2023年01月12日 | 基于zigbee与linux 的智能家居系统设计方案

　　zigbee 无线通信与linux嵌入式操作系统是电子人都经常接触的，在这里我们设计了一种以ARM 芯片S3C2440 为硬件平台，基于linux 嵌入式操作系统所实现的CMU 控制器。通过zigbee 无线通信协议将CMU 与各个家电无线节点和传感器节点相连，并通过无线路由器连接以太网实现远程控制的智能家居网络系统。在硬件芯片选择和电路设计方面优化了系统的结构，大大降低了系统的成本，改善了系统的性能。

　　伴随着数字化、网络化的进程。智能化的浪潮席卷了世界的每个角落，成为势不可挡的历史趋势，在这种形式下智能网络家居技术应运而生，它依靠3C技术（Computer TechnologyCommunicaTIon Technology Control Technology），并结合信息、家电的发展，为用户提供了一种更加安全、舒适、方便、快捷的智能化的自由生活空间。但在国内智能家居系统的研究没有一个统一的标准，各种研究方案都具有其优缺点，所以研究一套完善的智能家居系统就具有了现实的意义。

　　本设计采用zigbee 无线通信标准将家庭中各个家电无线节点连接起来，舍去了实际线路连接时所产生的布线烦恼；另外zigbee 协议主要在低端8 位或16 位单片机上实现，而单片机的数据传输能力有限。如果采用PC 机不仅功耗大而且价格昂贵，对于传输率不大的传感器网络来说十分浪费资源。所以本设计开发基于ARM系列嵌入式芯片为核心处理器的中央管理单元。降低了成本，减小了功耗，并通过反复测试取得了良好的效果。

　　1 系统的整体规划

　　智能家居系统的设计主要由中央管理单元CMU（Central Mangement Unit）、传感器节点、无线路由器和家电设备组成。其中每台家电设备均添加有无线节点。系统整体结构如下图1 所示。

　　CMU 为整个系统的核心部分，扩展有射频模块，是实现智能家居内、外网连接的枢纽。

　　CMU与每台家电设备和传感器节点通过zigbee无线通信协议组成了一个小型的家居“物联网”。各设备节点与CMU 互相通信，实现智能联动控制操作。如：家电智能控制方面，定时开关电器或者根据动态采集的室内温湿度数据，智能控制空调工作状态；灯光智能控制方面，根据不同的室内自然光强度，智能控制灯管的发光强度。

　　同时，CMU 与无线路由器相连，无线路由器则通过以太网连接到WEB 上，实现远程控制。

　　2 zigbee 无线通信结构

　　无线通信的方式有多样，与蓝牙、Wi-Fi、GSM 移动通信方式相比，zigbee 联盟制定的zigbee 方式具有功耗低、数据传输可靠、兼容性好、实现成本低以及组网方便的优点，非常适合低速率传输的智能家居系统无线传感器网络。

　　zigbee是专门为低速率控制网络指定的标准无线网络协议。它在物理层、MAC（MediaAccess Control ）层和数据链接层上采用了IEEE802.15.4 协议标准，同时进行了完善和扩展。其网络层、应用汇聚层和高级应用规范接口（API）都由zigbee 联盟制定，整个协议的框架结构如下图2 所示。

　　3 硬件设计

　　3.1 CMU总体硬件结构。

　　CMU 采用三星ARM920T 内核处理器S3C2440A 芯片，工作主频为400MHZ，外部扩展64MB SDRAM，2MBNorFlash 和64MB NandFlash，通过UART 口扩展ATMEL 公司的Atmega128L 8 位系列单片机来实时控制射频芯片CC2420 来与外部网络进行连接。处理器外接3 寸TFT 触摸屏作为人机交互界面。在硬件PCB 设计上，系统采用核心板 + 底板的模式，核心板采用六层板工艺，主要分布系统的CPU、存储器、内核电源，底板主要分布各种接口，Atmegal 128L 单片机、CC2420 芯片。硬件结构框图如下图3 所示：

　　3.2 处理器单元

　　目前 zigbee 协议主要在低端8 位或16 位单片机上实现。对于CMU 节点而言，其数据处理能力不强，且限于自身的硬件资源，很少能实现良好的人机交互界面。对功能要求较高的CMU，这种构架很难满足应用的需求。而基于PC机的CMU节点，不但体积大、价格高而且功耗大，对于传输率不大的传感器网络来说十分浪费资源，所以本设计开发基于ARM系列嵌入式芯片为核心处理器的CMU。选用韩国三星公司推出的S3C2440A 芯片作为处理器单元。

　　S3C2440A 是32 位RISC 微处理器，其CPU 采用的是ARM920T 内核，具有丰富的片内外设，低价格低功耗，高性能等优点。具有16KB指令Cache，16KB数据Cache和存储器管理单元MMU。处理器结构图如下图4 所示：

　　该芯片可运行主流的Linux、Windows CE、Andorid 等嵌入式操作系统。同时处理器提供丰富的系统外设控制器。一般情况下无需额外扩展系统组件，从而大大减小了系统的复杂度和成本，是智能家居控制处理器的绝佳选择。

　　3.3 存储器扩展

　　3.3.1 SDRAM 扩展

　　本系统使用的嵌入式操作系统为Linux 操作系统，在编译、定制内核时，内核文件zImage.bin 文件大小为2.1MB，操作系统完全加载时文件系统root.bin 文件大小为34MB，加上上层应用程序运行时会消耗一部分内存，使用两片32MB 的内存为最佳选择。

　　3.3.2 Flash 扩展

　　本系统扩展的Flash 有两种，Nor Flash 为2M*16Bit，Nand Flash 为64*8Bit［4］，Nor Flash写入、擦除速度较慢，读取速度较快，成本较高小容量存储，用于存储系统启动Bootloader代码，Nand Flash 特点正好与Nor Flash 相反，大容量存储。用于存储操作系统文件和应用程序。

　　3.3.3 射频单元

　　本设计射频芯片选用挪威Chipco 公司的cc2420 芯片。该芯片基于Chipco 公司Smart RF03 技术。以0.18um CMOS 工艺制成。只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。cc2420的选择性和敏感性指数超过了 IEEE 802.15.4 标准的需求，可确保短距离通信的有效性和可靠性，利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250kbps，可以实现多点对多点快速组网。硬件应用电路如下图5 所示：

　　图5 CC2420 硬件电路

　　4 软件设计

　　通过天线接收设备无线节点传输过来的数据帧，经过CC2420 自动校验。若无误则经过解码、译码，然后经过SPI 接口送往ATmega128L，再经过串口UART1 送往S3C2440，经数据处理后显示于相应的LCD 触摸屏上。

　　4.1 系统主程序设计

　　CMU以及节点的程序流程图，分别见图6 和7。在CMU中先初始化LCD 及射频芯片，然后程序开始初始化协议栈并打开中断。之后程序开始格式化一个网络。最后处理函数apsFSM（）（在APS 层上实现的FSM（有限状态机））监控中的zigbee 信号。如果现在有节点加入网络，则LCD 和串口输出都会给节点分配网络地址。同样函数apsFSM（）里接收节点发送过来的温度传感器采集到的数值及一些按键操作，并在LCD 上显示处理，也同时从串口发送出来。

　　4.2 处理器软件结构

　　处理器采用嵌入式Linux 操作系统，在原Bootloader、Kernel 上修改文件系统，添加GUI应用程序，并修改系统启动脚本使应用程序在系统启动时自运行。软件结构如图8 所示。

　　5 测试与分析

　　为了保证智能家居系统运行的稳定性，我们将主控设备装入模具中进行了一周高温测试，系统一直保持了稳定的工作状态，同时对CMU温度进行了测量，环境温度与CMU温度的比较如下图所示，理论情况下，CMU 工作的最大温度为45°C，由下图6.9 看出，CMU工作的温度属于正常范围。

　　同时对智能家居系统的家居设备无线节点进行了性能测试。测试条件为：1、用障碍物将CMU 模块与家居设备无线节点隔开；2、CMU 模块的波特率为250kbps；3、每一帧数据为64 字节；5、每次测试数据发送1000 帧，发送间隔为200ms 。实验结果如表1 所示，由表可以看出，系统如果要正常工作，需保持在200m距离范围内。

　　6 结论

　　本文从智能家居系统设计的成本、功耗、性能等方面出发，设计出一种可行的智能家居系统的构建方案。以高性能、低功耗的S3C2440 芯片装载linux 嵌入式系统作为中央管理单元的处理器，用zigbee 无线通信协议实现CMU、无线家居设备节点、无线传感器节点的互联和互动，使之成为一个小型的家居“物联网”并且利用成熟的Internet网络实现了远程控制。并在硬件芯片选择和电路设计方面优化了系统的结构，使得系统性能得到了很大的改善，成本也降低了许多。