摘 要:隨著3G通信技術(shù)的發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的來(lái)臨,智能家居的發(fā)展迎來(lái)了全新的機(jī)遇。本文提出了一種基于ARM9的嵌入式智能家居網(wǎng)關(guān)的解決方案,以滿足智能家居系統(tǒng)的個(gè)性化需求,解決家居空間物理世界與數(shù)字世界信息融合問(wèn)題,具有一定的實(shí)踐指導(dǎo)意義和廣泛的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞:智能家居網(wǎng)關(guān)ARM9ZigBee數(shù)據(jù)融合
中圖分類號(hào):TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2011)05(c)-0020-01
智能家居的開(kāi)發(fā)與建設(shè)是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要組成部分,隨著3G網(wǎng)絡(luò)的普及和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在家居空間的應(yīng)用,使得家居環(huán)境中信息共享、環(huán)境感知逐漸成為現(xiàn)實(shí)。智能家居系統(tǒng)的核心設(shè)備是智能家居網(wǎng)關(guān),通過(guò)它可實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的信息采集、集中控制、遠(yuǎn)程控制、聯(lián)動(dòng)控制等功能�；诖吮疚难芯刻岢隽艘环N融合GPRS/3G技術(shù)和ZigBee技術(shù)的嵌入式智能家居網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方案。
1 智能家居系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案
本文設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)由家庭內(nèi)部網(wǎng)、智能家居網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程接入網(wǎng)三部分構(gòu)成。用戶可通過(guò)家居系統(tǒng)隨時(shí)了解室內(nèi)的溫感、煙感等環(huán)境參數(shù)并對(duì)家居設(shè)備控制,通過(guò)安防系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控家庭安全和智能預(yù)警等。
家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)主要包括家居系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、影音系統(tǒng)和資源共享等功能子系統(tǒng)。家庭內(nèi)部網(wǎng)的構(gòu)建采用具有低功耗、低成本、容量大、安全性高、抗干擾性能強(qiáng)的ZigBee技術(shù)。ZigBee節(jié)點(diǎn)具有自動(dòng)組網(wǎng)的能力,無(wú)需人工干預(yù),網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠感知其他節(jié)點(diǎn)的存在,節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí),網(wǎng)絡(luò)能夠自我修復(fù),并對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整保證整個(gè)系統(tǒng)仍然能正常工作。本文采用TI_CC2430芯片作為家庭內(nèi)部網(wǎng)的通信方案。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點(diǎn)可以是溫、濕度和光照等采集傳感器,也可以是可控制自動(dòng)窗簾、室內(nèi)照明和門(mén)禁等執(zhí)行設(shè)備。
智能家居系統(tǒng)的“大腦”是智能家居網(wǎng)關(guān),它既要具有數(shù)據(jù)信息采集功能,又需要具有數(shù)據(jù)分析處理的能力,實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的智能化統(tǒng)一管理。網(wǎng)關(guān)也是家庭內(nèi)部網(wǎng)和Internet的唯一網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,是家庭內(nèi)部網(wǎng)和遠(yuǎn)程接入網(wǎng)的連接橋梁。家居網(wǎng)關(guān)為家庭內(nèi)部不同類型、不同結(jié)構(gòu)的子網(wǎng)提供橋接能力;在家居外部,實(shí)現(xiàn)Internet的接入訪問(wèn),同時(shí)還提供防火墻的功能,阻止外界對(duì)家庭內(nèi)部設(shè)備的非法訪問(wèn)和攻擊。
對(duì)于外部遠(yuǎn)程接入網(wǎng)絡(luò),智能家居網(wǎng)關(guān)具有GPRS/3G移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)的雙重網(wǎng)絡(luò)接口,可通過(guò)手機(jī)、PDA或者PC機(jī)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的家居設(shè)備,實(shí)現(xiàn)對(duì)家居系統(tǒng)的遠(yuǎn)程訪問(wèn)和控制,操作靈活方便、成本較低且易于推廣普及。
2 智能家居網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)
智能家居網(wǎng)關(guān)是智能家居系統(tǒng)的核心組成,是系統(tǒng)的心臟,要具有較強(qiáng)的魯棒性和穩(wěn)定性,并能在發(fā)生故障時(shí)具有自動(dòng)保護(hù)的功能。從功能、可擴(kuò)展性、操作系統(tǒng)支持及功耗等方面比較,本方案采用基于ARM920T內(nèi)核的高性價(jià)比的32位微處理器S3C2440,存儲(chǔ)器選用64M的NAND_FLASH和64M的SDRAM。系統(tǒng)硬件原理框圖如圖1所示。
此外,它有足夠的外圍擴(kuò)展接口,如主/從USB接口,100M以太網(wǎng)接口,RS232、RS485數(shù)據(jù)總線接口,JTAG接口,電源/復(fù)位模塊,高清晰度LCD觸摸屏,基于SIM300芯片的GPRS模塊,基于TI_CC2430芯片的ZigBee模塊,GPIO擴(kuò)展接口。
3 智能家居網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)
智能家居網(wǎng)關(guān)軟件采用分層模塊化的體系結(jié)構(gòu)。由硬件驅(qū)動(dòng)層、操作系統(tǒng)層、服務(wù)層、開(kāi)放式家居數(shù)據(jù)融合和感知層以及應(yīng)用層等五層組成。每層軟件都獨(dú)立完成一定的功能,并通過(guò)接口函數(shù)為其他層次提供服務(wù)。
硬件驅(qū)動(dòng)層描述網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中Zigbee模塊和GPRS模塊等驅(qū)動(dòng); 操作系統(tǒng)層移植了嵌入式Linux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),具有進(jìn)程管理、內(nèi)存管理等系統(tǒng)功能,為用戶開(kāi)發(fā)程序提供了便利;服務(wù)層在系統(tǒng)內(nèi)核上移植嵌入式文件系統(tǒng)YAFFS和Web服務(wù)器BOA等,用戶可以通過(guò)Internet中的PC機(jī)在遠(yuǎn)端實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制和信息查詢。面對(duì)家居設(shè)備種類及結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、家居數(shù)據(jù)空間傳輸鏈路和通信協(xié)議的異構(gòu)性、家居設(shè)備行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的兼容性等諸多問(wèn)題,開(kāi)放式家居數(shù)據(jù)融合和感知層基于語(yǔ)義網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),采用如XML、SOAP、WSDL以及UDDI技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)面向服務(wù)的數(shù)據(jù)融合和感知,支持家居物理設(shè)備動(dòng)態(tài)感知及配置,兼容DLNA規(guī)范。應(yīng)用層提供多種模式的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用服務(wù),如家居中環(huán)境的感知服務(wù)、設(shè)備操作服務(wù)、信息存儲(chǔ)的服務(wù)、媒體共享的服務(wù)。該層為用戶提供了個(gè)性化的客戶端應(yīng)用,便于用戶對(duì)家居系統(tǒng)的智能化管理。
4 結(jié)語(yǔ)
智能家居系統(tǒng)對(duì)家庭狀況全天候監(jiān)控,使我們無(wú)論身在何處,都擁有一個(gè)放心的家。移動(dòng)終端通過(guò)GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭的遠(yuǎn)程監(jiān)控。當(dāng)用戶離開(kāi)家時(shí),網(wǎng)關(guān)將啟動(dòng)安防設(shè)備并把其狀態(tài)發(fā)送至手機(jī)等移動(dòng)終端。手機(jī)實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控場(chǎng)景、ZigBee節(jié)點(diǎn)溫、濕度等信息,并遠(yuǎn)程控制相應(yīng)的執(zhí)行設(shè)備,如自動(dòng)窗簾、照明和門(mén)禁等。綜上,本智能家居網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)方案為智能家居系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一個(gè)可行的途徑,具有很強(qiáng)的系統(tǒng)兼容性和擴(kuò)展性,應(yīng)用簡(jiǎn)便,有著廣泛的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
[1] 馬忠梅,李善平,康慨,葉楠.ARM&Linux嵌入式系統(tǒng)教程.北京:北京航空航天大學(xué)出版社.2004.09.
[2] 李平舟.基于CC2430的ZigBee無(wú)線數(shù)傳模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].電子原器件應(yīng)用,2008(4):40-43.
[3] 南忠良,孫國(guó)新.基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì).電子設(shè)計(jì)工程,2010(7):117-119.
關(guān)鍵詞:智能家居網(wǎng)關(guān)ARM9ZigBee數(shù)據(jù)融合
中圖分類號(hào):TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2011)05(c)-0020-01
智能家居的開(kāi)發(fā)與建設(shè)是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要組成部分,隨著3G網(wǎng)絡(luò)的普及和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在家居空間的應(yīng)用,使得家居環(huán)境中信息共享、環(huán)境感知逐漸成為現(xiàn)實(shí)。智能家居系統(tǒng)的核心設(shè)備是智能家居網(wǎng)關(guān),通過(guò)它可實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的信息采集、集中控制、遠(yuǎn)程控制、聯(lián)動(dòng)控制等功能�；诖吮疚难芯刻岢隽艘环N融合GPRS/3G技術(shù)和ZigBee技術(shù)的嵌入式智能家居網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方案。
1 智能家居系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案
本文設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)由家庭內(nèi)部網(wǎng)、智能家居網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程接入網(wǎng)三部分構(gòu)成。用戶可通過(guò)家居系統(tǒng)隨時(shí)了解室內(nèi)的溫感、煙感等環(huán)境參數(shù)并對(duì)家居設(shè)備控制,通過(guò)安防系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控家庭安全和智能預(yù)警等。
家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)主要包括家居系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、影音系統(tǒng)和資源共享等功能子系統(tǒng)。家庭內(nèi)部網(wǎng)的構(gòu)建采用具有低功耗、低成本、容量大、安全性高、抗干擾性能強(qiáng)的ZigBee技術(shù)。ZigBee節(jié)點(diǎn)具有自動(dòng)組網(wǎng)的能力,無(wú)需人工干預(yù),網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠感知其他節(jié)點(diǎn)的存在,節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí),網(wǎng)絡(luò)能夠自我修復(fù),并對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整保證整個(gè)系統(tǒng)仍然能正常工作。本文采用TI_CC2430芯片作為家庭內(nèi)部網(wǎng)的通信方案。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點(diǎn)可以是溫、濕度和光照等采集傳感器,也可以是可控制自動(dòng)窗簾、室內(nèi)照明和門(mén)禁等執(zhí)行設(shè)備。
智能家居系統(tǒng)的“大腦”是智能家居網(wǎng)關(guān),它既要具有數(shù)據(jù)信息采集功能,又需要具有數(shù)據(jù)分析處理的能力,實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的智能化統(tǒng)一管理。網(wǎng)關(guān)也是家庭內(nèi)部網(wǎng)和Internet的唯一網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,是家庭內(nèi)部網(wǎng)和遠(yuǎn)程接入網(wǎng)的連接橋梁。家居網(wǎng)關(guān)為家庭內(nèi)部不同類型、不同結(jié)構(gòu)的子網(wǎng)提供橋接能力;在家居外部,實(shí)現(xiàn)Internet的接入訪問(wèn),同時(shí)還提供防火墻的功能,阻止外界對(duì)家庭內(nèi)部設(shè)備的非法訪問(wèn)和攻擊。
對(duì)于外部遠(yuǎn)程接入網(wǎng)絡(luò),智能家居網(wǎng)關(guān)具有GPRS/3G移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)的雙重網(wǎng)絡(luò)接口,可通過(guò)手機(jī)、PDA或者PC機(jī)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的家居設(shè)備,實(shí)現(xiàn)對(duì)家居系統(tǒng)的遠(yuǎn)程訪問(wèn)和控制,操作靈活方便、成本較低且易于推廣普及。
2 智能家居網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)
智能家居網(wǎng)關(guān)是智能家居系統(tǒng)的核心組成,是系統(tǒng)的心臟,要具有較強(qiáng)的魯棒性和穩(wěn)定性,并能在發(fā)生故障時(shí)具有自動(dòng)保護(hù)的功能。從功能、可擴(kuò)展性、操作系統(tǒng)支持及功耗等方面比較,本方案采用基于ARM920T內(nèi)核的高性價(jià)比的32位微處理器S3C2440,存儲(chǔ)器選用64M的NAND_FLASH和64M的SDRAM。系統(tǒng)硬件原理框圖如圖1所示。
此外,它有足夠的外圍擴(kuò)展接口,如主/從USB接口,100M以太網(wǎng)接口,RS232、RS485數(shù)據(jù)總線接口,JTAG接口,電源/復(fù)位模塊,高清晰度LCD觸摸屏,基于SIM300芯片的GPRS模塊,基于TI_CC2430芯片的ZigBee模塊,GPIO擴(kuò)展接口。
3 智能家居網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)
智能家居網(wǎng)關(guān)軟件采用分層模塊化的體系結(jié)構(gòu)。由硬件驅(qū)動(dòng)層、操作系統(tǒng)層、服務(wù)層、開(kāi)放式家居數(shù)據(jù)融合和感知層以及應(yīng)用層等五層組成。每層軟件都獨(dú)立完成一定的功能,并通過(guò)接口函數(shù)為其他層次提供服務(wù)。
硬件驅(qū)動(dòng)層描述網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中Zigbee模塊和GPRS模塊等驅(qū)動(dòng); 操作系統(tǒng)層移植了嵌入式Linux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),具有進(jìn)程管理、內(nèi)存管理等系統(tǒng)功能,為用戶開(kāi)發(fā)程序提供了便利;服務(wù)層在系統(tǒng)內(nèi)核上移植嵌入式文件系統(tǒng)YAFFS和Web服務(wù)器BOA等,用戶可以通過(guò)Internet中的PC機(jī)在遠(yuǎn)端實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制和信息查詢。面對(duì)家居設(shè)備種類及結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、家居數(shù)據(jù)空間傳輸鏈路和通信協(xié)議的異構(gòu)性、家居設(shè)備行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的兼容性等諸多問(wèn)題,開(kāi)放式家居數(shù)據(jù)融合和感知層基于語(yǔ)義網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),采用如XML、SOAP、WSDL以及UDDI技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)面向服務(wù)的數(shù)據(jù)融合和感知,支持家居物理設(shè)備動(dòng)態(tài)感知及配置,兼容DLNA規(guī)范。應(yīng)用層提供多種模式的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用服務(wù),如家居中環(huán)境的感知服務(wù)、設(shè)備操作服務(wù)、信息存儲(chǔ)的服務(wù)、媒體共享的服務(wù)。該層為用戶提供了個(gè)性化的客戶端應(yīng)用,便于用戶對(duì)家居系統(tǒng)的智能化管理。
4 結(jié)語(yǔ)
智能家居系統(tǒng)對(duì)家庭狀況全天候監(jiān)控,使我們無(wú)論身在何處,都擁有一個(gè)放心的家。移動(dòng)終端通過(guò)GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭的遠(yuǎn)程監(jiān)控。當(dāng)用戶離開(kāi)家時(shí),網(wǎng)關(guān)將啟動(dòng)安防設(shè)備并把其狀態(tài)發(fā)送至手機(jī)等移動(dòng)終端。手機(jī)實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控場(chǎng)景、ZigBee節(jié)點(diǎn)溫、濕度等信息,并遠(yuǎn)程控制相應(yīng)的執(zhí)行設(shè)備,如自動(dòng)窗簾、照明和門(mén)禁等。綜上,本智能家居網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)方案為智能家居系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一個(gè)可行的途徑,具有很強(qiáng)的系統(tǒng)兼容性和擴(kuò)展性,應(yīng)用簡(jiǎn)便,有著廣泛的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
[1] 馬忠梅,李善平,康慨,葉楠.ARM&Linux嵌入式系統(tǒng)教程.北京:北京航空航天大學(xué)出版社.2004.09.
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[3] 南忠良,孫國(guó)新.基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì).電子設(shè)計(jì)工程,2010(7):117-119.
