一種嵌入式無線智能家居網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計方案[圖]

摘 要： 為了實現(xiàn)家庭內(nèi)部網(wǎng)路與Int ernet 以及GSM 網(wǎng)的互聯(lián)， 提出了一種嵌入式無線智能家居網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計方案。該網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的硬件平臺以ARM920T 核處理器S3C2440 為主處理器， 采用ZigBee 協(xié)議建家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)， 而且通過以太網(wǎng)模塊和GSM 模塊接入外部網(wǎng)絡(luò)。軟件平臺采用Linux 操作系統(tǒng)， 通過交叉編譯設(shè)計網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用程序。最后， 以QtopiaCo re 為嵌入式GUI, 進行家庭網(wǎng)關(guān)監(jiān)測應(yīng)用軟件的功能需求分析， 設(shè)計圖形用戶界面， 實現(xiàn)家庭內(nèi)部信息的查詢�；�于ARM9 和Linux 的嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)， 可擴展性強， 數(shù)據(jù)處理速度快， 使用簡單， 能夠?qū)�家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部多項環(huán)境信息進行監(jiān)測。

0 引言

智能家居系統(tǒng)是為適應(yīng)現(xiàn)代化家庭生活而形成的一個形式多樣化的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它是現(xiàn)代3C技術(shù)（計算機技術(shù)，通信技術(shù)，控制技術(shù)）與傳統(tǒng)家居系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物，是家居信息化未來的發(fā)展方向。智能家居網(wǎng)絡(luò)通常包括智能家居網(wǎng)關(guān)，外部網(wǎng)，安防設(shè)備等。智能家居網(wǎng)關(guān)與其他4個部分連接，交互信息，對它們進行統(tǒng)一的管理。此外，智能家居網(wǎng)關(guān)還接入外部網(wǎng)絡(luò)，使用戶能夠遠(yuǎn)程實時控制管理家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。

在本文中，智能家居網(wǎng)絡(luò)是指應(yīng)用于家庭環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。在家庭中，部署各種傳感器，例如紅外傳感器，煙霧傳感器，RFID門磁傳感器來監(jiān)測家庭的一些環(huán)境信息，這些傳感器通過自組織方式就構(gòu)建了智能家居網(wǎng)絡(luò)。所以本文設(shè)計的智能家居網(wǎng)關(guān)主要是實現(xiàn)WSN網(wǎng)絡(luò)與Internet以及GSM網(wǎng)的互連。顯然，智能家居網(wǎng)關(guān)是整個家庭網(wǎng)絡(luò)的核心，主要實現(xiàn)Internet網(wǎng)，GSM網(wǎng)的接入，遠(yuǎn)程控制，以及實現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換連接家庭內(nèi)部異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的功能。目前基于PC方案的家庭網(wǎng)關(guān)不僅成本高，而且要求計算機一直處于開機狀態(tài)，因此，對于普通的用戶，家庭網(wǎng)關(guān)應(yīng)采用廉價的嵌入式CPU，若單是采用8位或者16位的單片機，由于速度慢且資源有限，不能實現(xiàn)復(fù)雜的控制，效果不理想。

因此，以ARM920T核處理器S3C2440為主處理器，家庭內(nèi)部通過JENNIC 5139射頻模塊自組織無線網(wǎng)絡(luò)。GSM模塊選用Wavecom GSM模塊。此外，本文用Qt設(shè)計了用戶可操作的觸摸屏界面。

1 網(wǎng)關(guān)需求分析

網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的主要功能是在現(xiàn)場及遠(yuǎn)程終端監(jiān)控家庭各個傳感器的工作狀態(tài)，并在異常時報警。各個傳感器將各自采集的信息，經(jīng)過JEN-NIC射頻模塊的無線傳輸，傳送到網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)上，通過嵌入式微處理器操作系統(tǒng)，將信息通過有線或者無線方式傳送到遠(yuǎn)程終端上或者用戶手機上。網(wǎng)關(guān)部署如圖1所示。

圖1 網(wǎng)關(guān)部署結(jié)構(gòu)圖

本文要實現(xiàn)的目標(biāo)有以下3個：

（1）實現(xiàn)用戶在任何時間，任何地點通過遠(yuǎn)程無線的方式對家庭內(nèi)的環(huán)境信息查詢；

（2）對家庭內(nèi)部的環(huán)境信息進行實時監(jiān)控，當(dāng)其中某一項參數(shù)超過一定指標(biāo)時，以遠(yuǎn)程無線方式通知用戶，發(fā)送報警信息；

（3）*遠(yuǎn)程終端的連接請求，當(dāng)有遠(yuǎn)程Socket連接時網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)。
2 網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計

現(xiàn)階段大部分的家庭網(wǎng)關(guān)聯(lián)網(wǎng)方式主要為有線接入，本文提出了一種基于ARM處理器和GSM網(wǎng)絡(luò)，以linux為操作系統(tǒng)的家庭網(wǎng)關(guān)無線接入方案，目的是能通過手機短信或者遠(yuǎn)程終端對控制節(jié)點進行遠(yuǎn)程控制。并使用JENNIC無線射頻模塊實現(xiàn)家庭內(nèi)部子網(wǎng)采集數(shù)據(jù)的無線傳輸。

網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖可以簡化為硬件層和軟件層。硬件層由高性能的微處理器和多個功能模塊組成。軟件層由嵌入式操作系統(tǒng)以及應(yīng)用軟件構(gòu)成，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 網(wǎng)關(guān)總體架構(gòu)

3 家庭網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計

本次網(wǎng)關(guān)設(shè)計的硬件層主要采用嵌入式的ARM9開發(fā)平臺。嵌入式ARM處理器具有體積小，功耗低，成本低，性能高等特點，是十分優(yōu)秀的RISC處理器。其中三星公司的S3C2440是一款優(yōu)秀的ARM9核心處理器，具有400 MHz的主頻，內(nèi)部集成多個功能模塊，支持NAND-flash啟動等特點，是目前市場上最常見的嵌入式處理器芯片。因此，本系統(tǒng)擬采用S3C2440處理器為核心處理器。

考慮主控制器擴展出來的串行接口數(shù)量有線，程序的調(diào)試，燒寫，傳感器節(jié)點等都需要串行接口。所以，選擇了AU9254這款USB PUB芯片來實現(xiàn)USB串行口的擴展。以太網(wǎng)控制器和配合擴展的RJ 45接口主要用于與Internet網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。射頻收發(fā)模塊和GSM無線模塊擬采用標(biāo)準(zhǔn)的串口集成到網(wǎng)關(guān)上。人機接口打算使用LCD觸摸屏，可以方便地觀察節(jié)點的配置以及檢測環(huán)境的變化。JTAG接口將引導(dǎo)加載程序燒寫在網(wǎng)關(guān)中。具體的硬件架構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 網(wǎng)關(guān)硬件架構(gòu)圖