ARM及ZigBee技術(shù)實現(xiàn)智能家居控制器的設(shè)計

　　本文所介紹的智能家居控制器利用ZigBee 技術(shù)將家庭中許多相對獨立的家用電器構(gòu)成一個統(tǒng)一的智能家居系統(tǒng)，從而方便對家居中的各種電器設(shè)備進行本地操作，同時也可通過互聯(lián)網(wǎng)或GPRS系統(tǒng)對各種電器設(shè)備實現(xiàn)遠程控制。　

　1 　ZigBee 技術(shù)簡介

　　ZigBee 技術(shù)是近幾年逐步發(fā)展起來，很有市場潛力的一種無線連接技術(shù)。 它是為了滿足低功耗、低數(shù)據(jù)量和低成本的無線網(wǎng)絡要求而誕生的。 它基于IEEE 無線個人區(qū)域網(wǎng)（Wireless Personal AreaNetwork ,WPAN） 工作組的80211514 標準，被稱為ZigBee 技術(shù)標準。

　　完整的ZigBee 協(xié)議由應用層、應用匯聚層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成， 如圖1 所示。

　　IEEE80211514 標準定義了物理層（ PHY） 和數(shù)據(jù)鏈路層（MAC） ;網(wǎng)絡層以上的協(xié)議由ZigBee 聯(lián)盟負責制定， 其中應用層包括了應用支持子層（APS） 、ZigBee 設(shè)備對象（ZDO） 和由制造商制訂的應用對象。

　　ZigBee 以一個個獨立的工作節(jié)點為依托，利用無線通信，通過自組織方式組成星型、網(wǎng)狀和簇狀3 種網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，因此每個節(jié)點的功能并非完全相同。 為了降低系統(tǒng)的成本， IEEE80211514 定義了2種物理設(shè)備類型： 全功能設(shè)備FFD （ Full FunctionDevice） 和精簡功能設(shè)備RFD （ Reduced FunctionDevice） . FFD 節(jié)點具備控制器的功能，提供數(shù)據(jù)交換，能夠作為網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點和終端節(jié)點來使用，可以與網(wǎng)絡中任何類型的設(shè)備進行通信；RFD 只能作為終端節(jié)點來使用，而且只能與FFD通信，兩個RFD 節(jié)點之間不能通信。

　　Zigbee 這一無線通信技術(shù)具有近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、安全可靠、網(wǎng)絡容量大、自組織、自愈能力強等特點，可廣泛應用于多個技術(shù)領(lǐng)域，有著廣闊的市場前景。

　　2 　基于Zigbee 技術(shù)的智能家居控制器的設(shè)計

　　智能家居系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信具有如下特點：

　?、賯鬏敂?shù)據(jù)量小，無需太大的傳輸速度； ②網(wǎng)絡的容量大，以滿足家庭中的各種家電設(shè)備； ③信息的實時性好，時延短。

　　ZigBee 的技術(shù)特點決定了其能很好地滿足智能家居網(wǎng)絡的上述需求，特別是具備自組織、自愈能力，這樣的無線通信技術(shù)是智能家居系統(tǒng)理想的通信方式。

　　2.1 　智能家居系統(tǒng)的基本構(gòu)成

　　智能家居系統(tǒng)可通過GSM/ GPRS/ CDMA/ 網(wǎng)絡、ZigBee 個域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)以及小區(qū)信息網(wǎng)實現(xiàn)信息的互聯(lián)互通。 用戶在戶外可通過手機調(diào)控家中的電器和照明裝置，也可及時得到家中的防盜、防火、防煤氣泄漏等報警信息；在家中可通過遙控器調(diào)控家電設(shè)備。 控制器還兼有可視對講系統(tǒng)室內(nèi)主機功能，能查閱社區(qū)發(fā)布的各類信息，必要時可向社區(qū)保安發(fā)出報警求救信號。 系統(tǒng)主要由一個智能家居控制器和若干個室內(nèi)監(jiān)控ZigBee 功能模塊組成。 系統(tǒng)模型如圖2 所示。 智能家居控制器經(jīng)2 個無線通信網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)以及2 條有線通信線路與外部設(shè)施實現(xiàn)信息的互聯(lián)互通，因而智能家居控制器又可視為數(shù)字家庭網(wǎng)關(guān)。

　　智能家居控制器內(nèi)部裝有手機模塊， 通過GSM（ GPRS、CDMA） 移動通信網(wǎng)絡，與用戶手機實現(xiàn)雙向短消息收發(fā)。 用戶可通過手機短消息實現(xiàn)對家用電器的電源開關(guān)控制以及調(diào)光、調(diào)速控制；控制器以手機短消息的形式向用戶手機發(fā)送報警信號，供防盜、防火、防煤氣泄漏以及家庭突發(fā)事件報警用。

　　控制器內(nèi)部裝有1 個ZigBee 模塊，通過Zig2Bee 無線網(wǎng)絡與家居中的監(jiān)控裝置進行通信，作為ZigBee 網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器（FFD） 來使用。 它負責組建智能家居ZigBee 網(wǎng)絡，接收系統(tǒng)控制中心發(fā)送的指令，并做出相應地處理。 同時還要將從路由節(jié)點（ FFD）或終端節(jié)點（RFD） 接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給系統(tǒng)控制中心。

　　室內(nèi)監(jiān)控設(shè)備按用途可分為3 類：第一類為開關(guān)與插座，最簡單的插座通過小電子開關(guān)的通斷實現(xiàn)對家用電器（如電飯煲、飲水機、電視、冰箱、空調(diào)、洗衣機、電動窗簾以及不需要調(diào)光的燈具） 的電源開關(guān)控制；較復雜的智能開關(guān)和插座具有輸出功率可調(diào)的功能，用于吊燈、落地臺燈的調(diào)光或電風扇的調(diào)速等。 第二類為傳感器產(chǎn)品，其中熱釋電紅外傳感器和門磁傳感器用于防盜，煙霧傳感器用于防火，瓦斯傳感器用于防煤氣泄漏，還有手動報警按鈕用于突發(fā)事件（如孤寡老人突然發(fā)?。?的報警。這些節(jié)點都帶有ZigBee 模塊，作為網(wǎng)絡的終端節(jié)點（RFD） . 第三類為手持遙控器，除實現(xiàn)對家用電器開關(guān)控制、調(diào)光調(diào)速控制外，還具備照明場景設(shè)定與控制功能。

　　若小區(qū)配置有物管通信網(wǎng)絡和門禁對講系統(tǒng)，控制器兼?zhèn)淇梢曢T禁對講系統(tǒng)的室內(nèi)主機的功能。

　　控制器上的液晶LCD 顯示屏可顯示訪客的圖像畫面，與訪客進行對講或開鎖操作。 此外，控制器可接收小區(qū)物管發(fā)送的各類文字信息；當室內(nèi)發(fā)生意外時，可向小區(qū)物管發(fā)送報警信號。

　　控制器備有互聯(lián)網(wǎng)接口，供用戶在異地時通過互聯(lián)網(wǎng)控制家中電器的運行，也可監(jiān)視家中發(fā)生的事件。 下一代互聯(lián)網(wǎng)的問世將為此項功能的應用提供極大的支持，到那時，每個家電及控制器本身都將有自己的靜態(tài)IP 地址，從而成為網(wǎng)絡中的一員。

　　ZigBee 的簇狀網(wǎng)絡綜合了星型和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的特點，我們在實際應用中利用智能家居控制器及ZigBee 傳感器節(jié)點組成簇狀網(wǎng)絡。 它具有良好的可擴展性，對于大戶型或別墅用戶而言，可以通過增加路由節(jié)點來擴大網(wǎng)絡覆蓋范圍；對于小戶型的用戶而言，可以通過減少路由節(jié)點變成星型網(wǎng)絡，以節(jié)省能量、加快數(shù)據(jù)傳輸速度。

　　2.2.1 　智能家居控制器簡介

　　智能家居系統(tǒng)的核心部件是智能家居控制器。 其組成框圖如圖3 所示，它以嵌入式處理器為中心，由手機模塊、ZigBee模塊以及必要的輔助接口組成。　智能家居控制器是整個智能家居系統(tǒng)的控制中心，其硬件核心是中央處理器，所有的設(shè)備控制、任務調(diào)度、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)收發(fā)和數(shù)據(jù)管理等任務都需要中央處理器。 從功能、可擴展性、操作系統(tǒng)支持及功耗等方面考慮，我們選擇功能強大的32 位ARM9 微處理器S3C2410X 作為主處理器，存儲器選用64M 的NAND Flash 和64M 的SDRAM.

　　在人機接口方面，采用5 英寸的TFT 液晶屏，并配置相應的觸摸屏。 可用于顯示訪客圖像和小區(qū)物管發(fā)送的各種信息，并使用戶可方便地輸入數(shù)據(jù)去控制各種家居設(shè)備。 另外為了控制方式更靈活，利用處理器的I2C 總線接口設(shè)計鍵盤接口，從而可擴展各種控制、報警方式。

　　控制器有2 個通信模塊： 手機模塊和ZigBee模塊。 手機模塊由主機模塊、SIM 卡接口、音頻部分和射頻部分組成，采用SIMCOM 公司生產(chǎn)的SIM300 芯片（ GPRS 模塊） . 與ARM 進行數(shù)據(jù)傳輸采用標準的RS - 232 接口，通過使用AT 命令完成對該模塊的操作，實現(xiàn)短消息的收發(fā)。 Zigbee 模塊采集各種家電設(shè)備運行狀態(tài)并接收各種故障報警信息，通過RS - 232 接口與ARM 進行數(shù)據(jù)傳遞。

　　控制器配有以太網(wǎng)接口，配合控制器上建立的Web 服務器，用戶可通過Internet 完成對家庭環(huán)境及各種家電設(shè)備的監(jiān)控。圖3 中的RS - 485 接口用于與小區(qū)物管的通信（與原有的小區(qū)網(wǎng)絡配合。 若為新建小區(qū)，可直接使用以太網(wǎng)接口） . 利用MAX3232 將ARM9 的兩個USART 收發(fā)器，組成兩個RS - 232 端口和一個RS - 485 端口。

　　音頻接口利用微處理器內(nèi)部的IIS 總線接口與外部音頻數(shù)字信號編碼器芯片（UDA1341TS） 組成。

　　視頻接口采用中芯微的DSP 芯片，將視頻信號轉(zhuǎn)換成微處理器能夠處理的J PG文件格式或二進制圖像流，經(jīng)處理后送LCD 屏顯示。

　　2.2.2 　智能家居控制器中的Zigbee 模塊

　　ZigBee模塊采用全功能設(shè)備（FFD） 類型，它在智能家居系統(tǒng)中承擔著網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器的角色，可提供信息的雙向傳輸，以連接智能家居系統(tǒng)中其它精簡功能設(shè)備（RFD） .

　　此模塊利用Chipcon 公司的CC2430 芯片，CC2430 芯片延用了以往CC2420 芯片的架構(gòu)，在單個芯片上整合了ZigBee 射頻（RF） 前端、內(nèi)存和微控制器。 它使用1 個8 位MCU （ 8051） , 具有128KB 可編程閃存和8 KB 的RAM ,還包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器、4 個定時器、AES - 128 協(xié)同處理器、看門狗定時器、32 kHz 晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路，以及21 個可編程I/ O 引腳。

　　CC2430 芯片采用0118μm CMOS 工藝生產(chǎn)，工作時的電流損耗為27 mA ;在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA 或25 mA. CC2430 的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。

　　CC2430 帶有2 個強大的支持幾組協(xié)議的US2ART 通信接口， 通過此通信接口中的一個，S3C2410X 處理器可以對CC2430 進行寫入或讀取配置信息，也可以收發(fā)數(shù)據(jù)。

　　CC2430 芯片集成了CRC 和數(shù)據(jù)完整性檢查等功能，減少了程序員編程的工作量，加快了通信的速度，減少了能量消耗。 同時，芯片還采用了CS2MA - CA 技術(shù)來避免數(shù)據(jù)發(fā)送時的競爭和沖突，減少了一部分不必耍的能量消耗。 因此CC2430 芯片具有超低的能耗，其使用壽命可以年來計算，價格便宜，符合傳感器網(wǎng)絡需要大量分布節(jié)點的特點。

　　控制器通過RS - 232 接口利用Zigbee 模塊采集各種家電設(shè)備運行狀態(tài)并接收各種故障報警信息。

　　2.3 　智能家居控制器的功能

　　智能家居控制器操作系統(tǒng)選用開源的嵌入式Linux 操作系統(tǒng)，通過裁減后移植到控制器硬件平臺上。 該智能家居控制器將Linux ,ARM 系統(tǒng)、手機模塊和ZigBee 模塊組成一個整體，構(gòu)成了一個功能齊全的嵌入式系統(tǒng)，利用ZigBee 技術(shù)輕松實現(xiàn)家庭內(nèi)部多節(jié)點的無線連接。

　　智能家居控制器的功能為

　?。?） 采用ARM 架構(gòu)的32 位嵌入式RISC 處理器和開源的嵌入式linux 操作系統(tǒng)；

　?。?） 是智能家居控制系統(tǒng)的控制中心，也是家居系統(tǒng)中信息家電平臺的網(wǎng)關(guān)；

　?。?） 遇盜搶或疾病，按緊急按鈕，自動向管理中心報警；

　?。?） 以家庭為單位配置，利用液晶屏顯示小區(qū)通知、系統(tǒng)各部分工作狀況及數(shù)據(jù)；

　?。?） 利用ZigBee 傳感器節(jié)點監(jiān)測各種故障報警數(shù)據(jù)（火災、煤氣泄漏等） ,并自動通過手機模塊發(fā)給用戶或小區(qū)管理中心；

　?。?） 通過以太網(wǎng)（或RS - 485） 與小區(qū)管理中心通信；

　　（7） 通過控制器上的無線ZigBee 模塊與家居系統(tǒng)中各子節(jié)點進行通訊，對多種家電設(shè)備進行相應的控制；

　?。?） 用戶可通過Internet 遠程監(jiān)控家庭中的多種家居設(shè)備。

　　智能家居控制器通過Zigbee 模塊采集各種家電設(shè)備的運行狀態(tài)并將各種故障報警數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫；對故障報警優(yōu)先處理，通過手機模塊自動發(fā)送短信息到用戶手機或小區(qū)物管，并將現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時存入數(shù)據(jù)庫，以便對各種信息進行進一步的分析和統(tǒng)計。 在這里數(shù)據(jù)庫成為了連接前后臺的中間件，存儲狀態(tài)數(shù)據(jù)供遠程監(jiān)控和本地LCD 顯示，同時接收瀏覽器和本地鍵盤輸入，由通信程序、CGI程序完成控制命令的下傳及運行狀態(tài)的上傳；同時數(shù)據(jù)庫還需實現(xiàn)故障的分析統(tǒng)計和查詢。 在本系統(tǒng)設(shè)計中，我們采用嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite 以滿足系統(tǒng)遠程控制數(shù)據(jù)傳遞、數(shù)據(jù)共享的要求。

　　控制器的軟件主要分為4 個模塊：與數(shù)據(jù)采集接口的通信程序、故障報警程序、本地的人機交互程序和遠程控制程序。 為了使用戶可以在Internet上通過瀏覽器控制智能家居網(wǎng)絡，需要在控制器（數(shù)字家庭網(wǎng)關(guān)） 上架設(shè)Web 服務器與用戶進行通信，并通過CGI 接口調(diào)用后臺CGI 程序。 CGI 程序在Web 服務器和控制程序間建立聯(lián)系，調(diào)用具體的控制程序，實現(xiàn)對智能家居網(wǎng)絡內(nèi)部節(jié)點的指定操作。 它監(jiān)控網(wǎng)絡，隨時隨地都能知道網(wǎng)絡內(nèi)設(shè)備的狀態(tài)并控制網(wǎng)絡內(nèi)的各種設(shè)備。 網(wǎng)絡監(jiān)控在家庭網(wǎng)絡中也是非常重要的，使用戶可以隨時了解網(wǎng)絡的狀況，如設(shè)備的加入退出、設(shè)備故障等等。

　　3 　結(jié)語

　　ZigBee 技術(shù)彌補了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺。 智能家居控制器硬件由先進的ARM9 嵌入式系統(tǒng)、手機模塊和ZigBee 模塊組成；操作系統(tǒng)采用嵌入式Linux ,家庭網(wǎng)絡采用ZigBee無線網(wǎng)絡，安全性好，系統(tǒng)功能完善，能夠適應今后智能家居發(fā)展的需要。