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基于嵌入式的智能家居网关系统

发表日期:2020-01-31 23:02:36   编辑:杨宗纬

  1 绪论

  1.1 课题研究的背景及意义

  近年来,各种信息技术和经济的发展使人们对自己的生活提出了更高的要求。现在提到居住环境,人们更加关心的是居住环境的信息化和智能化的发展,能否增进生活的舒适与健康。这也就造就了智能家居的兴起与发展。

  通常,智能家居[1]被认为是一种物联化体现,它是以居住的物理环境为平台,将与家居生活息息相关的各种设备(照明设备、安防设备、串联控制、厨具控制等等)按照模块化思想,使用计算机技术、网络通信技术、传感器技术、嵌入式技术、Wifi技术等,把需求结合起来,形成一个全面的管理系统。

  我们可以设想一下智能化家居生活给我们带来的便利和舒适[2]:不在家的时候,我们可以通过手机或者电脑来远程控制我们自己家中的各系统的运行:下班回家我们可以通过手机设置家中空调的温度,厨具自动煮饭……;到家时,楼道的灯自动打开,同时打开自己家的智能防盗门,自动解除家中防盗系统。开启家中的灯,看着智能厨具已经为我们做好了饭菜,吃过饭后,卫生间的浴缸为我们放好洗澡水,这样的生活不仅便捷更是一种享受。

  总之,与普通的家居生活比,智能家居主要体现在“智能”二字上。本套系统不仅仅具有居住的功能,而且能够让人们随时随地de控制自己家中的电器设定他们的工作状态,根据自己的性格设置自己的风格,为人们提供高品质的,舒适宜人们的生活环境。更重要的是人们可以远程控制这些系统,利用手机或者电脑对他们进行远程的管理和控制。

  由于近几年物联网技术的飞速发展,又促进了智能家居的不断更新与进步。因此,本方案设计贴近生活,希望本设计可以为以后人们的智能家居生活贡献一份力量。

  1.2 国内外智能家居系统的发展现状

  1.2.1 国外智能家居系统的发展现状

  早在20世纪80年代,美国就已经出现了世界上第一栋智能建筑[3]随后,包括美国在内的等欧美地区经济相对发达的国家提出了智能家居网关的设想和相关方案。自此,各个国家开始了正想建设智能家居的角逐。美国电子工业协会与1988年制订了一套《家庭自动化系统与通讯标准》。日本也较早的提出了家庭总线系统(Home Bus System,简称HBS)的概念,并且制定了自己的HBS标准。很多公司按照当时的技术标准都推出了自己的智能家居产品,比如IDS公司推出了Stargatre家居自动化系统、HAL公司推出的Aldluxe智能家居系统、HAI公司推出了NI智能家居系统等[4]。但由于当时人们想飞观念还未形成,再加上当时智能家居产品的价格昂贵,兼容性不够好等缺点,导致智能家居未能正式进入市场。当时真正使用智能家居的只有极少数家庭,比尔盖茨家庭就是其中之一,至今已经试用了近30年。直到1995年,在美国真正使用智能家居的家庭比率也就0.33%。但在随后的几年内,智能家居发展的步伐加快,市场平均增长率达到8%,自此国外智能家居发展才步入正规。到了2004年,美国的智能家居产品销售额已经高达一百四十亿美元。其他发达国家的智能家居事业也是蒸蒸日上,大有红透半边天的趋势[5]。

  1.2.2 国内智能家居系统的发展现状

  国内的智能家居系统起步相对晚一些,但是发展的势头丝毫不逊于国际智能家居发展的速度[6]。

  国内智能家居系统最早源于1994年[7],那时候国内智能家居系统刚刚萌芽,国内的人刚刚听说这个词语,当时国内的智能家居系统只要是从美国进口,国内并没有人生产智能家居系统。

  国内智能家居的总体走势跟国内物联网发展的趋势是一致的,智能家居系统迅速发展是在2009年之后。2009年8月7日,温家宝总理在无锡调研时,对微纳传感器研发中心予以高度关注,提出了把“感知中国”[8] 中心设在无锡、辐射全国的想法。从此之后,国内的智能家居系统飞速发展,各大家电厂商、物联网厂商以及研究无线传感网络的机构都纷纷加入国内智能家居系统的研发中,从此,国内智能家居如火如荼的进行着。

  2009年到2010年,由于国家对高科技产业的关注,多次发布各种意见,关注重视物联网及智能家居的发展与研究。移动、电信等通信公司,海尔、海信等家电公司也表示重点发展这一领域,促使了国内生产智能家居的公司迅速壮大,但是这些公司主要集中在北上广深等经济发达地区。

  接下来十几年里,由于之前各种智能家居公司的迅速发展,导致各个公司之间竞争激烈,最后剩下几家比较著名的公司。目前国内智能家居比较好的系统有海尔的U-home系统、紫光物联、无锡的家立方、北京的东宇智能等等;各大公司的智能家居系统都有各自的特点与卖点,比如海尔的U-home凭借自身的家电设备的优势,其智能家居系统主要在对家电的控制方面,其他公司的智能家居重点在灯光、窗帘的控制以及家庭安防等方面。

  自从1994年国内首次引进了智能家居的相关技术以后,国人才慢慢开始熟知了解到智能家居,起初也没有吸引人们的眼球,在当时的国内使用智能家居的大多是一些欧美的居民。知道2000年,智能家居才算正式进入了国人的眼帘,在2000年到2005年期间,在深圳、北京等发达城市,已经有50多家智能家居研发企业成立[9、10]这标志着我国智能家居发展已经步入正轨。经过这些年的发展,国内公司在智能家居领域逐渐崭露头角,纷纷推出自己的家居产品,到了2013年,政府推动智能化城市发展,提出了相关的政策,智能家居发展也是进一步加快,大有直追欧美的气势[11]。

  1.3 智能家居发展趋势以及研究意义

  在2014年1月份,网络巨头谷歌公司以32亿美金现金收购智能家居Nest公司,在全球的智能家居市场轰动一时,对智能家居的讨论再一次成为世界上的热点,从此,智能家居从概念走向实战已经不再只是人们心中的概念,而是走向实际。

  要看智能家居的发展趋势,那么要数举世瞩目的在美国拉斯维加斯举行的国际消费电子展(CES).在2014年的CES展上,来自全世界各地的厂商都发布或展示了自己在智能家居方面做出的成果。其中包括最大的智能手机厂商三星公司推出的Smart Home智能家庭平台,该平台可以让用户通过单独的应用程序管理所有的物联网家电和智能设备;韩国LG公司推出了一款应用软件(HomeChat),该应用软件可以通过语音远程控制家电;IBM公司也展示自己研发的智能家居系统,该系统可以通过手势、语言等控制家中的设备[12]。相比之下,在这次展览上国内厂商对智能家居也有不小的贡献。在国内占据着互联网巨头的几大公司相继涉足智能家居,让智能家居再次成为整个IT行业的热门。其中海尔、海信、TCL、长虹、康佳这五家公司国内家电厂商均展示了自己的智能家居产品。此外华为公司和小米公司也分别发布了自己研发的智能路由器,他们将智能路由器称为智能家居系统的入口;百度也推出了自己的BaiduInside平台,该平台的云服务与智能家居密切相关。

  通过这些高科技智能家居产品,我们不难嗅出智能家居产业的春天已经到来,因此研究智能家居的重要性和意义不言而喻,相信在不久的将来,智能家居必定会像电视机一样走进千家万户。

  2 智能家居的核心技术

  2.1 以太网接口模块的网关硬件模块的设计

  2.1.1 以太网接口概述

  以太网最初是由Xerox公司开发的一种基带局域网技术,使用同轴电缆作为网络媒体,采用载波多路访问和冲突检测(CSMA/CD,Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)机制,数据传输速率达到10Mbps。

  以太网被设计用来满足非持续性网路数据传输的需要,而IEEE02.3规范则是基于最初的以太网技术与1980年制定。以太网版本2.0由Digital Equipment Corporation、Intel和Xerox三家公司联合开发,与IEEE802.3规范相互兼容。

  以太网在智能家居中应用的优势。以太网以其传输速度高、低功耗、易于安装,并且通过和TCP/IP协议作为模板在智能家居系统中进行应用,与其他各种网络通信技术相比,具有许多优点。随着知识经济和和网络经济时代的到来,住宅智能化已经成为新世纪全新生活方式的根本保证。当人们开始追求一种确保居住安全、环境健康、信息灵通、生活方便、服务周到,是人们感觉到安全和温馨的新型生活方式时,智能化家居便应运而生。

  由于以上优势,在家庭的一些设备直接采用了以太网作为控制网络有许多优势,如果实时性得以解决,在家电设备网中就可以采用以太网作为控制网络,使网络的标准同意,可增强网络的维护性。因此,在智能家具系统中使用以太网技术作为网络通信平台,可以避免现场总线技术游离于技术主流之外,从而实现总线技术与一般网络技术相互促进,共同发展。在技术的升级方面无需单独的研究投入,这一点是现有现场总线技术无法与之相比的。同时家庭语音、视频、及未来的机器人技术都需要更高的带宽、更好的传输性能,通信协议有更高的灵活性,这些要求以太网都能很好的满足。

  2.2 嵌入式系统的基本概念及特点

  2.2.1 嵌入式系统的基本概念

  目前,对嵌入式的定义多种多样,但没有一种是特别全面的。一下给出两种比较合理的定义[13]:

  嵌入式系统:以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专业计算机系统。

  嵌入式系统: 嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件相协作的系统,在该系统中硬件和软件紧密耦合,一起构成计算机系统。术语嵌入式反映了嵌入式系统是更大系统的一个完整部分,嵌入式系统中可以共存多个嵌入式系统。

  以上两种定义的出发点不同,前者是从技术的角度定义的,而后者是从系统的角度定义的。事实上,在大多数情况下,嵌入式系统是真正的被嵌入而成为“系统中的系统”。

  2.2.2 嵌入式系统的特征

  由于现代嵌入式系统的特点,完全可以使用嵌入式系统来组建现代智能家居系统应用,相对于传统使用普通PC来实现家庭服务器或家庭网关来说,嵌入式系统服务器和网关体积小,占地少,可以千载墙内。在现代家庭中,家具设备的体积也是必须考虑的因素,如果在家中安装许多庞然大物,则会让主人感到不便。因为家中的电器设备一般比较多,所以体积小的设备放在家中更加方便。

  与普通的软件开发相比,嵌入式系统的开发有其特殊性,本设计的最终目标是设计一个比较完整的智能家居系统。ZigBee技术也是一个核心技术。

  2.2.3 嵌入式系统的应用领域

  嵌入式系统的应用也非常广泛,主要包括智能产品的开发、电子控制及自动化、航天、石化等等,此外,它还具有很高的商业应用价值,嵌入式系统的具体应用领域如图2-1所示。

  图2-1嵌入式系统领域

  2.3 ZigBee技术

  目前比较热门的三种无线网络通信技术有:无线局域网(WiFi)、蓝牙(Bluetooth)和ZigBee。下面对这三种技术做简要的介绍。

  (1)WiFi: WiFi定义了两种工作在2.4GHz的ISM频段上的无线调频方式[14] 。WiFi信号的覆盖范围广,通过专用交换机可以把覆盖范围扩大到6.5公里。WiFi具有较高的传输速率,最高可达11Mb/s。但是高带宽也导致了WiFi设备的功耗比较高。

  (2)蓝牙: 蓝牙技术工作在2.4GHz频段,支持点对点及点对多点的通信,数据传输速率为1Mbps[15] 。蓝牙可在不同的应用设备之间实现快捷方便的数据传输。不过蓝牙的通信距离只有10m左右,而且一个蓝牙单元最多也只能和7个蓝牙单元通信。

  (3)ZigBee: ZigBee技术是一种目前比较热门的无线网络通信技术,它是一种短距离、低速率的无线通信技术,有ZigBee联盟在IEEE802.15.4的基础上定制而成[16]。ZigBee工作在2.4GHZ和868/915MHz两个免费频段上,每个协调器可以链接多达225个终端节点。根据天线功率和具体应用环境的不同,ZigBee的实际传输距离一般在10~100m之间。ZigBee技术有如下几个特点:

  (1)成本低:每个ZigBee芯片的成本在5美元左右。

  (2)可靠:采用了特有冲突避免的载波倾听多路访问机制

  (3)省电:工作周期短,功耗低。两节五号电池使用时间最长可达2年

  (4)时延短:从休眠转换到工作状态只需要15ms,节点发现只需要30ms。

  (5)安全保密性高:采用64位出厂编号并支持AES.128加密。

  (6)网络容量高:最大可容纳65000多节点。

  下表2-1对上述3种短距离无线通信技术进行了比较[17-18]

  通信方式 蓝牙 WiFi ZigBee

  应用重点 电缆替代品 Web、Email 检测、控制

  系统开销 较大 大 小

  电池寿命 较短 短 最长

  网络大小 7 32 65000

  传输距离 最大10米 最大100米 最大100米

  带宽 最高1Mbps 最高1Mbps 最高250Kbps

  传输媒介 2.4G射频 2.4G射频 2.4G射频

  表2-1 3种无线通信技术的对比

  通过对上述几种无线通信技术和比较可以得出,ZigBee技术较其他两种有着无法比拟的优势。因此在本系统中选择ZigBee作为家庭内部网络的组网技术。

  2.4 传感器技术

  感器技术是用来实现测量与控制的一门技术,是物联网终中的重要环节。智能家具系统中需要大量的传感器来完成环境数据监测、辅助自动化控制等工作。

  本设计中系统根据功能需求主要用到了继电器、温湿度传感器、烟雾传感器。继电器用来控制家具设备的开关状态,如灯光的亮灭;温度传感器用来检测家中的温度和湿度;烟雾传感器用来检测家中有害气体的浓度。

  3智能家居网关系统总体设计

  随着家居智能化的发展,智能家居系统中的核心设备家庭网关也在不断地改进与完善,功能也不断丰富,界面越来越有好。本次设计中主要针对智能家居网关的软硬件系统进行了设计。并做了简单的测试。

  3.1 智能家居网关的地位和工作原理

  家庭网关[19]主要工作于及家庭内部网络与Internet之间的链接,实现两个网络直接协议的转换,保证两个不同的网络之间通信正常。家庭网关中的地位如图3-1所示。

  图3-1 家庭网关在网络中地位

  家庭网关处于家庭内部网络于家庭外部以太网连接的位置[20]。家庭内部采用短距离无线通信方式组网,与家庭网关在一个网络中,同时家庭网关接入Internet,这样家庭内家电设备便可以实现与Internet的互连和通信。同时家庭网关还完成家庭内部与以太网协议的转换以及对来自以太网控制命令路由的选择等功能,实现以太网中对家中可控家电设备状态的读取与控制。

  3.2 智能家居网关设计原则

  为了确保智能家居系统的稳定高效运行,达到设计要求,在智能家居网关的设计过程中遵守的原则包括以下几点。

  (1)稳定性原则。稳定是系统设计的第一原则,任何功能的实现都必须在不影响稳定性的条件实施,这也是实现系统正常运行的基本要求。

  (2)实用性原则。本文设计从实际的家居环境与功能要求出发,以满足家居生活安全舒适、绿色高效的需求为目标,避免资源的浪费和过分花哨的条件。

  (3)可操作性原则。这主要从系统控制与设置角度出发,家居环境千变万化,家居设备多种多样,控制的方式和过程也各有不同。本次设计系统在对多种设备控制和操作上简单易学。

  (4)普通舒适性原则。本次设计系统面向大多数的家居环境,在综合大多家居环境的基础上进行设计,以求最终能够应用与大多数的家居环境。

  (5) 可维护性与安全性。在系统出现故障,或者外部运行环境发生变化时,要能够便于及时维护,保证系统的持续稳定运行。同时,要能够避免内部或外部因素对系统造成损害,保证系统运行安全。

  3.3 智能家庭网关系统设计需求分析

  家庭网关是智能家居系统中不可或缺的设备,也是主要的核心设备,家庭内部网络中的所有智能被控制设备都通过无线技术连续到家庭网关,由家庭网关统一管理,并通过家庭网关与Internet通信。由此,可以看出家庭网关在整个智能家居系统中的作用十分重要,所以对家庭网关设备的要求也比较高。

  在功能需求方面,家庭网关的主要功能[21]有三个:组建家庭内部网络、网络数据格式(协议)转换以及与Internet建立远程通信连接。

  组建家庭网络方面,家庭网关属于家庭网络内的一个协调器,负责组建网络,并对网络中的设备进行管理与控制,这就要求家庭网关的设计需要有距离无线通信模块来实现这些功能。

  协议转换方面,是智能家居系统中的关键部分,也是整个系统中通信的关键部分。其主要负责智能家居系统的数据的处理与协议转换,需要相应的处理器及其内存等电路支撑。在智能家居系统中,协议转换模块负责家庭内部网络中的数据格式与以太网中的数据格式的转换,通过协议转换模块,智能家居系统中家电网络才可以接入以太网,实现真正的物联网。

  Internet远程通信方面,设计思想是通过Web服务器提供中转服务,使得客户端可以和被访问的目标主机建立通信。

  3.4 智能家居网关系统功能设计

  根据对家庭网关系统设计的需求分析,组合本次设计的要求,在本次设计中采用ZigBee技术来组建家庭内部网络,本次设计中家庭网关的主要三个功能: ZigBee组网、协议转换以及远程通信。网关的功能图如图3-2所示。

  图3-2 网关功能图

  ZigBee组网。家庭网关中的 ZigBee模块作为家庭内部ZigBee网络中的网络协调器[22] ,负责建立ZigBee网络,管理ZigBee网络内的设备,能够实现ZigBee节点de自动加入,删除已经不在ZigBee网络中的节点。并且可以实现ZigBee网络内部的路由功能,由于家庭内部ZigBee网络内各个模块的网络地址由协调器分配,当模块位置改变或者协调器重启之后,其网络地址会发生变化,因此在家庭网关内部需要保存的设备的网络地址与物理地址的映射,以保证数据的正确传输。

  协议转换。家庭网关处于Internet与ZigBee网络的连接的位置,负责两个网络之间的通信功能,由于以太网网络数据格式与ZigBee网络数据格式协议不一样,因此要完成两种协议的转换,以保证两个网络之间通信正常。

  表3-1 ZigBee帧结构

  字节:2 1 0/2 1/2/8 0/2 0/2/8 可变 2

  帧控制 序列号 目的PAN提示符 目的地址 源PAN 提示符 源地址 净荷 帧校验

  地址域

  MAC帧头 MAC帧负载 MAC帧尾

  表3-2以太网帧结构

  6字节 6字节 2字节 46-1500字节 4字节

  目的MAC地址 源MAC地址 类型 数据 FCS

  如表3-1所示为ZigBee网络内数据的帧结构[23],表3-2所示为以太网内数据的帧结构,协议转换功能就是将ZigBee网络内数据的帧结构转为以太网的数据结构,或者将以太网的数据帧结构转为ZigBee网络内数据的帧结构,完成两种数据帧结构的转换。

  远程通信。要实现对家电网络中设备的远程控制,则需要家庭网关系统与以太网连接。

  4智能家居网关系统硬件设计

  本章主要介绍了采用模块化方法设计嵌入式智能家居网关硬件系统的过程。根据第三章提出的智能家居网关结构,对各功能模块进行设计,搭建了系统的硬件测试平台。

  嵌入式系统为专用的计算机系统,其硬件组成具有可裁剪性,非常适合采用模块化的方法进行设计。由上文可知智能家居网关主要由基础模块、以太网接口模块、电源管理模块、WiFi通信模块、ZigBee协调器模块和系统指示模块组成。

  4.1智能家居网关系统硬件总体结构

  智能家居网管主要有嵌入式处理模块、基础模块、存储系统模块、基础管理模块、电源管理模块、以太网接口模块、ZigBee协调器模块、WiFi通信模块、系统指示模块系统模块等组成。智能家居网关系统硬件总体结构如图4-1所示。

  图4-1智能家居网关系统硬件结构图

  由图4-1可以看出,嵌入式处理模块与其他几个模块都有连接,在智能家具网关系统中处于中心位置。嵌入式处理器模块是智能家居网关计算分析和处理的核心。其他模块都是围绕着嵌入式处理器模块而设计,并于嵌入式处理器模块相互交错。基础模块、时钟系统模块、存储器模块作为嵌入式系统的必要组成部分,月嵌入式处理器模块共同构成智能家居网关系统。

  4.2 基础模块设计

  智能家居网关基础模块是智能家居网关硬件最重要的组成模块,其设计共有四个部分,分别是嵌入式处理器模块设计、复位管理模块设计、时钟系统模块设计、存储系统模块设计。

  (1)嵌入式处理器模块设计。嵌入式处理器是操作系统运行的宿主机,所有系统数据的计算、分析和处理都由嵌入式处理器实现,是智能家居网关开发平台的核心模块。所以,选择一款性能优异的处理器,对系统的性能具有重要影响。结合系统的功能、性能、接口、功耗等方面的需求,比较了多种嵌入式处理器在处理性能、技术指标、功耗及软硬件的支持工具等方面的优缺点后,本方案所采用嵌入式处理器的型号为全志A20。

  (2)时钟系统模块设计。时钟系统模块对于嵌入式系统的意义相当于心脏对于人的意义,驱动着整个系统的运行。时钟系统共有两个部分组成,一部分是系统运行的时钟模块,决定了系统运行的时钟周期,驱动嵌入式处理的程序运行。另一部分是RTC时钟部分,主要实现RTC时钟的正常运行,为系统提供准确的时间信息。本系统中,系统运行时钟采用24MHz的晶振驱动,RTC时钟采用32.786KHz的晶振驱动。

  (3)复位管理模块设计。复位管理模块主要实现对智能家居网关的复位操作,防止死机等。

  (4)存储系统设计。存储系统设计包含两个部分,一部分是内存设计,一个是存储卡设计。本系统内存采用两片三星K4B4G1646D DDR3芯片组成,共8GB。内存空间比较大,可以保证系统的稳定运行,提高运行效率。在本系统中,储存器不仅长期存储数据,而且智能家居网关运行的系统也烧录在存储卡中。

  4.3 以太网接口模块设计

  以太网接口模块是智能家居网关对外连接的通道。通过以太网接口模块,智能家居网关可以连接互联网,接入服务器,并为用户提供远程接入、访问智能家居网关、控制家居设备等服务。以太网接口模块由以太网路由交换控制芯片BCM53125和RJ45接入端口组成。BCM53125是Broadcom公司推出的一款集成支持千兆以太网桌面交换机芯片,采用业界领先的65纳米RoboSwitch架构的设计,并提供多达7个以太网接入端口。BCM53125集成了多层交换机,支持IEEE 803.2az的高效节标准,在高效能模式下可以减少70%的能源损耗。BCM53125是对具有挑战性的低功耗要求的最佳解决方案,也非常适合应用于嵌入式系统的网络接入[24]。

  4.3 电源管理模块设计

  电源管理是嵌入式系统的关键组成部分之一,电源维系了整个系统的正常运行,为系统功能的实现提供电源保障。嵌入式系统对于电源的要求主要是稳定性和驱动能力两个方面。在稳定性方面,主要体现在两点,一是在嵌入式系统工作时,电源要能够不间断为系统供电,保证系统正常运行。二是电源的波动要小,不能够出现大幅文波、噪声等影响系统正常运行的情况。一个完整的嵌入式系统由很多个模块组成。当系统正常运行时,电源管理模块同时向多个功能模块供电,这就要求电源管理模块具有同时驱动多个模块的能力,这也是维持系统正常运行的一个重要条件。

  AXP209是高度集成的电源系统管理芯片,针对需要多路电源转换输出的应用,提供了简单易用而又可以灵活配置的完整电源解决方案,能够充分满足目前日益复杂的应用处理器系统对于电源精确控制的要求。因其优越的电源管理性能,AXP209被广泛应用于手持式设备、移动互联网设备和应用处理器电路系统等[25]。为了便于嵌入式处理器对电源的管理,电源管理模块通过串口与嵌入式处理器连接,嵌入式处理器通过串口可以设置各功能模块电源的开启或断开,也可以设置这些模块的电压等。电源管理模块的电路。

  4.4 WiFi 模块设计

  WiFi无线网络接入功能是智能家居网关的另一个核心部分。一方面,用户可以使用手机、平板电脑、无线网卡等通过WiFi连接智能家居网关,实现互联网的接入。另一方面,通过WiFi接入智能家居网关,客户端能够够实现对智能家居系统的近程控制和系统数据的获取。

  智能家居网关的硬件采用的模块化的方法进行设计,使用成熟方案的WiFi模块一方面可以加快系统的设计开发速度,缩短开发周期,另一方面成熟的模块其稳能较好,也有利于提高系统性能,增强系统稳定性。

  4.5 ZigBee通信平台设计

  ZigBee通信平台共由两部分组成,分别是ZigBee协调器部分和ZigBee终端设备部分。其中,ZigBee协调器是ZigBee网络的核心,负责ZigBee网络的组建和管理,集成在智能家居网关内。ZigBee终端部分则是ZigBee网络的末梢,也是智能家居系统的终端执行机构,包括ZigBee传感器终端和ZigBee控制终端。ZigBee通信平台设计主要考虑以下几点:

  (1)稳定性。要能够保证ZigBee协调器和ZigBee之间通信的稳定,不掉网,减少丢包现象。

  (2)处理能力。在智能家居系统中,ZigBee终端并不需要很高的处理能力,但ZigBee协调器负责整个ZigBee网络的数据处理,这就要求ZigBee协调器要具有一定的处理能力。

  (3)成本。ZigBee网络作为智能家居内网通信的主要组成部分,当家居设备较多时,ZigBee终端节点的数目也会很多,这也就要求ZigBee设备的成本不宜过高。经过多方面的比较,本文最终采用CC2530芯片实现智能家居网关ZigBee通信的解决方案。

  CC2530是由TI公司生产的基于IEEE802.1 5.4协议的片上系统无线收发芯片。相比于其它ZigBee系列芯片,CC2530在RF性能方面更加卓越,非常适合于搭建功能健全且成本相对较低的无线通信方案。其内部集成了增强型8051控制内核,拥有健全的硬件接口资源,包括2个串口、1个16计时器、2个8为计时器、8组12位的ADC模块、128位的AES安全协议处理器、内置看门狗、32kHz的休眠模式定时器及多达21个可编程的I/O接口等。在功耗方面,CC2530尤为卓越,当处于休眠模式时,仅为1mW左右,非常适合应用在低功耗的解决方案中。CC2530具有多种工作模式,但进入休眠和唤醒的时间极短,可以在较短的时间内实现多种模式的转换[55-56]。结合TI公司开发的ZigBee协议,用户可以使用CC2530很好实现应用程序的开发。

  4.5.1 ZigBee协调器

  ZigBee协调器是智能家居网关组建ZigBee网络的核心,集成在智能家居网关内,与嵌入式处理器直接连接。因此,除了必要的状态指示外,ZigBee协调器模块并不需要其它输出部分。

  模块由CC2530芯片及其外围电路组成。模块上共有1个LED灯用来指示ZigBee网络的状态。当系统上电时,ZigBee协调器模块开始组建ZigBee家居内网。组建过程中,LED灯将会处于闪烁的状态。在完成组建后,LED灯将处于常亮的状态。模块采用了一个高增益的天线,用来增加无线信号的强度和稳定性,CC2530芯片的P0.2和P0.3引脚兼为USART的传输接口。通过该接口,模块可以连接到嵌入式处理器,从而扩展了嵌入式系统的ZigBee通信能力。

  4.5.2 ZigBee终端设备设计

  ZigBee型终端设备主要由两个部分组成,分别是ZigBee终端节点模块和执行机构。其中,ZigBee终端节点模块主要是实现ZigBee网络的接入、命令的接收及状态信息的上传等。在硬件设计上,ZigBee终端节点与ZigBee协调器基本相同。不同点主要在于其外部设备接口上。与ZigBee协调器不同,ZigBee终端节点所连接的设备

  主要是执行机构。根据功能划分,执行机构可以分为控制型机构和传感型机构。其中控制型机构主要实现对家电设备的控制,包括开关型控制和非开关型控制。传感型机构则实现环境信息的感知与采集,包括温度、湿度、可燃气体浓度、人体感应等。

  将ZigBeez型终端设备采用模块化的方法进行设计。将ZigBee型终端设备分为ZigBee核心板和底座两个部分。其中,ZigBee核心板由CC2530芯片及其外围电路组成,是一个ZigBee网络终端节点,其硬件设计与ZigBee协调器基本一致。底座一方面为核心板供电,另一方面底座上有多种执行机构。ZigBee核心板与底座上结合构成一个完整的终端设备。底座主要由以下几个单元组成:

  (1)核心板接入单元。核心板接入单元由接插座、状态指示灯、复位按钮、功能选择开关组成。其中,接插座P1和P2实现与核心板连接,指示灯LED3实现ZigBee网络状态显示,复位按钮S3可以实现模块的复位操作。功能选择开关S2是一个拨码开关,根据拨码开关的数值,可以设定终端设备实现的功能。如0001表示开关型控制设备,0010表示非开关型控制设备等。

  (2)电源接入单元。电源接入单元主要实现终端模块的电源供给,接入电源为SVDC,接入后经U1变换稳定为3.3 VDC,并且通过多个滤波电容,提高接入电源的稳定性。

  (3)继电器单元。继电器单元主要应用于开关型设备的控制。继电器 K1的控制端口P10与CC2530芯片的P1.0口相连,当P1.0为高电平时,继电器K1动作,线路导通。P1.0为低电平时,继电器K1复位,线路断开。继电器线圈还并联了一个LED灯D2,用来显示继电器的状态。当D2亮起时表示继电器动作,线路导通,熄灭则表示继电器复位,线路断开。

  (4)外接单元接口。由于ZigBee终端设备功能多样,所接入的功能单元也较多,所以底座预留了很多的外接单元接口,如串口通信单元、I/O口单元等。通过这些外接单元,红外发射模块、温度传感器模块、人体感应模块等很方便的接入到ZigBee终端设备中。同时,外接单元接口也为后续功能的拓展提供了便利。

  5总结与展望

  本文以智能家居应用为背景,从实用的角度入手,目标在于提升智能家居网关的性能,降低智能家居成本,使家居生活智能化、网络化。提出了一种基于物联网架构的智能家居网关系统设计方案。在本课题的研究过程中主要做的工作有以下几点:

  (1)对智能家居系统的结构、组成做了详细的分析,阐述了智能家居各组成部分的功能及作用,介绍了智能家居系统的发展现状与趋势。

  (2)分析研究了智能家居的网关的硬件结构,采用模块化的方法将智能家居硬件分为嵌入式处理器模块、WiFi通信模块、ZigB ee协调器模块和以太网接口模块,并利用ZigBee协调器模块搭建了验证平台。同时,对ZigBee终端设备进行了设计,详细介绍了设计方法和过程。

  (3)智能家居的核心技术,主要包括以太网技术、嵌入式技术的理解与分析、传感器技术、Zigbee技术等。

  嵌入式网络是一个十分复杂的问题,它涉及到使用什么样的物理层结构、采用什么样的协议的问题。本文拟采用以太网实现智能家居系统的互联,并能通过主控网关接入Internet,真正实现了嵌入式系统与Internet的无缝联接。

  以太网技术成了今天一个事实上的标准,把它用于嵌入式系统是一种嵌入式系统的发展趋势,但由于它的延迟的确定性和传输的不可靠性,必须采取一些措施后可将其用于实时系统。

  经试验验证,本文所设计的智能家居网关系统具有良好的稳定性和可靠性,能够应用于大多数的家居生活环境。能够提升家居生活的智能化和网络化水准,不仅实现对智能家居设备的远程和近程控制,而且还实现了对家居环境的感知与采集。具有成本低、结构简单的优点。

  尽管所设计的智能家居网关达到了预期目标,但还存在着一些需要进一步研究的地方。

  通过以后的研究,相信智能家居肯定有着突飞猛进的发展,相信在不远的将来,智能家居将会走进千家万户,让人们的生活更加便利和幸福。

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