基于zigbee与linux 的智能家居系统设计方案 无线路由器, linux, 控制器, 传感器, 以太网

yuyang911220

　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。