0 引言

　　隨著人們生活水平的提高以及計算機技術、通信技術和網絡技術的發(fā)展，智能家居逐漸成為未來家居生活的發(fā)展方向。智能家居不僅能給用戶提供安全、健康和舒適的生活環(huán)境，而且用戶能夠遠程監(jiān)控自己的家居狀態(tài)和控制家庭電器設備。在智能家居系統(tǒng)中，采用無線網絡技術可以提供更大的靈活性、流動性，更符合家庭網絡簡潔性、靈活性、模塊化、擴展性及獨立性的通信特點，將無線網絡技術應用于家庭網絡已經成為主流趨勢。

　　Zigbee 作為一種新興的無線通信技術，其低速率、低成本、低功耗、自配置和靈活的網絡結構，非常適合于家庭內部組網。而Wi-Fi 作為一種無線聯(lián)網技術，最主要的優(yōu)勢在于不需要布線，不受布線條件的限制，因此特別適合移動辦公用戶的需要，在智能家居中采用Wi-Fi 技術使得家庭內部網絡與Internet 連接更加便捷，通過一臺Wi-Fi 的手持終端設備就可以直接進入家庭網關，實現(xiàn)對家電設備的遠程監(jiān)控和智能控制。系統(tǒng)中家庭網關為Wi-Fi-ZigBee 的Web 服務器，它是ZigBee 協(xié)議、Wi-Fi 協(xié)議和以太網之間的轉換接口，并負責建立和管理無線傳感器網絡以及實現(xiàn)外網的通信連接。

　　1 網關總體設計和工作流程

　　系統(tǒng)主要包括ARM9 處理器S3C2440A （ 家庭網關） 、Zigbee 模塊（ 協(xié)調器） 、Wi-Fi 模塊、Zigbee 終端設備（ 如紅外探測器、門磁開關和火災探測器和煙感燃氣探測器等） ，其結構如圖1 所示。在ARM9 處理器中移植Web 服務器Boa 作為家庭網關，負責對整個智能家居設備的管理以及遠程監(jiān)控。

　　由于智能家居中許多家電設備都是通過Zigbee 無線傳感網絡來工作的，因此必須在處理器中保存數(shù)據(jù)并對Zigbee 無線傳感網絡進行數(shù)據(jù)融合處理，協(xié)調器負責家庭內部Zigbee 網絡的管理與控制。Wi-Fi 模塊用來傳輸大容量信息，通過無線訪問節(jié)點（ Access Point，AP） 路由器與以太網連接，實現(xiàn)家庭內部網絡與Internet 的通信。

圖1 系統(tǒng)結構

　　系統(tǒng)處理基本流程如下： 系統(tǒng)內部由Zigbee 星型網絡組成，家中電器開關狀態(tài)和傳感器的控制信息在網絡中自由傳輸，經由協(xié)調器（ Zigbee 模塊） 傳送至Web 服務器的網關，再由網關通過Wi-Fi 經無線路由連接到外部以太網，用戶可以通過遠程用戶界面端了解家中電器狀態(tài)； 家庭網關可以通過無線網絡對遠程用戶的控制命令作出判斷和響應，從而開啟或關閉家中的電器。

　　2 網關硬件平臺設計

　　網關硬件電路主要由控制器模塊（ S3C2440A） 、存儲單元（ 64 MB SDRAM、64 MB Nand Flash 和2 MB Nor Flash） 、通信模塊（ Zigbee 模塊和Wi-Fi 模塊） 和顯示模塊（ LCD） 等組成，其硬件電路結構框圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件電路

　　2. 1 控制器模塊

　　控制器是整個嵌入式家庭網關的核心，用來對Zigbee 通信模塊進行相應配置并接收Zigbee 終端節(jié)點的數(shù)據(jù)，利用Wi-Fi 協(xié)議將網關通過Wi-Fi 模塊連接到Internet 網絡。為了能達到高性能、低功耗的目的，設計的嵌入式網關采用以ARM920T 為核心的32 位的RISC 微處理器S3C2440A 作為主控制器，該處理器集成了LCD 控制器、USBHost、NAND 控制器、BUS 控制器、中斷控制、功率控制、存儲控制、UART、SPI和GPIO 等豐富的外圍資源，通過外擴存儲器、串口、USB接口和JTAG 調試接口等構成硬件平臺。

　　2. 2 Zigbee 組網模塊

　　在智能家居系統(tǒng)中，采用Zigbee 無線通信技術將智能家電設備組成星形網絡。星形網絡是一個輻射狀的結構，網絡命令和數(shù)據(jù)都是通過協(xié)調器傳輸，終端設備之間通信也是通過協(xié)調器轉發(fā)，終端設備不是通信的起點就是通信的終點。

　　0 引言

　　隨著人們生活水平的提高以及計算機技術、通信技術和網絡技術的發(fā)展，智能家居逐漸成為未來家居生活的發(fā)展方向。智能家居不僅能給用戶提供安全、健康和舒適的生活環(huán)境，而且用戶能夠遠程監(jiān)控自己的家居狀態(tài)和控制家庭電器設備。在智能家居系統(tǒng)中，采用無線網絡技術可以提供更大的靈活性、流動性，更符合家庭網絡簡潔性、靈活性、模塊化、擴展性及獨立性的通信特點，將無線網絡技術應用于家庭網絡已經成為主流趨勢。

　　Zigbee 作為一種新興的無線通信技術，其低速率、低成本、低功耗、自配置和靈活的網絡結構，非常適合于家庭內部組網。而Wi-Fi 作為一種無線聯(lián)網技術，最主要的優(yōu)勢在于不需要布線，不受布線條件的限制，因此特別適合移動辦公用戶的需要，在智能家居中采用Wi-Fi 技術使得家庭內部網絡與Internet 連接更加便捷，通過一臺Wi-Fi 的手持終端設備就可以直接進入家庭網關，實現(xiàn)對家電設備的遠程監(jiān)控和智能控制。系統(tǒng)中家庭網關為Wi-Fi-ZigBee 的Web 服務器，它是ZigBee 協(xié)議、Wi-Fi 協(xié)議和以太網之間的轉換接口，并負責建立和管理無線傳感器網絡以及實現(xiàn)外網的通信連接。

　　1 網關總體設計和工作流程

　　系統(tǒng)主要包括ARM9 處理器S3C2440A （ 家庭網關） 、Zigbee 模塊（ 協(xié)調器） 、Wi-Fi 模塊、Zigbee 終端設備（ 如紅外探測器、門磁開關和火災探測器和煙感燃氣探測器等） ，其結構如圖1 所示。在ARM9 處理器中移植Web 服務器Boa 作為家庭網關，負責對整個智能家居設備的管理以及遠程監(jiān)控。

　　由于智能家居中許多家電設備都是通過Zigbee 無線傳感網絡來工作的，因此必須在處理器中保存數(shù)據(jù)并對Zigbee 無線傳感網絡進行數(shù)據(jù)融合處理，協(xié)調器負責家庭內部Zigbee 網絡的管理與控制。Wi-Fi 模塊用來傳輸大容量信息，通過無線訪問節(jié)點（ Access Point，AP） 路由器與以太網連接，實現(xiàn)家庭內部網絡與Internet 的通信。

圖1 系統(tǒng)結構

　　系統(tǒng)處理基本流程如下： 系統(tǒng)內部由Zigbee 星型網絡組成，家中電器開關狀態(tài)和傳感器的控制信息在網絡中自由傳輸，經由協(xié)調器（ Zigbee 模塊） 傳送至Web 服務器的網關，再由網關通過Wi-Fi 經無線路由連接到外部以太網，用戶可以通過遠程用戶界面端了解家中電器狀態(tài)； 家庭網關可以通過無線網絡對遠程用戶的控制命令作出判斷和響應，從而開啟或關閉家中的電器。

　　2 網關硬件平臺設計

　　網關硬件電路主要由控制器模塊（ S3C2440A） 、存儲單元（ 64 MB SDRAM、64 MB Nand Flash 和2 MB Nor Flash） 、通信模塊（ Zigbee 模塊和Wi-Fi 模塊） 和顯示模塊（ LCD） 等組成，其硬件電路結構框圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件電路

　　2. 1 控制器模塊

　　控制器是整個嵌入式家庭網關的核心，用來對Zigbee 通信模塊進行相應配置并接收Zigbee 終端節(jié)點的數(shù)據(jù)，利用Wi-Fi 協(xié)議將網關通過Wi-Fi 模塊連接到Internet 網絡。為了能達到高性能、低功耗的目的，設計的嵌入式網關采用以ARM920T 為核心的32 位的RISC 微處理器S3C2440A 作為主控制器，該處理器集成了LCD 控制器、USBHost、NAND 控制器、BUS 控制器、中斷控制、功率控制、存儲控制、UART、SPI和GPIO 等豐富的外圍資源，通過外擴存儲器、串口、USB接口和JTAG 調試接口等構成硬件平臺。

　　2. 2 Zigbee 組網模塊

　　在智能家居系統(tǒng)中，采用Zigbee 無線通信技術將智能家電設備組成星形網絡。星形網絡是一個輻射狀的結構，網絡命令和數(shù)據(jù)都是通過協(xié)調器傳輸，終端設備之間通信也是通過協(xié)調器轉發(fā)，終端設備不是通信的起點就是通信的終點。

　　Zigbee 擴展模塊在家庭網關中作為網絡協(xié)調器，可以是通信的起點或終點，負責各子傳感器節(jié)點的通信管理、動態(tài)組網與數(shù)據(jù)傳輸。Zigbee 終端節(jié)點包括家庭內部網絡中的門磁開關、紅外對射探測器、玻璃破碎探測器、火災探測器以及煙感和燃氣泄露探測器等。

　　Zigbee 模塊采用JENNIC 公司的JN5139，這是業(yè)界第一款與IEEE802. 15. 4 兼容的低功耗、低成本無線控制模塊。

　　該模塊與S3C2440A 中的UART1 相連，S3C2440A 中有三個通用異步串行接口，UART0 是RS232 接口，用來連接PC 機，UART1 和UART2 是TTL 接口。這里使用UART0 來連接，設置相應波特率后實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。其通信接口電路如圖3 所示，只需連接TXD0 和RXD0 兩根信號線即可實現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)傳輸通信。

圖3 JN5139 的通信接口電路

　　2. 3 Wi-Fi 通信模塊

　　該模塊用來實現(xiàn)家庭網關與Internet 連接。Wi-Fi 模塊采用威盛的VT6656 芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸，VT6656 芯片內嵌TCP / IP 協(xié)議棧，降低了設計的難度，同時大大提高了主控制器處理其他數(shù)據(jù)的能力。VT6656 與S3C2440A 的連接非常簡單，二者可以通過標準的USB 接口直接相連。VT6656芯片的主要特性： 54 Mbps 標準802. 11g 無線Internet 訪問，比基于802. 11b 協(xié)議快5 倍； 采用USB 2. 0 最高比USB 1. 1 快40 倍； 新的天線技術支持更遠距離的無線訪問； 支持所有標準802. 11g 和802. 11b 無線路由器及接入點； 支持64 /128 /152 位WEP 加密； 支持WPA /WPA2、WPA-PSK /WPA2-PSK 等高級加密與安全機制。

　　3 軟件平臺設計

　　軟件平臺采用一種開放源碼的Linux 操作系統(tǒng)，便于在其基礎上完成各項相關應用程序的開發(fā)。軟件主要涉及到操作系統(tǒng)的裁剪與編譯、驅動程序編寫和系統(tǒng)主程序編寫。

　　3. 1 家庭網關軟件體系結構

　　家庭網關采用模塊化設計方案，如圖4 所示由硬件驅動層、操作系統(tǒng)層、網絡協(xié)議層和應用程序層組成。硬件驅動層描述網關節(jié)點中Zigbee 模塊和Wi-Fi 模塊的驅動； 操作系統(tǒng)層移植了ARM Linux 實時操作系統(tǒng)內核； 網絡協(xié)議層移植了Zigbee 和Wi-Fi 協(xié)議棧，實現(xiàn)Zigbee 和Wi-Fi 協(xié)議雙向轉換；應用程序層在Linux 內核上移植嵌入式Web 服務器軟件Boa.

圖4 家庭網關結構

　　網關中的網絡協(xié)議層主要完成從Wi-Fi 和Zigbee 協(xié)議的相互轉換工作。對于從Zigbee 設備發(fā)送到Wi-Fi 的數(shù)據(jù)，在網關需要經過以下處理步驟： Zigbee 設備接收到數(shù)據(jù)→去掉物理層Zigbee 分組→去掉MAC 層Zigbee 分組→添加MAC頭的Wi-Fi 分組→添加物理層頭的Wi-Fi 分組→Wi-Fi 處理或發(fā)送。Wi-Fi 接收數(shù)據(jù)到發(fā)送給Zigbee 設備的過程如下：

　　Wi-Fi 接收到數(shù)據(jù)→去掉物理層Wi-Fi 分組→去掉MAC 層Wi-Fi 分組→添加MAC 頭的Zigbee 分組→添加物理層頭的Zigbee 分組→Zigbee 處理或發(fā)送。Wi-Fi-Zigbee 通信協(xié)議模型如圖5 所示。

圖5 Zigbee /Wi-Fi 網關的通信協(xié)議模型

　　3. 2 Zigbee 組網軟件設計

　　家庭網關集成了Zigbee 網絡協(xié)調器和嵌入式Web 服務器，有兩個主要功能。1 ） 實現(xiàn)無線傳感器網絡的建立，傳感器節(jié)點管理和數(shù)據(jù)傳輸。將收集到的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，使用戶可以隨時查詢監(jiān)控Zigbee 終端設備的狀態(tài)。2） 用戶可以通過Web 瀏覽器直接訪問網關，可以進行實時監(jiān)測和遠程管理。

　　為了實現(xiàn)家庭網關的功能，在硬件平臺上移植了Linux2. 6 實時操作系統(tǒng)、Zigbee 協(xié)議棧和VT6656 的驅動程序，并使用基于HTTP 協(xié)議的Boa 服務器作為Web 服務器，其中ZigBee 網絡協(xié)調器的軟件實現(xiàn)包括ZigBee 協(xié)議和監(jiān)控管理程序的移植。該軟件流程如圖6 所示。

圖6 Zigbee 軟件流程

　　在智能家居內部ZigBee 無線網絡中，首先協(xié)調器進行初始化，然后協(xié)調器選擇一個稱為PAN ID 的標識號碼，接著啟動網絡，所有的設備接入CSMA-CA 機制的協(xié)調器。當協(xié)調器收到數(shù)據(jù)時，首先判斷是新節(jié)點加入網絡的請求還是設備節(jié)點的控制請求： 如果是新節(jié)點加入網絡的請求則分配網絡地址并綁定節(jié)點； 如果是控制請求，則調用控制請求處理函數(shù)處理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理完畢，協(xié)調器返回等待請求監(jiān)聽狀態(tài)。

　　3. 3 家庭網關主程序設計

　　家庭網關是建立在傳輸層以上的協(xié)議轉換器，通常它連接兩個或多個相互獨立的網絡，每接收一種協(xié)議的數(shù)據(jù)包后，在轉發(fā)之前將它轉換為另一種協(xié)議的格式，Zigbee 協(xié)議棧由一系列分層結構組成，包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網絡層、應用支持層和應用層，每一層為上一層提供服務。采集節(jié)點將要傳輸?shù)墓?jié)點地址信息和監(jiān)測數(shù)據(jù)以Zigbee 幀的形式打包發(fā)送給網關節(jié)點。傳送數(shù)據(jù)在通過物理介質進入網關后，先用Zigbee 協(xié)議棧解封裝得到原始數(shù)據(jù)，網關可以用操作系統(tǒng)上的應用軟件根據(jù)需要對原始數(shù)據(jù)處理。然后再以TCP / IP 協(xié)議打包后通過USB 口與Wi-Fi 通信模塊VT6656 相連，Wi-FiVT6656 網卡通過AP 路由器，將數(shù)據(jù)傳送到Wi-Fi 網絡中，AP路由器接入Internet，從而實現(xiàn)網關與Internet 相連。為實現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)測和控制兩大功能，數(shù)據(jù)幀結構的設計由前導碼、數(shù)據(jù)模式、目標地址、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)信息與校驗和等部分構成［3］，其中數(shù)據(jù)信息字段又劃分為方向位、功能類型和數(shù)據(jù)。

　　方向位分為上行和下行兩種： 上行傳輸?shù)氖潜O(jiān)測數(shù)據(jù)，下行傳輸?shù)氖强刂泼睢?/span>

　　家庭網關主程序處理流程如圖7 所示。硬件上電系統(tǒng)啟動以后，應用程序初始化，網關開始監(jiān)聽網絡，有數(shù)據(jù)到來網關進入中斷狀態(tài)。首先判斷是否Zigbee 數(shù)據(jù)，如果是Zigbee數(shù)據(jù)，按照WSN 協(xié)議處理數(shù)據(jù)然后打包轉發(fā)給Wi-Fi 模塊，網關返回監(jiān)聽狀態(tài)； 如果不是Zigbee 數(shù)據(jù)，網關判斷是否Wi-Fi 數(shù)據(jù)，如果是則以Wi-Fi 協(xié)議處理數(shù)據(jù)然后打包轉發(fā)給Zigbee 模塊，并返回監(jiān)聽狀態(tài)； 若是未知數(shù)據(jù)，網關進行丟棄處理直接返回監(jiān)聽網絡狀態(tài)。

　　4 測試結果與分析

　　將設計的Wi-Fi-Zigbee 網關與同樣采用無線通信技術的Wi-Fi-藍牙無線網關，以及采用綜合布線的有線網關做如下比較，如表1.有線網關網絡穩(wěn)定性、抗干擾性方面高，但是耗時且靈活性較低，而無線網關耗費的工時少且在網絡穩(wěn)定、靈活和抗干擾方面均性能良好。

圖7 家庭網關主程序流程

表1 三種網關的比較

　　為驗證Wi-Fi-Zigbee 網關在智能家居監(jiān)控系統(tǒng)中的性能，測試了兩組性能指標： 1） 無障礙物和干擾狀態(tài)下，隨著距離的增加，數(shù)據(jù)丟包率和響應時間的變化情況； 2） 數(shù)據(jù)傳輸距離分別為10 m、20 m、50 m 時，有障礙物情況下丟包率和響應時間性能變化； 如圖8 所示，其中（ a） 、（ b）為在無障礙物和干擾狀態(tài)下測得三種網關下丟包率與響應時間的曲線：（c） 、（d）為在有障礙物和干擾情況下所測得的數(shù)據(jù)。實驗結果表明，在無障礙物傳輸距離為50 m 以內時，Wi-Fi-Zigbee 網關較Wi-Fi-藍牙網關的優(yōu)勢明顯，隨著傳輸距離增加，丟包率低維持在3% 左右，相對于有線網關高出2% 左右，而響應時間波動在1 ms 以內，完全能夠充分滿足正常家居環(huán)境的通信需要，而且接收功率很低，非常適合家庭的使用。在有障礙物和干擾的情況下，Wi-Fi-Zigbee 網關丟包率與響應時間較有線網關稍高，卻遠優(yōu)于Wi-Fi-藍牙網關。

圖8 三種網關在不同環(huán)境下丟包率與響應時間的比較

　　5 結語

　　本文提出了一種無線智能家居網關的設計和實現(xiàn)方案，該方案采用低功耗ARM 處理器S3C2440A 為核心，利用內嵌TCP / IP 協(xié)議棧的模塊Wi-Fi 為網絡的數(shù)據(jù)出口，以嵌入式Web 服務器為網關，克服了傳統(tǒng)網關架構下Zigbee 傳輸速率較低的瓶頸，利用Wi-Fi 和Zigbee 全網無線無縫連接。實驗表明，該系統(tǒng)可靠性高、協(xié)議轉換效率高，抗干擾能力強，同時具有很好的通用性，非常適合在智能家居系統(tǒng)中應用。