1 引言

隨著信息時代的到來和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展, 實現(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。智能家居系統(tǒng)是將相對獨立的家用電器構(gòu)成一個統(tǒng)一的系統(tǒng), 進而實現(xiàn)對這些設(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)計和實現(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)部無線網(wǎng)絡(luò)四部分組成。設(shè)計思想是在每一個家庭設(shè)備上都裝上ZigBee 模塊和相應(yīng)傳感器來組成一個終端節(jié)點,用來實時監(jiān)控設(shè)備的狀態(tài), 并且把采集到的數(shù)據(jù)以無線方式發(fā)給ZigBee 協(xié)調(diào)器,這樣就由ZigBee 協(xié)調(diào)器和各終端設(shè)備組成了一個無線連接的星型結(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自協(xié)調(diào)器接收的終端節(jié)點信號傳送到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。用戶可以通過遠(yuǎn)程PC 機訪問家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò),查看家庭設(shè)備的數(shù)字信息和視頻信息,實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

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。

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3.2 存儲模塊

NAND FLASH 存儲模塊選擇Samsung 公司生產(chǎn)的K9F1208U0M-YCB0 64M*8bits 的高性能存儲芯片。掉電后信息不會丟失,用于存儲啟動代碼、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 存儲器, 在系統(tǒng)中主要作程序的運行空間、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,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 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)控數(shù)據(jù)發(fā)送到Internet, 并把來自Internet的控制指令傳送至底層。

3.4 攝像頭選擇

對于圖像采集傳感器,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增益補強技術(shù),自動白平衡、邊緣增強以及伽馬矯正等先進的攝像控制技術(shù)。

3.5 ZigBee 模塊

無線收發(fā)芯片采用Chipcon (已于2006 年被TI 公司收購)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) 、定時器(Timer) 、AES-128協(xié)同處理器、看門狗定時器以及21 個可編程I/O 引腳等。因此選擇CC2430 做為無線收發(fā)部分, 使用起來非常容易上手。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 公司全球先進的ZigBee 協(xié)議棧、工具包和參考設(shè)計,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)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要包括移植Linux 操作系統(tǒng),USB 攝像頭驅(qū)動的編寫,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

然后運行make menuconfig 進入配置菜單, 選擇需要的選項, 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。