【摘 要】在現(xiàn)階段，發(fā)展智能家居系統(tǒng)的關(guān)鍵是Internet等外部網(wǎng)絡(luò)的接入和家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)問(wèn)題，核心是智能家居的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)的智能家居網(wǎng)關(guān)采用S3C2440微處理器為主控制器，以開(kāi)源的Linux 作為ARM9 S3C2440處理器平臺(tái)的操作系統(tǒng)，并結(jié)合 ZigBee協(xié)調(diào)器模塊，實(shí)現(xiàn)了家庭物聯(lián)網(wǎng)與外部網(wǎng)絡(luò)的通信功能。

【關(guān)鍵詞】智能家居，網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)，ZigBee

1引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對(duì)生活方式提出了更高的要求，而智能家居作為統(tǒng)籌管理家庭內(nèi)部各種設(shè)備的系統(tǒng)，它能使家居生活更加舒適和安全，因而備受關(guān)注。智能家居是指利用先進(jìn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、RFID技術(shù)和傳感器技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)和家居生活有關(guān)的各種設(shè)備互聯(lián)互通與智能控制，是未來(lái)居住模式發(fā)展的必然趨勢(shì)。智能家居網(wǎng)關(guān)是整個(gè)智能家居系統(tǒng)的核心，它通過(guò)Internet或者移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等外網(wǎng)連接家庭物聯(lián)網(wǎng)和遠(yuǎn)程智能控制終端，使用戶可以在遠(yuǎn)端就對(duì)家庭設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。本文所設(shè)計(jì)的智能家居網(wǎng)關(guān)主要由ARM9 S3C2440主處理器模塊、ZigBee 協(xié)調(diào)器模塊以及相關(guān) ZigBee 終端設(shè)備構(gòu)成，并移植Linux操作系統(tǒng)，然后在其上完成網(wǎng)關(guān)軟件功能的設(shè)計(jì)。

2智能家居網(wǎng)關(guān)總體方案設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。本文采用ARM9 S3C2440微處理器為主控制器，以開(kāi)源的Linux 作為ARM9 S3C2440處理器平臺(tái)的操作系統(tǒng)，以 CC2530 作為ZigBee 協(xié)調(diào)器的核心芯片。其中，主控制器主要負(fù)責(zé)響應(yīng)來(lái)自用戶智能終端設(shè)備（智能手機(jī)、平板電腦等）的請(qǐng)求并處理來(lái)自ZigBee 終端設(shè)備的信息；ZigBee協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)家庭內(nèi)部物聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)并為主控制器和家庭物聯(lián)網(wǎng)之間提供通信信道。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，家庭物聯(lián)網(wǎng)由 ZigBee設(shè)備以及家庭內(nèi)部其他設(shè)備組成。因?yàn)楫?dāng)前家電的主要控制方式為紅外控制，所以家電需要通過(guò) ZigBee 轉(zhuǎn)紅外設(shè)備連接到家庭物聯(lián)網(wǎng)中來(lái)。

2.2系統(tǒng)基本流程。智能家居網(wǎng)關(guān)主要完成了從TCP/IP協(xié)議棧到ZigBee 協(xié)議棧之間的相互轉(zhuǎn)換。來(lái)自家庭內(nèi)部物聯(lián)網(wǎng)上的信息可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)傳輸?shù)接脩舻倪h(yuǎn)程智能終端上，同時(shí)主控制器內(nèi)配置有存儲(chǔ)器，以便建立嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)這些信息用。而來(lái)自用戶遠(yuǎn)程智能終端的請(qǐng)求也可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)到達(dá)家庭物聯(lián)網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)用戶的查詢或控制需求。

3網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)

智能家居系統(tǒng)通常由主控器模塊、家庭物聯(lián)網(wǎng)、家庭網(wǎng)關(guān)與遠(yuǎn)程智能終端四部分組成。家庭物聯(lián)網(wǎng)負(fù)責(zé)將各終端節(jié)點(diǎn)采集到的信息傳輸給網(wǎng)關(guān)，并將經(jīng)網(wǎng)關(guān)處理后傳輸給用戶的遠(yuǎn)程智能控制終端。而用戶可以則通過(guò)手機(jī)、平板電腦、個(gè)人PC等遠(yuǎn)程智能終端完成對(duì)家庭物聯(lián)網(wǎng)的查詢和控制功能。

3.1主控制器模塊。如圖2所示，本文設(shè)計(jì)的主控制器模塊由ARM9 S3C2440、DM9000AE網(wǎng)卡和SIM300手機(jī)模組構(gòu)成。其中，主控器所采用的ARM9 S3C2440芯片是基于ARM920T內(nèi)核而開(kāi)發(fā)的32位RISC微處理器芯片，其最高主頻為400Mhz，完全滿足智能家居的控制需求；網(wǎng)卡是實(shí)現(xiàn)家庭物聯(lián)網(wǎng)與Internet互聯(lián)互通的必備硬件，本文設(shè)計(jì)采用DM9000AE網(wǎng)卡；SIM300手機(jī)模組將家庭物聯(lián)網(wǎng)的信息以短信形式發(fā)送到用戶的智能手機(jī)等遠(yuǎn)程智能終端上，用戶也可以通過(guò)發(fā)送短信的形式實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控。由于GSM 網(wǎng)絡(luò)完全可以實(shí)現(xiàn)本文設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的所有功能并且成本更低，所以本文設(shè)計(jì)沒(méi)有選用3G/4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。

3.2 ZigBee協(xié)調(diào)器模塊。ZigBee 協(xié)調(diào)器模塊作為家庭物聯(lián)網(wǎng)的協(xié)調(diào)器需要完成組網(wǎng)、管理設(shè)備的添加與刪除、傳輸信息等功能?？紤]到ZigBee的穿墻能力較差，為了讓其適應(yīng)不同的家庭環(huán)境，因此本文采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)。在傳輸信息時(shí)，由ZigBee 協(xié)調(diào)器模塊發(fā)出的信息可以直接或者通過(guò)多跳路由到達(dá)相應(yīng)的終端設(shè)備，而從終端設(shè)備發(fā)來(lái)的信息也可以通過(guò)同樣的原理到達(dá)ZigBee 協(xié)調(diào)器模塊。

本文設(shè)計(jì)的ZigBee協(xié)調(diào)器模塊采用CC2530作為核心芯片。該模塊通過(guò)一個(gè)異步串行接口和ARM9 S3C2440主控器模塊相連，只需三根線發(fā)送、接收、地線即可以完成全雙工的通信，完全能夠滿足家庭物聯(lián)網(wǎng)與ARM9 S3C2440主控器之間的通信功能需求。

4網(wǎng)關(guān)的軟件

本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)主控制器建立在嵌入式的Linux系統(tǒng)之上。Linux內(nèi)核具有免費(fèi)、開(kāi)源、易于移植、占用資源小以及支持多進(jìn)程等優(yōu)點(diǎn)，完全滿足本文網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)要求。

智能家居網(wǎng)關(guān)在接收到用戶遠(yuǎn)程智能終端通過(guò)Internet/GSM傳送來(lái)的信息之后，進(jìn)行相應(yīng)的處理，通過(guò)串口發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器模塊。ZigBee協(xié)調(diào)器模塊再把接受到的信息進(jìn)行處理后發(fā)送給家庭設(shè)備。此外，智能家居網(wǎng)關(guān)還可以將通過(guò)家庭物聯(lián)網(wǎng)采集到的家庭設(shè)備上的信息進(jìn)行存儲(chǔ)，并根據(jù)需要做出響應(yīng)以及發(fā)送到用戶的遠(yuǎn)程智能終端上。整個(gè)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)的功能有兩個(gè)：主控制器工作流程和ZigBee 協(xié)調(diào)器工作流程。

4.1主控制器流程

主控制器啟動(dòng)之后，首先完成軟硬件的初始化，然后程序分為以下兩個(gè)分支：（1）處理通過(guò)家庭物聯(lián)網(wǎng)采集到的家庭設(shè)備數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到主控制器中配置的存儲(chǔ)器上（如SD卡等）；（2）處理用戶通過(guò)遠(yuǎn)程智能終端發(fā)來(lái)的查詢和控制等請(qǐng)求，并對(duì)其進(jìn)行處理。

4.2 ZigBee 協(xié)調(diào)器流程

CC2530 協(xié)調(diào)器模塊啟動(dòng)之后，首先完成軟硬件的初始化，初始化包括：先建立ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，再建立家庭物聯(lián)網(wǎng)。在家庭物聯(lián)網(wǎng)建立后，程序分為三支進(jìn)行輪詢處理：第一支處理要加入的子節(jié)點(diǎn)；第二支處理 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)傳來(lái)的數(shù)據(jù)；第三只處理從主控制器傳來(lái)的串口數(shù)據(jù)。

5結(jié)束語(yǔ)

作為一個(gè)蓬勃發(fā)展的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，智能家居系統(tǒng)受到了社會(huì)的廣泛關(guān)注，而其網(wǎng)關(guān)技術(shù)的發(fā)展一直是制約其實(shí)際應(yīng)用水平提高的障礙。在現(xiàn)階段，發(fā)展智能家居系統(tǒng)的關(guān)鍵是Internet等外部網(wǎng)絡(luò)的接入和家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)問(wèn)題，核心是智能家居的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)問(wèn)題。智能家居網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)應(yīng)從智能家居系統(tǒng)的整體功能出發(fā)，采用最先進(jìn)的技術(shù)，同時(shí)還應(yīng)兼顧當(dāng)前智能家居系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，以此推動(dòng)智能家居系統(tǒng)的整體應(yīng)用水平不斷取得提高。

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