面向智能家居的嵌入式傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的研究與設計

0 引言
智能家居系統是為適應現代化家庭生活而形成的一個(gè)形式多樣化的網(wǎng)絡(luò )系統。它是現代3C技術(shù)(計算機技術(shù)，通信技術(shù)，控制技術(shù))與傳統家居系統相結合的產(chǎn)物，是家居信息化未來(lái)的發(fā)展方向。智能家居網(wǎng)絡(luò )通常包括智能家居網(wǎng)關(guān)，外部網(wǎng)，安防設備等。智能家居網(wǎng)關(guān)與其他4個(gè)部分連接，交互信息，對它們進(jìn)行統一的管理。此外，智能家居網(wǎng)關(guān)還接入外部網(wǎng)絡(luò )，使用戶(hù)能夠遠程實(shí)時(shí)控制管理家庭內部網(wǎng)絡(luò )。
在本文中，智能家居網(wǎng)絡(luò )是指應用于家庭環(huán)境的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。在家庭中，部署各種傳感器，例如紅外傳感器，煙霧傳感器，RFID門(mén)磁傳感器來(lái)監測家庭的一些環(huán)境信息，這些傳感器通過(guò)自組織方式就構建了智能家居網(wǎng)絡(luò )。所以本文設計的智能家居網(wǎng)關(guān)主要是實(shí)現WSN網(wǎng)絡(luò )與Internet以及GSM網(wǎng)的互連。顯然，智能家居網(wǎng)關(guān)是整個(gè)家庭網(wǎng)絡(luò )的核心，主要實(shí)現Internet網(wǎng)，GSM網(wǎng)的接入，遠程控制，以及實(shí)現協(xié)議轉換連接家庭內部異構網(wǎng)絡(luò )的功能。目前基于PC方案的家庭網(wǎng)關(guān)不僅成本高，而且要求計算機一直處于開(kāi)機狀態(tài)，因此，對于普通的用戶(hù)，家庭網(wǎng)關(guān)應采用廉價(jià)的嵌入式CPU，若單是采用8位或者16位的單片機，由于速度慢且資源有限，不能實(shí)現復雜的控制，效果不理想。
因此，以ARM920T核處理器S3C2440為主處理器，家庭內部通過(guò)JENNIC 5139射頻模塊自組織無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。GSM模塊選用Wavecom GSM模塊。此外，本文用Qt設計了用戶(hù)可操作的觸摸屏界面。

1 網(wǎng)關(guān)需求分析
網(wǎng)關(guān)系統的主要功能是在現場(chǎng)及遠程終端監控家庭各個(gè)傳感器的工作狀態(tài)，并在異常時(shí)報警。各個(gè)傳感器將各自采集的信息，經(jīng)過(guò)JEN-NIC射頻模塊的無(wú)線(xiàn)傳輸，傳送到網(wǎng)關(guān)系統上，通過(guò)嵌入式微處理器操作系統，將信息通過(guò)有線(xiàn)或者無(wú)線(xiàn)方式傳送到遠程終端上或者用戶(hù)手機上。網(wǎng)關(guān)部署如圖1所示。

本文要實(shí)現的目標有以下3個(gè)：
(1)實(shí)現用戶(hù)在任何時(shí)間，任何地點(diǎn)通過(guò)遠程無(wú)線(xiàn)的方式對家庭內的環(huán)境信息查詢(xún)；
(2)對家庭內部的環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，當其中某一項參數超過(guò)一定指標時(shí)，以遠程無(wú)線(xiàn)方式通知用戶(hù)，發(fā)送報警信息；
(3)監聽(tīng)遠程終端的連接請求，當有遠程Socket連接時(shí)網(wǎng)關(guān)發(fā)送數據。

2 網(wǎng)關(guān)總體設計
現階段大部分的家庭網(wǎng)關(guān)聯(lián)網(wǎng)方式主要為有線(xiàn)接入，本文提出了一種基于A(yíng)RM處理器和GSM網(wǎng)絡(luò )，以linux為操作系統的家庭網(wǎng)關(guān)無(wú)線(xiàn)接入方案，目的是能通過(guò)手機短信或者遠程終端對控制節點(diǎn)進(jìn)行遠程控制。并使用JENNIC無(wú)線(xiàn)射頻模塊實(shí)現家庭內部子網(wǎng)采集數據的無(wú)線(xiàn)傳輸。
網(wǎng)關(guān)系統的總體結構圖可以簡(jiǎn)化為硬件層和軟件層。硬件層由高性能的微處理器和多個(gè)功能模塊組成。軟件層由嵌入式操作系統以及應用軟件構成，其具體結構如圖2所示。

3 家庭網(wǎng)關(guān)硬件設計
本次網(wǎng)關(guān)設計的硬件層主要采用嵌入式的ARM9開(kāi)發(fā)平臺。嵌入式ARM處理器具有體積小，功耗低，成本低，性能高等特點(diǎn)，是十分優(yōu)秀的RISC處理器。其中三星公司的S3C2440是一款優(yōu)秀的ARM9核心處理器，具有400 MHz的主頻，內部集成多個(gè)功能模塊，支持NAND-flash啟動(dòng)等特點(diǎn)，是目前市場(chǎng)上最常見(jiàn)的嵌入式處理器芯片。因此，本系統擬采用S3C2440處理器為核心處理器。
考慮主控制器擴展出來(lái)的串行接口數量有線(xiàn)，程序的調試，燒寫(xiě)，傳感器節點(diǎn)等都需要串行接口。所以，選擇了AU9254這款USB PUB芯片來(lái)實(shí)現USB串行口的擴展。以太網(wǎng)控制器和配合擴展的RJ 45接口主要用于與Internet網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)。射頻收發(fā)模塊和GSM無(wú)線(xiàn)模塊擬采用標準的串口集成到網(wǎng)關(guān)上。人機接口打算使用LCD觸摸屏，可以方便地觀(guān)察節點(diǎn)的配置以及檢測環(huán)境的變化。JTAG接口將引導加載程序燒寫(xiě)在網(wǎng)關(guān)中。具體的硬件架構圖如圖3所示。