王振朝，王藝衡，王竹毅

（河北大學 無線通信實驗室，河北 保定 071000）

智能家居是一個以住宅為依托，利用網(wǎng)絡通信技術、安全防范技術、自動控制技術，使住宅內(nèi)的相關設施形成一定自主管理事務能力的多功能綜合系統(tǒng)。在智能家居系統(tǒng)中，家庭內(nèi)部網(wǎng)絡覆蓋的情況和與外部網(wǎng)絡溝通的流暢性影響著整個系統(tǒng)的運行效果。智能家居系統(tǒng)往往通過有線的以太網(wǎng)進行組網(wǎng)，通過SIM300系列芯片與手機進行短信收發(fā)。有線的組網(wǎng)方式布線麻煩，增減設備需要重新布線，系統(tǒng)的可擴展性差。只具備發(fā)短信功能的SIM300系列芯片造成了SIM卡資源的浪費。本文提出的將家庭基站技術應用于智能家居系統(tǒng)的設計方案很好地解決了上述問題[1-3]。

在3GPP Release 8中首次提出的家庭基站（毫微蜂窩基站，也被稱作Femtocell）技術，為用戶提供了遍及全家各處的優(yōu)質(zhì)信號覆蓋和與外部網(wǎng)絡的便捷連通。家庭基站技術是一種擴展移動通信室內(nèi)覆蓋的解決方案，可以把用戶手機發(fā)出的話音和數(shù)據(jù)呼叫傳輸?shù)交跇藴式涌诘囊苿舆\營商的核心網(wǎng)絡，它通過用戶已有的ADSL、LAN等寬帶電路連接，遠端由專用網(wǎng)關實現(xiàn)從IP網(wǎng)到移動網(wǎng)的聯(lián)通。家庭基站的大小與ADSL調(diào)制解調(diào)器相似，具有安裝方便、自動配置、自動網(wǎng)規(guī)、即插即用的特點[4-7]。

基于家庭基站上述功能特性，本文提出將家庭基站技術應用于智能家居系統(tǒng)的設計方案，對智能家居系統(tǒng)的多項功能進行優(yōu)化。本系統(tǒng)利用家庭基站對信號的收發(fā)處理及其向上連接IP網(wǎng)、移動網(wǎng)的功能特性，在其上集成智能家居控制單元，形成智能家居系統(tǒng)多功能控制器。多功能控制器不但提供了移動信號在室內(nèi)的良好覆蓋，而且用戶可通過移動網(wǎng)用智能手機進行語音、短信控制或者通過互聯(lián)網(wǎng)對智能家居系統(tǒng)的各個網(wǎng)絡節(jié)點進行實時監(jiān)測[8-9]。多功能控制器使得智能家居系統(tǒng)信息交流更加及時與暢通，節(jié)約了系統(tǒng)的建設成本。

1 基于家庭基站技術的智能家居系統(tǒng)

基于家庭基站技術的智能家居系統(tǒng)通過局域網(wǎng)、移動網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)以及小區(qū)廣播實現(xiàn)實時監(jiān)控和通信，在完成家庭基站提供室內(nèi)信號的優(yōu)質(zhì)覆蓋的功能后繼而完成以下三大智能家居功能：1）家庭安全防范：發(fā)生盜竊、火災、天然氣泄露等緊急情況發(fā)送報警信息；2）智能化控制：控制電燈的開關、明暗，下雨時自動關窗，火災時自動斷電等；3）遠程控制：用戶可通過移動網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等方式在戶外遠程控制家庭設備[10-11]；另外，用戶也可以根據(jù)自己實際需要訂制智能家居系統(tǒng)的功能。

如圖1所示，本智能家居系統(tǒng)主要由一個兼有家庭基站及智能家居控制器功能的多功能控制器和若干個無線終端節(jié)點組成，其中多功能控制器有內(nèi)部網(wǎng)絡的匯聚節(jié)點和連接外部網(wǎng)絡的網(wǎng)關功能。無線終端節(jié)點由傳感器和Zigbee無線模塊組成，傳感器負責采集各種數(shù)據(jù)，如：光照變化，煙霧濃度、突發(fā)火災、天然氣泄露、盜賊入侵等危害用戶財產(chǎn)安全的信息，無線模塊通過內(nèi)部網(wǎng)絡把此類信息發(fā)送給控制器。多功能控制器內(nèi)部的Zigbee無線模塊，用來接收無線終端節(jié)點發(fā)來的信息并交給控制器的核心芯片做進一步處理，然后發(fā)射各種控制信號做出預定處理或者通過短信、網(wǎng)絡等形式告知用戶[12-13]。

圖1 基于家庭基站技術智能家居系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構(gòu)圖

2 智能家居系統(tǒng)中的多功能控制器

多功能控制器的設計如圖2所示，從功能和集成度以及性價比與功耗等方面考慮，選擇Mindspeed公司開發(fā)的一款多核DSP處理芯片PC205作為本智能家居系統(tǒng)多功能控制器的核心芯片。PC205不但能夠完成多功能控制器對基帶信號的處理和控制，還能夠完成對智能家居系統(tǒng)設備的控制、數(shù)據(jù)收發(fā)和數(shù)據(jù)管理等任務。

圖2 多功能控制器設計框圖

邏輯上PC205芯片分為Picoarry陣列子系統(tǒng)和ARM子系統(tǒng)。該ARM子系統(tǒng)基于ARM公司的ARM926EJ核，32位的RISC（精簡指令集）處理器，具有低功率、高性能的特性，獨立的JTAG端口為基站開發(fā)提供了簡單和便于操作的開發(fā)環(huán)境?？刂破鞯乃谢鶐幚砉δ苋缇幋a、調(diào)制、加密等可以借助Pico陣列實現(xiàn)，控制和高層處理功則可以通過ARM處理器來實現(xiàn)，應用程序接口APl支持Pico陣列和ARM之間的數(shù)據(jù)和控制信息的傳輸[3,6]。

控制器還有一個重要的模塊是匯聚節(jié)點模塊，在本系統(tǒng)中該模塊選用的是TI公司的CC2530，它在智能家居系統(tǒng)中承擔著網(wǎng)絡匯聚節(jié)點的角色，提供信息的雙向傳輸，以連接智能家居系統(tǒng)中其它終端節(jié)點。CC2530是TI公司的一款真正符合IEEE802.15.4標準的片上系統(tǒng)解決方案。CC2530除了包括RF收發(fā)器外，還集成了加強型8051MCU、256 KByte的Flash內(nèi)存（32/64/128可選）、8 KByte的RAM、8路輸入12位ADC、2個支持多種串行通信協(xié)議的U-SART通信接口、內(nèi)置Z-stack等。CC2530工作在2.4 GHz頻段，采用低電壓（2.0～3.6 V）供電，且功耗很低（接收數(shù)據(jù)時為27 mA，發(fā)送數(shù)據(jù)時為25 mA）、靈敏度高（-97 dBm）、最大傳送速率為250 kbit/s。CC2530的這些特性使其具有很長的使用壽命和很強的市場競爭力[11-12]。

SIM卡模塊是基于運營商固定移動網(wǎng)絡融合需要設計的，通過將SIM卡設置在家用基站上，運營商只需控制家用基站設備的SIM卡號即可實現(xiàn)對家用基站覆蓋范圍內(nèi)各種移動終端設備的統(tǒng)一認證和一卡計費；電源模塊的作用是通過電平轉(zhuǎn)換獲得控制器各模塊正常工作所需的電壓，并監(jiān)視各個電壓的變動情況，保證控制器的正常工作；RS232模塊為家用基站提供RS232接口，方便控制器的串口調(diào)試[3-6]；射頻模塊的主要作用是進行信號的放大發(fā)送和接收，主要由發(fā)射/接收器、功率放大器、低噪聲放大器和雙工器/濾波器組成。

3 智能家居系統(tǒng)中的通信網(wǎng)絡

3.1 智能家居系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡

ZigBee技術是一種新興短距離傳輸?shù)臒o線局域網(wǎng)技術，具有功耗低、成本低、容易安裝和擴展的優(yōu)點。Zigbee模塊一般工作在2.4 GHz頻段上，具有250 kbit/s的傳輸效率，傳輸距離為10～75 m。智能家居系統(tǒng)的內(nèi)部網(wǎng)絡覆蓋范圍較小，通信數(shù)據(jù)量不大，數(shù)據(jù)傳輸速率相對較低。采用ZigBee技術，可以很好地滿足智能家居系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡的上述需求，而且還具有其它無線局域網(wǎng)技術不具有的低成本和低功耗。

ZigBee標準規(guī)定了3種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)：星形、樹形和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。其中星型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)簡單，連接方便，管理和維護都相對容易，而且擴展性強，重新配置靈活，更適合家庭自動化小范圍的應用，本系統(tǒng)采用的便是星型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。本結(jié)構(gòu)由一個匯聚節(jié)點和一個或多個終端節(jié)點組成的。匯聚節(jié)點位于網(wǎng)絡的中心，負責發(fā)起建立和維護整個網(wǎng)絡，其它的終端節(jié)點分布在協(xié)調(diào)點的覆蓋范圍內(nèi)，直接與協(xié)調(diào)點進行通信。

在完整的Z-stack中，雖然已經(jīng)分別實現(xiàn)了匯聚節(jié)點（coord）以及終端節(jié)點（rfd）的程序，但主要是網(wǎng)絡層及以下各層的通信協(xié)議，要完整實現(xiàn)本系統(tǒng)中各個節(jié)點的功能，需要對Z-stack應用層程序進行相應編寫和修改。本系統(tǒng)在安放終端節(jié)點的過程中，增加了參考終端節(jié)點與匯聚節(jié)點的距離以及兩者之間有無障礙物的標準設置終端節(jié)點的發(fā)射功率大小的步驟，以保證其信號能被匯聚節(jié)點收到和降低室內(nèi)各種信號的干擾。最后將修改后的coord程序下載到匯聚節(jié)點以及修改的rfd程序下載到終端節(jié)點，對其供電，各個節(jié)點就可以以無線組網(wǎng)的方式正常工作了。

3.2 智能家居系統(tǒng)外部網(wǎng)絡

連接外部網(wǎng)絡的功能主要由多功能控制器完成，其核心處理芯片PC205中的ARM處理器通過串口與無線網(wǎng)絡中的匯聚節(jié)點模塊交換數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)內(nèi)部網(wǎng)絡與外部網(wǎng)絡的聯(lián)通。多功能控制器功能的軟件實現(xiàn)主要通過以下兩個方面：一方面是控制器的基站功能和技術指標的軟件實現(xiàn)，主要完成的有通信系統(tǒng)（3G或LTE、LTE-A）物理層的處理和控制功能；第二方面是本文研究的重點，即控制器作為智能家居系統(tǒng)匯聚節(jié)點和網(wǎng)關的功能的軟件實現(xiàn)。

多功能控制器軟件的整體架構(gòu)主要由2個邏輯模塊構(gòu)成：信號處理模塊、管理調(diào)度模塊。信號處理模塊實現(xiàn)家用基站物理層信號處理功能，向管理調(diào)度模塊和射頻子系統(tǒng)提供標準的接口；管理調(diào)度模塊實現(xiàn)控制器物理層的管理調(diào)度功能，向ARM子系統(tǒng)提供標準的接口，用來實現(xiàn)控制面、用戶面和OAM處理。

硬件方案設計中選用的PC205核心芯片已經(jīng)集成了信號處理模塊的主要功能，完成碼片、符號和抽樣級速率物理層處理，包括調(diào)制、編碼、擴頻等。管理調(diào)度模塊需要在Linux環(huán)境下，依據(jù)PC205芯片的ARM子系統(tǒng)開發(fā)手冊進行開發(fā)，在主處理器PC205中的ARM子系統(tǒng)中實現(xiàn)。

首先剪裁Linux操作系統(tǒng)，移植內(nèi)核到ARM上，開發(fā)串口、以太網(wǎng)模塊等驅(qū)動和應用程序。為了達到用戶在Internet上的任何一臺PC上通過IE瀏覽器登陸網(wǎng)關，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互的目的，需要在ARM上嵌入Web服務器。設置服務器運行環(huán)境、參數(shù)等，并且把相關的配置文件、CGI程序以及html文件放在系統(tǒng)對應的文件中，然后把Boa服務器添加到系統(tǒng)自動啟動的服務中，嵌入式Web服務器便能夠在硬件系統(tǒng)上運行。架設完Web服務器以后，就可以通過CGI（通用網(wǎng)關接口）調(diào)用后臺的CGI程序。CGI程序與Web服務器之間通過標準輸入/輸出、環(huán)境變量和命令行就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，然后調(diào)用相應的處理程序，實現(xiàn)內(nèi)部網(wǎng)絡中各個節(jié)點的控制?？梢栽谕獠烤W(wǎng)絡上的PC或者裝有相應APP應用的智能手機上對整個智能家居的內(nèi)部網(wǎng)絡各個節(jié)點進行遠程監(jiān)控與控制[14-15]。

另外，只要滿足發(fā)送報警或緊急情況短信息的條件，多功能控制器便會給移動網(wǎng)絡發(fā)送短消息，由短信中心轉(zhuǎn)發(fā)給用戶手機，具體資費的結(jié)算由控制器上的SIM卡來承擔。

4 結(jié)束語

本方案將家庭基站技術首次應用于智能家居系統(tǒng)，在解決移動網(wǎng)絡在室內(nèi)覆蓋差的問題同時，連接外部網(wǎng)絡十分便捷，遠程監(jiān)控與報警方式多樣。Zigbee組網(wǎng)的特性滿足了智能家居內(nèi)部網(wǎng)絡低成本、低功耗、低速率的要求。總體來說，整個系統(tǒng)功能完善，適合未來家居智能化、網(wǎng)絡化的發(fā)展方向。

[1]STEFANIA S，ISSAM T.LTE/LTE-Advanced—UMTS長期演進理論與實踐[M].馬霓，夏斌，譯.北京：人民郵電出版社，2012.

[2] 高峰，高澤華，豐雷，等.TD-LTE技術標準與實踐[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[3]ZHANG J，GUILLAUME D L R.Femtocells technologies and deployment[M].West Sussex，UK：Johm Wiley ＆ Sons，2010.

[4]VIKRAM C，JEEREY G，ALAN G，et al.Femtocell networks；a survey[J].Communications Magazine，2008，46（9）：59-67.

[5] 3GPP TR25.820 3G Home Node B（HNB）study item Technical Report[S/OL].[2012-01-08].http：//www.3gpp.org/ftp/Specs/html-in fo/25820.htm.

[6] 李珊.Femtocell技術與應用[R].[S.l.]：工業(yè)與信息化部電信研究院通信研究所，2009.

[7] 朱小景，徐博斌.固定移動網(wǎng)絡融合解決方案：Femtocell[J].移動通信，2008（3）：59-62.

[8] 王文中.智能家居集成體系的探討[J].制造業(yè)自動化，2010（5）：179-182.

[9] 向忠宏.智能家居[M].人民郵電出版社，2011.

[10] 盧曉慧.基于物聯(lián)網(wǎng)技術架構(gòu)下智能家居系統(tǒng)的研究[J].科技通報，2013，29（5）：76-78.

[11] 南忠良，孫國新.基于Zigbee技術的智能家居系統(tǒng)設計[J].電子設計工程，2010，18（7）：117-119.

[12] 吳培亞，王鋼.基于Zigbee的智能家居遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].微型機與應用，2012（8）：48-50.

[13] 鄧彬偉，游海濤.基于ARM的智能家居控制通信控制站的設計與實現(xiàn)[J].山西電子技術，2013（1）：29-32.

[14] 葉培順.嵌入式Linux在S3C2440上的移植[J].電子設計工程，2011，19（15）：111-113.

[15] 趙曉東，丁岳偉.基于Linux嵌入式的智能家居系統(tǒng)設計[J].計算機技術與發(fā)展，2012，23（1）：201-203.