基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統的設計方案

　　摘要： 本文介紹一種基于ZigBee 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò )化智能家居系統的設計和實(shí)現方案。系統硬件上以S3C2440A 為控制核心，利用CC2430(＄4.0170) 組建家庭內部網(wǎng)絡(luò )來(lái)采集家庭設備的數字信號， 用USB camera 采集家庭內部的視頻信號。軟件上利用嵌入式Web服務(wù)器和CGI 技術(shù)實(shí)現家庭內網(wǎng)和Internet 相連，達到遠程監控的目的。通過(guò)實(shí)際測試證明系統功能強大，運行穩定，滿(mǎn)足了家庭信息網(wǎng)絡(luò )化的要求。

　　1 引言

　　隨著(zhù)信息時(shí)代的到來(lái)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的飛速發(fā)展， 實(shí)現家庭信息化、網(wǎng)絡(luò )化是當今智能家居設備系統發(fā)展的新趨勢。智能家居系統是將相對獨立的家用電器構成一個(gè)統一的系統， 進(jìn)而實(shí)現對這些設備和家庭環(huán)境的智能管理、遠程監控和資源共享。其目的是為人們提供一個(gè)安全、舒適、高效和便利的生活環(huán)境。本文介紹一種基于嵌入式Web 和ZigBee 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò )化智能家居系統的設計和實(shí)現方案。

　　2 系統結構和功能介紹

　　系統有遠端PC、嵌入式網(wǎng)關(guān)、USB 攝像頭和ZigBee 組成的家庭內部無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )四部分組成。設計思想是在每一個(gè)家庭設備上都裝上ZigBee 模塊和相應傳感器來(lái)組成一個(gè)終端節點(diǎn)，用來(lái)實(shí)時(shí)監控設備的狀態(tài)， 并且把采集到的數據以無(wú)線(xiàn)方式發(fā)給ZigBee 協(xié)調器，這樣就由ZigBee 協(xié)調器和各終端設備組成了一個(gè)無(wú)線(xiàn)連接的星型結構的家庭內部網(wǎng)絡(luò )。嵌入式網(wǎng)關(guān)是系統的中樞，可以把USB 攝像頭采集的視頻信息和來(lái)自協(xié)調器接收的終端節點(diǎn)信號傳送到Internet 上， 這樣就把內部網(wǎng)絡(luò )連接到互聯(lián)網(wǎng)上。特別是USB 攝像頭的使用，讓用戶(hù)可以直觀(guān)的看到家里的一切變化， 彌補了大部分智能家居系統只可以查看家庭設備數字信息的不足。用戶(hù)可以通過(guò)遠程PC 機訪(fǎng)問(wèn)家庭內部網(wǎng)絡(luò )，查看家庭設備的數字信息和視頻信息，實(shí)現遠程監控的目的。

　　3 系統硬件設計

　　3.1 核心處理器模塊

　　本系統選用S3C2440A 作為核心控制器， 它是Samsung 公司推出的一款基于A(yíng)RM920T 核的處理器， 采用了16/32 位RISC 處理器， 具有外部存儲器控制器，LCD 控制器，4 通道DMA控制器，三通道UART，兩通道SPI，兩路全速USB 主設備芯片，帶有MMU 虛擬存儲器單元，這一特性可以移植linux 系統和建立Web 服務(wù)器，主頻400MHz，有130 個(gè)I/O 端口和24 路外部中斷源，有多種通信接口，體積小，功耗和成本低，可靠性高，特別適合作為嵌入式微處理器。

　　3.2 存儲模塊

　　NAND FLASH 存儲模塊選擇Samsung 公司生產(chǎn)的K9F1208U0M-YCB0 64M*8bits 的高性能存儲芯片。掉電后信息不會(huì )丟失，用于存儲啟動(dòng)代碼、內核和文件系統。

　　SDRAM 是系統的內存， 它不具有掉電保持數據的特性，其存取速度大大高于Flash 存儲器， 在系統中主要作程序的運行空間、數據和堆棧區。系統中SDRAM 選用K4S561632C-TC75芯片。K4S561632C-TC75 的存儲容量為16M*16 位（32M 字節），數據寬度為16 位，由于S3C2440A 是32 位的，外部總線(xiàn)也是32位的， 為了最大限度發(fā)揮處理器的性能， 本系統選用兩片K4S561632C-TC75 芯片并聯(lián)起來(lái)，以構成32 位內存系統。

　　3.3 以太網(wǎng)接口

　　系統選用CS8900A(＄6.3240) 芯片建立網(wǎng)絡(luò )接口。CS8900A 是Cirrus公司生產(chǎn)的一款單芯片、全雙工、全面支持IEEE802.3 標準的高集成以太網(wǎng)控制器。在本系統中網(wǎng)絡(luò )控制器發(fā)揮著(zhù)重要作用，它負責將監控數據發(fā)送到Internet， 并把來(lái)自Internet 的控制指令傳送至底層。

　　3.4 攝像頭選擇

　　對于圖像采集傳感器，采用以中星微公司的ZC301 感光芯片為核心的USB 攝像頭作為圖像采集模塊。中星微301 系列高清芯片擁有影像光源自動(dòng)增益補強技術(shù)，自動(dòng)白平衡、邊緣增強以及伽馬矯正等先進(jìn)的攝像控制技術(shù)。

　　3.5 ZigBee 模塊

　　無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片采用Chipcon （已于2006 年被TI 公司收購）公司生產(chǎn)的CC2430.CC2430 芯片除了整合ZigBee 射頻（RF）前端、內存和微控制器外， 還具有128KB 可編程內存和8KB 的RAM、模擬數字轉換器（ADC） 、定時(shí)器（Timer） 、AES-128 協(xié)同處理器、看門(mén)狗定時(shí)器以及21 個(gè)可編程I/O 引腳等。因此選擇CC2430 做為無(wú)線(xiàn)收發(fā)部分， 使用起來(lái)非常容易上手。由于CC2430 的高度集成度， 外圍需要很少的器件可以組成最小系統。它結合Chipcon 公司全球先進(jìn)的ZigBee 協(xié)議棧、工具包和參考設計，展示了領(lǐng)先的ZigBee 解決方案。其產(chǎn)品廣泛應用于汽車(chē)、工控系統、家居系統和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )等領(lǐng)域。

　　4 系統軟件設計

　　系統軟件主要包括移植Linux 操作系統，USB 攝像頭驅動(dòng)的編寫(xiě)，ZigBee 協(xié)調器工作程序和終端設備的收發(fā)程序，嵌入式Web 服務(wù)器的移植等等。

　　4.1 移植Linux 操作系統

　　本系統選用2.6 版本的Linux 內核， 首先從ftp://ftp.kernel.org/pub/linux/kernel/下載內核源碼。在編譯內核前先要修改根目錄下的Makefile 文件：

　　ARCH=arm

　　CROSS COMPILE=arm-linux-gcc

　　然后運行make menuconfig 進(jìn)入配置菜單， 選擇需要的選項， 配置完成后保存退出， 依次執行內核編譯命令：make dep ;make clean;make zImage 編譯成功后會(huì )在/linux/arch/arm/boot/下找到編譯好的內核鏡像文件zImage.然后可以用Bootloader 菜單命令把內核鏡像燒寫(xiě)到NAND FLASH 中。

　　4.2 USB 攝像頭程序

　　在Linux kernel 源碼目錄中driver/usb/usb-skeleton.c 提供了一個(gè)基礎的USB 驅動(dòng)程序。通過(guò)它僅需要修改極少的部分，就可以完成一個(gè)USB 設備的驅動(dòng)。重新編譯內核生成攝像頭驅動(dòng)文件，然后執行insmod 加載USB 攝像頭驅動(dòng)，Linux 系統就在/dev 目錄下注冊了USB 視頻設備/dev/video0.

　　攝像頭驅動(dòng)程序安裝好后為了進(jìn)行視頻采集必須加入Video4Linux 模塊，Video4Linux 是Linux 中關(guān)于視頻設備的內核驅動(dòng)，它為針對視頻設備的應用程序提供一系列接口函數。對于USB 口攝像頭， 其驅動(dòng)程序中需要提供基本的I/O 操作接口函數open、close、read、write 等的實(shí)現。對中斷的處理實(shí)現，內存映射功能以及I/O 通道的控制接口函數ioctl 的實(shí)現等， 并把它們定義在struct file_operations 中。這樣當應用程序對設備文件進(jìn)行諸如open、close、read、write 等系統調用函數時(shí)，Linux 內核將通過(guò)file_operations 結構體訪(fǎng)問(wèn)驅動(dòng)程序提供的函數。

　　4.3 ZigBee 協(xié)調器和設備節點(diǎn)程序

　　ZigBee 家庭無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )主要負責對現場(chǎng)各種信息的監控以及數據的采集， 并將內部處理過(guò)的數據經(jīng)家庭網(wǎng)關(guān)傳送到外部網(wǎng)絡(luò )。本系統中ZigBee 協(xié)調器主要用于建立無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，分配地址，向終端節點(diǎn)發(fā)送控制命令和接收終端節點(diǎn)的工作狀態(tài)，并將接收到的狀態(tài)數據全部上傳至Web 服務(wù)器， 最后通過(guò)Internet傳送到遠端的用戶(hù)端。終端設備節點(diǎn)主要有加入網(wǎng)絡(luò )，接收控制命令，以及發(fā)送狀態(tài)信息給協(xié)調器等。協(xié)調器主程序流程如圖2所示。

　　4.4 Web 服務(wù)器

　　Web 服務(wù)器的作用是監聽(tīng)用戶(hù)的服務(wù)請求， 并根據用戶(hù)的請求給出相應的服務(wù)。服務(wù)器和客戶(hù)端瀏覽器之間的通信協(xié)議是超文本傳輸協(xié)議HTTP.HTTP 協(xié)議規定了發(fā)送和請求的標準方式， 瀏覽器和服務(wù)器之間傳輸的消息格式及各種控制信息。

　　Linux 支持boa、httpd、thttpd 等幾種Web 服務(wù)器， 其中boa 是一款單任務(wù)的Web 服務(wù)器軟件，源代碼開(kāi)放，速度快，性能優(yōu)秀，支持能夠實(shí)現動(dòng)態(tài)Web 技術(shù)的CGI（Common Gateway Interface）技術(shù)，特別適合應用在嵌入式系統中。

　　CGI 提供了一個(gè)Web 服務(wù)器的外部程序通道，運行在服務(wù)器上，由瀏覽器輸入觸發(fā)，是Web 服務(wù)器和系統中其他程序連接的通道。CGI 程序就是符合這種接口的程序。服務(wù)器接收到用戶(hù)的請求，并將數據送給CGI 程序，CGI 程序接收到數據后，啟動(dòng)編寫(xiě)好的應用程序，并按照用戶(hù)提供的數據執行。應用程序執行完成后，返回執行結果，并通過(guò)Web 服務(wù)器傳送給用戶(hù)瀏覽器顯示。

　　本系統采用了CGI 來(lái)實(shí)現動(dòng)態(tài)Web 技術(shù)，CGI 規定了Web服務(wù)器調用其他可執行程序（CGI 程序）的接口協(xié)議標準。Web服務(wù)器通過(guò)CGI 程序實(shí)現和瀏覽器的交互，也就是CGI 程序接受瀏覽器發(fā)送給Web 服務(wù)器的信息進(jìn)行處理，將響應結果再回送給Web 服務(wù)器及瀏覽器。CGI 程序可以用多種程序設計語(yǔ)言編寫(xiě)， 本系統選用C 語(yǔ)言編寫(xiě)的CGI 程序。嵌入式Web 服務(wù)器工作流程如圖3 所示。

　　5 系統測試

　　將服務(wù)器用網(wǎng)線(xiàn)和電腦主機相連， 服務(wù)器的地址設為192.168.1.6，電腦主機地址為192.168.1.8（只要主機IP 和服務(wù)器IP 處在同一個(gè)網(wǎng)段就可以）系統的網(wǎng)頁(yè)包括家電系統、安防系統和視頻畫(huà)面三個(gè)頁(yè)面，這三個(gè)畫(huà)面可以相互切換， 在瀏覽器輸入服務(wù)器IP 對系統進(jìn)行測試，并選擇攝像頭遠程控制畫(huà)面，攝像頭采集的視頻畫(huà)面截圖如圖4 所示。

　　6 結論

　　本文設計的智能家居綜合控制系統，采用ZigBee 技術(shù)組建家庭內部無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )， 用USB 攝像頭實(shí)時(shí)采集家庭視頻信息，在S3C2440A 為控制核心的硬件平臺移植嵌入式Linux 操作系統和Web 服務(wù)器完成家庭網(wǎng)關(guān)的設計，經(jīng)過(guò)實(shí)際測試，本系統達到了家庭信息網(wǎng)絡(luò )化的目的，實(shí)現了對家庭設備遠程監控的愿望。系統的功能強大，功耗低，實(shí)現簡(jiǎn)單，具有廣闊的應用前景。