基于嵌入式的无线智能家居网关设计方案

　　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。

　　Zigbee 扩展模块在家庭网关中作为网络协调器，可以是通信的起点或终点，负责各子传感器节点的通信管理、动态组网与数据传输。Zigbee 终端节点包括家庭内部网络中的门磁开关、红外对射探测器、玻璃破碎探测器、火灾探测器以及烟感和燃气泄露探测器等。

　　Zigbee 模块采用JENNIC 公司的JN5139,这是业界第一款与IEEE802. 15. 4 兼容的低功耗、低成本无线控制模块。

　　该模块与S3C2440A 中的UART1 相连，S3C2440A 中有三个通用异步串行接口，UART0 是RS232 接口，用来连接PC 机，UART1 和UART2 是TTL 接口。这里使用UART0 来连接，设置相应波特率后实现数据传输。其通信接口电路如图3 所示，只需连接TXD0 和RXD0 两根信号线即可实现两者的数据传输通信。 

　　图3 JN5139 的通信接口电路

　　2. 3 Wi-Fi 通信模块

　　该模块用来实现家庭网关与Internet 连接。Wi-Fi 模块采用威盛的VT6656 芯片实现数据的远程传输，VT6656 芯片内嵌TCP / IP 协议栈，降低了设计的难度，同时大大提高了主控制器处理其他数据的能力。VT6656 与S3C2440A 的连接非常简单，二者可以通过标准的USB 接口直接相连。VT6656芯片的主要特性： 54 Mbps 标准802. 11g 无线Internet 访问，比基于802. 11b 协议快5 倍； 采用USB 2. 0 最高比USB 1. 1 快40 倍； 新的天线技术支持更远距离的无线访问； 支持所有标准802. 11g 和802. 11b 无线路由器及接入点； 支持64 /128 /152 位WEP 加密； 支持WPA /WPA2、WPA-PSK /WPA2-PSK 等高级加密与安全机制。 

　　3 软件平台设计

　　软件平台采用一种开放源码的Linux 操作系统，便于在其基础上完成各项相关应用程序的开发。软件主要涉及到操作系统的裁剪与编译、驱动程序编写和系统主程序编写。

　　3. 1 家庭网关软件体系结构

　　家庭网关采用模块化设计方案，如图4 所示由硬件驱动层、操作系统层、网络协议层和应用程序层组成。硬件驱动层描述网关节点中Zigbee 模块和Wi-Fi 模块的驱动； 操作系统层移植了ARM Linux 实时操作系统内核； 网络协议层移植了Zigbee 和Wi-Fi 协议栈，实现Zigbee 和Wi-Fi 协议双向转换；应用程序层在Linux 内核上移植嵌入式Web 服务器软件Boa. 

　　图4 家庭网关结构。

　　网关中的网络协议层主要完成从Wi-Fi 和Zigbee 协议的相互转换工作。对于从Zigbee 设备发送到Wi-Fi 的数据，在网关需要经过以下处理步骤： Zigbee 设备接收到数据→去掉物理层Zigbee 分组→去掉MAC 层Zigbee 分组→添加MAC头的Wi-Fi 分组→添加物理层头的Wi-Fi 分组→Wi-Fi 处理或发送。Wi-Fi 接收数据到发送给Zigbee 设备的过程如下：

　　Wi-Fi 接收到数据→去掉物理层Wi-Fi 分组→去掉MAC 层Wi-Fi 分组→添加MAC 头的Zigbee 分组→添加物理层头的Zigbee 分组→Zigbee 处理或发送。Wi-Fi-Zigbee 通信协议模型如图5 所示。 

  图5 Zigbee /Wi-Fi 网关的通信协议模型。

　　3. 2 Zigbee 组网软件设计

　　家庭网关集成了Zigbee 网络协调器和嵌入式Web 服务器，有两个主要功能。1 ） 实现无线传感器网络的建立，传感器节点管理和数据传输。将收集到的数据存储在数据库中，使用户可以随时查询监控Zigbee 终端设备的状态。2） 用户可以通过Web 浏览器直接访问网关，可以进行实时监测和远程管理。