在A(yíng)RM9處理器上構建嵌入式Web服務(wù)器，通過(guò)擴展Wi-Fi模塊與Zigbee模塊實(shí)現家庭內部無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的建立以及與Internet的連接，并給出了硬件組成結構和軟件實(shí)現流程。實(shí)驗結果表明，該網(wǎng)關(guān)在丟包率與時(shí)間響應方面優(yōu)于有線(xiàn)網(wǎng)關(guān)和Wi-Fi-藍牙網(wǎng)關(guān)，適合在智能家居系統中應用。

0 引言

隨著(zhù)人們生活水平的提高以及計算機技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，智能家居逐漸成為未來(lái)家居生活的發(fā)展方向。智能家居不僅能給用戶(hù)提供安全、健康和舒適的生活環(huán)境，而且用戶(hù)能夠遠程監控自己的家居狀態(tài)和控制家庭電器設備。在智能家居系統中，采用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)可以提供更大的靈活性、流動(dòng)性，更符合家庭網(wǎng)絡(luò )簡(jiǎn)潔性、靈活性、模塊化、擴展性及獨立性的通信特點(diǎn)，將無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)應用于家庭網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)成為主流趨勢。

Zigbee 作為一種新興的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，其低速率、低成本、低功耗、自配置和靈活的網(wǎng)絡(luò )結構，非常適合于家庭內部組網(wǎng)。而Wi-Fi作為一種無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，最主要的優(yōu)勢在于不需要布線(xiàn)，不受布線(xiàn)條件的限制，因此特別適合移動(dòng)辦公用戶(hù)的需要，在智能家居中采用Wi-Fi技術(shù)使得家庭內部網(wǎng)絡(luò )與Internet連接更加便捷，通過(guò)一臺Wi-Fi的手持終端設備就可以直接進(jìn)入家庭網(wǎng)關(guān)，實(shí)現對家電設備的遠程監控和智能控制。系統中家庭網(wǎng)關(guān)為Wi-Fi-ZigBee的Web服務(wù)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )以及實(shí)現外網(wǎng)的通信連接。

1 網(wǎng)關(guān)總體設計和工作流程

系統主要包括ARM9處理器S3C2440A（家庭網(wǎng)關(guān)）、Zigbee 模塊（協(xié)調器）、Wi-Fi模塊、Zigbee終端設備（如紅外探測器、門(mén)磁開(kāi)關(guān)和火災探測器和煙感燃氣探測器等） ，其結構如圖1所示。在A(yíng)RM9處理器中移植Web服務(wù)器Boa作為家庭網(wǎng)關(guān)，負責對整個(gè)智能家居設備的管理以及遠程監控。

由于智能家居中許多家電設備都是通過(guò)Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )來(lái)工作的，因此必須在處理器中保存數據并對Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據融合處理，協(xié)調器負責家庭內部Zigbee網(wǎng)絡(luò )的管理與控制。Wi-Fi模塊用來(lái)傳輸大容量信息，通過(guò)無(wú)線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)節點(diǎn)（Access Point，AP）路由器與以太網(wǎng)連接，實(shí)現家庭內部網(wǎng)絡(luò )與Internet的通信。


系統處理基本流程如下： 系統內部由Zigbee 星型網(wǎng)絡(luò )組成，家中電器開(kāi)關(guān)狀態(tài)和傳感器的控制信息在網(wǎng)絡(luò )中自由傳輸，經(jīng)由協(xié)調器（Zigbee 模塊） 傳送至Web 服務(wù)器的網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)通過(guò)Wi-Fi 經(jīng)無(wú)線(xiàn)路由連接到外部以太網(wǎng)，用戶(hù)可以通過(guò)遠程用戶(hù)界面端了解家中電器狀態(tài)； 家庭網(wǎng)關(guān)可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )對遠程用戶(hù)的控制命令作出判斷和響應，從而開(kāi)啟或關(guān)閉家中的電器。

2 網(wǎng)關(guān)硬件平臺設計

網(wǎng)關(guān)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。


2.1 控制器模塊

控制器是整個(gè)嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)的核心，用來(lái)對Zigbee通信模塊進(jìn)行相應配置并接收Z(yǔ)igbee終端節點(diǎn)的數據，利用Wi-Fi協(xié)議將網(wǎng)關(guān)通過(guò)Wi-Fi模塊連接到Internet網(wǎng)絡(luò )。為了能達到高性能、低功耗的目的，設計的嵌入式網(wǎng)關(guān)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(guò)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

在智能家居系統中，采用Zigbee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)將智能家電設備組成星形網(wǎng)絡(luò )。星形網(wǎng)絡(luò )是一個(gè)輻射狀的結構，網(wǎng)絡(luò )命令和數據都是通過(guò)協(xié)調器傳輸，終端設備之間通信也是通過(guò)協(xié)調器轉發(fā)，終端設備不是通信的起點(diǎn)就是通信的終點(diǎn)。

Zigbee擴展模塊在家庭網(wǎng)關(guān)中作為網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器，可以是通信的起點(diǎn)或終點(diǎn)，負責各子傳感器節點(diǎn)的通信管理、動(dòng)態(tài)組網(wǎng)與數據傳輸。Zigbee終端節點(diǎn)包括家庭內部網(wǎng)絡(luò )中的門(mén)磁開(kāi)關(guān)、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(wú)線(xiàn)控制模塊。

該模塊與S3C2440A中的UART1相連，S3C2440A中有三個(gè)通用異步串行接口，UART0是RS232(＄780.5000) 接口，用來(lái)連接PC機，UART1和UART2是TTL接口。這里使用UART0來(lái)連接，設置相應波特率后實(shí)現數據傳輸。其通信接口電路如圖3所示，只需連接TXD0和RXD0兩根信號線(xiàn)即可實(shí)現兩者的數據傳輸通信。


2.3 Wi-Fi通信模塊

該模塊用來(lái)實(shí)現家庭網(wǎng)關(guān)與Internet連接。Wi-Fi模塊采用威盛的VT6656芯片實(shí)現數據的遠程傳輸，VT6656芯片內嵌TCP/ IP協(xié)議棧，降低了設計的難度，同時(shí)大大提高了主控制器處理其他數據的能力。VT6656與S3C2440A的連接非常簡(jiǎn)單，二者可以通過(guò)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(wú)線(xiàn)Internet訪(fǎng)問(wèn)，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(xiàn)技術(shù)支持更遠距離的無(wú)線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)；支持所有標準802.11g 和802.11b 無(wú)線(xiàn)路由器及接入點(diǎn)；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(kāi)放源碼的Linux操作系統，便于在其基礎上完成各項相關(guān)應用程序的開(kāi)發(fā)。軟件主要涉及到操作系統的裁剪與編譯、驅動(dòng)程序編寫(xiě)和系統主程序編寫(xiě)。

3.1 家庭網(wǎng)關(guān)軟件體系結構

家庭網(wǎng)關(guān)采用模塊化設計方案，如圖4 所示由硬件驅動(dòng)層、操作系統層、網(wǎng)絡(luò )協(xié)議層和應用程序層組成。硬件驅動(dòng)層描述網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)中Zigbee模塊和Wi-Fi模塊的驅動(dòng)；操作系統層移植了ARM Linux實(shí)時(shí)操作系統內核；網(wǎng)絡(luò )協(xié)議層移植了Zigbee和Wi-Fi協(xié)議棧，實(shí)現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(wù)器軟件Boa.


網(wǎng)關(guān)中的網(wǎng)絡(luò )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的數據，在網(wǎng)關(guān)需要經(jīng)過(guò)以下處理步驟；Zigbee設備接收到數據→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接收數據到發(fā)送給Zigbee設備的過(guò)程如下：

Wi-Fi 接收到數據→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。


3.2 Zigbee組網(wǎng)軟件設計

家庭網(wǎng)關(guān)集成了Zigbee網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器和嵌入式Web服務(wù)器，有兩個(gè)主要功能。1）實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的建立，傳感器節點(diǎn)管理和數據傳輸。將收集到的數據存儲在數據庫中，使用戶(hù)可以隨時(shí)查詢(xún)監控Zigbee終端設備的狀態(tài)。2）用戶(hù)可以通過(guò)Web瀏覽器直接訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)關(guān)，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監測和遠程管理。

為了實(shí)現家庭網(wǎng)關(guān)的功能，在硬件平臺上移植了Linux2.6實(shí)時(shí)操作系統、Zigbee協(xié)議棧和VT6656的驅動(dòng)程序，并使用基于HTTP協(xié)議的Boa服務(wù)器作為Web服務(wù)器，其中ZigBee網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器的軟件實(shí)現包括ZigBee協(xié)議和監控管理程序的移植。該軟件流程如圖6所示。


在智能家居內部ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中，首先協(xié)調器進(jìn)行初始化，然后協(xié)調器選擇一個(gè)稱(chēng)為PAN ID的標識號碼，接著(zhù)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò )，所有的設備接入CSMA-CA機制的協(xié)調器。當協(xié)調器收到數據時(shí)，首先判斷是新節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )的請求還是設備節點(diǎn)的控制請求：如果是新節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )的請求則分配網(wǎng)絡(luò )地址并綁定節點(diǎn)；如果是控制請求，則調用控制請求處理函數處理數據。數據處理完畢，協(xié)調器返回等待請求監聽(tīng)狀態(tài)。

3.3 家庭網(wǎng)關(guān)主程序設計

家庭網(wǎng)關(guān)是建立在傳輸層以上的協(xié)議轉換器，通常它連接兩個(gè)或多個(gè)相互獨立的網(wǎng)絡(luò )，每接收一種協(xié)議的數據包后，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、數據鏈路層、網(wǎng)絡(luò )層、應用支持層和應用層，每一層為上一層提供服務(wù)。采集節點(diǎn)將要傳輸的節點(diǎn)地址信息和監測數據以Zigbee 幀的形式打包發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)。傳送數據在通過(guò)物理介質(zhì)進(jìn)入網(wǎng)關(guān)后，先用Zigbee協(xié)議棧解封裝得到原始數據，網(wǎng)關(guān)可以用操作系統上的應用軟件根據需要對原始數據處理。然后再以TCP/IP協(xié)議打包后通過(guò)USB口與Wi-Fi通信模塊VT6656相連，Wi-FiVT6656網(wǎng)卡通過(guò)AP路由器，將數據傳送到Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )中，AP路由器接入Internet，從而實(shí)現網(wǎng)關(guān)與Internet相連。為實(shí)現系統的監測和控制兩大功能，數據幀結構的設計由前導碼、數據模式、目標地址、數據長(cháng)度、數據信息與校驗和等部分構成［3］，其中數據信息字段又劃分為方向位、功能類(lèi)型和數據。

方向位分為上行和下行兩種： 上行傳輸的是監測數據，下行傳輸的是控制命令。

家庭網(wǎng)關(guān)主程序處理流程如圖7 所示。硬件上電系統啟動(dòng)以后，應用程序初始化，網(wǎng)關(guān)開(kāi)始監聽(tīng)網(wǎng)絡(luò )，有數據到來(lái)網(wǎng)關(guān)進(jìn)入中斷狀態(tài)。首先判斷是否Zigbee數據，如果是Zigbee數據，按照WSN協(xié)議處理數據然后打包轉發(fā)給Wi-Fi模塊，網(wǎng)關(guān)返回監聽(tīng)狀態(tài)； 如果不是Zigbee數據，網(wǎng)關(guān)判斷是否Wi-Fi數據，如果是則以Wi-Fi協(xié)議處理數據然后打包轉發(fā)給Zigbee模塊，并返回監聽(tīng)狀態(tài)； 若是未知數據，網(wǎng)關(guān)進(jìn)行丟棄處理直接返回監聽(tīng)網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)。

4 測試結果與分析

將設計的Wi-Fi-Zigbee網(wǎng)關(guān)與同樣采用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的Wi-Fi-藍牙無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)，以及采用綜合布線(xiàn)的有線(xiàn)網(wǎng)關(guān)做如下比較，如表1.有線(xiàn)網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò )穩定性、抗干擾性方面高，但是耗時(shí)且靈活性較低，而無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)耗費的工時(shí)少且在網(wǎng)絡(luò )穩定、靈活和抗干擾方面均性能良好。


為驗證Wi-Fi-Zigbee網(wǎng)關(guān)在智能家居監控系統中的性能，測試了兩組性能指標：1）無(wú)障礙物和干擾狀態(tài)下，隨著(zhù)距離的增加，數據丟包率和響應時(shí)間的變化情況；2）數據傳輸距離分別為10 m、20 m、50 m 時(shí)，有障礙物情況下丟包率和響應時(shí)間性能變化； 如圖8所示，其中（a）、（ b）為在無(wú)障礙物和干擾狀態(tài)下測得三種網(wǎng)關(guān)下丟包率與響應時(shí)間的曲線(xiàn)：（c）、（d）為在有障礙物和干擾情況下所測得的數據。實(shí)驗結果表明，在無(wú)障礙物傳輸距離為50m以?xún)葧r(shí)，Wi-Fi-Zigbee網(wǎng)關(guān)較Wi-Fi-藍牙網(wǎng)關(guān)的優(yōu)勢明顯，隨著(zhù)傳輸距離增加，丟包率低維持在3%左右，相對于有線(xiàn)網(wǎng)關(guān)高出2%左右，而響應時(shí)間波動(dòng)在1ms以?xún)?，完全能夠充分滿(mǎn)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(guān)丟包率與響應時(shí)間較有線(xiàn)網(wǎng)關(guān)稍高，卻遠優(yōu)于Wi-Fi-藍牙網(wǎng)關(guān)。


5 結語(yǔ)

本文提出了一種無(wú)線(xiàn)智能家居網(wǎng)關(guān)的設計和實(shí)現方案，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(luò )的數據出口，以嵌入式Web服務(wù)器為網(wǎng)關(guān)，克服了傳統網(wǎng)關(guān)架構下Zigbee傳輸速率較低的瓶頸，利用Wi-Fi和Zigbee全網(wǎng)無(wú)線(xiàn)無(wú)縫連接。實(shí)驗表明，該系統可靠性高、協(xié)議轉換效率高，抗干擾能力強，同時(shí)具有很好的通用性，非常適合在智能家居系統中應用。



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