基于嵌入式的无线智能家居网关设计方案

摘要：针对传统智能家居系统中多种无线通信技术之间互联的困扰，设计了一个新的两种无线通信技术直连的智能家居网关。该网关以ARM920T嵌入式处理器S3C2440A为核心，ARMLinux为实时操作系统，采用新兴的Zigbee与Wi-Fi融合的通信技术，以满足家庭远程监控、家庭安防和家电控制的个性化需求。在ARM9处理器上构建嵌入式Web服务器，通过扩展Wi-Fi模块与Zigbee模块实现家庭内部无线网络的建立以及与Internet的连接，并给出了硬件组成结构和软件实现流程。实验结果表明，该网关在丢包率与时间响应方面优于有线网关和Wi-Fi-蓝牙网关，适合在智能家居系统中应用。

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（AccessPoint，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（64MBSDRAM、64MBNandFlash和2MBNorFlash）、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。2Zigbee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3JN5139的通信接口电路

2。3Wi-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：54Mbps标准802。11g无线Internet访问，比基于802。11b协议快5倍；采用USB2。0最高比USB1。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。