摘  要： 智能家居是融合了自動(dòng)化控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)于一體的網(wǎng)絡(luò)化、智能化的家居控制系統(tǒng)。智能家居嵌入式無線網(wǎng)關(guān)的功能是將家庭本地的ZigBee網(wǎng)絡(luò)與Internet和GSM等外網(wǎng)連接，用戶可隨時(shí)隨地通過瀏覽器和手機(jī)監(jiān)控與管理家居環(huán)境和設(shè)備。網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)以ARM Cortex-M3為核心，Linux為平臺(tái)操作系統(tǒng)，構(gòu)建嵌入式Boa服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)網(wǎng)與Internet的通信。GSM模塊發(fā)送報(bào)警信息到用戶手機(jī)。經(jīng)測試，智能家居網(wǎng)關(guān)具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，具有普及推廣的參考價(jià)值和應(yīng)用前景。

　　關(guān)鍵詞： 智能家居；網(wǎng)關(guān)；ZigBee；無線網(wǎng)絡(luò)；遠(yuǎn)程監(jiān)控

0 引言

　　智能家居是一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，隨著國家推動(dòng)信息化、智能化城市發(fā)展的進(jìn)程，智能家居近幾年得到了快速發(fā)展，市場消費(fèi)潛力巨大。智能家居以住宅為載體，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、綜合布線技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、安全防范技術(shù)、音視頻技術(shù)，集成家庭日常生活的各類設(shè)施，實(shí)現(xiàn)高效的住宅管理，構(gòu)建安全便利、藝術(shù)舒適、環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。

　　智能家居網(wǎng)關(guān)的功能是將Internet或者GSM等外網(wǎng)與家庭本地網(wǎng)絡(luò)連接通信。家庭本地網(wǎng)絡(luò)通過建立網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境的數(shù)據(jù)采集與電器設(shè)備的控制，如通過對(duì)家庭亮度、溫度、濕度、可燃性氣體的監(jiān)測，對(duì)燈光、窗簾、空調(diào)、加濕器、報(bào)警裝置等設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；通過網(wǎng)關(guān)，用戶可以通過遠(yuǎn)程PC、手機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)電視等終端來監(jiān)控智能家居。

　　目前主流的無線通信技術(shù)包括紅外技術(shù)、家庭無線電射頻技術(shù)、WiFi技術(shù)、GSM技術(shù)、ZigBee技術(shù)，這些技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，無法獨(dú)自擔(dān)當(dāng)智能家居無線網(wǎng)絡(luò)體系傳輸?shù)闹厝蝃1]。ZigBee傳輸速率為250 kb/s，家居環(huán)境的數(shù)據(jù)采集與電器設(shè)備的控制需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大且數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，因此家庭內(nèi)網(wǎng)采用ZigBee技術(shù)可以滿足智能家居架構(gòu)內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)需求[2]；WiFi的速率為11 Mb/s，屬于高速網(wǎng)絡(luò)，可滿足用戶方便地通過Internet網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，而全球應(yīng)用最廣泛的移動(dòng)電話GSM標(biāo)準(zhǔn)，可滿足用戶隨時(shí)隨地通過手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控。本文設(shè)計(jì)的智能家居嵌入式無線網(wǎng)關(guān)的功能是將家庭本地的ZigBee網(wǎng)絡(luò)與Internet和GSM網(wǎng)絡(luò)等外網(wǎng)連接，用戶可以通過外網(wǎng)對(duì)本地網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)

　　1.1 總體架構(gòu)

　　為實(shí)現(xiàn)多種無線網(wǎng)絡(luò)融合的智能家居系統(tǒng)，嵌入式智能網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)由處理器、無線收發(fā)模塊、以太網(wǎng)模塊和GSM模塊等組成。無線收發(fā)模塊與智能家居的ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信，ZigBee網(wǎng)絡(luò)包括協(xié)調(diào)器、各類傳感器終端節(jié)點(diǎn)，具體包括溫/濕度采集節(jié)點(diǎn)、可燃?xì)怏w報(bào)警信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)以及各控制節(jié)點(diǎn)。以太網(wǎng)模塊將網(wǎng)關(guān)連接入Internet網(wǎng)。GSM模塊具有發(fā)送SMS短信、語音通話、GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)然贕SM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的所有基本功能。網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　處理器選用ST公司的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103型號(hào)單片機(jī)[3]。STM32F103工作頻率達(dá)到72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器。調(diào)試模式有2種，串口調(diào)試和JTAG接口，本文中采用串口調(diào)試方式。STM32F103接口豐富，有2個(gè)T2C接口（SM-Bus/PMBus）、5個(gè)USART接口、3個(gè)SPI接口等。這些特性足以滿足本網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的要求。

　　1.2 無線收發(fā)模塊

　　無線收發(fā)模塊采用TI公司的CC2530芯片。它結(jié)合一個(gè)高性能2.4 GHz DSSS射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級(jí)小巧高效的8051控制器。系統(tǒng)內(nèi)具有可編程閃存、 8 KB RAM和許多其他強(qiáng)大的功能。CC2530具有休眠模式，而且轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的時(shí)間超短，特別適合智能家居中要求長期使用避免頻繁換電池的需求[4]。CC2530模塊通過SPI接口與處理器相連接，采用3 V紐扣鋰電池供電。

　　1.3 以太網(wǎng)模塊

　　以太網(wǎng)控制芯片選用DM9000A，是臺(tái)灣DEVICOM公司研發(fā)的10 M/100 M自適應(yīng)以太網(wǎng)控制器芯片，它能滿足數(shù)據(jù)傳輸需要并且性價(jià)比高、占用資源少，在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。圖2是以太網(wǎng)控制器與處理器的連接圖。處理器通過FSMC總線連接以太網(wǎng)控制芯片，即FSMC D0~D15腳按順序連接到DM9000A的SD0~SD15；FSMC A2連接CMD，當(dāng)CMD值為1時(shí)，處理器訪問DM9000A的數(shù)據(jù)寄存器；當(dāng)CMD值為0時(shí)，處理器訪問DM9000A的地址寄存器。IOR與IOW分別控制DM9000A的讀和寫。CS是芯片的片選信號(hào)線，INT為中斷，PWRST是外部復(fù)位管腳。

　　1.4 GSM模塊

　　GSM模塊采用SIMCom的無線模塊SIM300。SIM300是一款4頻GSM/GPRS模塊，工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1800/1900 MHz，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。SIM300的尺寸大小為40×33×  2.85（mm），能適用于M2M應(yīng)用中的各類設(shè)計(jì)需求，尤其適用于緊湊型產(chǎn)品設(shè)計(jì)。該模塊使得用戶可以通過隨身攜帶的手機(jī)對(duì)家里環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，一旦有緊急情況發(fā)生，報(bào)警信息會(huì)發(fā)送到手機(jī)，方便用戶第一時(shí)間處理。

2 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

　　ARM Cortex-M3采用免費(fèi)開源的Linux作為平臺(tái)操作系統(tǒng)，Linux占用資源小、內(nèi)核可裁剪、移植方便，能滿足智能家居網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)要求[5]。

　　2.1 網(wǎng)關(guān)與Internet通信

　　嵌入式的Web服務(wù)器目前主要有Boa、Goahead、Thttpd、Shttpd、Appweb和Apache等。嵌入式設(shè)備的資源相對(duì)有限且并不需要并發(fā)處理多用戶需求，因此本設(shè)計(jì)采用開源的Boa服務(wù)器[6]。它占用資源小，支持CGI程序，性能優(yōu)越。CGI（Common Gateway Interface，公共網(wǎng)關(guān)接口）運(yùn)行在服務(wù)器上，提供同客戶端HTML頁面的接口[7]。

　　在嵌入式ARM服務(wù)器的Linux操作系統(tǒng)上安裝Boa網(wǎng)頁服務(wù)器，當(dāng)服務(wù)器接受用戶通過瀏覽器發(fā)送的請(qǐng)求，Boa通過CGI方式調(diào)用C語言程序獲取家居本地網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息，再返回給瀏覽器頁面。處理步驟如下：

　?。?）用戶請(qǐng)求通過IE瀏覽器發(fā)送給Boa服務(wù)器；

　?。?）Boa服務(wù)器接受用戶請(qǐng)求并傳送給CGI程序處理；

　?。?）CGI程序讀取各傳感器節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)數(shù)據(jù)并傳送給Boa服務(wù)器；

　?。?）服務(wù)器將處理結(jié)果返回給用戶。

　　服務(wù)器中網(wǎng)頁采用HTML語言來編寫，腳本采用Javascript，例如從家庭內(nèi)網(wǎng)獲得室溫狀態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)的Javascript腳本程序如下：

　　<head>……

　　<script language="javascript"type="text/javascript"src="/jquery.js" charset="utf-8">

　　</script>

　　</head>

　　<script language="javascript">

　　function start_fun（）{

　　get_temperature（）；}//調(diào)用獲取溫度函數(shù)

　　function get_temperature（）{//定義溫度獲取函數(shù)

　　var u=function（txt）{

　　document.getElementById（"temperature"）.value=txt； //接收服務(wù)器發(fā)送的溫度信息

　　disableButtons（flase）；}

　　jQuery.post（"/cgi-bin/get_temperature.cgi"，""，u）；}

　　//向服務(wù)器發(fā)送獲取溫度命令

　　</script>

　　2.2 網(wǎng)關(guān)與GSM通信

　　GSM模塊與系統(tǒng)ARM處理器串口方式連接，通過AT指令集進(jìn)行通信[8]。SMS_flag標(biāo)志位表示處理器的短信緩沖區(qū)數(shù)組是否有內(nèi)容，當(dāng)有內(nèi)容時(shí)，標(biāo)志位設(shè)為1，當(dāng)內(nèi)容被讀取后，標(biāo)志位設(shè)為0。處理器通過發(fā)送AT指令到GSM模塊后，等模塊返回“OK”，則模塊與控制器通信正常。接著檢測數(shù)據(jù)標(biāo)志位，data_flag標(biāo)志位等于1，則有數(shù)據(jù)發(fā)送，調(diào)用短消息發(fā)送函數(shù)SMS_sendout（）發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送成功則結(jié)束，否則重新調(diào)用短消息發(fā)送函數(shù)。通信流程如圖3所示。

3 測試

　　網(wǎng)關(guān)與ZigBee節(jié)點(diǎn)上電后，協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)，ZigBee節(jié)點(diǎn)加入該網(wǎng)絡(luò)并開始發(fā)送數(shù)據(jù)。測試中，ZigBee節(jié)點(diǎn)每隔1 s向網(wǎng)關(guān)發(fā)送溫度、濕度、電壓等信息，網(wǎng)關(guān)收到數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。SIM模塊的TXD、RXD使用杜邦線連接到ARM串口1的RXD、TXD，在RealView MDK開發(fā)環(huán)境中調(diào)試。SIM模塊的RS232接口連接到電腦，通過串口調(diào)試助手工具測試數(shù)據(jù)。

　　測試中設(shè)置夏季室內(nèi)溫度閾值為28℃，即當(dāng)室溫超過閾值，自動(dòng)開啟空調(diào)。SIM模塊收到處理器傳遞的各節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息后，生成提示短信“High temperature warning”，模塊提示+CMTI："SM"，8，表明有新的短信，存放在SIM卡的位置8。然后，發(fā)送AT+CMGR=8，即可讀取該短信。調(diào)試軟件顯示短信發(fā)送方的電話號(hào)碼和發(fā)送時(shí)間，發(fā)送的內(nèi)容與預(yù)設(shè)的一致，如圖4所示。

　　ZigBee網(wǎng)關(guān)設(shè)備上電，通過RJ45接口連接路由器。網(wǎng)關(guān)IP地址配置為192.168.139.254，客戶端PC的IP設(shè)為192.168.139.20，與ZigBee網(wǎng)關(guān)的IP處于同一網(wǎng)段。打開IE瀏覽器，輸入ZigBee網(wǎng)關(guān)的IP，則運(yùn)行嵌入式Web服務(wù)器頁面，如圖5所示。在該界面實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的室內(nèi)溫度，能正確接收ZigBee網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)。在設(shè)備控制中，空調(diào)設(shè)備自動(dòng)打開，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)家居的遠(yuǎn)程控制。

4 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了智能家居嵌入式無線網(wǎng)關(guān)，其功能是將家庭本地的ZigBee網(wǎng)絡(luò)與Internet和GSM網(wǎng)絡(luò)等外網(wǎng)連接，用戶可隨時(shí)隨地通過手機(jī)和瀏覽器監(jiān)控與管理家居環(huán)境和設(shè)備。網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)以ARM Cortex-M3為核心，以Linux為平臺(tái)操作系統(tǒng)，構(gòu)建嵌入式Boa服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)網(wǎng)與Internet的通信。GSM模塊發(fā)送報(bào)警信息到用戶手機(jī)。經(jīng)測試，智能家居嵌入式無線網(wǎng)關(guān)具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，具有普及推廣的參考價(jià)值和應(yīng)用前景。

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