基于嵌入式的無線智能家居網(wǎng)關(guān)設(shè)計方案 - 全文

　　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(shè)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(guān)。該網(wǎng)關(guān)以ARM920T 嵌入式處理器S3C2440A 為核心，ARM Linux 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(wù)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(luò)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(guān)在丟包率與時間響應(yīng)方面優(yōu)于有線網(wǎng)關(guān)和Wi-Fi-藍牙網(wǎng)關(guān)，適合在智能家居系統(tǒng)中應(yīng)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(luò)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(shè)備。在智能家居系統(tǒng)中，采用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以提供更大的靈活性、流動性，更符合家庭網(wǎng)絡(luò)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(luò)技術(shù)應(yīng)用于家庭網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)與Internet 連接更加便捷，通過一臺Wi-Fi 的手持終端設(shè)備就可以直接進入家庭網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)對家電設(shè)備的遠程監(jiān)控和智能控制。系統(tǒng)中家庭網(wǎng)關(guān)為Wi-Fi-ZigBee 的Web 服務(wù)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(luò)以及實現(xiàn)外網(wǎng)的通信連接。

　　1 網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計和工作流程

　　系統(tǒng)主要包括ARM9 處理器S3C2440A （ 家庭網(wǎng)關(guān)） 、Zigbee 模塊（ 協(xié)調(diào)器） 、Wi-Fi 模塊、Zigbee 終端設(shè)備（ 如紅外探測器、門磁開關(guān)和火災(zāi)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(wù)器Boa 作為家庭網(wǎng)關(guān)，負責對整個智能家居設(shè)備的管理以及遠程監(jiān)控。

　　由于智能家居中許多家電設(shè)備都是通過Zigbee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)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（ Access Point，AP） 路由器與以太網(wǎng)連接，實現(xiàn)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)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(luò)組成，家中電器開關(guān)狀態(tài)和傳感器的控制信息在網(wǎng)絡(luò)中自由傳輸，經(jīng)由協(xié)調(diào)器（ Zigbee 模塊） 傳送至Web 服務(wù)器的網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)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(guān)可以通過無線網(wǎng)絡(luò)對遠程用戶的控制命令作出判斷和響應(yīng)，從而開啟或關(guān)閉家中的電器。

　　2 網(wǎng)關(guān)硬件平臺設(shè)計

　　網(wǎng)關(guān)硬件電路主要由控制器模塊（ S3C2440A） 、存儲單元（ 64 MB SDRAM、64 MB Nand Flash 和2 MB Nor Flash） 、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(guān)的核心，用來對Zigbee 通信模塊進行相應(yīng)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(guān)通過Wi-Fi 模塊連接到Internet 網(wǎng)絡(luò)。為了能達到高性能、低功耗的目的，設(shè)計的嵌入式網(wǎng)關(guān)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. 2 Zigbee 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(shè)備組成星形網(wǎng)絡(luò)。星形網(wǎng)絡(luò)是一個輻射狀的結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)命令和數(shù)據(jù)都是通過協(xié)調(diào)器傳輸，終端設(shè)備之間通信也是通過協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)，終端設(shè)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(guān)中作為網(wǎng)絡(luò)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(luò)中的門磁開關(guān)、紅外對射探測器、玻璃破碎探測器、火災(zāi)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(shè)置相應(yīng)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3 JN5139 的通信接口電路

　　2. 3 Wi-Fi 通信模塊

　　該模塊用來實現(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)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(shè)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： 54 Mbps 標準802. 11g 無線Internet 訪問，比基于802. 11b 協(xié)議快5 倍； 采用USB 2. 0 最高比USB 1. 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(shè)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(chǔ)上完成各項相關(guān)應(yīng)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。

　　3. 1 家庭網(wǎng)關(guān)軟件體系結(jié)構(gòu)

　　家庭網(wǎng)關(guān)采用模塊化設(shè)計方案，如圖4 所示由硬件驅(qū)動層、操作系統(tǒng)層、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層和應(yīng)用程序?qū)咏M成。硬件驅(qū)動層描述網(wǎng)關(guān)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ARM Linux 實時操作系統(tǒng)內(nèi)核； 網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用程序?qū)釉贚inux 內(nèi)核上移植嵌入式Web 服務(wù)器軟件Boa.

　　圖4 家庭網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)。

　　網(wǎng)關(guān)中的網(wǎng)絡(luò)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(shè)備發(fā)送到Wi-Fi 的數(shù)據(jù)，在網(wǎng)關(guān)需要經(jīng)過以下處理步驟： Zigbee 設(shè)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(shè)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5 Zigbee /Wi-Fi 網(wǎng)關(guān)的通信協(xié)議模型。

　　3. 2 Zigbee 組網(wǎng)軟件設(shè)計

　　家庭網(wǎng)關(guān)集成了Zigbee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和嵌入式Web 服務(wù)器，有兩個主要功能。1 ） 實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(shè)備的狀態(tài)。2） 用戶可以通過Web 瀏覽器直接訪問網(wǎng)關(guān)，可以進行實時監(jiān)測和遠程管理。

　　為了實現(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)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(wù)器作為Web 服務(wù)器，其中ZigBee 網(wǎng)絡(luò)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6 Zigbee 軟件流程。

　　在智能家居內(nèi)部ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)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PAN ID 的標識號碼，接著啟動網(wǎng)絡(luò)，所有的設(shè)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(luò)的請求還是設(shè)備節(jié)點的控制請求： 如果是新節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的請求則分配網(wǎng)絡(luò)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(guān)主程序設(shè)計

　　家庭網(wǎng)關(guān)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(luò)，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(luò)層、應(yīng)用支持層和應(yīng)用層，每一層為上一層提供服務(wù)。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(guān)節(jié)點。傳送數(shù)據(jù)在通過物理介質(zhì)進入網(wǎng)關(guān)后，先用Zigbee 協(xié)議棧解封裝得到原始數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)可以用操作系統(tǒng)上的應(yīng)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(luò)中，AP路由器接入Internet，從而實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)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(shè)計由前導(dǎo)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(guān)主程序處理流程如圖7 所示。硬件上電系統(tǒng)啟動以后，應(yīng)用程序初始化，網(wǎng)關(guān)開始監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，有數(shù)據(jù)到來網(wǎng)關(guān)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(guān)返回監(jiān)聽狀態(tài)； 如果不是Zigbee 數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)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(guān)進行丟棄處理直接返回監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

　　4 測試結(jié)果與分析

　　將設(shè)計的Wi-Fi-Zigbee 網(wǎng)關(guān)與同樣采用無線通信技術(shù)的Wi-Fi-藍牙無線網(wǎng)關(guān)，以及采用綜合布線的有線網(wǎng)關(guān)做如下比較，如表1.有線網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)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(guān)耗費的工時少且在網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、靈活和抗干擾方面均性能良好。

　　圖7 家庭網(wǎng)關(guān)主程序流程

　　表1 三種網(wǎng)關(guān)的比較

　　為驗證Wi-Fi-Zigbee 網(wǎng)關(guān)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(yīng)時間的變化情況； 2） 數(shù)據(jù)傳輸距離分別為10 m、20 m、50 m 時，有障礙物情況下丟包率和響應(yīng)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(guān)下丟包率與響應(yīng)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50 m 以內(nèi)時，Wi-Fi-Zigbee 網(wǎng)關(guān)較Wi-Fi-藍牙網(wǎng)關(guān)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(guān)高出2% 左右，而響應(yīng)時間波動在1 ms 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(guān)丟包率與響應(yīng)時間較有線網(wǎng)關(guān)稍高，卻遠優(yōu)于Wi-Fi-藍牙網(wǎng)關(guān)。

　　圖8 三種網(wǎng)關(guān)在不同環(huán)境下丟包率與響應(yīng)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(guān)的設(shè)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(luò)的數(shù)據(jù)出口，以嵌入式Web 服務(wù)器為網(wǎng)關(guān)，克服了傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)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(yīng)用。