摘要：設(shè)計(jì)了一種基于ARM和ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)，闡述了智能家居系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，并給出了關(guān)鍵環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境監(jiān)測(cè)和家電控制，在現(xiàn)代生活中具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　關(guān)鍵詞: ARM；ZigBee；智能家居；嵌入式Web服務(wù)器
　　
　　
　　1 引言
　　 智能家居利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、電力自動(dòng)化技術(shù)，將與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在一起，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化的綜合管理[1]。從目前的發(fā)展來看，嵌入式系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用在智能家居系統(tǒng)已成大勢(shì)所趨。相比傳統(tǒng)的家居系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日益成熟，無線傳感器產(chǎn)品成本低廉，而且能提供更大的靈活性、流動(dòng)性，省去了花在綜合布線上的費(fèi)用和精力，因而更適應(yīng)于家庭、小中型辦公場(chǎng)所。
　　 本文設(shè)計(jì)了一種具有數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、功耗要求低、系統(tǒng)可靠、成本低廉等特點(diǎn)的智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)以ARM處理器S3C2440和嵌入式Linux操作系統(tǒng)[2]為核心平臺(tái)，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)[3]把家電設(shè)備與嵌入式Web服務(wù)器[4]相連接，使得用戶可以通過客戶端的瀏覽器實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境的監(jiān)測(cè)和家電設(shè)備的控制。
　　2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
　　 基于ARM和ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)以S3C2440嵌入式處理器為核心，外擴(kuò)NAND Flash、SDRAM、和網(wǎng)絡(luò)通訊接口等。多個(gè)ZigBee無線模塊節(jié)點(diǎn)CC2430組成無線網(wǎng)絡(luò)，各終端節(jié)點(diǎn)連接傳感器或者家電設(shè)備，通過無線傳輸?shù)姆绞脚cZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，ZigBee協(xié)調(diào)器通過SPI接口與ARM進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[5]。其中S3C2440處理器是韓國(guó)三星基于ARM公司開發(fā)的ARM920T處理器核，ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是成都無線龍公司開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)微型節(jié)點(diǎn)CC2430。
　　 智能家居系統(tǒng)由客戶端、嵌入式Web服務(wù)器和家電設(shè)備三部分組成，ARM中的嵌入式Web服務(wù)器是家電監(jiān)控系統(tǒng)的核心，嵌入式Web服務(wù)器通過ZigBee和家電設(shè)備連接，通過網(wǎng)線和客戶端相連接。因此，本系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是：ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)、嵌入式Web服務(wù)器和SPI接口的Linux驅(qū)動(dòng)。
　　 本設(shè)計(jì)中選用嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為軟件開發(fā)平臺(tái)，Linux內(nèi)核版本為2.4.18，交叉編譯工具為arm-1inux-gcc(2.95.3版本)，根文件系統(tǒng)選用Cramfs, 用戶文件系統(tǒng)采用YAFFS格式。
　　
　　
　　
　　圖1 智能家居系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
　　3 ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)的建立
　　 ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)主要功能是傳輸家居實(shí)時(shí)信息和控制消息。本系統(tǒng)采用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)為成都無線龍通訊公司的無線單片機(jī)專業(yè)開發(fā)系統(tǒng)C51RF-3-PK，該系統(tǒng)的處理器是支持ZigBee協(xié)議的SoC射頻(RF)芯片CC2430，并且免費(fèi)提供基于最新ZigBee協(xié)議規(guī)范的協(xié)議棧Z-Stack，協(xié)議的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境為IAR Embedded Workbench for 8051。ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)的建立主要涉及應(yīng)用數(shù)據(jù)收發(fā)和串口通信的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。
　　3.1 應(yīng)用數(shù)據(jù)收發(fā)模塊
　　 在 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)用層定義了兩種數(shù)據(jù)服務(wù)傳輸格式：KVP（鍵值對(duì)）和。本系統(tǒng)選擇采用MSG（消息）數(shù)據(jù)服務(wù)格式。ZigBee網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用數(shù)據(jù)收發(fā)模塊分為數(shù)據(jù)發(fā)送子程序和數(shù)據(jù)接收子程序。
　　 在Z-Stack協(xié)議中，應(yīng)用層通過調(diào)用AF_DataRequest( afAddrType_t *dstAddr, endPointDesc_t *srcEP, uint16 cID, uint16 len, uint8 *buf, uint8 *transID, uint8 options, uint8 radius)函數(shù)來發(fā)送數(shù)據(jù)。其中，dstAddr帶有目的地址的地址類型和地址信息，cID為待發(fā)送數(shù)據(jù)的16位簇信息（cluster ID），len表示待發(fā)送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度大小，*buf為待發(fā)送數(shù)據(jù)的首指針。為實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)消息的管理，本文將簇信息節(jié)點(diǎn)間發(fā)送的消息進(jìn)行分類，分類如下表1所示。
　　 表1應(yīng)用層 Cluster ID 定義表
　　
　　
　　
　　 在Z-Stack中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)時(shí)，操作系統(tǒng)抽象層（OSAL）會(huì)產(chǎn)生一個(gè)AF_INCOMING_MSG_CMD事件通知，用戶只需要在該事件下對(duì)接收到的消息進(jìn)行處理即可。消息的處理過程中，用戶可根據(jù)消息中的Cluster ID分別進(jìn)行處理。本系統(tǒng)按照表1中Cluster ID的定義，控制中心節(jié)點(diǎn)的每個(gè)Cluster ID 下的功能函數(shù)如下所示。
　　
　　
　　
　　3.2 串口通信模塊
　　 在 Z-Stack 中，節(jié)點(diǎn)的串口通信單元實(shí)現(xiàn)文件為 hal_uart.c/.h，只需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲镁涂梢哉{(diào)用該單元，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。該模塊功能函數(shù)包括：串口初始化void HalUARTInit( void )、開串口uint8 HalUARTOpen( uint8 port, halUARTCfg_t *config ) 、關(guān)串 口void HalUARTClose( uint8 port )以及讀串口uint16 HalUARTRead( uint8 port, uint8 *buf, uint16 len )和寫串口uint16 HalUARTWrite( uint8 port, uint8 *buf, uint16 len )等。本系統(tǒng)選用串口0與管理中心通信，對(duì)其串口0的配置如下所示：
　　
　　
　　
　　4 嵌入式Web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)
　　 嵌入式Web服務(wù)器能將采集的家居信息供遠(yuǎn)程用戶在PC上查看，用戶可以通過Web頁面了解家中的實(shí)時(shí)信息并進(jìn)行必要的控制。本系統(tǒng)選用Boa作為嵌入式Web服務(wù)器。Boa對(duì)所有活動(dòng)的HTTP連接在內(nèi)部進(jìn)行處理，通過建立請(qǐng)求列表來處理多路HTTP連接請(qǐng)求，Boa的HTTP請(qǐng)求處理速度和效率很高，只為每個(gè)CGI連接創(chuàng)建新的進(jìn)程，在最大程度上節(jié)省系統(tǒng)資源。
　　4.1 Boa程序移植
　　
　　
　　
　　4.2 Boa的配置
　　 Boa配置文件主要有兩個(gè)，一個(gè)是Boa源碼包中的example/boa.conf，另一個(gè)是從宿主機(jī)的/etc目錄下不需做任何修改而拷貝過來mime.type文件。其中，boa.conf 配置文件對(duì)Boa的啟動(dòng)和運(yùn)行起著非常關(guān)鍵的作用。下面是本系統(tǒng)中具體的一個(gè) boa.conf 文件配置。
　　
　　
　　
　　 由于本系統(tǒng)中Linux的根文件系統(tǒng)是只讀的Cramfs格式，/usr目錄為可讀寫的YAFFS格式，因此，需要將編譯好的boa和配置文件下載到ARM板的/usr目錄下。具體步驟是：在sur 目錄下建www目錄，把boa、boa.conf、mime.type 保存在該目錄下。根據(jù) boa.conf 的配置還需要：創(chuàng)建日志文件所在目錄/usr/log/boa，創(chuàng)建HTML文檔的主目錄/usr/www，創(chuàng)建CGI腳本所在目錄/usr/www/cgi-bin。
　　5 Linux驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)
　　 嵌入式Web服務(wù)器是通過SPI總線和ZigBee協(xié)調(diào)器(CC2430)通信的，驅(qū)動(dòng)程序的主要任務(wù)就是把Web服務(wù)器傳送過來的命令數(shù)據(jù)發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器，或是接收來自ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。驅(qū)動(dòng)程序的編寫就是根據(jù)芯片之間制定的通信協(xié)議，填寫 file_ operations 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，完成設(shè)備初始化、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收及其它控制命令的接收等工作。
　　 應(yīng)用程序使用驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，首先調(diào)用系統(tǒng)open函數(shù)打開此設(shè)備的驅(qū)動(dòng)文件，然后，系統(tǒng)將調(diào)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中的spi_open()函數(shù)。此函數(shù)初始化所用到的接口，操作成功后返回0，否則返回非0。
　　
　　
　　
　　 此函數(shù)的主要作用是把數(shù)據(jù)從用戶空間拷貝到內(nèi)核空間，然后通過SPI總線把數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器。
　　6 結(jié)論
　　 本文設(shè)計(jì)了一種基于ARM和ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)，用戶可以通過Internet對(duì)家居環(huán)境和家電設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，能實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和嵌入式系統(tǒng)的結(jié)合運(yùn)用。相比傳統(tǒng)的家居系統(tǒng)，本方案具有良好的工作穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，外圍擴(kuò)充接口豐富，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)體積小，安裝、布置簡(jiǎn)單方便，在低功耗和低成本方面具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。
　　
　　參考文獻(xiàn)
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　　作者簡(jiǎn)介：
　　羅桂娥，女，1962年生，教授，主要研究方向：信息融合，數(shù)字圖像處理，智能儀器開發(fā)。
　　劉樂石，男，1983年生，研究生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
　　
　　注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)以PDF形式查看。