嵌入式智能家居網(wǎng)關(guān)設(shè)計

江治國

（安徽國防科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，安徽六安237011）

嵌入式智能家居網(wǎng)關(guān)設(shè)計

江治國

（安徽國防科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，安徽六安237011）

在智能家居控制系統(tǒng)中，網(wǎng)關(guān)主要實現(xiàn)家居終端設(shè)備與遠(yuǎn)程用戶之間的數(shù)據(jù)和命令的傳輸。本文設(shè)計了一種基于嵌入式硬件平臺構(gòu)建的智能家居網(wǎng)關(guān)，與WiFi、ZigBee和以太網(wǎng)等技術(shù)相結(jié)合，能實現(xiàn)對家居終端的遠(yuǎn)程控制和管理，該智能家居控制網(wǎng)關(guān)能夠很好地滿足系統(tǒng)要求，具有成本低、維護(hù)簡單等特點(diǎn)。

智能家居；嵌入式；ZigBee技術(shù)；網(wǎng)關(guān)

智能家居控制系統(tǒng)是電子技術(shù)、通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等交叉融合的綜合控制系統(tǒng)，利用各種先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)施實現(xiàn)對家居設(shè)備進(jìn)行綜合性管理和控制以及實現(xiàn)家庭的防盜、監(jiān)控等功能。隨著人們生活水平的提高，智能家居技術(shù)將會進(jìn)一步被推廣和應(yīng)用。ZigBee技術(shù)最適合應(yīng)用于智能家居無線通信，具有易組網(wǎng)、低成本、低功耗、短時延、高安全等優(yōu)點(diǎn)[1]。采用WiFi技術(shù)，將控制主機(jī)與控制器分離開并通過WiFi連接，達(dá)到一對多的控制效果，移動終端可以通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對家居的遠(yuǎn)程控制[2]。智能家居控制系統(tǒng)中網(wǎng)關(guān)的設(shè)計尤為重要，它決定了整個控制系統(tǒng)的靈活性和可操作性。本文主要研究基于WiFi技術(shù)和ZigBee技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計，包括硬件電路和系統(tǒng)軟件的設(shè)計。

1 智能家居控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案

智能家居控制系統(tǒng)一般由遠(yuǎn)程用戶監(jiān)測、家庭控制器和家電控制節(jié)點(diǎn)等幾部分組成，該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵是各種設(shè)備能夠可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)的實時采集與傳輸。本設(shè)計主要以ARM處理器為中心[3]，實現(xiàn)室內(nèi)溫濕度的采集、照明燈光和窗簾的控制功能，系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

家庭網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)內(nèi)網(wǎng)ZigBee節(jié)點(diǎn)傳感器數(shù)據(jù)的采集與處理，并向與遠(yuǎn)程連接的終端發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)和接收終端的控制指令。利用ZigBee組建家庭內(nèi)部無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并將各節(jié)點(diǎn)的家居設(shè)備連入系統(tǒng)中。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

為滿足設(shè)計要求，采用ARM處理器作為核心控制器，以植入嵌入式系統(tǒng)的家庭網(wǎng)關(guān)硬件平臺為核心，依托ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)硬件平臺來完成數(shù)據(jù)采集和控制指令的執(zhí)行。采用S3C2440A作為核心處理器、DM900作為網(wǎng)絡(luò)接口芯片，TI公司CC2530芯片作為ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)核心控制器。

2.1 網(wǎng)關(guān)硬件平臺設(shè)計

網(wǎng)關(guān)的設(shè)計是智能家居研究的核心技術(shù)，所以對其硬件電路設(shè)計尤為重要。本設(shè)計使用mini2440開發(fā)板作為核心控制平臺，通過ZigBee協(xié)調(diào)器對ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理和控制，ZigBee節(jié)點(diǎn)連接相應(yīng)的傳感器對家居環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實時采集，以便對室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行實時調(diào)整，以滿足用戶需求，同時通過以太網(wǎng)完成與遠(yuǎn)程終端的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 電源與復(fù)位電路設(shè)計

由于CC2530的供電電源典型值為3.3 V，S3C2440A的存儲器供電電壓也可以選擇3.3V[4]，故本設(shè)計選用低壓差、大電流的LT1084三端集成穩(wěn)壓芯片，其最大輸出電流達(dá)5 A，能夠保證為家庭網(wǎng)關(guān)所有3.3V及其以下的電壓負(fù)載供電。選用LM1117三端集成穩(wěn)壓芯片作為S3C2440A內(nèi)核供電電源芯片，為其提供1.2V的供電電壓。3.3V穩(wěn)壓電路如圖3所示，1.2 V供電電路如圖4所示。采用MAX811S芯片來監(jiān)測處理器供電壓并向處理器復(fù)位信號，復(fù)位電路圖如圖5所示。

2.3 通信接口電路設(shè)計

通信接口電路采用SP3232芯片將處理器的TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232總線電平，串口1主要連接ARM處理器與PC機(jī)，用于實現(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)與PC機(jī)之間的通信，串口2用于實現(xiàn)ARM處理器與家庭內(nèi)網(wǎng)ZigBee協(xié)調(diào)器之間的通信，實現(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)與ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)之間的信息交互。通信接口電路如圖6所示。

2.4 CC2530最小系統(tǒng)設(shè)計

CC2530[5]微控制器模塊是整個系統(tǒng)的重要組成部分，主要完成對各個傳感器模塊的控制，協(xié)調(diào)整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，更是組建智能家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。在本系統(tǒng)的ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)硬件中，CC2530需要多個I/O口與終端傳感器連接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以實現(xiàn)對智能家居設(shè)備的控制。CC2530最小系統(tǒng)圖如圖7所示。

圖3 3.3 V穩(wěn)壓電路

圖4 1.2V供電電路

圖5 復(fù)位電路

圖6 通信接口電路

3 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計

智能家居控制系統(tǒng)終端控制平臺軟件設(shè)計流程:先初始化硬件設(shè)備，查詢主處理器是否通過ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)來信息，如果收到信息，則解析指令，同時系統(tǒng)將執(zhí)行相應(yīng)的指令，進(jìn)行對應(yīng)的操作[6]。軟件設(shè)計流程如圖8所示。

圖7 CC2530最小系統(tǒng)圖

圖8 軟件設(shè)計流程

3.1 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計

ZigBee協(xié)調(diào)器是整個家庭無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心，主要完成網(wǎng)絡(luò)的組建、維護(hù)以及控制終端節(jié)點(diǎn)的加入等功能。ZigBee協(xié)調(diào)器完成硬件的初始化后，就對信道能量檢測，然后搜索半徑內(nèi)的節(jié)點(diǎn)信息，從2 400~2 483.5MHz的16個信道中選擇出一個合適的信道并建立網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)協(xié)調(diào)器接收到從ARM處理器串口發(fā)來的數(shù)據(jù)后并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理流程如圖9所示。

3.2 ZigBee終端代碼實現(xiàn)

圖9 協(xié)調(diào)器處理流程圖

本設(shè)計采用IAR作為開發(fā)工具，ZigBee終端的通信都是在Z-stack協(xié)議棧上開發(fā)的，該設(shè)計中終端節(jié)點(diǎn)給協(xié)調(diào)器發(fā)送的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)格式，以及協(xié)調(diào)器接收到終端的數(shù)據(jù)后應(yīng)該如何處理和回發(fā)給終端，是必須考慮的重點(diǎn)問題。終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)格式包括設(shè)備地址和控制指令格式。

上述協(xié)議棧里定義了設(shè)備地址的格式結(jié)構(gòu)體，其中shortAddr為協(xié)調(diào)器分配給終端的16位短地址，然后使用該短地址就能給終端設(shè)備發(fā)送信息數(shù)據(jù)?？刂浦噶罡袷蕉x為如下結(jié)構(gòu)體：

4 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

網(wǎng)絡(luò)傳輸性能測試過程中，通過選擇兩個ZigBee模塊，將其分別配置為協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，通過串口調(diào)試助手進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸測試，同時觀察信號指示燈，發(fā)現(xiàn)在加電幾秒后系統(tǒng)就完成了組網(wǎng)，且能自動發(fā)送數(shù)據(jù)。測試中通過改變協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)的通信距離和場所，場所分別選擇在空曠地和樓房，在不同的距離和場所，發(fā)送相同內(nèi)容的數(shù)據(jù)包500次，從而計算出丟包率。經(jīng)過多次測量得出如表1所示的數(shù)據(jù)。

從測試結(jié)果可以看出，在樓房內(nèi)由于墻壁和房門的阻隔，隨著通信距離增加，丟包率會迅速變大；而在空曠地，隨著通信距離增加，丟包率則變化較小。測試說明，該系統(tǒng)基本能滿足家居環(huán)境要求，能夠保證在一個家庭空間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

表1 測試結(jié)果對比表

5 結(jié)論

本設(shè)計主要針對智能家居網(wǎng)關(guān)，利用ZigBee和嵌入式技術(shù)，實現(xiàn)對智能家居的控制，并且能夠?qū)崿F(xiàn)智能家居系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。但是整個系統(tǒng)的功能還不是很完善，穩(wěn)定性和有效性有待進(jìn)一步提高，通過今后的繼續(xù)研究，以期使系統(tǒng)更加完善。

[1]戴澤淼.基于ZigBee嵌入式智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報，2015（5）：87-90.

[2]蔡正保.一種基于互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程家居控制裝置的設(shè)計[J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報，2016，32（2）：53-55.

[3]劉建華.基于Android的智能家居系統(tǒng)設(shè)計[J].西安郵電大學(xué)學(xué)報，2013，18（4）：71-74.

[4]蘇李果.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)[J].計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2015，24（6）：66-70.

[5]葉高揚(yáng).基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機(jī)應(yīng)用，2014，31（S1）：318-319.

[6]常亞兵.基于ZigBee和GSM網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2016，24（2）：132-134.

Smart Home Gateway Design Based on Embedded Type

JIANG Zhi-guo
（Anhui Vocational College of Defense Technology，Lu’an，Anhui 237011，China）

The gateway mainly realizes the transmission of data and command between home terminal equipment and remote users in the smart home control system.A constructed smart home gateway designed is based on embedded hardware platform,which can be combined with WiFi,ZigBee and ethernet technology.The test shows that the smart home control gateway can meet the system requirements well,and can realize the remote control and management of home terminal,which has the characteristics of low cost,simplemaintenance.

smart home；embedded type；ZigBee technology；gateway

TN92

A

1007-4260(2016)04-0062-04

時間：2017-1-3 17:19

http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20170103.1719.017.html

2016-06-20

安徽省高校優(yōu)秀青年人才支持計劃重點(diǎn)項目（gxyqZD2016461）和安徽省高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項目（KJ2015A438）。

江治國，男，安徽六安人，碩士，安徽國防科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系講師，研究方向為嵌入式技術(shù)應(yīng)用與開發(fā)。

E-mail:jzg1019@126.com

10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.04.017