基于嵌入式的無線智能家居網(wǎng)關設計方案

摘要：針對傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)中多種無線通信技術(shù)之間互聯(lián)的困擾，設計了一個新的兩種無線通信技術(shù)直連的智能家居網(wǎng)關。該網(wǎng)關以ARM920T嵌入式處理器S3C2440A為核心，ARMLinux為實時操作系統(tǒng)，采用新興的Zigbee與Wi-Fi融合的通信技術(shù)，以滿足家庭遠程監(jiān)控、家庭安防和家電控制的個性化需求。在ARM9處理器上構(gòu)建嵌入式Web服務器，通過擴展Wi-Fi模塊與Zigbee模塊實現(xiàn)家庭內(nèi)部無線網(wǎng)絡的建立以及與Internet的連接，并給出了硬件組成結(jié)構(gòu)和軟件實現(xiàn)流程。實驗結(jié)果表明，該網(wǎng)關在丟包率與時間響應方面優(yōu)于有線網(wǎng)關和Wi-Fi-藍牙網(wǎng)關，適合在智能家居系統(tǒng)中應用。

0引言

隨著人們生活水平的提高以及計算機技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，智能家居逐漸成為未來家居生活的發(fā)展方向。智能家居不僅能給用戶提供安全、健康和舒適的生活環(huán)境，而且用戶能夠遠程監(jiān)控自己的家居狀態(tài)和控制家庭電器設備。在智能家居系統(tǒng)中，采用無線網(wǎng)絡技術(shù)可以提供更大的靈活性、流動性，更符合家庭網(wǎng)絡簡潔性、靈活性、模塊化、擴展性及獨立性的通信特點，將無線網(wǎng)絡技術(shù)應用于家庭網(wǎng)絡已經(jīng)成為主流趨勢。

Zigbee作為一種新興的無線通信技術(shù)，其低速率、低成本、低功耗、自配置和靈活的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，非常適合于家庭內(nèi)部組網(wǎng)。而Wi-Fi作為一種無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，最主要的優(yōu)勢在于不需要布線，不受布線條件的限制，因此特別適合移動辦公用戶的需要，在智能家居中采用Wi-Fi技術(shù)使得家庭內(nèi)部網(wǎng)絡與Internet連接更加便捷，通過一臺Wi-Fi的手持終端設備就可以直接進入家庭網(wǎng)關，實現(xiàn)對家電設備的遠程監(jiān)控和智能控制。系統(tǒng)中家庭網(wǎng)關為Wi-Fi-ZigBee的Web服務器，它是ZigBee協(xié)議、Wi-Fi協(xié)議和以太網(wǎng)之間的轉(zhuǎn)換接口，并負責建立和管理無線傳感器網(wǎng)絡以及實現(xiàn)外網(wǎng)的通信連接。

1網(wǎng)關總體設計和工作流程

系統(tǒng)主要包括ARM9處理器S3C2440A（家庭網(wǎng)關）、Zigbee模塊（協(xié)調(diào)器）、Wi-Fi模塊、Zigbee終端設備（如紅外探測器、門磁開關和火災探測器和煙感燃氣探測器等），其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在ARM9處理器中移植Web服務器Boa作為家庭網(wǎng)關，負責對整個智能家居設備的管理以及遠程監(jiān)控。

由于智能家居中許多家電設備都是通過Zigbee無線傳感網(wǎng)絡來工作的，因此必須在處理器中保存數(shù)據(jù)并對Zigbee無線傳感網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)融合處理，協(xié)調(diào)器負責家庭內(nèi)部Zigbee網(wǎng)絡的管理與控制。Wi-Fi模塊用來傳輸大容量信息，通過無線訪問節(jié)點（AccessPoint，AP）路由器與以太網(wǎng)連接，實現(xiàn)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡與Internet的通信。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)處理基本流程如下：系統(tǒng)內(nèi)部由Zigbee星型網(wǎng)絡組成，家中電器開關狀態(tài)和傳感器的控制信息在網(wǎng)絡中自由傳輸，經(jīng)由協(xié)調(diào)器（Zigbee模塊）傳送至Web服務器的網(wǎng)關，再由網(wǎng)關通過Wi-Fi經(jīng)無線路由連接到外部以太網(wǎng)，用戶可以通過遠程用戶界面端了解家中電器狀態(tài)；家庭網(wǎng)關可以通過無線網(wǎng)絡對遠程用戶的控制命令作出判斷和響應，從而開啟或關閉家中的電器。

2網(wǎng)關硬件平臺設計

網(wǎng)關硬件電路主要由控制器模塊（S3C2440A）、存儲單元（64MBSDRAM、64MBNandFlash和2MBNorFlash）、通信模塊（Zigbee模塊和Wi-Fi模塊）和顯示模塊（LCD）等組成，其硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2系統(tǒng)硬件電路

2。1控制器模塊

控制器是整個嵌入式家庭網(wǎng)關的核心，用來對Zigbee通信模塊進行相應配置并接收Zigbee終端節(jié)點的數(shù)據(jù)，利用Wi-Fi協(xié)議將網(wǎng)關通過Wi-Fi模塊連接到Internet網(wǎng)絡。為了能達到高性能、低功耗的目的，設計的嵌入式網(wǎng)關采用以ARM920T為核心的32位的RISC微處理器S3C2440A作為主控制器，該處理器集成了LCD控制器、USBHost、NAND控制器、BUS控制器、中斷控制、功率控制、存儲控制、UART、SPI和GPIO等豐富的外圍資源，通過外擴存儲器、串口、USB接口和JTAG調(diào)試接口等構(gòu)成硬件平臺。

2。2Zigbee組網(wǎng)模塊

在智能家居系統(tǒng)中，采用Zigbee無線通信技術(shù)將智能家電設備組成星形網(wǎng)絡。星形網(wǎng)絡是一個輻射狀的結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡命令和數(shù)據(jù)都是通過協(xié)調(diào)器傳輸，終端設備之間通信也是通過協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)，終端設備不是通信的起點就是通信的終點。

Zigbee擴展模塊在家庭網(wǎng)關中作為網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，可以是通信的起點或終點，負責各子傳感器節(jié)點的通信管理、動態(tài)組網(wǎng)與數(shù)據(jù)傳輸。Zigbee終端節(jié)點包括家庭內(nèi)部網(wǎng)絡中的門磁開關、紅外對射探測器、玻璃破碎探測器、火災探測器以及煙感和燃氣泄露探測器等。

Zigbee模塊采用JENNIC公司的JN5139，這是業(yè)界第一款與IEEE802。15。4兼容的低功耗、低成本無線控制模塊。

該模塊與S3C2440A中的UART1相連，S3C2440A中有三個通用異步串行接口，UART0是RS232接口，用來連接PC機，UART1和UART2是TTL接口。這里使用UART0來連接，設置相應波特率后實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。其通信接口電路如圖3所示，只需連接TXD0和RXD0兩根信號線即可實現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)傳輸通信。

圖3JN5139的通信接口電路

2。3Wi-Fi通信模塊

該模塊用來實現(xiàn)家庭網(wǎng)關與Internet連接。Wi-Fi模塊采用威盛的VT6656芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸，VT6656芯片內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，降低了設計的難度，同時大大提高了主控制器處理其他數(shù)據(jù)的能力。VT6656與S3C2440A的連接非常簡單，二者可以通過標準的USB接口直接相連。VT6656芯片的主要特性：54Mbps標準802。11g無線Internet訪問，比基于802。11b協(xié)議快5倍；采用USB2。0最高比USB1。1快40倍；新的天線技術(shù)支持更遠距離的無線訪問；支持所有標準802。11g和802。11b無線路由器及接入點；支持64/128/152位WEP加密；支持WPA/WPA2、WPA-PSK/WPA2-PSK等高級加密與安全機制。

3軟件平臺設計

軟件平臺采用一種開放源碼的Linux操作系統(tǒng)，便于在其基礎上完成各項相關應用程序的開發(fā)。軟件主要涉及到操作系統(tǒng)的裁剪與編譯、驅(qū)動程序編寫和系統(tǒng)主程序編寫。[!--empirenews.page--]

3。1家庭網(wǎng)關軟件體系結(jié)構(gòu)

家庭網(wǎng)關采用模塊化設計方案，如圖4所示由硬件驅(qū)動層、操作系統(tǒng)層、網(wǎng)絡協(xié)議層和應用程序?qū)咏M成。硬件驅(qū)動層描述網(wǎng)關節(jié)點中Zigbee模塊和Wi-Fi模塊的驅(qū)動；操作系統(tǒng)層移植了ARMLinux實時操作系統(tǒng)內(nèi)核；網(wǎng)絡協(xié)議層移植了Zigbee和Wi-Fi協(xié)議棧，實現(xiàn)Zigbee和Wi-Fi協(xié)議雙向轉(zhuǎn)換；應用程序?qū)釉贚inux內(nèi)核上移植嵌入式Web服務器軟件Boa。

圖4家庭網(wǎng)關結(jié)構(gòu)。

網(wǎng)關中的網(wǎng)絡協(xié)議層主要完成從Wi-Fi和Zigbee協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換工作。對于從Zigbee設備發(fā)送到Wi-Fi的數(shù)據(jù)，在網(wǎng)關需要經(jīng)過以下處理步驟：Zigbee設備接收到數(shù)據(jù)→去掉物理層Zigbee分組→去掉MAC層Zigbee分組→添加MAC頭的Wi-Fi分組→添加物理層頭的Wi-Fi分組→Wi-Fi處理或發(fā)送。Wi-Fi接收數(shù)據(jù)到發(fā)送給Zigbee設備的過程如下：

Wi-Fi接收到數(shù)據(jù)→去掉物理層Wi-Fi分組→去掉MAC層Wi-Fi分組→添加MAC頭的Zigbee分組→添加物理層頭的Zigbee分組→Zigbee處理或發(fā)送。Wi-Fi-Zigbee通信協(xié)議模型如圖5所示。

圖5Zigbee/Wi-Fi網(wǎng)關的通信協(xié)議模型。

3。2Zigbee組網(wǎng)軟件設計

家庭網(wǎng)關集成了Zigbee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器和嵌入式Web服務器，有兩個主要功能。1）實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡的建立，傳感器節(jié)點管理和數(shù)據(jù)傳輸。將收集到的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，使用戶可以隨時查詢監(jiān)控Zigbee終端設備的狀態(tài)。2）用戶可以通過Web瀏覽器直接訪問網(wǎng)關，可以進行實時監(jiān)測和遠程管理。

為了實現(xiàn)家庭網(wǎng)關的功能，在硬件平臺上移植了Linux2。6實時操作系統(tǒng)、Zigbee協(xié)議棧和VT6656的驅(qū)動程序，并使用基于HTTP協(xié)議的Boa服務器作為Web服務器，其中ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器的軟件實現(xiàn)包括ZigBee協(xié)議和監(jiān)控管理程序的移植。該軟件流程如圖6所示。

圖6Zigbee軟件流程。

在智能家居內(nèi)部ZigBee無線網(wǎng)絡中，首先協(xié)調(diào)器進行初始化，然后協(xié)調(diào)器選擇一個稱為PANID的標識號碼，接著啟動網(wǎng)絡，所有的設備接入CSMA-CA機制的協(xié)調(diào)器。當協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)時，首先判斷是新節(jié)點加入網(wǎng)絡的請求還是設備節(jié)點的控制請求：如果是新節(jié)點加入網(wǎng)絡的請求則分配網(wǎng)絡地址并綁定節(jié)點；如果是控制請求，則調(diào)用控制請求處理函數(shù)處理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理完畢，協(xié)調(diào)器返回等待請求監(jiān)聽狀態(tài)。

3。3家庭網(wǎng)關主程序設計

家庭網(wǎng)關是建立在傳輸層以上的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，通常它連接兩個或多個相互獨立的網(wǎng)絡，每接收一種協(xié)議的數(shù)據(jù)包后，在轉(zhuǎn)發(fā)之前將它轉(zhuǎn)換為另一種協(xié)議的格式，Zigbee協(xié)議棧由一系列分層結(jié)構(gòu)組成，包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、應用支持層和應用層，每一層為上一層提供服務。采集節(jié)點將要傳輸?shù)墓?jié)點地址信息和監(jiān)測數(shù)據(jù)以Zigbee幀的形式打包發(fā)送給網(wǎng)關節(jié)點。傳送數(shù)據(jù)在通過物理介質(zhì)進入網(wǎng)關后，先用Zigbee協(xié)議棧解封裝得到原始數(shù)據(jù)，網(wǎng)關可以用操作系統(tǒng)上的應用軟件根據(jù)需要對原始數(shù)據(jù)處理。然后再以TCP/IP協(xié)議打包后通過USB口與Wi-Fi通信模塊VT6656相連，Wi-FiVT6656網(wǎng)卡通過AP路由器，將數(shù)據(jù)傳送到Wi-Fi網(wǎng)絡中，AP路由器接入Internet，從而實現(xiàn)網(wǎng)關與Internet相連。為實現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)測和控制兩大功能，數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的設計由前導碼、數(shù)據(jù)模式、目標地址、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)信息與校驗和等部分構(gòu)成[3]，其中數(shù)據(jù)信息字段又劃分為方向位、功能類型和數(shù)據(jù)。

方向位分為上行和下行兩種：上行傳輸?shù)氖潜O(jiān)測數(shù)據(jù)，下行傳輸?shù)氖强刂泼睢?/p>

家庭網(wǎng)關主程序處理流程如圖7所示。硬件上電系統(tǒng)啟動以后，應用程序初始化，網(wǎng)關開始監(jiān)聽網(wǎng)絡，有數(shù)據(jù)到來網(wǎng)關進入中斷狀態(tài)。首先判斷是否Zigbee數(shù)據(jù)，如果是Zigbee數(shù)據(jù)，按照WSN協(xié)議處理數(shù)據(jù)然后打包轉(zhuǎn)發(fā)給Wi-Fi模塊，網(wǎng)關返回監(jiān)聽狀態(tài)；如果不是Zigbee數(shù)據(jù)，網(wǎng)關判斷是否Wi-Fi數(shù)據(jù)，如果是則以Wi-Fi協(xié)議處理數(shù)據(jù)然后打包轉(zhuǎn)發(fā)給Zigbee模塊，并返回監(jiān)聽狀態(tài)；若是未知數(shù)據(jù)，網(wǎng)關進行丟棄處理直接返回監(jiān)聽網(wǎng)絡狀態(tài)。

4測試結(jié)果與分析

將設計的Wi-Fi-Zigbee網(wǎng)關與同樣采用無線通信技術(shù)的Wi-Fi-藍牙無線網(wǎng)關，以及采用綜合布線的有線網(wǎng)關做如下比較，如表1。有線網(wǎng)關網(wǎng)絡穩(wěn)定性、抗干擾性方面高，但是耗時且靈活性較低，而無線網(wǎng)關耗費的工時少且在網(wǎng)絡穩(wěn)定、靈活和抗干擾方面均性能良好。

圖7家庭網(wǎng)關主程序流程

表1三種網(wǎng)關的比較

為驗證Wi-Fi-Zigbee網(wǎng)關在智能家居監(jiān)控系統(tǒng)中的性能，測試了兩組性能指標：1）無障礙物和干擾狀態(tài)下，隨著距離的增加，數(shù)據(jù)丟包率和響應時間的變化情況；2）數(shù)據(jù)傳輸距離分別為10m、20m、50m時，有障礙物情況下丟包率和響應時間性能變化；如圖8所示，其中（a）、（b）為在無障礙物和干擾狀態(tài)下測得三種網(wǎng)關下丟包率與響應時間的曲線：（c）、（d）為在有障礙物和干擾情況下所測得的數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果表明，在無障礙物傳輸距離為50m以內(nèi)時，Wi-Fi-Zigbee網(wǎng)關較Wi-Fi-藍牙網(wǎng)關的優(yōu)勢明顯，隨著傳輸距離增加，丟包率低維持在3%左右，相對于有線網(wǎng)關高出2%左右，而響應時間波動在1ms以內(nèi)，完全能夠充分滿足正常家居環(huán)境的通信需要，而且接收功率很低，非常適合家庭的使用。在有障礙物和干擾的情況下，Wi-Fi-Zigbee網(wǎng)關丟包率與響應時間較有線網(wǎng)關稍高，卻遠優(yōu)于Wi-Fi-藍牙網(wǎng)關。

圖8三種網(wǎng)關在不同環(huán)境下丟包率與響應時間的比較

5結(jié)語

本文提出了一種無線智能家居網(wǎng)關的設計和實現(xiàn)方案，該方案采用低功耗ARM處理器S3C2440A為核心，利用內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧的模塊Wi-Fi為網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)出口，以嵌入式Web服務器為網(wǎng)關，克服了傳統(tǒng)網(wǎng)關架構(gòu)下Zigbee傳輸速率較低的瓶頸，利用Wi-Fi和Zigbee全網(wǎng)無線無縫連接。實驗表明，該系統(tǒng)可靠性高、協(xié)議轉(zhuǎn)換效率高，抗干擾能力強，同時具有很好的通用性，非常適合在智能家居系統(tǒng)中應用。