智能家居系統如何設計？這個(gè)基于zigbee的方案很出眾

zigbee 無(wú)線(xiàn)通信與linux嵌入式操作系統是電子人都經(jīng)常接觸的，在這里我們設計了一種以ARM 芯片S3C2440 為硬件平臺，基于linux 嵌入式操作系統所實(shí)現的CMU 控制器。通過(guò)zigbee 無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議將CMU 與各個(gè)家電無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)和傳感器節點(diǎn)相連，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)路由器連接以太網(wǎng)實(shí)現遠程控制的智能家居網(wǎng)絡(luò )系統。在硬件芯片選擇和電路設計方面優(yōu)化了系統的結構，大大降低了系統的成本，改善了系統的性能。

伴隨著(zhù)數字化、網(wǎng)絡(luò )化的進(jìn)程。智能化的浪潮席卷了世界的每個(gè)角落，成為勢不可擋的歷史趨勢，在這種形式下智能網(wǎng)絡(luò )家居技術(shù)應運而生，它依靠3C技術(shù)（Computer TechnologyCommunication Technology Control Technology），并結合信息、家電的發(fā)展，為用戶(hù)提供了一種更加安全、舒適、方便、快捷的智能化的自由生活空間。但在國內智能家居系統的研究沒(méi)有一個(gè)統一的標準，各種研究方案都具有其優(yōu)缺點(diǎn)，所以研究一套完善的智能家居系統就具有了現實(shí)的意義。

本設計采用zigbee 無(wú)線(xiàn)通信標準將家庭中各個(gè)家電無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)連接起來(lái)，舍去了實(shí)際線(xiàn)路連接時(shí)所產(chǎn)生的布線(xiàn)煩惱；另外zigbee 協(xié)議主要在低端8 位或16 位單片機上實(shí)現，而單片機的數據傳輸能力有限。如果采用PC 機不僅功耗大而且價(jià)格昂貴，對于傳輸率不大的傳感器網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)十分浪費資源。所以本設計開(kāi)發(fā)基于A(yíng)RM系列嵌入式芯片為核心處理器的中央管理單元。降低了成本，減小了功耗，并通過(guò)反復測試取得了良好的效果。

1 系統的整體規劃

智能家居系統的設計主要由中央管理單元CMU（Central Mangement Unit）、傳感器節點(diǎn)、無(wú)線(xiàn)路由器和家電設備組成。其中每臺家電設備均添加有無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)。系統整體結構如下圖1 所示。

CMU 為整個(gè)系統的核心部分，擴展有射頻模塊，是實(shí)現智能家居內、外網(wǎng)連接的樞紐。

CMU與每臺家電設備和傳感器節點(diǎn)通過(guò)zigbee無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議組成了一個(gè)小型的家居“物聯(lián)網(wǎng)”。各設備節點(diǎn)與CMU 互相通信，實(shí)現智能聯(lián)動(dòng)控制操作。如：家電智能控制方面，定時(shí)開(kāi)關(guān)電器或者根據動(dòng)態(tài)采集的室內溫濕度數據，智能控制空調工作狀態(tài)；燈光智能控制方面，根據不同的室內自然光強度，智能控制燈管的發(fā)光強度。

同時(shí)，CMU 與無(wú)線(xiàn)路由器相連，無(wú)線(xiàn)路由器則通過(guò)以太網(wǎng)連接到WEB 上，實(shí)現遠程控制。

2 zigbee 無(wú)線(xiàn)通信結構

無(wú)線(xiàn)通信的方式有多樣，與藍牙、Wi-Fi、GSM 移動(dòng)通信方式相比，zigbee 聯(lián)盟制定的zigbee 方式具有功耗低、數據傳輸可靠、兼容性好、實(shí)現成本低以及組網(wǎng)方便的優(yōu)點(diǎn)，非常適合低速率傳輸的智能家居系統無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。

zigbee是專(zhuān)門(mén)為低速率控制網(wǎng)絡(luò )指定的標準無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。它在物理層、MAC（MediaAccess Control ）層和數據鏈接層上采用了IEEE802.15.4 協(xié)議標準，同時(shí)進(jìn)行了完善和擴展。其網(wǎng)絡(luò )層、應用匯聚層和高級應用規范接口（API）都由zigbee 聯(lián)盟制定，整個(gè)協(xié)議的框架結構如下圖2 所示。

3 硬件設計

3.1 CMU總體硬件結構。

CMU 采用三星ARM920T 內核處理器S3C2440A 芯片，工作主頻為400MHZ，外部擴展64MB SDRAM，2MBNorFlash 和64MB NandFlash，通過(guò)UART 口擴展ATMEL 公司的Atmega128L 8 位系列單片機來(lái)實(shí)時(shí)控制射頻芯片CC2420 來(lái)與外部網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行連接。處理器外接3 寸TFT 觸摸屏作為人機交互界面。在硬件PCB 設計上，系統采用核心板 + 底板的模式，核心板采用六層板工藝，主要分布系統的CPU、存儲器、內核電源，底板主要分布各種接口，Atmegal 128L 單片機、CC2420 芯片。硬件結構框圖如下圖3 所示：

3.2 處理器單元

目前 zigbee 協(xié)議主要在低端8 位或16 位單片機上實(shí)現。對于CMU 節點(diǎn)而言，其數據處理能力不強，且限于自身的硬件資源，很少能實(shí)現良好的人機交互界面。對功能要求較高的CMU，這種構架很難滿(mǎn)足應用的需求。而基于PC機的CMU節點(diǎn)，不但體積大、價(jià)格高而且功耗大，對于傳輸率不大的傳感器網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)十分浪費資源，所以本設計開(kāi)發(fā)基于A(yíng)RM系列嵌入式芯片為核心處理器的CMU。選用韓國三星公司推出的S3C2440A 芯片作為處理器單元。

S3C2440A 是32 位RISC 微處理器，其CPU 采用的是ARM920T 內核，具有豐富的片內外設，低價(jià)格低功耗，高性能等優(yōu)點(diǎn)。具有16KB指令Cache，16KB數據Cache和存儲器管理單元MMU。處理器結構圖如下圖4 所示：

該芯片可運行主流的Linux、Windows CE、Andorid 等嵌入式操作系統。同時(shí)處理器提供豐富的系統外設控制器。一般情況下無(wú)需額外擴展系統組件，從而大大減小了系統的復雜度和成本，是智能家居控制處理器的絕佳選擇。

3.3 存儲器擴展

3.3.1 SDRAM 擴展

本系統使用的嵌入式操作系統為Linux 操作系統，在編譯、定制內核時(shí)，內核文件zImage.bin 文件大小為2.1MB，操作系統完全加載時(shí)文件系統root.bin 文件大小為34MB，加上上層應用程序運行時(shí)會(huì )消耗一部分內存，使用兩片32MB 的內存為最佳選擇。

3.3.2 Flash 擴展

本系統擴展的Flash 有兩種，Nor Flash 為2M*16Bit，Nand Flash 為64*8Bit［4］，Nor Flash寫(xiě)入、擦除速度較慢，讀取速度較快，成本較高小容量存儲，用于存儲系統啟動(dòng)Bootloader代碼，Nand Flash 特點(diǎn)正好與Nor Flash 相反，大容量存儲。用于存儲操作系統文件和應用程序。

3.3.3 射頻單元

本設計射頻芯片選用挪威Chipco 公司的cc2420 芯片。該芯片基于Chipco 公司Smart RF03 技術(shù)。以0.18um CMOS 工藝制成。只需極少外部元器件，性能穩定且功耗極低。cc2420的選擇性和敏感性指數超過(guò)了 IEEE 802.15.4 標準的需求，可確保短距離通信的有效性和可靠性，利用此芯片開(kāi)發(fā)的無(wú)線(xiàn)通信設備支持數據傳輸率高達250kbps，可以實(shí)現多點(diǎn)對多點(diǎn)快速組網(wǎng)。硬件應用電路如下圖5 所示：

　　圖5 CC2420 硬件電路

4 軟件設計

通過(guò)天線(xiàn)接收設備無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)傳輸過(guò)來(lái)的數據幀，經(jīng)過(guò)CC2420 自動(dòng)校驗。若無(wú)誤則經(jīng)過(guò)解碼、譯碼，然后經(jīng)過(guò)SPI 接口送往ATmega128L，再經(jīng)過(guò)串口UART1 送往S3C2440，經(jīng)數據處理后顯示于相應的LCD 觸摸屏上。

4.1 系統主程序設計

CMU以及節點(diǎn)的程序流程圖，分別見(jiàn)圖6 和7。在CMU中先初始化LCD 及射頻芯片，然后程序開(kāi)始初始化協(xié)議棧并打開(kāi)中斷。之后程序開(kāi)始格式化一個(gè)網(wǎng)絡(luò )。最后處理函數apsFSM（）（在A(yíng)PS 層上實(shí)現的FSM（有限狀態(tài)機））監控中的zigbee 信號。如果現在有節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )，則LCD 和串口輸出都會(huì )給節點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò )地址。同樣函數apsFSM（）里接收節點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的溫度傳感器采集到的數值及一些按鍵操作，并在LCD 上顯示處理，也同時(shí)從串口發(fā)送出來(lái)。

4.2 處理器軟件結構

處理器采用嵌入式Linux 操作系統，在原Bootloader、Kernel 上修改文件系統，添加GUI應用程序，并修改系統啟動(dòng)腳本使應用程序在系統啟動(dòng)時(shí)自運行。軟件結構如圖8 所示。

5 測試與分析

為了保證智能家居系統運行的穩定性，我們將主控設備裝入模具中進(jìn)行了一周高溫測試，系統一直保持了穩定的工作狀態(tài)，同時(shí)對CMU溫度進(jìn)行了測量，環(huán)境溫度與CMU溫度的比較如下圖所示，理論情況下，CMU 工作的最大溫度為45°C，由下圖6.9 看出，CMU工作的溫度屬于正常范圍。

同時(shí)對智能家居系統的家居設備無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)進(jìn)行了性能測試。測試條件為：1、用障礙物將CMU 模塊與家居設備無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)隔開(kāi)；2、CMU 模塊的波特率為250kbps；3、每一幀數據為64 字節；5、每次測試數據發(fā)送1000 幀，發(fā)送間隔為200ms 。實(shí)驗結果如表1 所示，由表可以看出，系統如果要正常工作，需保持在200m距離范圍內。

6 結論

本文從智能家居系統設計的成本、功耗、性能等方面出發(fā)，設計出一種可行的智能家居系統的構建方案。以高性能、低功耗的S3C2440 芯片裝載linux 嵌入式系統作為中央管理單元的處理器，用zigbee 無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議實(shí)現CMU、無(wú)線(xiàn)家居設備節點(diǎn)、無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的互聯(lián)和互動(dòng)，使之成為一個(gè)小型的家居“物聯(lián)網(wǎng)”并且利用成熟的Internet網(wǎng)絡(luò )實(shí)現了遠程控制。并在硬件芯片選擇和電路設計方面優(yōu)化了系統的結構，使得系統性能得到了很大的改善，成本也降低了許多。