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基于zigbee与linux的智能家居系统设计方案

文章出处:捷配电子市场网 发布时间: 2016/08/01 | 960 次阅读

    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。

基于zigbee与linux的智能家居系统设计方案

  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。

基于zigbee与linux的智能家居系统设计方案

    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:

基于zigbee与linux的智能家居系统设计方案

  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:

基于zigbee与linux的智能家居系统设计方案

  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:

基于zigbee与linux的智能家居系统设计方案

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。

基于zigbee与linux的智能家居系统设计方案

基于zigbee与linux的智能家居系统设计方案

  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。

基于zigbee与linux的智能家居系统设计方案

    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。

基于zigbee与linux的智能家居系统设计方案

  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。

基于zigbee与linux的智能家居系统设计方案

  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。 

 

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