一种智能家居网关系统的设计与实现.docx

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一种智能家居网关系统的设计与实现

一种智能家居网关系统的设计与实现

摘要

随着社会经济的快速发展,家庭家居要求的档次也越来越高，而在我们生活必用的家居中则充满了人性化和智能化。

其中在现实生活中物联网的智能电子产品和技术在智能家居的电子产品当中得到了广泛认知和应用。

通讯技术与计算机网络之间的相互应用，则给人们的家居生活带来一种全新感受。

智能家居实现了对家庭设备间之间的互通互联以及全方位的监控和控制。

智能家居网关作为智能家居内外连接通信的核心，是进行远程控制、多媒体通信等的载体，是实现智能家居系统与Internet相连的关键设备。

本文在分析了现有的家庭网关方案和家庭短距离通信技术的基础上，提出了利用ARM微处理器（S3C2410）和一种基于Zigbee技术构建嵌入式智能家居网关的方案。

这种方案是根据ZigBee技术在低速率、耗能小等无线通信方面的优势，利用Chipcon公司的射频芯片CC2430，实现远程网络监控和数据采集。

通过对智能家居系统的技术要求分析，采用ZigBee技术来实现智能家居是一个比较理想的解决方案。

在实际应用当中，根据用户摆放的电器位置的不同来分布，设计一个比较理想的家居网关系统，实现控制器对Zigbee通信模块进行相应配置并无线接收Zigbee终端节点的数据。

关键词：

ZigBee；嵌入式；S3C2410；智能家居；网关；

Abstract

Withtherapiddevelopmentofsocialeconomy,thefamilyHomeFurnishingrequirementsareincreasinglyhighgrades,buttheHomeFurnishingwhereweliveisfullofhumanizationandintelligent.InthereallifeofIOTintelligentelectronicproductsandtechnologiesintheelectronicproductsofintelligentHomeFurnishinghasbeenwidelyrecognitionandapplication.Theuseofeachotherbetweencommunicationtechnologyandcomputernetwork,tothepeople'sHomeFurnishinglifebringsanewfeel.Smarthomerealizedtheinterconnectionbetweenfamilybetweentheequipmentandafullrangeofmonitoringandcontrol.Asthecoreofsmarthomegatewayconnectingcommunicationsmarthomeinsideandoutside,isthecarrierofremotecontrol,multimediacommunication,isthekeyequipmentforrealizingsmarthomesystemconnectedwithInternet.

Basedontheanalysisoftheschemeofexistinghomegatewayandhomeforshortdistancecommunicationtechnology,proposestheuseofARMmicroprocessor（S3C2410）andanembeddedsmarthomegatewaytechnologyschemebasedonZigbee.ThisschemeisbasedontheZigBeetechnologyinthelowrate,lowconsumptionofwirelesscommunicationadvantages,UsingtheChipconRFchipCC2430,therealizationofremotenetworkmonitoringanddatacollection.Throughthesmarthomesystemrequirementsanalysis,torealizethesmarthomeisarelativelyidealsolutionbyusingZigBeeTechnology.Inpracticalapplication,accordingtotheuserdisplayapplianceindifferentpositiontodistribution,designamoreidealsmarthomegatewaysystem,realizethecontrollertocarryoutthecorrespondingconfigurationandwirelessreceivingterminalZigbeenodetotheZigbeecommunicationmoduledata.

Keywords:

ZigBee;embeddedsystem;S3C2410;smarthome;gateway;

第一章绪论

1.1课题研究背景及意义

当人类发明蒸汽机的时候，则预示着人类进入了新工业时代，而网络的出现无疑将信息化深深地刻印在人类文明丰富多彩的画卷上。

随着电子信息技术，控制技术的日益提高，社会信息化进程正在步步加快。

人们在工作、生活、学习和交流的方面日益密切，在改变人们的生活习惯的同时，它也对我们的传统住宅带来新的挑战。

看看周围很容易的发现，我们对家居的理解不再仅仅是一个简单的物理空间，更为关注的是一个安全，舒适，美观和方便的生活环境。

现在人们日益膨胀的需求使得家居智能化已成为一种新趋势。

近年来，随着我国房地产的火爆局面，给国内的一些智能化带来了发展的机遇。

众所周知，中国人口基数大，城市住房建设相对多的选择在更密集的住宅区，许多房地产开发商基于小区智能化的角度，也出现了目前一统天下，无所不包的“智能化住宅”模式。

“智能化住宅”是一个系统的功能，这个系统的各个功能可都以单独的使用。

许多子系统的功能还需要有足够的协调能力。

这些住户在能够使用的智能系统仅仅是一小部分。

而致力于家庭智能化系统的开发的，这就是所谓的智能家居。

1.2智能家居的简介

智能家居与普通家居比起来的话更好，智能家居不但拥有了传统家居的居住功能，而且还是个具备舒适安全、品味高和气氛温馨的家庭生活空间。

原来的结构是比较古板，而现在是变成可以移动智能的工具，拥有各方面的信息交换的功能，保证能在外面可以和家庭信息进行流畅的交流，提高家庭生活的方式，帮助人们能够更好的、合理的安排时间，提高生活的舒适性，也可以为各种能源减少不必要的费用。

智能家居还能够自动管理和控制家电设备，对家庭环境的安全进行监控报警，并且能够为住户提供高效便利、安全舒适的学习生活及工作的环境。

家居智能化系统将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器以及家庭保安装置通过有线或无线的方式连接起来，并进行集中或者异地的管理、监控，保持家庭住宅环境的协调、舒适。

1.3国内外现状及发展趋势

1.3.1国外发展现状

自从世界上第一智能大厦1984在美国出现，发达的美国，加拿大，欧洲，澳大利亚和南洋经济的国家已经提出了多种智能家居方案。

智能家居的广泛应用于美国，德国，新加坡，日本和其他国家。

智能家居系统包括三个复制功能，新加坡模型的安全报警，视频对讲功能，监控中心的功能，家电控制功能，有线电视接入，家庭信息留言功能，智能家居控制面板，智能布线箱，宽带互联网接入和系统软件配置等。

几年前，一些经济发达的国家，提出了“智能住宅”的概念，住宅智能化是领先的智能家居，智能家居是智能住宅的核心。

以什么样的标准可以被称为智能家庭？

智能家居和智能大厦的概念和定义为还没有达成共识。

电气设计标准的第一个适用于家庭住宅的1988美国电子工业协会，即“家庭自动化系统和通信标准”也被称为家庭总线系统标准（HBS）；中国也已开始从1997年初制定的“小康住宅电气设计（标准）指南》（草案）中的“指南“在小康住宅电气设计规定应满足下列要求：

一个高水平的安全、舒适的环境，便利的交通，综合信息服务，家庭智能化系统。

目前市场上出现更多的智能家居控制系统主要包括：

（1）X-10（美国），该系统是电力线作为网络平台的使用，集中控制方式的实现。

这套系统的功能更加强大，和其他家居控制系统如ABB，c_bus上升更容易接受，使用也比较简单。

因为实现同样的功能，X-10家居控制系统是220V电源线X-10信号传输使用传输从发射机到接收机，从而实现智能化控制，使系统不需要额外的布线，这一优势也是大多数这样的系统，因为其他系统基本需要低线布在墙上或地面，开槽，钻井，施工难度大，成本高，建设周期长。

但由于国内缺乏市场条件和价格昂贵，该系统在国内应用的罕见。

（2）EIB系统（德国），系统采用了嵌入式总线和中央控制的方式实现控制功能。

但由于其复杂的工程的实际要求，且价格较高，所以一直无法打开国内市场。

（3）8X（新加坡），该系统采用预处理总线与集中控制方式的实现。

本实用新型具有使用产品的优势，系统的扩展，该系统是更成熟，更适合中国国情的。

但是，由于系统结构的灵活性，以及产品的价格是很难满足要求，因此目前在中国已较少应用。

1.3.2国内发展现状

智能家居在中国与国外相比起步较晚，尚未形成一定的国家标准。

但是我国住宅智能化正在由智能大厦走向智能住宅小区，以后会慢慢地走进各个家庭。

我国将住宅小区智能化定义为：

利用4C（即计算机、通讯与网络、自控、IC卡）技术，通过有效的传输网络，将多元信息服务与管理、物业管理与安防、住宅智能化系统集成，为住宅小区的服务与管理提供高技术的智能化手段，以期实现快捷高效的超值服务与管理，提供安全舒适的家居环境[14]。

现代社会的家庭正在慢慢地走智能化的道路，这种家庭智能化能给用户带来很多的方便，它可以让你在外出的时候很好的控制家庭内部的设备，它已经作为一种理想的目标被广大群众所追求。

国家也在多个工程项目实施方案中将它列入国家的重点发展方向。

因此国家还成立了家庭信息网络技术委员会，信息网络技术体系已经作为国家重点专业项目来培养。

据悉，国家将投资15亿来大力的鼓励该项目的实施。

北京预计有30000户用户将率先实施该项目。

到2010年，我过已经有70%的家庭都拥有了Internet设备。

此外，更有50%以上的用户拥有多台设备。

国家建筑部提出了要求：

到2010年，各大小城市要60%的住宅都能实现家庭智能化。

由于智能家居系统能够给人们带来方便，高效的生活方式，智能家居系统已经和网络一样成为以后生活必不可少的部分。

但是由于很多开发商和媒体的大肆宣传，消费者们对智能化家居存在认识上的误区。

据调查，在美国，有38%的家庭希望拥有家庭网络。

但是很少有人需要带有电子邮件功能的冰箱，热水器等。

所以，用户应该根据自己的实际需求来选择，而不是盲目的追求。

产品开发的功能模块，基于国外智能家居标准的日益成熟，我们国家在软硬件，开发机制等方面也渐渐地向设备智能家居化发展。

此外，为了解决当前智能产品实用性差，使用复杂昂贵的缺陷，我国的技术创新也逐渐向国际先进水平靠拢，让我们真正的享受舒服温馨的的家庭生活，这是值得期待的未来。

1.4智能家居网关发展趋势

智能家居网关是智能家居的终端部件作为智能家居内外连接通信的“大脑”，它主要是负责公网和家庭内部之间的交互，能很好的实现外部网络和家庭内部网信息的互相交换。

智能家居系统是为适应当今社会家庭风格而慢慢转变成一种多变化，多形式化的网络系统。

同时智能家居网关还和其他的四个部位相互连接，交互信息，能把他们的信息统一起来进行管理。

而且智能家居得网关还可以很好的接入到外部的网络，使使用它的人即使出门在外的同时能对家庭内部各个网络进行方便、安全的管理。

现在有许多厂家为了在市场上抢得先机，都推出了自己的家庭网关标准。

下面是比较主要的几种：

（1）首先介绍的是开放式服务网关组织，它诞生于1999年，好多国内的知名供应商都在里面。

目的就是建立一个开放式的服务规范，向家庭设备提供所需要的业务，从而制定了家庭外部网络对家庭设备所需的服务标准。

（2）互联网家庭联盟；诞生于21世纪初期，主要的成员包括现在知名的松下，惠普微软等公司。

这个联盟主要是来解决一些家电怎么连接到家庭网络中的问题。

（3）ECHONET协会；该协会诞生于1997年，它是一个国际组织。

主要的目的是制定一套完整的家庭网络体系，并把他们应用到家庭医疗保健等服务上。

同时还有好多的国家都相继提出了不同的智能家居方案，例如，包括早期的新加坡模型的智能家居系统：

安全报警，三表抄送，监测，控制，家居智能布线箱，宽带上网等。

具有智能家居目前更优越的切削复杂的配置系统。

例如，在网上买东西，远程报警，紧急情况和其他新功能是基于现代社会的发展，人们越来越高的要求而设计的发展。

1.5本论文的主要工作和章节安排

本课题提出了一种基于ZigBee技术和GPRS无线通信的智能家居技术结合起来的技术，建立了一个无线智能家居系统，把现代通信技术和计算机技术结合在一起，不仅避免了一些在现场布线所带来的不必要的问题，还能及时，准确，全面地反映电设备的用户使用，这样也弥补了那些比较传统接线方式的缺点。

由于基于GPRS技术的数据传输终端系统的设计，用户可以使用标准的TCP/IP通信模式并利用互联网格局和用户计算机和手机直接进行数据交换，不必在乎的是如何传输数据的。

所以，有很多类似的有线通信系统都可以用本课题所研究的模式所替代，而且系统还可以应用到更广的范围内。

所以本论文结构安排如下:

第1章:

绪论。

主要讲解本课题所研究背景和意义，阐述本课题的国内外发展现状、研究的目的和意义以及本文所要去完成的主要工作。

第2章：

ZigBee技术介绍。

通过和其他短距离通信方式对比详细的介绍了ZigBee技术的特点以及ZigBee协议栈结构和原理，简单介绍了ZigBee应用在物联网优势所在。

第3章:

智能家居总体设计方案。

本章主要制作了智能家居的总体设计流程图，并简要介绍了该系统各部分主要功能和作用。

第4章:

智能家居系统的硬件设计。

主要完成了智能家庭网关的设立，设计智能家居的无线传输模块，选择数据在采集端端无线收发芯片及其外围所需电路的设计数据，对ZigBee节点、ZigBee终端采集节点和其相应的接口电路的硬件电路的详细设计和介绍。

第5章:

智能家居的软件设计与调试。

建立智能家居ARM的网关平台，完成了数据采集端的软件设计（包括ZigBee协调器、路由器和终端节点的设计），对相应的程序进行调试。

第6章：

实验结论与展望：

通过这次实验的出理想的结论，从而总结出本课题研究的成果及不足，以及对以后研究的展望和憧憬。

第2章嵌入式及ZigBee技术

2.1嵌入式系统概述

2.1.1嵌入式系统定义

嵌入式系统是为一种特定的应用而专门设计的计算机系统，又称之为“嵌入式计算机系统”。

嵌入式系统很难给它下一个准确的定义，根据英国电气工程师协会的定义，嵌入式系统通常执行的是带有特殊要求的事先定义好的任务，而国内认同的嵌入式系统是与应用紧密结合的，它具有很强的专业性，必须结合实际系统特定需求进行合理的裁剪利用。

嵌入式系统存在生活中的各个地方，如交通管理、工业控制、家电信息、家庭智能管理系统、电子商务、环境工程与自然等。

2.1.2物联网嵌入式系统

随着医疗电子、智能家居、物流管理和电力控制等方面的不断风靡，嵌入式系统利用自身积累的底蕴经验，重视和把握这个机会，想办法在已经成熟的平台和产品基础上与应用传感单元的结合，扩展物联和感知的支持能力，发掘某种领域物联网应用。

作为物联网重要技术组成的嵌入式系统，嵌入式系统的视角有助于深刻地、全面地理解物联网的本质。

物联网不仅仅提供了传感器的连接，其本身也具有智能处理的能力，能够对物体实施智能控制，这就是我们嵌入式系统所能做到的。

诚然，物联网将传感器和智能处理相结合，利用云计算、模式识别等各种智能技术，扩充其应用领域。

从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理出有意义的数据[15]，以适应不同用户的不同需求，发现新的应用领域和应用模式。

2.1.3嵌入式系统的特点

嵌入式系统在开发和设计方面都得根据具体的应用任务的，虽然说不同的应用所对应的嵌入式系统差距很大，但它的基本要素都是一样的，由于现在的人们对产品成本、功耗、可靠性等要求逐渐提高，嵌入式系统慢慢的通过计算机走进了人们的视线，被人熟知。

从定义中我们总结了几个嵌入式系统的重要特征：

（1）内核比较小。

目前的嵌入式系统的核心通常是一个只有几K或几十K的内核，所以它一般用在小型的电子设备中，资源也相对的比较有限。

它和windows的内核简直没有可比性。

（2）专用性强。

嵌入式系统的个性化较强，它通常针对一项特殊的任务。

嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，所以它必须与具体的应用结合在一起才能发挥它的最大优势。

（3）系统简单。

嵌入式系统一般在软件方面没有什么明显的区分，不需要对它的设计太过于复杂，从而还减少了成本。

（4）高实时性。

嵌入式软件基本上都是固态存储，来提高速度；同时也要求有高可靠性和高质量的软件代码。

（5）嵌入式系统是与应用结合在一起的，更新换代也是同时进行的。

所以嵌入式系统还是有比较长的生命周期的。

（6）嵌入式系统由于自身限制没有开发能力，用户在它被设计完成后也不能对程序进行修改，所以嵌入式系统开发需要开发工具和环境。

2.2几种短距离无线通讯技术概况

短距离无线通信系统的工作范围一般从几厘米到几百米，大多数都工作在高频段，无线发射功率一般比较小。

迄今为止，已经得到广泛应用的短距离无线通信技术主要有以下几种：

蓝牙技术（BluetoothTechnology）：

蓝牙技术在1994年问世，在被大家所关注一些近距离的无线连接的技术中，它则是一个语音通信与无线数据开放性的全球典范，并且它以其低成本短距离的无线连接为基础，可以为固定或者移动终端的设备带来一些廉价接入的服务。

在1998年的时候，该蓝牙技术的协议则由多家的公司最后达成共识。

它传输频段则为全球公众的通用2.4G赫兹ISM频段，它传输的速率为1Mpbs，传输的距离则为10米。

本蓝牙协议标准版本则是802.15.1，则由蓝牙小组（SIG）负责进行开发。

最初的标准是蓝牙1.1，而后来已经构建到现在很多的蓝牙技术设备中[7]。

Wi-Fi技术（WirelessFidelity）：

它是通过1999版IEEE802.11协议的修改并加以补充。

也被称作为IEEE802.11b。

和蓝牙技术一样，它也工作在2.4GHZ频段，不同的是，它的数据传输率最大可以达到54Mbit/s。

但在数据传输的安全性方面，它比Bluetooth技术稍微差一些。

不过它的电波覆盖范围达到了100m左右，相对于蓝牙技术略胜一筹。

Wi-Fi技术最主要的优势在于它不需要现场布线，可以不受到布线条件所带来的缺点。

所以它非常满足那些移动办公的用户，此外由于它的发射信号功率低于100mw，比手机发射功率还低，所以选择Wi-Fi上网相对也是最安全最健康的。

红外技术（IrDA技术）：

IrDA在1993年成立。

IrDA技术是一种利用波长在0.75um到25um之间的近红外线进行无线通信的技术。

目前有SIR、FIR、UFIR等几个协议版本，它的通信距离是从5cm~1m之间。

不过IrDA技术对于方向性的要求很高，它的核心部件（红外线LED）的使用寿命也是十分有限的。

超宽带（UWB）技术：

它是一种不用载波，而采用时间间隔极端的脉冲进行通信的技术，也称作脉冲无线电、时域或无载波通信。

UWB使用的中心频率为4.1GHz，带宽为1.4GHz，频谱范围有点宽但是发射功率低。

通信速度在250Kbit到10Mbit之间。

超宽带技术最初是用来雷达开发的，认为它属于一种无载波通信技术。

和蓝牙相比，它的抗干扰能力强，传输速率高，最高可达到蓝牙的100倍。

带宽极宽，UWB使用的宽带在1GHz以上，它可以和通信系统同时工作而互不干扰。

消耗电能小，UWB不使用载波，只需要发出瞬间脉冲电波，并且在需要的时候才发送，所以消耗点能小。

ZigBee技术：

是一种新型的技术，其目标是实现低能耗，低成本短距离的双喜双向通信。

它的标准是由IEEE802.15委员会负责制定的，因而被称作IEEE802.15.4技术标准。

它有3种可供选择的频段，即2.4GHZ、868MHZ（欧洲）及915MHZ（美国），传输速率在10kbps到250kbps，有效的覆盖范围为10M~75M。

每个ZigBee网络设备的数量最多可以达到65536个。

ZigBee和其他几种短距离无线通信技术的比较如下图2-1所示：

表2-1ZigBee和其他几种短距离无线通信技术的比较

2.2.1ZigBee技术

2.2.1.1ZigBee的特点

（1）低功耗。

在低耗电待机模式状态下，2节5号的干电池就可以支持1个节点工作长达24个月，甚至更长时间。

这是ZigBee相比较蓝牙和WiFi的优势所在。

（2）低成本。

通过大幅度的简化协议，具体点就是不到Bluetooth的1/10，极大降低了其对通信控制器的要求，按照预测值来分析，用8051的8位微控制器进行计算，它的全功能主节点需要32Kb代码，而其子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee免去协议专利费。

它的每一块芯片价格在2美元左右。

（3）低速率。

ZigBee一般工作在20~250kbps速率，分别提供250kbps、40kbps和20kbps的原始数据吞吐率，满足其低速率传输数据的应用要求。

（4）短距离。

其传输范围一般在10~100m间，在增加了发射功率之后，也可以增加到1~3km。

如果其能通过路由器和节点间通信接力，传输距离将可以达到更远。

（5）短时延。

ZigBee响应的速度比较快，一般的从睡眠转入到工作状态只需要短短的15ms，节点连接网络需要30ms，进一步的节省了其电能。

相比较而言，蓝牙则需要3~10s，WiFi则需要3s。

（6）比较高的容量。

ZigBee可以采用3种网络结构，它由一个主节点控制着若干个子节点，最多的一个主节点甚至可以控制多达254个子节点；与此同时，主节点还可以由上一层的网络节点管理，最多可形成65000个节点的大型网络。

（7）免执照频段。

其使用工业科学医疗频段，915MHZ（美国），2.4GHZ（全球），868MHZ（欧洲）。

2.2.1.2ZigBee协议结构

ZigBee/IEEE802.15.4标准架构是在OSI七层模型的最下面两层：

物理层PHY和介质访问控制子层MAC，ZigBee联盟在它的基础上定义了网络层NWK和应用层APL这两层。

其结构如图2.1所示。

图2.1为OSI七层模型ZigBee标准架构

2.2.1.3ZigBee协议的详解

ZigBee的堆栈是建立在IEEE802.15.4标准上的。

ZigBee设备包括了IEEE802.15.4的物理层（PHY）和控制层（MAC），以及ZigBee堆栈层：

APL、NWK和安全服务提供层。

应用层还包括了应用支持子层，应用框架，ZigBe