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

　　0 引言

　　隨著人們生活水平的提高以及計(jì)算機(jī)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(yuǎn)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(dòng)性，更符合家庭網(wǎng)絡(luò)簡潔性、靈活性、模塊化、擴(kuò)展性及獨(dú)立性的通信特點(diǎn)，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(dòng)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(tái)Wi-Fi 的手持終端設(shè)備就可以直接進(jìn)入家庭網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家電設(shè)備的遠(yuǎn)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(fù)責(zé)建立和管理無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及實(shí)現(xiàn)外網(wǎng)的通信連接。

　　1 網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計(jì)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?xì)馓綔y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(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)智能家居設(shè)備的管理以及遠(yuǎn)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(duì)Zigbee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)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(diǎn)（ Access Point，AP） 路由器與以太網(wǎng)連接，實(shí)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(yuǎn)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(duì)遠(yuǎn)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(tái)設(shè)計(jì)

　　網(wǎng)關(guān)硬件電路主要由控制器模塊（ S3C2440A） 、存儲(chǔ)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(gè)嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)的核心，用來對(duì)Zigbee 通信模塊進(jìn)行相應(yīng)配置并接收Zigbee 終端節(jié)點(diǎn)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(dá)到高性能、低功耗的目的，設(shè)計(jì)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(chǔ)控制、UART、SPI和GPIO 等豐富的外圍資源，通過外擴(kuò)存儲(chǔ)器、串口、USB接口和JTAG 調(diào)試接口等構(gòu)成硬件平臺(tái)。

　　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(gè)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(diǎn)就是通信的終點(diǎn)。