【導讀】針對傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)中多種無線通信技術之間互聯(lián)的困擾，設計了一個新的兩種無線通信技術直連的智能家居網(wǎng)關。該網(wǎng)關以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，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處理器上構建嵌入式Web服務器，通過擴展Wi-Fi模塊與Zigbee模塊實現(xiàn)家庭內部無線網(wǎng)絡的建立以及與Internet的連接，并給出了硬件組成結構和軟件實現(xiàn)流程。實驗結果表明，該網(wǎng)關在丟包率與時間響應方面優(yōu)于有線網(wǎng)關和Wi-Fi-藍牙網(wǎng)關，適合在智能家居系統(tǒng)中應用。
0 引言
隨著人們生活水平的提高以及計算機技術、通信技術和網(wǎng)絡技術的發(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)和控制家庭電器設備。在智能家居系統(tǒng)中，采用無線網(wǎng)絡技術可以提供更大的靈活性、流動性，更符合家庭網(wǎng)絡簡潔性、靈活性、模塊化、擴展性及獨立性的通信特點，將無線網(wǎng)絡技術應用于家庭網(wǎng)絡已經(jīng)成為主流趨勢。
Zigbee 作為一種新興的無線通信技術，其低速率、低成本、低功耗、自配置和靈活的網(wǎng)絡結構，非常適合于家庭內部組網(wǎng)。而Wi-Fi作為一種無線聯(lián)網(wǎng)技術，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技術使得家庭內部網(wǎng)絡與Internet連接更加便捷，通過一臺Wi-Fi的手持終端設備就可以直接進入家庭網(wǎng)關，實現(xiàn)對家電設備的遠程監(jiān)控和智能控制。系統(tǒng)中家庭網(wǎng)關為Wi-Fi-ZigBee的Web服務器，它是ZigBee協(xié)議、Wi-Fi協(xié)議和以太網(wǎng)之間的轉換接口，并負責建立和管理無線傳感器網(wǎng)絡以及實現(xiàn)外網(wǎng)的通信連接。
1 網(wǎng)關總體設計和工作流程
系統(tǒng)主要包括ARM9處理器S3C2440A（家庭網(wǎng)關）、Zigbee 模塊（協(xié)調器）、Wi-Fi模塊、Zigbee終端設備（如紅外探測器、門磁開關和火災探測器和煙感燃氣探測器等） ，其結構如圖1所示。在ARM9處理器中移植Web服務器Boa作為家庭網(wǎng)關，負責對整個智能家居設備的管理以及遠程監(jiān)控。
由于智能家居中許多家電設備都是通過Zigbee無線傳感網(wǎng)絡來工作的，因此必須在處理器中保存數(shù)據(jù)并對Zigbee無線傳感網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)融合處理，協(xié)調器負責家庭內部Zigbee網(wǎng)絡的管理與控制。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)家庭內部網(wǎng)絡與Internet的通信。
圖1 系統(tǒng)結構
系統(tǒng)處理基本流程如下： 系統(tǒng)內部由Zigbee 星型網(wǎng)絡組成，家中電器開關狀態(tài)和傳感器的控制信息在網(wǎng)絡中自由傳輸，經(jīng)由協(xié)調器（Zigbee 模塊） 傳送至Web 服務器的網(wǎng)關，再由網(wǎng)關通過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)關可以通過無線網(wǎng)絡對遠程用戶的控制命令作出判斷和響應，從而開啟或關閉家中的電器。
2 網(wǎng)關硬件平臺設計
網(wǎng)關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，其硬件電路結構框圖如圖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)關的核心，用來對Zigbee通信模塊進行相應配置并接收Zigbee終端節(jié)點的數(shù)據(jù)，利用Wi-Fi協(xié)議將網(wǎng)關通過Wi-Fi模塊連接到Internet網(wǎng)絡。為了能達到高性能、低功耗的目的，設計的嵌入式網(wǎng)關采用以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調試接口等構成硬件平臺。
2.2 Zigbee組網(wǎng)模塊
在智能家居系統(tǒng)中，采用Zigbee無線通信技術將智能家電設備組成星形網(wǎng)絡。星形網(wǎng)絡是一個輻射狀的結構，網(wǎng)絡命令和數(shù)據(jù)都是通過協(xié)調器傳輸，終端設備之間通信也是通過協(xié)調器轉發(fā)，終端設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)關中作為網(wǎng)絡協(xié)調器，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)點包括家庭內部網(wǎng)絡中的門磁開關、紅外對射探測器、玻璃破碎探測器、火災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(＄780.5000) 接口，用來連接PC機，UART1和UART2是TTL接口。這里使用UART0來連接，設置相應波特率后實現(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芯片內嵌TCP/ IP協(xié)議棧，降低了設計的難度，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)，便于在其基礎上完成各項相關應用程序的開發(fā)。軟件主要涉及到操作系統(tǒng)的裁剪與編譯、驅動程序編寫和系統(tǒng)主程序編寫。
3.1 家庭網(wǎng)關軟件體系結構
家庭網(wǎng)關采用模塊化設計方案，如圖4 所示由硬件驅動層、操作系統(tǒng)層、網(wǎng)絡協(xié)議層和應用程序層組成。硬件驅動層描述網(wǎng)關節(jié)點中Zigbee模塊和Wi-Fi模塊的驅動；操作系統(tǒng)層移植了ARM Linux實時操作系統(tǒng)內核；網(wǎng)絡協(xié)議層移植了Zigbee和Wi-Fi協(xié)議棧，實現(xiàn)Zigbee和Wi-Fi協(xié)議雙向轉換；應用程序層在Linux內核上移植嵌入式Web服務器軟件Boa.
圖4 家庭網(wǎng)關結構。
網(wǎng)關中的網(wǎng)絡協(xié)議層主要完成從Wi-Fi和Zigbee協(xié)議的相互轉換工作。對于從Zigbee設備發(fā)送到Wi-Fi的數(shù)據(jù)，在網(wǎng)關需要經(jīng)過以下處理步驟；Zigbee設備接收到數(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)關的通信協(xié)議模型。
3.2 Zigbee組網(wǎng)軟件設計
家庭網(wǎng)關集成了Zigbee網(wǎng)絡協(xié)調器和嵌入式Web服務器，有兩個主要功能。1）實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡的建立，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終端設備的狀態(tài)。2）用戶可以通過Web瀏覽器直接訪問網(wǎng)關，可以進行實時監(jiān)測和遠程管理。
為了實現(xiàn)家庭網(wǎng)關的功能，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的驅動程序，并使用基于HTTP協(xié)議的Boa服務器作為Web服務器，其中ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調器的軟件實現(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。
在智能家居內部ZigBee無線網(wǎng)絡中，首先協(xié)調器進行初始化，然后協(xié)調器選擇一個稱為PAN ID的標識號碼，接著啟動網(wǎng)絡，所有的設備接入CSMA-CA機制的協(xié)調器。當協(xié)調器收到數(shù)據(jù)時，首先判斷是新節(jié)點加入網(wǎng)絡的請求還是設備節(jié)點的控制請求：如果是新節(jié)點加入網(wǎng)絡的請求則分配網(wǎng)絡地址并綁定節(jié)點；如果是控制請求，則調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)調器返回等待請求監(jiān)聽狀態(tài)。
3.3 家庭網(wǎng)關主程序設計
家庭網(wǎng)關是建立在傳輸層以上的協(xié)議轉換器，通常它連接兩個或多個相互獨立的網(wǎng)絡，每接收一種協(xié)議的數(shù)據(jù)包后，在轉發(fā)之前將它轉換為另一種協(xié)議的格式，Zigbee協(xié)議棧由一系列分層結構組成，包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、應用支持層和應用層，每一層為上一層提供服務。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)關節(jié)點。傳送數(shù)據(jù)在通過物理介質進入網(wǎng)關后，先用Zigbee協(xié)議棧解封裝得到原始數(shù)據(jù)，網(wǎng)關可以用操作系統(tǒng)上的應用軟件根據(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)絡中，AP路由器接入Internet，從而實現(xiàn)網(wǎng)關與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)幀結構的設計由前導碼、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?br />
家庭網(wǎng)關主程序處理流程如圖7 所示。硬件上電系統(tǒng)啟動以后，應用程序初始化，網(wǎng)關開始監(jiān)聽網(wǎng)絡，有數(shù)據(jù)到來網(wǎng)關進入中斷狀態(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)然后打包轉發(fā)給Wi-Fi模塊，網(wǎng)關返回監(jiān)聽狀態(tài)； 如果不是Zigbee數(shù)據(jù)，網(wǎng)關判斷是否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)關進行丟棄處理直接返回監(jiān)聽網(wǎng)絡狀態(tài)。
4 測試結果與分析
將設計的Wi-Fi-Zigbee網(wǎng)關與同樣采用無線通信技術的Wi-Fi-藍牙無線網(wǎng)關，以及采用綜合布線的有線網(wǎng)關做如下比較，如表1.有線網(wǎng)關網(wǎng)絡穩(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)關耗費的工時少且在網(wǎng)絡穩(wěn)定、靈活和抗干擾方面均性能良好。
圖7 家庭網(wǎng)關主程序流程
表1 三種網(wǎng)關的比較
為驗證Wi-Fi-Zigbee網(wǎng)關在智能家居監(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)關下丟包率與響應時間的曲線：（c）、（d）為在有障礙物和干擾情況下所測得的數(shù)據(jù)。實驗結果表明，在無障礙物傳輸距離為50m以內時，Wi-Fi-Zigbee網(wǎng)關較Wi-Fi-藍牙網(wǎng)關的優(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)關高出2%左右，而響應時間波動在1ms以內，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)關丟包率與響應時間較有線網(wǎng)關稍高，卻遠優(yōu)于Wi-Fi-藍牙網(wǎng)關。
圖8 三種網(wǎng)關在不同環(huán)境下丟包率與響應時間的比較
5 結語
本文提出了一種無線智能家居網(wǎng)關的設計和實現(xiàn)方案，該方案采用低功耗ARM 處理器S3C2440A為核心，利用內嵌TCP/IP 協(xié)議棧的模塊Wi-Fi為網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)出口，以嵌入式Web服務器為網(wǎng)關，克服了傳統(tǒng)網(wǎng)關架構下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)中應用。
【推薦閱讀】
被外因坑慘了的智能家居何時能夠上位？
創(chuàng)新+互聯(lián)+一站式解決方案撐起智能家居的未來
智能家居中紅外遙控模塊的設計方案
基于Linux系統(tǒng)和ZigBee的智能家居系統(tǒng)方案
智控LED燈泡Hue拆解：最聰明智能照明，如何做到？
