面向智能家居的嵌入式傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的研究與設(shè)計(jì)

0 引言
智能家居系統(tǒng)是為適應(yīng)現(xiàn)代化家庭生活而形成的一個(gè)形式多樣化的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它是現(xiàn)代3C技術(shù)(計(jì)算機(jī)技術(shù)，通信技術(shù)，控制技術(shù))與傳統(tǒng)家居系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物，是家居信息化未來的發(fā)展方向。智能家居網(wǎng)絡(luò)通常包括智能家居網(wǎng)關(guān)，外部網(wǎng)，安防設(shè)備等。智能家居網(wǎng)關(guān)與其他4個(gè)部分連接，交互信息，對(duì)它們進(jìn)行統(tǒng)一的管理。此外，智能家居網(wǎng)關(guān)還接入外部網(wǎng)絡(luò)，使用戶能夠遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制管理家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。
在本文中，智能家居網(wǎng)絡(luò)是指應(yīng)用于家庭環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。在家庭中，部署各種傳感器，例如紅外傳感器，煙霧傳感器，RFID門磁傳感器來監(jiān)測(cè)家庭的一些環(huán)境信息，這些傳感器通過自組織方式就構(gòu)建了智能家居網(wǎng)絡(luò)。所以本文設(shè)計(jì)的智能家居網(wǎng)關(guān)主要是實(shí)現(xiàn)WSN網(wǎng)絡(luò)與Internet以及GSM網(wǎng)的互連。顯然，智能家居網(wǎng)關(guān)是整個(gè)家庭網(wǎng)絡(luò)的核心，主要實(shí)現(xiàn)Internet網(wǎng)，GSM網(wǎng)的接入，遠(yuǎn)程控制，以及實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換連接家庭內(nèi)部異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的功能。目前基于PC方案的家庭網(wǎng)關(guān)不僅成本高，而且要求計(jì)算機(jī)一直處于開機(jī)狀態(tài)，因此，對(duì)于普通的用戶，家庭網(wǎng)關(guān)應(yīng)采用廉價(jià)的嵌入式CPU，若單是采用8位或者16位的單片機(jī)，由于速度慢且資源有限，不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制，效果不理想。
因此，以ARM920T核處理器S3C2440為主處理器，家庭內(nèi)部通過JENNIC 5139射頻模塊自組織無線網(wǎng)絡(luò)。GSM模塊選用Wavecom GSM模塊。此外，本文用Qt設(shè)計(jì)了用戶可操作的觸摸屏界面。

1 網(wǎng)關(guān)需求分析
網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的主要功能是在現(xiàn)場(chǎng)及遠(yuǎn)程終端監(jiān)控家庭各個(gè)傳感器的工作狀態(tài)，并在異常時(shí)報(bào)警。各個(gè)傳感器將各自采集的信息，經(jīng)過JEN-NIC射頻模塊的無線傳輸，傳送到網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)上，通過嵌入式微處理器操作系統(tǒng)，將信息通過有線或者無線方式傳送到遠(yuǎn)程終端上或者用戶手機(jī)上。網(wǎng)關(guān)部署如圖1所示。

本文要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)有以下3個(gè)：
(1)實(shí)現(xiàn)用戶在任何時(shí)間，任何地點(diǎn)通過遠(yuǎn)程無線的方式對(duì)家庭內(nèi)的環(huán)境信息查詢；
(2)對(duì)家庭內(nèi)部的環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)其中某一項(xiàng)參數(shù)超過一定指標(biāo)時(shí)，以遠(yuǎn)程無線方式通知用戶，發(fā)送報(bào)警信息；
(3)監(jiān)聽遠(yuǎn)程終端的連接請(qǐng)求，當(dāng)有遠(yuǎn)程Socket連接時(shí)網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)。

2 網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計(jì)
現(xiàn)階段大部分的家庭網(wǎng)關(guān)聯(lián)網(wǎng)方式主要為有線接入，本文提出了一種基于ARM處理器和GSM網(wǎng)絡(luò)，以linux為操作系統(tǒng)的家庭網(wǎng)關(guān)無線接入方案，目的是能通過手機(jī)短信或者遠(yuǎn)程終端對(duì)控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。并使用JENNIC無線射頻模塊實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部子網(wǎng)采集數(shù)據(jù)的無線傳輸。
網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖可以簡(jiǎn)化為硬件層和軟件層。硬件層由高性能的微處理器和多個(gè)功能模塊組成。軟件層由嵌入式操作系統(tǒng)以及應(yīng)用軟件構(gòu)成，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 家庭網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)
本次網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的硬件層主要采用嵌入式的ARM9開發(fā)平臺(tái)。嵌入式ARM處理器具有體積小，功耗低，成本低，性能高等特點(diǎn)，是十分優(yōu)秀的RISC處理器。其中三星公司的S3C2440是一款優(yōu)秀的ARM9核心處理器，具有400 MHz的主頻，內(nèi)部集成多個(gè)功能模塊，支持NAND-flash啟動(dòng)等特點(diǎn)，是目前市場(chǎng)上最常見的嵌入式處理器芯片。因此，本系統(tǒng)擬采用S3C2440處理器為核心處理器。
考慮主控制器擴(kuò)展出來的串行接口數(shù)量有線，程序的調(diào)試，燒寫，傳感器節(jié)點(diǎn)等都需要串行接口。所以，選擇了AU9254這款USB PUB芯片來實(shí)現(xiàn)USB串行口的擴(kuò)展。以太網(wǎng)控制器和配合擴(kuò)展的RJ 45接口主要用于與Internet網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。射頻收發(fā)模塊和GSM無線模塊擬采用標(biāo)準(zhǔn)的串口集成到網(wǎng)關(guān)上。人機(jī)接口打算使用LCD觸摸屏，可以方便地觀察節(jié)點(diǎn)的配置以及檢測(cè)環(huán)境的變化。JTAG接口將引導(dǎo)加載程序燒寫在網(wǎng)關(guān)中。具體的硬件架構(gòu)圖如圖3所示。