面向智能家居的嵌入式傳感網網關的研究與設計

0 引言
智能家居系統(tǒng)是為適應現(xiàn)代化家庭生活而形成的一個形式多樣化的網絡系統(tǒng)。它是現(xiàn)代3C技術(計算機技術，通信技術，控制技術)與傳統(tǒng)家居系統(tǒng)相結合的產物，是家居信息化未來的發(fā)展方向。智能家居網絡通常包括智能家居網關，外部網，安防設備等。智能家居網關與其他4個部分連接，交互信息，對它們進行統(tǒng)一的管理。此外，智能家居網關還接入外部網絡，使用戶能夠遠程實時控制管理家庭內部網絡。
在本文中，智能家居網絡是指應用于家庭環(huán)境的無線傳感器網絡。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)測家庭的一些環(huán)境信息，這些傳感器通過自組織方式就構建了智能家居網絡。所以本文設計的智能家居網關主要是實現(xiàn)WSN網絡與Internet以及GSM網的互連。顯然，智能家居網關是整個家庭網絡的核心，主要實現(xiàn)Internet網，GSM網的接入，遠程控制，以及實現(xiàn)協(xié)議轉換連接家庭內部異構網絡的功能。目前基于PC方案的家庭網關不僅成本高，而且要求計算機一直處于開機狀態(tài)，因此，對于普通的用戶，家庭網關應采用廉價的嵌入式CPU，若單是采用8位或者16位的單片機，由于速度慢且資源有限，不能實現(xiàn)復雜的控制，效果不理想。
因此，以ARM920T核處理器S3C2440為主處理器，家庭內部通過JENNIC 5139射頻模塊自組織無線網絡。GSM模塊選用Wavecom GSM模塊。此外，本文用Qt設計了用戶可操作的觸摸屏界面。

1 網關需求分析
網關系統(tǒng)的主要功能是在現(xiàn)場及遠程終端監(jiān)控家庭各個傳感器的工作狀態(tài)，并在異常時報警。各個傳感器將各自采集的信息，經過JEN-NIC射頻模塊的無線傳輸，傳送到網關系統(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程終端上或者用戶手機上。網關部署如圖1所示。

本文要實現(xiàn)的目標有以下3個：
(1)實現(xiàn)用戶在任何時間，任何地點通過遠程無線的方式對家庭內的環(huán)境信息查詢；
(2)對家庭內部的環(huán)境信息進行實時監(jiān)控，當其中某一項參數(shù)超過一定指標時，以遠程無線方式通知用戶，發(fā)送報警信息；
(3)監(jiān)聽遠程終端的連接請求，當有遠程Socket連接時網關發(fā)送數(shù)據。

2 網關總體設計
現(xiàn)階段大部分的家庭網關聯(lián)網方式主要為有線接入，本文提出了一種基于ARM處理器和GSM網絡，以linux為操作系統(tǒng)的家庭網關無線接入方案，目的是能通過手機短信或者遠程終端對控制節(jié)點進行遠程控制。并使用JENNIC無線射頻模塊實現(xiàn)家庭內部子網采集數(shù)據的無線傳輸。
網關系統(tǒng)的總體結構圖可以簡化為硬件層和軟件層。硬件層由高性能的微處理器和多個功能模塊組成。軟件層由嵌入式操作系統(tǒng)以及應用軟件構成，其具體結構如圖2所示。

3 家庭網關硬件設計
本次網關設計的硬件層主要采用嵌入式的ARM9開發(fā)平臺。嵌入式ARM處理器具有體積小，功耗低，成本低，性能高等特點，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，內部集成多個功能模塊，支持NAND-flash啟動等特點，是目前市場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。
考慮主控制器擴展出來的串行接口數(shù)量有線，程序的調試，燒寫，傳感器節(jié)點等都需要串行接口。所以，選擇了AU9254這款USB PUB芯片來實現(xiàn)USB串行口的擴展。以太網控制器和配合擴展的RJ 45接口主要用于與Internet網絡互聯(lián)。射頻收發(fā)模塊和GSM無線模塊擬采用標準的串口集成到網關上。人機接口打算使用LCD觸摸屏，可以方便地觀察節(jié)點的配置以及檢測環(huán)境的變化。JTAG接口將引導加載程序燒寫在網關中。具體的硬件架構圖如圖3所示。