基于ZigBee智能家居系统的网关设计方案

设备，网络结构示意图如图 1。数据库服务器和 网关之间是以 TCP / IP 协议为基础的，ZigBee 无线 网络与网关直接连接到串行端口。
图 1 网络结构示意图
2 硬件设计
2． 1 网关的硬件平台 网关节点的硬件平台是采用飞凌 FL － 2440
AＲM 开发板实 现 的。FL － 2440 开 发 板 的 优 点 是接口 多 样、功 耗 低、体 积 小 以 及 性 能 稳 定 可 靠。采用 三 星 S3C2440A［3］微 处 理 器 能 降 低 系 统 的 整 体 成 本 ，不 需 要 配 置 另 外 的 组 件 ，自 身 就 能提 供 一 组 功 能 齐 全 的 通 用 的 外 围 设 备。 S3C2440A 微处理器明显的特征是有着 16 / 32 位 AＲM920T 的 ＲISC 核心处理器，它具有 16KB 的数据缓存和 16KB 指令缓存，实现了 Harvard、 MMU 与 AMBA BUS 的 高 速 缓 冲 系 统 架 构。因 为具有完善的内部 MMU（ 内存处理单元） 性能， S3C2440A 微处 理 器 可 以 用 在 设 计 手 持 移 动 产
由一个相对独立的任务就能完成该模块的功 能，比如门锁的开关、室内光强度的控制、窗帘的 开关等。此过程是通过 ZigBee 无线模块发送指 令信息到对应的电气设备中实现控制的。所以首 先应由 其 他 任 务 发 送 操 作 指 令 到 事 件 控 制 块 ECB，然后进行 ZigBee 传感器网络传输格式的转 换。 3． 2 测试与结果
当从串口调试软件发送一个“66 0B 00 05 00 0000 5DBB”的串口帧时，网关会发送一个“66 0B 04 00 5CBB”的有相同序号的确认帧； 而在 socket 调试软件中，收到了“66 05 00 00 00 BB”对应的 socket 帧。
通过这两步的测试，显示网关实现了数据的
第 28 卷 第 8 期
钦州学院学报
2013 年 8 月
Vol． 28 No． 8
JOUＲNAL OF QINZHOU UNIVEＲSITY
Aug． ，2013
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基于 ZigBee 智能家居 系统的网关设计方案
吴艳红
图 6 温度的数据采集显示
4 小结
图 5 网关的测试图
3． 2． 1 socket 发送 IP 地址为 192． 168． 0． 15 的网关连接上作为
服务端的 socket 调试软件后，令一个 socket 帧" 66 05 00 00 00 BB" 通过服务器端来发送； 而在串口 调试软 件 中，重 复 收 到 3 次“66 1A00 05 00 00 004C BB”的串口帧。原因是当网关不能收到确 认帧时便会重发此帧，而串口调试软件是不能发 送确认帧的。 3． 2． 2 串口发送
图 2 智能家居网关系统结构
3 软件实现
网关的软件设计可以通过不同的模块实现， 包括： 传感器数据接收模块，触摸屏指示收发模 块，电器控制指令传输模块，网络通信模块，GSM 通信模块。其中不同的模块有着不同的功能，每 个模块可以分为多个有简单功能的任务。不同软 件模块之间的工作过程如图 3 所示。网关设计 中应用层的设计与开发是大部分软件平台研究 的重点，而 应 用 层 的 实 现 意 味 着 网 关 主 要 功 能 的实现。
参考文献
wk.baidu.com
［1］ 智能家居将成为物联网初级阶段最庞大的产业［J］． 金卡工
程，2011，（ 10） ．
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Integration andTransfer of College Knowledge and Field Experience
———the Pre － vocational Cultivation of Chinese Teacher of Primary School LI Ｒon － ying
该模块通过 C 语言编写以太网接口的 TCP / IP 协议，以 TCP / IP 协议的网络通信功能为基础， 直 接 运 用 于 以 太 网 通 信 的 实 现，这 一 协 议 由 AＲP、UDP、TCP、IP 协 议 组 成，通 信 时 则 要 标 注 TCP / IP 协议的类别。在以太网通信模块中有不 同的协议层次结构，因此该模块可以分为以下三 个任务： 建立 socket 套接字任务、TCP 包处理任务 和 UDP 包处理任务。任务的工作流程图如图 4 （ a） 、（ b） 。
网关要实现数据的转发，必须在 socket 调试 软件和串口调试软件时，都能收到相互之间发送 的数据。网关的测试图如图 5 所示，在 PC 机上， 可以进行串口调试软件模拟协调器和 socket 调试 软件模拟数据库服务器的运行。
正确转发。接下来，将服务端地址设置为嵌入式 开发板无线拨号上网成功后所分配的地址，家居 系统的服务端接好 PC 机及摄像头，用户端开始 运行程序进行数据的采集，经测试 PC 机能收到 家居的相关数据如温度数据，如图 6 所示，同时摄 像头能成功采集室内的相关图像信息，进行家居 系统的监控和调节。
3． 1 网关各模块的实现 3． 1． 1 传感器数据接收模块
此 模 块 的 数 据 接 收 是 串 行 通 信 的，由 与 CC2530 无线模 块 相 连 接 的 串 口，即 LPC2378 处 理器 UAＲT3 端口完成传感器网络的数据采集，包 括数据的接收、数据类型的划分以及由事件操作 块 ECB 传输数据给其他的任务。 3． 1． 2 以太网通信模块
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3． 1． 4 触摸屏指示收发模块 该模块能在触摸屏上发出文字和图形指令，
主要通过 LPC2378 处理器 UAＲT2 端口的串口与 其相联接，以便接收触摸屏的指令代码。触摸屏 分辨率指令收发模块由两个任务组成： （ 1） 收到 来自触摸屏的输入代码后，事件操作模块将输入 代码转换输出对应的数据操作指令； （ 2） 输出数 据指令包括每个字符的呈现数据、呈现格式和呈 现位置，这些都由触摸屏显示出来。 3． 1． 5 电气控制指令传输模块
网关节点不仅应用于智能家居系统方面，还 可以应用在医疗监控、农业环境信息监控和其他 的新兴无线网络方面。本文提出了一种以智能家 居系统为基础的集成网关节点的设计实现方案， 该设计方案为了使用户可以快速，方便地查询每 个节点的智能家居控制系统的实时状况，以具有 高稳定性、高性价比的 AＲM920T 的 ＲISC 处理芯 片 S3C2440A 为核心，扩展 USB 摄像头，ZigBee 无 线通信模块等来构建智能家居网关的硬件平台， 该设计方案可以在以太网、GSM 通信两种通信方 式下实现监控终端和智能家居无线网络的连接。
图 3 不同软件模块之间的工作过程图
图 4 （ a） 以太网通信 模块流程
（ b） 以太网通信 模块发送流程
3． 1． 3 GSM 通信模块 该模块在完成接收和发送短信的任务时，要
先转换短信格式以使 SIM300 短信模块通过 AT 指令控制信息，完成 GSM 短消息的收发功能。这 个模块实现与 SIM300 短信模块的通信同样通过 串口（ 如 LPC2378 的 UAＲTO 接口） 来实现。从串 口读取有短信内容的 AT 信息，根据格式转换后 获取的短消息内容，由事件操作块 ECB 发送给其 他任务指令，以上是短信接收任务的工作。而通 过串口，将有其他任务发送的已经转换 TA 信息 格式的文本，发送到 SIM300 模块上则是短信接收 任务的工作。
1 网关节点的功能分析
该网关主要完成以下两个功能： （ 1） 为了对 家庭室内电器设备或家居的实时状况进行远程监 控，以 ZigBee 技术为基础构建家庭无线网络，实 现家庭内部网络与互联网或移动网 络 的 连 接； （ 2） 用户可以通过家用电脑或手机实现对智能家 居系统的控制。提出的方案关键在于这个无线异 构网络融合网关应该是具有多个网络接入功能的
［关键词］ ZigBee； 网关； 硬件； 软件
［中图分类号］ TN919． 6 － 34
［文献标识码］ A ［文章编号］ 1673-8314（ 2013） 08-0017-03
智能家居网络［1］的构建如果是基于采用 ZigBee 技术和无线传感器网络相结合而完成的，那 么它可以在家电监控、家居安防、智能调节温度以 及自动调节灯光［2］等方面有很好的应用。传统的 智能家居系统目前主要用在一些高档社区，而普 通用户还比较少，原因是现有的智能家居的有线 设计使得系统结构相对复杂，遇到用户需要改变 位置时，网络的自适应调整能力差。而 ZigBee 技 术是一种 新 兴 无 线 通 讯 技 术，具 有 近 距 离、低 成 本、低功耗、低速率的优点，符合 IEEE 802． 15． 4 的标准，相比于传统的有线设计，更加符合家庭网 络应用的要求。
（ 漳州职业技术学院 电子工程系，福建 漳州 363000）
［摘 要］ 为了实现智能家居系统的集成网关，提出了基于 AＲM920T 的 ＲISC 处理器和 ZigBee 技术的设
计方案，重点介绍了该网关的硬件设计和软件实现。同时阐述了通过以太网，GSM 这两种通信方式实现智能家
居无线网络和移动电话、PC 机等终端之间的可靠的数据传输。
［收稿日期］2013-07-09 ［作者简介］ 吴艳红（ 1979-） ，女，福建龙岩人，漳州职业技术学院电子工程系讲师。
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品方面。 2． 2 嵌入式网关［4］
硬件系统采用嵌入式的三星 S3C2440A 微处 理器的设计方案，将该处理器作为主控制器。网 关由 USB 摄像头、3G 模块、ZigBee 无线模块、LCD 等部分构成，智能家居网关的系统结构［5 － 7］如图 2。为了 实 现 模 块 重 用 和 即 插 即 用 ，需 要 完 成 CH372 在 linux 下的驱动问题。ZigBee 无线接口 管理模块是基于 CH372 的，它与家庭无线自组织 网络通过连接 USB 接口实现通信，实现从外网转 换到内网的自组织网络协议。
（ Education Department，Luoding VocationalTechnical College ，Luoding 527200，China）
Abstract： It is of great importance for the integration and transfer of college knowledge and field experience on the improvement of college teacher’s cultivation quality． How to integrate and transfer successfully is the key． Take the pre － vocational cultivation of Chinese Teacher of Primary School as an example，the integration and transfer could be carried forward from the following four aspects including teaching content，teaching subject，practice training method and study evaluation system． To be specifically，that is to restructure curriculum system，intensify teaching content transfer； promote “Dual development”，stress subject transfer； build“the Third Space”and realize practice training method transfer； build“multi － evaluation system”to enhance the transfer of study evaluation．