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基于嵌入式的无线智能家居网关设计方案

导读: 针对传统智能家居系统中多种无线通信技术之间互联的困扰,设计了一个新的两种无线通信技术直连的智能家居网关。

  0 引言

  随着人们生活水平的提高以及计算机技术、通信技术和网络技术的发展,智能家居逐渐成为未来家居生活的发展方向。智能家居不仅能给用户提供安全、健康和舒适的生活环境,而且用户能够远程监控自己的家居状态和控制家庭电器设备。在智能家居系统中,采用无线网络技术可以提供更大的灵活性、流动性,更符合家庭网络简洁性、灵活性、模块化、扩展性及独立性的通信特点,将无线网络技术应用于家庭网络已经成为主流趋势。

  Zigbee 作为一种新兴的无线通信技术,其低速率、低成本、低功耗、自配置和灵活的网络结构,非常适合于家庭内部组网。而Wi-Fi 作为一种无线联网技术,最主要的优势在于不需要布线,不受布线条件的限制,因此特别适合移动办公用户的需要,在智能家居中采用Wi-Fi 技术使得家庭内部网络与Internet 连接更加便捷,通过一台Wi-Fi 的手持终端设备就可以直接进入家庭网关,实现对家电设备的远程监控和智能控制。系统中家庭网关为Wi-Fi-ZigBee 的Web 服务器,它是ZigBee 协议、Wi-Fi 协议和以太网之间的转换接口,并负责建立和管理无线传感器网络以及实现外网的通信连接。

  1 网关总体设计和工作流程

  系统主要包括ARM9 处理器S3C2440A ( 家庭网关) 、Zigbee 模块( 协调器) 、Wi-Fi 模块、Zigbee 终端设备( 如红外探测器、门磁开关和火灾探测器和烟感燃气探测器等) ,其结构如图1 所示。在ARM9 处理器中移植Web 服务器Boa 作为家庭网关,负责对整个智能家居设备的管理以及远程监控。

  由于智能家居中许多家电设备都是通过Zigbee 无线传感网络来工作的,因此必须在处理器中保存数据并对Zigbee 无线传感网络进行数据融合处理,协调器负责家庭内部Zigbee 网络的管理与控制。Wi-Fi 模块用来传输大容量信息,通过无线访问节点( Access Point,AP) 路由器与以太网连接,实现家庭内部网络与Internet 的通信。

 

图1 系统结构

  系统处理基本流程如下: 系统内部由Zigbee 星型网络组成,家中电器开关状态和传感器的控制信息在网络中自由传输,经由协调器( Zigbee 模块) 传送至Web 服务器的网关,再由网关通过Wi-Fi 经无线路由连接到外部以太网,用户可以通过远程用户界面端了解家中电器状态; 家庭网关可以通过无线网络对远程用户的控制命令作出判断和响应,从而开启或关闭家中的电器。

  2 网关硬件平台设计

  网关硬件电路主要由控制器模块( S3C2440A) 、存储单元( 64 MB SDRAM、64 MB Nand Flash 和2 MB Nor Flash) 、通信模块( Zigbee 模块和Wi-Fi 模块) 和显示模块( LCD) 等组成,其硬件电路结构框图如图2 所示。

 

图2 系统硬件电路

  2. 1 控制器模块

  控制器是整个嵌入式家庭网关的核心,用来对Zigbee 通信模块进行相应配置并接收Zigbee 终端节点的数据,利用Wi-Fi 协议将网关通过Wi-Fi 模块连接到Internet 网络。为了能达到高性能、低功耗的目的,设计的嵌入式网关采用以ARM920T 为核心的32 位的RISC 微处理器S3C2440A 作为主控制器,该处理器集成了LCD 控制器、USBHost、NAND 控制器、BUS 控制器、中断控制、功率控制、存储控制、UART、SPI和GPIO 等丰富的外围资源,通过外扩存储器、串口、USB接口和JTAG 调试接口等构成硬件平台。

  2. 2 Zigbee 组网模块

  在智能家居系统中,采用Zigbee 无线通信技术将智能家电设备组成星形网络。星形网络是一个辐射状的结构,网络命令和数据都是通过协调器传输,终端设备之间通信也是通过协调器转发,终端设备不是通信的起点就是通信的终点。

 

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