摘 要:隨著3G通信技術的發展和物聯網時代的來臨,智能家居的發展迎來了全新的機遇。本文提出了一種基于ARM9的嵌入式智能家居網關的解決方案,以滿足智能家居系統的個性化需求,解決家居空間物理世界與數字世界信息融合問題,具有一定的實踐指導意義和廣泛的應用前景。
關鍵詞:智能家居網關ARM9ZigBee數據融合
中圖分類號:TP31 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2011)05(c)-0020-01
智能家居的開發與建設是物聯網產業的一個重要組成部分,隨著3G網絡的普及和無線傳感器網絡在家居空間的應用,使得家居環境中信息共享、環境感知逐漸成為現實。智能家居系統的核心設備是智能家居網關,通過它可實現智能家居系統的信息采集、集中控制、遠程控制、聯動控制等功能�；诖吮疚难芯刻岢隽艘环N融合GPRS/3G技術和ZigBee技術的嵌入式智能家居網關設計方案。
1 智能家居系統的整體設計方案
本文設計的智能家居系統由家庭內部網、智能家居網關和遠程接入網三部分構成。用戶可通過家居系統隨時了解室內的溫感、煙感等環境參數并對家居設備控制,通過安防系統實時監控家庭安全和智能預警等。
家庭內部網絡主要包括家居系統、安防系統、影音系統和資源共享等功能子系統。家庭內部網的構建采用具有低功耗、低成本、容量大、安全性高、抗干擾性能強的ZigBee技術。ZigBee節點具有自動組網的能力,無需人工干預,網絡節點能夠感知其他節點的存在,節點發生故障時,網絡能夠自我修復,并對網絡拓撲結構進行相應地調整保證整個系統仍然能正常工作。本文采用TI_CC2430芯片作為家庭內部網的通信方案。ZigBee網絡的子節點可以是溫、濕度和光照等采集傳感器,也可以是可控制自動窗簾、室內照明和門禁等執行設備。
智能家居系統的“大腦”是智能家居網關,它既要具有數據信息采集功能,又需要具有數據分析處理的能力,實現對家庭網絡設備的智能化統一管理。網關也是家庭內部網和Internet的唯一網絡設備,是家庭內部網和遠程接入網的連接橋梁。家居網關為家庭內部不同類型、不同結構的子網提供橋接能力;在家居外部,實現Internet的接入訪問,同時還提供防火墻的功能,阻止外界對家庭內部設備的非法訪問和攻擊。
對于外部遠程接入網絡,智能家居網關具有GPRS/3G移動無線網絡和以太網的雙重網絡接口,可通過手機、PDA或者PC機驅動相應的家居設備,實現對家居系統的遠程訪問和控制,操作靈活方便、成本較低且易于推廣普及。
2 智能家居網關硬件設計
智能家居網關是智能家居系統的核心組成,是系統的心臟,要具有較強的魯棒性和穩定性,并能在發生故障時具有自動保護的功能。從功能、可擴展性、操作系統支持及功耗等方面比較,本方案采用基于ARM920T內核的高性價比的32位微處理器S3C2440,存儲器選用64M的NAND_FLASH和64M的SDRAM。系統硬件原理框圖如圖1所示。
此外,它有足夠的外圍擴展接口,如主/從USB接口,100M以太網接口,RS232、RS485數據總線接口,JTAG接口,電源/復位模塊,高清晰度LCD觸摸屏,基于SIM300芯片的GPRS模塊,基于TI_CC2430芯片的ZigBee模塊,GPIO擴展接口。
3 智能家居網關軟件設計
智能家居網關軟件采用分層模塊化的體系結構。由硬件驅動層、操作系統層、服務層、開放式家居數據融合和感知層以及應用層等五層組成。每層軟件都獨立完成一定的功能,并通過接口函數為其他層次提供服務。
硬件驅動層描述網關節點中Zigbee模塊和GPRS模塊等驅動; 操作系統層移植了嵌入式Linux實時操作系統,具有進程管理、內存管理等系統功能,為用戶開發程序提供了便利;服務層在系統內核上移植嵌入式文件系統YAFFS和Web服務器BOA等,用戶可以通過Internet中的PC機在遠端實現對系統的遠程控制和信息查詢。面對家居設備種類及結構復雜性、家居數據空間傳輸鏈路和通信協議的異構性、家居設備行業標準的兼容性等諸多問題,開放式家居數據融合和感知層基于語義網標準,采用如XML、SOAP、WSDL以及UDDI技術標準實現面向服務的數據融合和感知,支持家居物理設備動態感知及配置,兼容DLNA規范。應用層提供多種模式的標準應用服務,如家居中環境的感知服務、設備操作服務、信息存儲的服務、媒體共享的服務。該層為用戶提供了個性化的客戶端應用,便于用戶對家居系統的智能化管理。
4 結語
智能家居系統對家庭狀況全天候監控,使我們無論身在何處,都擁有一個放心的家。移動終端通過GPRS/3G網絡實現對家庭的遠程監控。當用戶離開家時,網關將啟動安防設備并把其狀態發送至手機等移動終端。手機實時顯示監控場景、ZigBee節點溫、濕度等信息,并遠程控制相應的執行設備,如自動窗簾、照明和門禁等。綜上,本智能家居網關的設計方案為智能家居系統的實現提供了一個可行的途徑,具有很強的系統兼容性和擴展性,應用簡便,有著廣泛的應用前景。
參考文獻
[1] 馬忠梅,李善平,康慨,葉楠.ARM&Linux嵌入式系統教程.北京:北京航空航天大學出版社.2004.09.
[2] 李平舟.基于CC2430的ZigBee無線數傳模塊的設計和實現[J].電子原器件應用,2008(4):40-43.
[3] 南忠良,孫國新.基于 ZigBee 技術的智能家居系統設計.電子設計工程,2010(7):117-119.
關鍵詞:智能家居網關ARM9ZigBee數據融合
中圖分類號:TP31 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2011)05(c)-0020-01
智能家居的開發與建設是物聯網產業的一個重要組成部分,隨著3G網絡的普及和無線傳感器網絡在家居空間的應用,使得家居環境中信息共享、環境感知逐漸成為現實。智能家居系統的核心設備是智能家居網關,通過它可實現智能家居系統的信息采集、集中控制、遠程控制、聯動控制等功能�；诖吮疚难芯刻岢隽艘环N融合GPRS/3G技術和ZigBee技術的嵌入式智能家居網關設計方案。
1 智能家居系統的整體設計方案
本文設計的智能家居系統由家庭內部網、智能家居網關和遠程接入網三部分構成。用戶可通過家居系統隨時了解室內的溫感、煙感等環境參數并對家居設備控制,通過安防系統實時監控家庭安全和智能預警等。
家庭內部網絡主要包括家居系統、安防系統、影音系統和資源共享等功能子系統。家庭內部網的構建采用具有低功耗、低成本、容量大、安全性高、抗干擾性能強的ZigBee技術。ZigBee節點具有自動組網的能力,無需人工干預,網絡節點能夠感知其他節點的存在,節點發生故障時,網絡能夠自我修復,并對網絡拓撲結構進行相應地調整保證整個系統仍然能正常工作。本文采用TI_CC2430芯片作為家庭內部網的通信方案。ZigBee網絡的子節點可以是溫、濕度和光照等采集傳感器,也可以是可控制自動窗簾、室內照明和門禁等執行設備。
智能家居系統的“大腦”是智能家居網關,它既要具有數據信息采集功能,又需要具有數據分析處理的能力,實現對家庭網絡設備的智能化統一管理。網關也是家庭內部網和Internet的唯一網絡設備,是家庭內部網和遠程接入網的連接橋梁。家居網關為家庭內部不同類型、不同結構的子網提供橋接能力;在家居外部,實現Internet的接入訪問,同時還提供防火墻的功能,阻止外界對家庭內部設備的非法訪問和攻擊。
對于外部遠程接入網絡,智能家居網關具有GPRS/3G移動無線網絡和以太網的雙重網絡接口,可通過手機、PDA或者PC機驅動相應的家居設備,實現對家居系統的遠程訪問和控制,操作靈活方便、成本較低且易于推廣普及。
2 智能家居網關硬件設計
智能家居網關是智能家居系統的核心組成,是系統的心臟,要具有較強的魯棒性和穩定性,并能在發生故障時具有自動保護的功能。從功能、可擴展性、操作系統支持及功耗等方面比較,本方案采用基于ARM920T內核的高性價比的32位微處理器S3C2440,存儲器選用64M的NAND_FLASH和64M的SDRAM。系統硬件原理框圖如圖1所示。
此外,它有足夠的外圍擴展接口,如主/從USB接口,100M以太網接口,RS232、RS485數據總線接口,JTAG接口,電源/復位模塊,高清晰度LCD觸摸屏,基于SIM300芯片的GPRS模塊,基于TI_CC2430芯片的ZigBee模塊,GPIO擴展接口。
3 智能家居網關軟件設計
智能家居網關軟件采用分層模塊化的體系結構。由硬件驅動層、操作系統層、服務層、開放式家居數據融合和感知層以及應用層等五層組成。每層軟件都獨立完成一定的功能,并通過接口函數為其他層次提供服務。
硬件驅動層描述網關節點中Zigbee模塊和GPRS模塊等驅動; 操作系統層移植了嵌入式Linux實時操作系統,具有進程管理、內存管理等系統功能,為用戶開發程序提供了便利;服務層在系統內核上移植嵌入式文件系統YAFFS和Web服務器BOA等,用戶可以通過Internet中的PC機在遠端實現對系統的遠程控制和信息查詢。面對家居設備種類及結構復雜性、家居數據空間傳輸鏈路和通信協議的異構性、家居設備行業標準的兼容性等諸多問題,開放式家居數據融合和感知層基于語義網標準,采用如XML、SOAP、WSDL以及UDDI技術標準實現面向服務的數據融合和感知,支持家居物理設備動態感知及配置,兼容DLNA規范。應用層提供多種模式的標準應用服務,如家居中環境的感知服務、設備操作服務、信息存儲的服務、媒體共享的服務。該層為用戶提供了個性化的客戶端應用,便于用戶對家居系統的智能化管理。
4 結語
智能家居系統對家庭狀況全天候監控,使我們無論身在何處,都擁有一個放心的家。移動終端通過GPRS/3G網絡實現對家庭的遠程監控。當用戶離開家時,網關將啟動安防設備并把其狀態發送至手機等移動終端。手機實時顯示監控場景、ZigBee節點溫、濕度等信息,并遠程控制相應的執行設備,如自動窗簾、照明和門禁等。綜上,本智能家居網關的設計方案為智能家居系統的實現提供了一個可行的途徑,具有很強的系統兼容性和擴展性,應用簡便,有著廣泛的應用前景。
參考文獻
[1] 馬忠梅,李善平,康慨,葉楠.ARM&Linux嵌入式系統教程.北京:北京航空航天大學出版社.2004.09.
[2] 李平舟.基于CC2430的ZigBee無線數傳模塊的設計和實現[J].電子原器件應用,2008(4):40-43.
[3] 南忠良,孫國新.基于 ZigBee 技術的智能家居系統設計.電子設計工程,2010(7):117-119.
