ARM及ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能家居控制器的設(shè)計(jì)

　1 　ZigBee 技術(shù)簡(jiǎn)介

　　ZigBee 技術(shù)是近幾年逐步發(fā)展起來(lái)，很有市場(chǎng)潛力的一種無(wú)線連接技術(shù)。 它是為了滿足低功耗、低數(shù)據(jù)量和低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)要求而誕生的。 它基于IEEE 無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（Wireless Personal AreaNetwork ,WPAN） 工作組的80211514 標(biāo)準(zhǔn)，被稱為ZigBee 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

　　完整的ZigBee 協(xié)議由應(yīng)用層、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成， 如圖1 所示。

　　IEEE80211514 標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層（ PHY） 和數(shù)據(jù)鏈路層（MAC） ;網(wǎng)絡(luò)層以上的協(xié)議由ZigBee 聯(lián)盟負(fù)責(zé)制定， 其中應(yīng)用層包括了應(yīng)用支持子層（APS） 、ZigBee 設(shè)備對(duì)象（ZDO） 和由制造商制訂的應(yīng)用對(duì)象。

　　ZigBee 以一個(gè)個(gè)獨(dú)立的工作節(jié)點(diǎn)為依托，利用無(wú)線通信，通過(guò)自組織方式組成星型、網(wǎng)狀和簇狀3 種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能并非完全相同。 為了降低系統(tǒng)的成本， IEEE80211514 定義了2種物理設(shè)備類型： 全功能設(shè)備FFD （ Full FunctionDevice） 和精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD （ Reduced FunctionDevice） . FFD 節(jié)點(diǎn)具備控制器的功能，提供數(shù)據(jù)交換，能夠作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)來(lái)使用，可以與網(wǎng)絡(luò)中任何類型的設(shè)備進(jìn)行通信；RFD 只能作為終端節(jié)點(diǎn)來(lái)使用，而且只能與FFD通信，兩個(gè)RFD 節(jié)點(diǎn)之間不能通信。

　　Zigbee 這一無(wú)線通信技術(shù)具有近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、安全可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大、自組織、自愈能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，有著廣闊的市場(chǎng)前景。

　　2 　基于Zigbee 技術(shù)的智能家居控制器的設(shè)計(jì)

　　智能家居系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信具有如下特點(diǎn)：

　　①傳輸數(shù)據(jù)量小，無(wú)需太大的傳輸速度； ②網(wǎng)絡(luò)的容量大，以滿足家庭中的各種家電設(shè)備； ③信息的實(shí)時(shí)性好，時(shí)延短。

　　ZigBee 的技術(shù)特點(diǎn)決定了其能很好地滿足智能家居網(wǎng)絡(luò)的上述需求，特別是具備自組織、自愈能力，這樣的無(wú)線通信技術(shù)是智能家居系統(tǒng)理想的通信方式。

　　2.1 　智能家居系統(tǒng)的基本構(gòu)成

　　智能家居系統(tǒng)可通過(guò)GSM/ GPRS/ CDMA/ 網(wǎng)絡(luò)、ZigBee 個(gè)域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)以及小區(qū)信息網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息的互聯(lián)互通。 用戶在戶外可通過(guò)手機(jī)調(diào)控家中的電器和照明裝置，也可及時(shí)得到家中的防盜、防火、防煤氣泄漏等報(bào)警信息；在家中可通過(guò)遙控器調(diào)控家電設(shè)備。 控制器還兼有可視對(duì)講系統(tǒng)室內(nèi)主機(jī)功能，能查閱社區(qū)發(fā)布的各類信息，必要時(shí)可向社區(qū)保安發(fā)出報(bào)警求救信號(hào)。 系統(tǒng)主要由一個(gè)智能家居控制器和若干個(gè)室內(nèi)監(jiān)控ZigBee 功能模塊組成。 系統(tǒng)模型如圖2 所示。 智能家居控制器經(jīng)2 個(gè)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)以及2 條有線通信線路與外部設(shè)施實(shí)現(xiàn)信息的互聯(lián)互通，因而智能家居控制器又可視為數(shù)字家庭網(wǎng)關(guān)。

　　智能家居控制器內(nèi)部裝有手機(jī)模塊， 通過(guò)GSM（ GPRS、CDMA） 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，與用戶手機(jī)實(shí)現(xiàn)雙向短消息收發(fā)。 用戶可通過(guò)手機(jī)短消息實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的電源開關(guān)控制以及調(diào)光、調(diào)速控制；控制器以手機(jī)短消息的形式向用戶手機(jī)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，供防盜、防火、防煤氣泄漏以及家庭突發(fā)事件報(bào)警用。

　　控制器內(nèi)部裝有1 個(gè)ZigBee 模塊，通過(guò)Zig2Bee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與家居中的監(jiān)控裝置進(jìn)行通信，作為ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（FFD） 來(lái)使用。 它負(fù)責(zé)組建智能家居ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，接收系統(tǒng)控制中心發(fā)送的指令，并做出相應(yīng)地處理。 同時(shí)還要將從路由節(jié)點(diǎn)（ FFD）或終端節(jié)點(diǎn)（RFD） 接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給系統(tǒng)控制中心。

　　室內(nèi)監(jiān)控設(shè)備按用途可分為3 類：第一類為開關(guān)與插座，最簡(jiǎn)單的插座通過(guò)小電子開關(guān)的通斷實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器（如電飯煲、飲水機(jī)、電視、冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)、電動(dòng)窗簾以及不需要調(diào)光的燈具） 的電源開關(guān)控制；較復(fù)雜的智能開關(guān)和插座具有輸出功率可調(diào)的功能，用于吊燈、落地臺(tái)燈的調(diào)光或電風(fēng)扇的調(diào)速等。 第二類為傳感器產(chǎn)品，其中熱釋電紅外傳感器和門磁傳感器用于防盜，煙霧傳感器用于防火，瓦斯傳感器用于防煤氣泄漏，還有手動(dòng)報(bào)警按鈕用于突發(fā)事件（如孤寡老人突然發(fā)?。?的報(bào)警。這些節(jié)點(diǎn)都帶有ZigBee 模塊，作為網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)（RFD） . 第三類為手持遙控器，除實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器開關(guān)控制、調(diào)光調(diào)速控制外，還具備照明場(chǎng)景設(shè)定與控制功能。

　　若小區(qū)配置有物管通信網(wǎng)絡(luò)和門禁對(duì)講系統(tǒng)，控制器兼?zhèn)淇梢曢T禁對(duì)講系統(tǒng)的室內(nèi)主機(jī)的功能。

　　控制器上的液晶LCD 顯示屏可顯示訪客的圖像畫面，與訪客進(jìn)行對(duì)講或開鎖操作。 此外，控制器可接收小區(qū)物管發(fā)送的各類文字信息；當(dāng)室內(nèi)發(fā)生意外時(shí)，可向小區(qū)物管發(fā)送報(bào)警信號(hào)。

　　控制器備有互聯(lián)網(wǎng)接口，供用戶在異地時(shí)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)控制家中電器的運(yùn)行，也可監(jiān)視家中發(fā)生的事件。 下一代互聯(lián)網(wǎng)的問(wèn)世將為此項(xiàng)功能的應(yīng)用提供極大的支持，到那時(shí)，每個(gè)家電及控制器本身都將有自己的靜態(tài)IP 地址，從而成為網(wǎng)絡(luò)中的一員。

　　ZigBee 的簇狀網(wǎng)絡(luò)綜合了星型和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中利用智能家居控制器及ZigBee 傳感器節(jié)點(diǎn)組成簇狀網(wǎng)絡(luò)。 它具有良好的可擴(kuò)展性，對(duì)于大戶型或別墅用戶而言，可以通過(guò)增加路由節(jié)點(diǎn)來(lái)擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍；對(duì)于小戶型的用戶而言，可以通過(guò)減少路由節(jié)點(diǎn)變成星型網(wǎng)絡(luò)，以節(jié)省能量、加快數(shù)據(jù)傳輸速度。

　　2.2.1 　智能家居控制器簡(jiǎn)介

　　智能家居系統(tǒng)的核心部件是智能家居控制器。 其組成框圖如圖3 所示，它以嵌入式處理器為中心，由手機(jī)模塊、ZigBee模塊以及必要的輔助接口組成?！≈悄芗揖涌刂破魇钦麄€(gè)智能家居系統(tǒng)的控制中心，其硬件核心是中央處理器，所有的設(shè)備控制、任務(wù)調(diào)度、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)收發(fā)和數(shù)據(jù)管理等任務(wù)都需要中央處理器。 從功能、可擴(kuò)展性、操作系統(tǒng)支持及功耗等方面考慮，我們選擇功能強(qiáng)大的32 位ARM9 微處理器S3C2410X 作為主處理器，存儲(chǔ)器選用64M 的NAND Flash 和64M 的SDRAM.

　　在人機(jī)接口方面，采用5 英寸的TFT 液晶屏，并配置相應(yīng)的觸摸屏。 可用于顯示訪客圖像和小區(qū)物管發(fā)送的各種信息，并使用戶可方便地輸入數(shù)據(jù)去控制各種家居設(shè)備。 另外為了控制方式更靈活，利用處理器的I2C 總線接口設(shè)計(jì)鍵盤接口，從而可擴(kuò)展各種控制、報(bào)警方式。

　　控制器有2 個(gè)通信模塊： 手機(jī)模塊和ZigBee模塊。 手機(jī)模塊由主機(jī)模塊、SIM 卡接口、音頻部分和射頻部分組成，采用SIMCOM 公司生產(chǎn)的SIM300 芯片（ GPRS 模塊） . 與ARM 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸采用標(biāo)準(zhǔn)的RS - 232 接口，通過(guò)使用AT 命令完成對(duì)該模塊的操作，實(shí)現(xiàn)短消息的收發(fā)。 Zigbee 模塊采集各種家電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)并接收各種故障報(bào)警信息，通過(guò)RS - 232 接口與ARM 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。

　　控制器配有以太網(wǎng)接口，配合控制器上建立的Web 服務(wù)器，用戶可通過(guò)Internet 完成對(duì)家庭環(huán)境及各種家電設(shè)備的監(jiān)控。圖3 中的RS - 485 接口用于與小區(qū)物管的通信（與原有的小區(qū)網(wǎng)絡(luò)配合。 若為新建小區(qū)，可直接使用以太網(wǎng)接口） . 利用MAX3232 將ARM9 的兩個(gè)USART 收發(fā)器，組成兩個(gè)RS - 232 端口和一個(gè)RS - 485 端口。

　　音頻接口利用微處理器內(nèi)部的IIS 總線接口與外部音頻數(shù)字信號(hào)編碼器芯片（UDA1341TS） 組成。

　　視頻接口采用中芯微的DSP 芯片，將視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成微處理器能夠處理的J PG文件格式或二進(jìn)制圖像流，經(jīng)處理后送LCD 屏顯示。

　　2.2.2 　智能家居控制器中的Zigbee 模塊

　　ZigBee模塊采用全功能設(shè)備（FFD） 類型，它在智能家居系統(tǒng)中承擔(dān)著網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的角色，可提供信息的雙向傳輸，以連接智能家居系統(tǒng)中其它精簡(jiǎn)功能設(shè)備（RFD） .

　　此模塊利用Chipcon 公司的CC2430 芯片，CC2430 芯片延用了以往CC2420 芯片的架構(gòu)，在單個(gè)芯片上整合了ZigBee 射頻（RF） 前端、內(nèi)存和微控制器。 它使用1 個(gè)8 位MCU （ 8051） , 具有128KB 可編程閃存和8 KB 的RAM ,還包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器、4 個(gè)定時(shí)器、AES - 128 協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器、32 kHz 晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路，以及21 個(gè)可編程I/ O 引腳。

　　CC2430 芯片采用0118μm CMOS 工藝生產(chǎn)，工作時(shí)的電流損耗為27 mA ;在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA 或25 mA. CC2430 的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用。

　　CC2430 帶有2 個(gè)強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的US2ART 通信接口， 通過(guò)此通信接口中的一個(gè)，S3C2410X 處理器可以對(duì)CC2430 進(jìn)行寫入或讀取配置信息，也可以收發(fā)數(shù)據(jù)。

　　CC2430 芯片集成了CRC 和數(shù)據(jù)完整性檢查等功能，減少了程序員編程的工作量，加快了通信的速度，減少了能量消耗。 同時(shí)，芯片還采用了CS2MA - CA 技術(shù)來(lái)避免數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突，減少了一部分不必耍的能量消耗。 因此CC2430 芯片具有超低的能耗，其使用壽命可以年來(lái)計(jì)算，價(jià)格便宜，符合傳感器網(wǎng)絡(luò)需要大量分布節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)。

　　控制器通過(guò)RS - 232 接口利用Zigbee 模塊采集各種家電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)并接收各種故障報(bào)警信息。

　　2.3 　智能家居控制器的功能

　　智能家居控制器操作系統(tǒng)選用開源的嵌入式Linux 操作系統(tǒng)，通過(guò)裁減后移植到控制器硬件平臺(tái)上。 該智能家居控制器將Linux ,ARM 系統(tǒng)、手機(jī)模塊和ZigBee 模塊組成一個(gè)整體，構(gòu)成了一個(gè)功能齊全的嵌入式系統(tǒng)，利用ZigBee 技術(shù)輕松實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部多節(jié)點(diǎn)的無(wú)線連接。

　　智能家居控制器的功能為

　?。?） 采用ARM 架構(gòu)的32 位嵌入式RISC 處理器和開源的嵌入式linux 操作系統(tǒng)；

　?。?） 是智能家居控制系統(tǒng)的控制中心，也是家居系統(tǒng)中信息家電平臺(tái)的網(wǎng)關(guān)；

　　（3） 遇盜搶或疾病，按緊急按鈕，自動(dòng)向管理中心報(bào)警；

　?。?） 以家庭為單位配置，利用液晶屏顯示小區(qū)通知、系統(tǒng)各部分工作狀況及數(shù)據(jù)；

　　（5） 利用ZigBee 傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)各種故障報(bào)警數(shù)據(jù)（火災(zāi)、煤氣泄漏等） ,并自動(dòng)通過(guò)手機(jī)模塊發(fā)給用戶或小區(qū)管理中心；

　　（6） 通過(guò)以太網(wǎng)（或RS - 485） 與小區(qū)管理中心通信；

　?。?） 通過(guò)控制器上的無(wú)線ZigBee 模塊與家居系統(tǒng)中各子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊，對(duì)多種家電設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制；

　?。?） 用戶可通過(guò)Internet 遠(yuǎn)程監(jiān)控家庭中的多種家居設(shè)備。

　　智能家居控制器通過(guò)Zigbee 模塊采集各種家電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并將各種故障報(bào)警數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)；對(duì)故障報(bào)警優(yōu)先處理，通過(guò)手機(jī)模塊自動(dòng)發(fā)送短信息到用戶手機(jī)或小區(qū)物管，并將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，以便對(duì)各種信息進(jìn)行進(jìn)一步的分析和統(tǒng)計(jì)。 在這里數(shù)據(jù)庫(kù)成為了連接前后臺(tái)的中間件，存儲(chǔ)狀態(tài)數(shù)據(jù)供遠(yuǎn)程監(jiān)控和本地LCD 顯示，同時(shí)接收瀏覽器和本地鍵盤輸入，由通信程序、CGI程序完成控制命令的下傳及運(yùn)行狀態(tài)的上傳；同時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)還需實(shí)現(xiàn)故障的分析統(tǒng)計(jì)和查詢。 在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們采用嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite 以滿足系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)傳遞、數(shù)據(jù)共享的要求。

　　控制器的軟件主要分為4 個(gè)模塊：與數(shù)據(jù)采集接口的通信程序、故障報(bào)警程序、本地的人機(jī)交互程序和遠(yuǎn)程控制程序。 為了使用戶可以在Internet上通過(guò)瀏覽器控制智能家居網(wǎng)絡(luò)，需要在控制器（數(shù)字家庭網(wǎng)關(guān)） 上架設(shè)Web 服務(wù)器與用戶進(jìn)行通信，并通過(guò)CGI 接口調(diào)用后臺(tái)CGI 程序。 CGI 程序在Web 服務(wù)器和控制程序間建立聯(lián)系，調(diào)用具體的控制程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的指定操作。 它監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，隨時(shí)隨地都能知道網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備的狀態(tài)并控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各種設(shè)備。 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控在家庭網(wǎng)絡(luò)中也是非常重要的，使用戶可以隨時(shí)了解網(wǎng)絡(luò)的狀況，如設(shè)備的加入退出、設(shè)備故障等等。

　　3 　結(jié)語(yǔ)

　　ZigBee 技術(shù)彌補(bǔ)了低成本、低功耗和低速率無(wú)線通信市場(chǎng)的空缺。 智能家居控制器硬件由先進(jìn)的ARM9 嵌入式系統(tǒng)、手機(jī)模塊和ZigBee 模塊組成；操作系統(tǒng)采用嵌入式Linux ,家庭網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，安全性好，系統(tǒng)功能完善，能夠適應(yīng)今后智能家居發(fā)展的需要。