基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

　　摘要： 本文介紹一種基于ZigBee 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案。系統(tǒng)硬件上以S3C2440A 為控制核心，利用CC2430(＄4.0170) 組建家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)來(lái)采集家庭設(shè)備的數(shù)字信號(hào)， 用USB camera 采集家庭內(nèi)部的視頻信號(hào)。軟件上利用嵌入式Web服務(wù)器和CGI 技術(shù)實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)網(wǎng)和Internet 相連，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。通過(guò)實(shí)際測(cè)試證明系統(tǒng)功能強(qiáng)大，運(yùn)行穩(wěn)定，滿足了家庭信息網(wǎng)絡(luò)化的要求。

　　1 引言

　　隨著信息時(shí)代的到來(lái)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展， 實(shí)現(xiàn)家庭信息化、網(wǎng)絡(luò)化是當(dāng)今智能家居設(shè)備系統(tǒng)發(fā)展的新趨勢(shì)。智能家居系統(tǒng)是將相對(duì)獨(dú)立的家用電器構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)這些設(shè)備和家庭環(huán)境的智能管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控和資源共享。其目的是為人們提供一個(gè)安全、舒適、高效和便利的生活環(huán)境。本文介紹一種基于嵌入式Web 和ZigBee 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案。

　　2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能介紹

　　系統(tǒng)有遠(yuǎn)端PC、嵌入式網(wǎng)關(guān)、USB 攝像頭和ZigBee 組成的家庭內(nèi)部無(wú)線網(wǎng)絡(luò)四部分組成。設(shè)計(jì)思想是在每一個(gè)家庭設(shè)備上都裝上ZigBee 模塊和相應(yīng)傳感器來(lái)組成一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的狀態(tài)， 并且把采集到的數(shù)據(jù)以無(wú)線方式發(fā)給ZigBee 協(xié)調(diào)器，這樣就由ZigBee 協(xié)調(diào)器和各終端設(shè)備組成了一個(gè)無(wú)線連接的星型結(jié)構(gòu)的家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。嵌入式網(wǎng)關(guān)是系統(tǒng)的中樞，可以把USB 攝像頭采集的視頻信息和來(lái)自協(xié)調(diào)器接收的終端節(jié)點(diǎn)信號(hào)傳送到Internet 上， 這樣就把內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)連接到互聯(lián)網(wǎng)上。特別是USB 攝像頭的使用，讓用戶可以直觀的看到家里的一切變化， 彌補(bǔ)了大部分智能家居系統(tǒng)只可以查看家庭設(shè)備數(shù)字信息的不足。用戶可以通過(guò)遠(yuǎn)程PC 機(jī)訪問(wèn)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，查看家庭設(shè)備的數(shù)字信息和視頻信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　3.1 核心處理器模塊

　　本系統(tǒng)選用S3C2440A 作為核心控制器， 它是Samsung 公司推出的一款基于ARM920T 核的處理器， 采用了16/32 位RISC 處理器， 具有外部存儲(chǔ)器控制器，LCD 控制器，4 通道DMA控制器，三通道UART，兩通道SPI，兩路全速USB 主設(shè)備芯片，帶有MMU 虛擬存儲(chǔ)器單元，這一特性可以移植linux 系統(tǒng)和建立Web 服務(wù)器，主頻400MHz，有130 個(gè)I/O 端口和24 路外部中斷源，有多種通信接口，體積小，功耗和成本低，可靠性高，特別適合作為嵌入式微處理器。

　　3.2 存儲(chǔ)模塊

　　NAND FLASH 存儲(chǔ)模塊選擇Samsung 公司生產(chǎn)的K9F1208U0M-YCB0 64M*8bits 的高性能存儲(chǔ)芯片。掉電后信息不會(huì)丟失，用于存儲(chǔ)啟動(dòng)代碼、內(nèi)核和文件系統(tǒng)。

　　SDRAM 是系統(tǒng)的內(nèi)存， 它不具有掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)的特性，其存取速度大大高于Flash 存儲(chǔ)器， 在系統(tǒng)中主要作程序的運(yùn)行空間、數(shù)據(jù)和堆棧區(qū)。系統(tǒng)中SDRAM 選用K4S561632C-TC75芯片。K4S561632C-TC75 的存儲(chǔ)容量為16M*16 位（32M 字節(jié)），數(shù)據(jù)寬度為16 位，由于S3C2440A 是32 位的，外部總線也是32位的， 為了最大限度發(fā)揮處理器的性能， 本系統(tǒng)選用兩片K4S561632C-TC75 芯片并聯(lián)起來(lái)，以構(gòu)成32 位內(nèi)存系統(tǒng)。

　　3.3 以太網(wǎng)接口

　　系統(tǒng)選用CS8900A(＄6.3240) 芯片建立網(wǎng)絡(luò)接口。CS8900A 是Cirrus公司生產(chǎn)的一款單芯片、全雙工、全面支持IEEE802.3 標(biāo)準(zhǔn)的高集成以太網(wǎng)控制器。在本系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)控制器發(fā)揮著重要作用，它負(fù)責(zé)將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)發(fā)送到Internet， 并把來(lái)自Internet 的控制指令傳送至底層。

　　3.4 攝像頭選擇

　　對(duì)于圖像采集傳感器，采用以中星微公司的ZC301 感光芯片為核心的USB 攝像頭作為圖像采集模塊。中星微301 系列高清芯片擁有影像光源自動(dòng)增益補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)，自動(dòng)白平衡、邊緣增強(qiáng)以及伽馬矯正等先進(jìn)的攝像控制技術(shù)。

　　3.5 ZigBee 模塊

　　無(wú)線收發(fā)芯片采用Chipcon （已于2006 年被TI 公司收購(gòu)）公司生產(chǎn)的CC2430.CC2430 芯片除了整合ZigBee 射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器外， 還具有128KB 可編程內(nèi)存和8KB 的RAM、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC） 、定時(shí)器（Timer） 、AES-128 協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器以及21 個(gè)可編程I/O 引腳等。因此選擇CC2430 做為無(wú)線收發(fā)部分， 使用起來(lái)非常容易上手。由于CC2430 的高度集成度， 外圍需要很少的器件可以組成最小系統(tǒng)。它結(jié)合Chipcon 公司全球先進(jìn)的ZigBee 協(xié)議棧、工具包和參考設(shè)計(jì)，展示了領(lǐng)先的ZigBee 解決方案。其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車、工控系統(tǒng)、家居系統(tǒng)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。

　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件主要包括移植Linux 操作系統(tǒng)，USB 攝像頭驅(qū)動(dòng)的編寫，ZigBee 協(xié)調(diào)器工作程序和終端設(shè)備的收發(fā)程序，嵌入式Web 服務(wù)器的移植等等。

　　4.1 移植Linux 操作系統(tǒng)

　　本系統(tǒng)選用2.6 版本的Linux 內(nèi)核， 首先從ftp://ftp.kernel.org/pub/linux/kernel/下載內(nèi)核源碼。在編譯內(nèi)核前先要修改根目錄下的Makefile 文件：

　　ARCH=arm

　　CROSS COMPILE=arm-linux-gcc

　　然后運(yùn)行make menuconfig 進(jìn)入配置菜單， 選擇需要的選項(xiàng)， 配置完成后保存退出， 依次執(zhí)行內(nèi)核編譯命令：make dep ;make clean;make zImage 編譯成功后會(huì)在/linux/arch/arm/boot/下找到編譯好的內(nèi)核鏡像文件zImage.然后可以用Bootloader 菜單命令把內(nèi)核鏡像燒寫到NAND FLASH 中。

　　4.2 USB 攝像頭程序

　　在Linux kernel 源碼目錄中driver/usb/usb-skeleton.c 提供了一個(gè)基礎(chǔ)的USB 驅(qū)動(dòng)程序。通過(guò)它僅需要修改極少的部分，就可以完成一個(gè)USB 設(shè)備的驅(qū)動(dòng)。重新編譯內(nèi)核生成攝像頭驅(qū)動(dòng)文件，然后執(zhí)行insmod 加載USB 攝像頭驅(qū)動(dòng)，Linux 系統(tǒng)就在/dev 目錄下注冊(cè)了USB 視頻設(shè)備/dev/video0.

　　攝像頭驅(qū)動(dòng)程序安裝好后為了進(jìn)行視頻采集必須加入Video4Linux 模塊，Video4Linux 是Linux 中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)，它為針對(duì)視頻設(shè)備的應(yīng)用程序提供一系列接口函數(shù)。對(duì)于USB 口攝像頭， 其驅(qū)動(dòng)程序中需要提供基本的I/O 操作接口函數(shù)open、close、read、write 等的實(shí)現(xiàn)。對(duì)中斷的處理實(shí)現(xiàn)，內(nèi)存映射功能以及I/O 通道的控制接口函數(shù)ioctl 的實(shí)現(xiàn)等， 并把它們定義在struct file_operations 中。這樣當(dāng)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件進(jìn)行諸如open、close、read、write 等系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)時(shí)，Linux 內(nèi)核將通過(guò)file_operations 結(jié)構(gòu)體訪問(wèn)驅(qū)動(dòng)程序提供的函數(shù)。

　　4.3 ZigBee 協(xié)調(diào)器和設(shè)備節(jié)點(diǎn)程序

　　ZigBee 家庭無(wú)線網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各種信息的監(jiān)控以及數(shù)據(jù)的采集， 并將內(nèi)部處理過(guò)的數(shù)據(jù)經(jīng)家庭網(wǎng)關(guān)傳送到外部網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)中ZigBee 協(xié)調(diào)器主要用于建立無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，分配地址，向終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制命令和接收終端節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，并將接收到的狀態(tài)數(shù)據(jù)全部上傳至Web 服務(wù)器， 最后通過(guò)Internet傳送到遠(yuǎn)端的用戶端。終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)主要有加入網(wǎng)絡(luò)，接收控制命令，以及發(fā)送狀態(tài)信息給協(xié)調(diào)器等。協(xié)調(diào)器主程序流程如圖2所示。

　　4.4 Web 服務(wù)器

　　Web 服務(wù)器的作用是監(jiān)聽(tīng)用戶的服務(wù)請(qǐng)求， 并根據(jù)用戶的請(qǐng)求給出相應(yīng)的服務(wù)。服務(wù)器和客戶端瀏覽器之間的通信協(xié)議是超文本傳輸協(xié)議HTTP.HTTP 協(xié)議規(guī)定了發(fā)送和請(qǐng)求的標(biāo)準(zhǔn)方式， 瀏覽器和服務(wù)器之間傳輸?shù)南⒏袷郊案鞣N控制信息。

　　Linux 支持boa、httpd、thttpd 等幾種Web 服務(wù)器， 其中boa 是一款單任務(wù)的Web 服務(wù)器軟件，源代碼開(kāi)放，速度快，性能優(yōu)秀，支持能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)Web 技術(shù)的CGI（Common Gateway Interface）技術(shù)，特別適合應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中。

　　CGI 提供了一個(gè)Web 服務(wù)器的外部程序通道，運(yùn)行在服務(wù)器上，由瀏覽器輸入觸發(fā)，是Web 服務(wù)器和系統(tǒng)中其他程序連接的通道。CGI 程序就是符合這種接口的程序。服務(wù)器接收到用戶的請(qǐng)求，并將數(shù)據(jù)送給CGI 程序，CGI 程序接收到數(shù)據(jù)后，啟動(dòng)編寫好的應(yīng)用程序，并按照用戶提供的數(shù)據(jù)執(zhí)行。應(yīng)用程序執(zhí)行完成后，返回執(zhí)行結(jié)果，并通過(guò)Web 服務(wù)器傳送給用戶瀏覽器顯示。

　　本系統(tǒng)采用了CGI 來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)Web 技術(shù)，CGI 規(guī)定了Web服務(wù)器調(diào)用其他可執(zhí)行程序（CGI 程序）的接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。Web服務(wù)器通過(guò)CGI 程序?qū)崿F(xiàn)和瀏覽器的交互，也就是CGI 程序接受瀏覽器發(fā)送給Web 服務(wù)器的信息進(jìn)行處理，將響應(yīng)結(jié)果再回送給Web 服務(wù)器及瀏覽器。CGI 程序可以用多種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編寫， 本系統(tǒng)選用C 語(yǔ)言編寫的CGI 程序。嵌入式Web 服務(wù)器工作流程如圖3 所示。

　　5 系統(tǒng)測(cè)試

　　將服務(wù)器用網(wǎng)線和電腦主機(jī)相連， 服務(wù)器的地址設(shè)為192.168.1.6，電腦主機(jī)地址為192.168.1.8（只要主機(jī)IP 和服務(wù)器IP 處在同一個(gè)網(wǎng)段就可以）系統(tǒng)的網(wǎng)頁(yè)包括家電系統(tǒng)、安防系統(tǒng)和視頻畫面三個(gè)頁(yè)面，這三個(gè)畫面可以相互切換， 在瀏覽器輸入服務(wù)器IP 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，并選擇攝像頭遠(yuǎn)程控制畫面，攝像頭采集的視頻畫面截圖如圖4 所示。

　　6 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)的智能家居綜合控制系統(tǒng)，采用ZigBee 技術(shù)組建家庭內(nèi)部無(wú)線網(wǎng)絡(luò)， 用USB 攝像頭實(shí)時(shí)采集家庭視頻信息，在S3C2440A 為控制核心的硬件平臺(tái)移植嵌入式Linux 操作系統(tǒng)和Web 服務(wù)器完成家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，本系統(tǒng)達(dá)到了家庭信息網(wǎng)絡(luò)化的目的，實(shí)現(xiàn)了對(duì)家庭設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控的愿望。系統(tǒng)的功能強(qiáng)大，功耗低，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，具有廣闊的應(yīng)用前景。