在各種版本的Microsoft Windows上運行Unix類系統(tǒng)。在Cygwin環(huán)境下移植Contiki操作系統(tǒng)，需要另外借助EWARM編譯工具。安裝好相應(yīng)軟件后，打開Cygwin軟件，需要設(shè)置編譯軟件PATH環(huán)境變量。命令如下：

exportPATH=/cygdrive/c/Program＼Files/IAR＼Systems/Embedded＼Workbench＼5.4＼Evaluation/arm/bin：$PATH

智能節(jié)點軟件流程圖如圖4所示，智能節(jié)點上電初始化之后，處于監(jiān)聽嵌入式網(wǎng)關(guān)的狀態(tài)。一旦嵌入式網(wǎng)關(guān)發(fā)來無線數(shù)據(jù)包，智能節(jié)點就對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析。如果是監(jiān)測家電狀態(tài)的指令，智能節(jié)點就查詢當(dāng)前家電的狀態(tài)，把數(shù)據(jù)打包之后通過射頻模塊發(fā)送給嵌入式網(wǎng)關(guān)；如果是控制指令，智能節(jié)點將會控制家電的開關(guān)狀態(tài)，完成指令控制后，智能節(jié)點也會通過射頻模塊向嵌入式網(wǎng)關(guān)發(fā)送應(yīng)答信號。

圖4 智能節(jié)點軟件流程圖

3.2 嵌入式網(wǎng)關(guān)

嵌入式網(wǎng)關(guān)內(nèi)部有2個獨立的操作系統(tǒng)，其中STM32F107處理器移植μC/OS操作系統(tǒng)[10]，STM32W108移植Contiki系統(tǒng)。操作系統(tǒng)之間通過Uart協(xié)議通信，通信自定義幀格式如表格1所示。自定義幀由幀頭、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識、節(jié)點地址與端口號、節(jié)點狀態(tài)、傳感器類型、節(jié)點數(shù)據(jù)、保留字節(jié)和幀尾組成，長度為16 B。通過讀取節(jié)點的狀態(tài)和節(jié)點數(shù)據(jù)，客戶端就可以監(jiān)測和控制傳感器節(jié)點。幀格式保留2 B，當(dāng)有更多的數(shù)據(jù)傳輸時，保留的字節(jié)可以直接擴(kuò)展。

表1 自定義幀格式

嵌入式網(wǎng)關(guān)軟件流程圖如圖5所示，網(wǎng)關(guān)上電初始化之后，處于監(jiān)聽UDP端口信息狀態(tài)，等待客戶端的訪問。一旦有客戶端訪問，需要驗證客戶端的遠(yuǎn)程口令是否正確。如果口令不正確，不再解析數(shù)據(jù)包，返回監(jiān)聽UDP端口信息狀態(tài)；如果口令正確，將會解析數(shù)據(jù)包。解析后的數(shù)據(jù)包由網(wǎng)關(guān)的射頻模塊向IPv6無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送無線數(shù)據(jù)。在設(shè)定的時間內(nèi)，不管IPv6無線傳感網(wǎng)絡(luò)有無響應(yīng)嵌入式網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)都會向客戶端返回指令響應(yīng)狀態(tài)的應(yīng)答信號。

3.3 Android客戶端

客戶端用Android手機(jī)為載體，軟件設(shè)計流程圖如圖6所示。在登錄界面用戶輸入嵌入式網(wǎng)關(guān)的IP地址、UDP端口號和遠(yuǎn)程口令，點擊界面“登陸”按鈕后，軟件通過IP網(wǎng)絡(luò)向嵌入式網(wǎng)關(guān)發(fā)送登陸命令，如果通過嵌入式網(wǎng)關(guān)的遠(yuǎn)程口令驗證，軟件進(jìn)入功能界面；如果沒通過嵌入式網(wǎng)關(guān)的遠(yuǎn)程口令驗證，軟件則停留在登錄界面。功能界面提供友好的操作，軟件等待用戶按下觸屏按鈕，一旦按鈕被按下，軟件向嵌入式網(wǎng)關(guān)發(fā)送相應(yīng)的指令后，等待嵌入式網(wǎng)關(guān)響應(yīng)，軟件根據(jù)響應(yīng)的信息更改對應(yīng)的界面顯示。

4 實驗測試

圖7為手機(jī)客戶端登陸界面，輸入正確的嵌入式網(wǎng)關(guān)IP地址、UDP端口號以及遠(yuǎn)程口令訪問嵌入式網(wǎng)關(guān)。系統(tǒng)需要測試無線數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸。在客戶端側(cè)安裝網(wǎng)絡(luò)抓包工具，并開啟手機(jī)root權(quán)限，捕獲發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)。圖8為UDP數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸數(shù)據(jù)信息，與自定義幀格式一致。圖9為客戶端功能操作界面。

圖5 嵌入式網(wǎng)關(guān)軟件流程圖

圖6 客戶端軟件流程圖

5 結(jié) 語

本文提出一種基于6LOWPAN的智能家電監(jiān)測和控制系統(tǒng)的非侵入解決方案，對系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計進(jìn)行論述，最后對系統(tǒng)進(jìn)行測試。系統(tǒng)各模塊正常穩(wěn)定工作，實現(xiàn)IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)，用戶通過客戶端可以實時監(jiān)測和控制家電的目標(biāo)。

圖7 客戶端登陸界面

圖8 抓包信息

圖9 功能界面

參考文獻(xiàn)

[1] 馮凱，童世華.智能家居的由來及其發(fā)展趨勢[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2010（6）：7?8.

[2] 張鴻愷，伍超.智能家居及其發(fā)展研究[J].黑龍江科技信息，2008（32）：266?267.

[3] 尹育新，戎宏娜.淺談一種全新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：物聯(lián)網(wǎng)[J].信息系統(tǒng)工程，2010（2）：105?106.

[4] 申斌，張桂青，汪明，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居設(shè)計與實現(xiàn)[J].自動化與儀表，2013（2）：6?10.

[5] 張宏科，梁露露，高德云.IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究及其應(yīng)用[J].中興通訊技術(shù)，2009（5）：37?40.

[6] 朱宇陽.智能家居系統(tǒng)嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計[D].上海：華東師范大學(xué)，2009.

[7] 沈建華，郝立平.STM32W無線射頻ZigBee單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

[8] 王建國.基于Contiki OS的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中輕量級IPSec設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京：北京交通大學(xué)，2013.

[9] 冀宇鑫，楊冬，秦雅娟，等.基于WSNs平臺的Contiki通用移植方法研究[J].計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2012（11）：134?137.

[10] LABROSSE J J.嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS?Ⅱ[M].2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.