智能家居嵌入式無線網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)

季莉（江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226007）

智能家居嵌入式無線網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)

季莉
（江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226007）

智能家居是融合了自動化控制技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)于一體的網(wǎng)絡(luò)化、智能化的家居控制系統(tǒng)。智能家居嵌入式無線網(wǎng)關(guān)的功能是將家庭本地的ZigBee網(wǎng)絡(luò)與Internet和GSM等外網(wǎng)連接，用戶可隨時隨地通過瀏覽器和手機監(jiān)控與管理家居環(huán)境和設(shè)備。網(wǎng)關(guān)的設(shè)計以ARM Cortex-M3為核心，Linux為平臺操作系統(tǒng)，構(gòu)建嵌入式Boa服務(wù)器，實現(xiàn)家庭內(nèi)網(wǎng)與Internet的通信。GSM模塊發(fā)送報警信息到用戶手機。經(jīng)測試，智能家居網(wǎng)關(guān)具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，具有普及推廣的參考價值和應(yīng)用前景。

智能家居；網(wǎng)關(guān)；ZigBee；無線網(wǎng)絡(luò)；遠(yuǎn)程監(jiān)控

0 引言

智能家居是一個新興產(chǎn)業(yè)，隨著國家推動信息化、智能化城市發(fā)展的進程，智能家居近幾年得到了快速發(fā)展，市場消費潛力巨大。智能家居以住宅為載體，利用先進的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、綜合布線技術(shù)、自動控制技術(shù)、安全防范技術(shù)、音視頻技術(shù)，集成家庭日常生活的各類設(shè)施，實現(xiàn)高效的住宅管理，構(gòu)建安全便利、藝術(shù)舒適、環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。

智能家居網(wǎng)關(guān)的功能是將Internet或者GSM等外網(wǎng)與家庭本地網(wǎng)絡(luò)連接通信。家庭本地網(wǎng)絡(luò)通過建立網(wǎng)絡(luò)以實現(xiàn)對家居環(huán)境的數(shù)據(jù)采集與電器設(shè)備的控制，如通過對家庭亮度、溫度、濕度、可燃性氣體的監(jiān)測，對燈光、窗簾、空調(diào)、加濕器、報警裝置等設(shè)備實現(xiàn)自動控制；通過網(wǎng)關(guān)，用戶可以通過遠(yuǎn)程PC、手機、互聯(lián)網(wǎng)電視等終端來監(jiān)控智能家居。

目前主流的無線通信技術(shù)包括紅外技術(shù)、家庭無線電射頻技術(shù)、WiFi技術(shù)、GSM技術(shù)、ZigBee技術(shù)，這些技術(shù)各有優(yōu)缺點，無法獨自擔(dān)當(dāng)智能家居無線網(wǎng)絡(luò)體系傳輸?shù)闹厝危?］。ZigBee傳輸速率為250kb/s，家居環(huán)境的數(shù)據(jù)采集與電器設(shè)備的控制需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大且數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相對簡單，因此家庭內(nèi)網(wǎng)采用ZigBee技術(shù)可以滿足智能家居架構(gòu)內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)需求［2］；WiFi的速率為11Mb/s，屬于高速網(wǎng)絡(luò)，可滿足用戶方便地通過Internet網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，而全球應(yīng)用最廣泛的移動電話GSM標(biāo)準(zhǔn)，可滿足用戶隨時隨地通過手機遠(yuǎn)程監(jiān)控。本文設(shè)計的智能家居嵌入式無線網(wǎng)關(guān)的功能是將家庭本地的ZigBee網(wǎng)絡(luò)與Internet和GSM網(wǎng)絡(luò)等外網(wǎng)連接，用戶可以通過外網(wǎng)對本地網(wǎng)絡(luò)進行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)

1.1 總體架構(gòu)

為實現(xiàn)多種無線網(wǎng)絡(luò)融合的智能家居系統(tǒng)，嵌入式智能網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計由處理器、無線收發(fā)模塊、以太網(wǎng)模塊和GSM模塊等組成。無線收發(fā)模塊與智能家居的ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信，ZigBee網(wǎng)絡(luò)包括協(xié)調(diào)器、各類傳感器終端節(jié)點，具體包括溫/濕度采集節(jié)點、可燃?xì)怏w報警信號采集節(jié)點以及各控制節(jié)點。以太網(wǎng)模塊將網(wǎng)關(guān)連接入Internet網(wǎng)。GSM模塊具有發(fā)送SMS短信、語音通話、GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)然贕SM網(wǎng)絡(luò)進行通信的所有基本功能。網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖

處理器選用ST公司的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103型號單片機［3］。STM32F103工作頻率達(dá)到72MHz，內(nèi)置高速存儲器。調(diào)試模式有 2種，串口調(diào)試和JTAG接口，本文中采用串口調(diào)試方式。STM32F103接口豐富，有2個T2C接口（SM-Bus/PMBus）、5個USART接口、3個SPI接口等。這些特性足以滿足本網(wǎng)關(guān)設(shè)計的要求。

1.2 無線收發(fā)模塊

無線收發(fā)模塊采用TI公司的CC2530芯片。它結(jié)合一個高性能2.4GHz DSSS射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的8051控制器。系統(tǒng)內(nèi)具有可編程閃存、8KB RAM和許多其他強大的功能。CC2530具有休眠模式，而且轉(zhuǎn)換到主動模式的時間超短，特別適合智能家居中要求長期使用避免頻繁換電池的需求［4］。CC2530模塊通過SPI接口與處理器相連接，采用3V紐扣鋰電池供電。

1.3 以太網(wǎng)模塊

以太網(wǎng)控制芯片選用DM9000A，是臺灣DEVICOM公司研發(fā)的10M/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)控制器芯片，它能滿足數(shù)據(jù)傳輸需要并且性價比高、占用資源少，在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。圖2是以太網(wǎng)控制器與處理器的連接圖。處理器通過FSMC總線連接以太網(wǎng)控制芯片，即FSMCD0～D15腳按順序連接到DM9000A的SD0～SD15；FSMCA2連接CMD，當(dāng)CMD值為1時，處理器訪問DM9000A的數(shù)據(jù)寄存器；當(dāng)CMD值為0時，處理器訪問DM9000A的地址寄存器。IOR與IOW分別控制DM9000A的讀和寫。CS是芯片的片選信號線，INT為中斷，PWRST是外部復(fù)位管腳。

圖2 以太網(wǎng)模塊與處理器的連接圖

1.4 GSM模塊

GSM模塊采用SIMCom的無線模塊SIM300。SIM300是一款4頻GSM/GPRS模塊，工作頻率為GSM/GPRS850/900/1800/1900MHz，可以低功耗實現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。SIM300的尺寸大小為40×33×2.85（mm），能適用于M2M應(yīng)用中的各類設(shè)計需求，尤其適用于緊湊型產(chǎn)品設(shè)計。該模塊使得用戶可以通過隨身攜帶的手機對家里環(huán)境進行監(jiān)控，一旦有緊急情況發(fā)生，報警信息會發(fā)送到手機，方便用戶第一時間處理。

2 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計

ARM Cortex-M3采用免費開源的Linux作為平臺操作系統(tǒng)，Linux占用資源小、內(nèi)核可裁剪、移植方便，能滿足智能家居網(wǎng)關(guān)的設(shè)計要求［5］。

2.1 網(wǎng)關(guān)與Internet通信

嵌入式的Web服務(wù)器目前主要有Boa、Goahead、Thttpd、Shttpd、Appweb和Apache等。嵌入式設(shè)備的資源相對有限且并不需要并發(fā)處理多用戶需求，因此本設(shè)計采用開源的Boa服務(wù)器［6］。它占用資源小，支持CGI程序，性能優(yōu)越。CGI（Common Gateway Interface，公共網(wǎng)關(guān)接口）運行在服務(wù)器上，提供同客戶端HTML頁面的接口［7］。

在嵌入式ARM服務(wù)器的Linux操作系統(tǒng)上安裝Boa網(wǎng)頁服務(wù)器，當(dāng)服務(wù)器接受用戶通過瀏覽器發(fā)送的請求，Boa通過CGI方式調(diào)用C語言程序獲取家居本地網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息，再返回給瀏覽器頁面。處理步驟如下：

（1）用戶請求通過IE瀏覽器發(fā)送給Boa服務(wù)器；

（2）Boa服務(wù)器接受用戶請求并傳送給CGI程序處理；

（3）CGI程序讀取各傳感器節(jié)點的狀態(tài)數(shù)據(jù)并傳送給Boa服務(wù)器；

（4）服務(wù)器將處理結(jié)果返回給用戶。

服務(wù)器中網(wǎng)頁采用HTML語言來編寫，腳本采用Javascript，例如從家庭內(nèi)網(wǎng)獲得室溫狀態(tài)數(shù)據(jù)，對應(yīng)的Javascript腳本程序如下：

2.2 網(wǎng)關(guān)與GSM通信

GSM模塊與系統(tǒng)ARM處理器串口方式連接，通過AT指令集進行通信［8］。SMS_flag標(biāo)志位表示處理器的短信緩沖區(qū)數(shù)組是否有內(nèi)容，當(dāng)有內(nèi)容時，標(biāo)志位設(shè)為1，當(dāng)內(nèi)容被讀取后，標(biāo)志位設(shè)為0。處理器通過發(fā)送AT指令到GSM模塊后，等模塊返回“OK”，則模塊與控制器通信正常。接著檢測數(shù)據(jù)標(biāo)志位，data_flag標(biāo)志位等于1，則有數(shù)據(jù)發(fā)送，調(diào)用短消息發(fā)送函數(shù)SMS_sendout（）發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送成功則結(jié)束，否則重新調(diào)用短消息發(fā)送函數(shù)。通信流程如圖3所示。

圖3 GSM模塊與

3 測試

網(wǎng)關(guān)與ZigBee節(jié)點上電后，協(xié)處理器模塊通信流程圖調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)，ZigBee節(jié)點加入該網(wǎng)絡(luò)并開始發(fā)送數(shù)據(jù)。測試中，ZigBee節(jié)點每隔1s向網(wǎng)關(guān)發(fā)送溫度、濕度、電壓等信息，網(wǎng)關(guān)收到數(shù)據(jù)進行處理。SIM模塊的TXD、RXD使用杜邦線連接到ARM串口1的RXD、TXD，在RealView MDK開發(fā)環(huán)境中調(diào)試。SIM模塊的RS232接口連接到電腦，通過串口調(diào)試助手工具測試數(shù)據(jù)。

測試中設(shè)置夏季室內(nèi)溫度閾值為28℃，即當(dāng)室溫超過閾值，自動開啟空調(diào)。SIM模塊收到處理器傳遞的各節(jié)點狀態(tài)信息后，生成提示短信“High temperature warning”，模塊提示+CMTI："SM"，8，表明有新的短信，存放在SIM卡的位置8。然后，發(fā)送AT+CMGR=8，即可讀取該短信。調(diào)試軟件顯示短信發(fā)送方的電話號碼和發(fā)送時間，發(fā)送的內(nèi)容與預(yù)設(shè)的一致，如圖4所示。

圖4 串口調(diào)試助手軟件測試截圖

ZigBee網(wǎng)關(guān)設(shè)備上電，通過RJ45接口連接路由器。網(wǎng)關(guān)IP地址配置為192.168.139.254，客戶端PC的IP設(shè)為192.168.139.20，與ZigBee網(wǎng)關(guān)的IP處于同一網(wǎng)段。打開IE瀏覽器，輸入ZigBee網(wǎng)關(guān)的IP，則運行嵌入式Web服務(wù)器頁面，如圖5所示。在該界面實時顯示當(dāng)前的室內(nèi)溫度，能正確接收ZigBee網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點狀態(tài)數(shù)據(jù)。在設(shè)備控制中，空調(diào)設(shè)備自動打開，從而實現(xiàn)對家居的遠(yuǎn)程控制。

圖5 智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)界面

4 結(jié)論

本文設(shè)計了智能家居嵌入式無線網(wǎng)關(guān)，其功能是將家庭本地的 ZigBee網(wǎng)絡(luò)與Internet和GSM網(wǎng)絡(luò)等外網(wǎng)連接，用戶可隨時隨地通過手機和瀏覽器監(jiān)控與管理家居環(huán)境和設(shè)備。網(wǎng)關(guān)的設(shè)計以ARM Cortex-M3為核心，以Linux為平臺操作系統(tǒng)，構(gòu)建嵌入式Boa服務(wù)器，實現(xiàn)家庭內(nèi)網(wǎng)與Internet的通信。GSM模塊發(fā)送報警信息到用戶手機。經(jīng)測試，智能家居嵌入式無線網(wǎng)關(guān)具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，具有普及推廣的參考價值和應(yīng)用前景。

［1］閔麗娟，盧捍華，陳玲，等.智能家居的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及相關(guān)無線通信技術(shù)研究［J］.計算機技術(shù)與發(fā)展，2011，21（8）：169-172.

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Design and implemention of embedded wireless gateway for intelligent home

Ji Li
（Jiangsu College of Engineering and Technology，Nantong 226007，China）

Intelligent home is a smart networked home management system integrated with automation control technology，computer network technology and communication technology.The function of embedded wireless gateway for intelligent home integrated with various wireless networks is to combine ZigBee network and outer net，such as Internet and GSM.User can monitor indoor scenes and devices by mobile phone and internet explorer whenever and wherever if possible.The gateway builds Boa web server with ARM Cortex-M3 embedded processor as core and Linux as operation system to achieve communication of inner network and outer network.GSM modle sends alarm information to user′s mobile phone.The test proves that the intelligent home gateway has characteristics of high reliability and good stability，which is well worth popularization and promotion.

intelligent home；gateway；ZigBee；wireless network；remote monitor

TP393

A

1674-7720（2015）18-0053-03

季莉.智能家居嵌入式無線網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.微型機與應(yīng)用，2015，34（18）：53-55，58.

2015-04-23）

季莉（1978-），通信作者，女，碩士，講師，主要研究方向：智能樓宇，移動網(wǎng)絡(luò)。E-mail：4170478@qq.com。