基于 ARM9 的嵌入式无线智能家居网关系统的设计与实现

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摘 要

在我国智能家居的发展中，互联网技术在该方面的应用也在不断加强，智能终端设备的效果也越来越好，然而，智能家居应用时，多种无线智能家居的通信技术一直是人们关注的重点，涉及到智能使用效果，本文将通过对无线智能家居中网关系统的选择背景进行分析，对其智能家居控制系统的结构予以研究，满足家庭家居的远程监控，实现个性化家电控制，主要完成ARM9处理器上建立嵌入式Web式处理器，完成家庭内部网络和Internet相连接，从而对整个网关的软、硬件使用流程结构进行设计，最终实现智能家居网关系统的应用。

【关键词】智能家居 嵌入式系统 Zigbee通信 WI-Fi

智能家居是计算机技术、网络通信技术、传感技术、电子设备等科技在工程学中的应用，影响着人们的生活质量，随着这些科学技术的应用越来越广泛，人们对智能化家居的研究越来越重视，本文将对ARM9无线控制系统进行研究，结合相关通信技术，实现对电子设备进行综合控制，达到智能化生活格局。

1 无线智能家居网关系统的应用背景分析

相关技术的应用使得智能家居发生较大的变革，向着网络化和智能化变化，智能家居无线网关的应用实现了家庭网络和外界网络之间的相互转换。智能家居网关系统是整个智能家居控制系统的核心，负责着智能家居家电的控制，实现不同终端设备的连接和通信，集中控制不同设备，同时还要完成无线控制和监控。但无线智能家居在应用中也存在不可兼容和操作性差等现象。因此，无线智能网关的应用在远程控制和本地控制及监控方面有着很大的意义。

2 无线智能家居控制系统的结构

无线智能家居的控制系统主要包括ARM9核心控制模块、LCD触摸模块、无线通信模块、传感设置、家居电气、电源、语音报警设置等。

ARM控制系统是整个智能环节的核心系统，通过GPRS和Zigbee完成通信网络的收发控制，并对家居电器进行监控。同时，还对整个系统提供防火墙功能，阻挡外网不法分子对家庭内部网络进行攻击和访问。无线通信部分有本地和远程两个部分，本地通信主要是靠新型Zigbee无线通信技术来实现网络系统和家电系统之间的远程通信。远程通信主要是通过手机的GPRS通信或者通过互联网实现人和控制系统的通信，最终达到远程控制。

无线控制系统具体控制模块和功能有以下几种：

家电的综合监控：主要实现对家居电器的参数设置、工作状态和开关状态进行检测，保证家居电器的正常运行。

室内环境的信息采集：检测环境的温度、湿度和空气相关有害气体的检测。

自动报警系统：当室内环境受到不良气体的侵袭或者温度湿度超出标准以及有人强取开启室门，报警系统将会自动报警，引起人们注意。

本地控制和远程控制：用户通过互联网对以及电器本身进行操作完成本地控制，通过手机短信、数码代号、或者互联网进行远程控制和查询

安全防盗：家居中的各种电器设备均可实现和用户的通信，当受到陌生人对设备进行非法操作和工作状态受到外因异常工作时，会自动通知用户进行防盗。

3 网关硬件平台设计

智能家居的室内网关组成部分有ARM9主控制器，储存电路，GPRS通信网路、ZigBee终端设备、LCD触摸屏、报警装置和电源等控制模块。

3.1 ARM9主控制器系统

该系统是智能家居网关的核心装置，通过对ZigBee终端设备的控制，实现与ZigBee协调器的信息交换，ARM9微处理系统是高性能32位RISC处理系统，内核采用ARM920T，储存器单元是0.13um的CMOS，其主频可以达到400MHz，可实现MMU，AMBA BUS等系统的高速缓冲，有一套完整地16Kb的质量Cache，通过提供完整地通信系统，减少整个控制系统的成本，提高性能，降低功耗。

3.2 无线通信网络系统

在无线网关的通信中部分是靠ZigBee通信系统完成，ZigBee的覆盖范围较为广泛，传输速率能达到128Kb/s ，Zigbee技术和GPRS通信系统相结合可组成新的网络通信系统，且有着体积小、功耗低、成本低等特点。其网络结构是一个辐射状结构，数据的传输和命令是通过协调器来完成传输。ZigBee采用的是JN5139，有着功耗低，成本低的特点，和UART1相连接。

4 软件平台设计

软件平台一般用Linux系统进行操作，在软件的编译、剪裁等方面较为方便。

4.1 家庭网关软件体系

家庭网关构成部分由硬件驱动、操作系统、网络协议部分和应用程序几部分组成，硬件驱动中主要完成Zigbee模块和Wi-Fi模块的驱动，操作系统主要是完成ARM Linux的实时操作，网络协议主要实现Zigbee和Wi-Fi协议的双向转化，应用软件层中主要是Boa软件在Web中的应用。

4.2 Zigbee 组网软件设计

Zigbee系统主要目的是实现无线传感器的网络建立，传感器的管理和数据传输。同时，将收集到的数据信息存贮在数据库中，方便用户随时查询Zigbee终端设备状态。用户还可以通过Web直接对网关进行访问，实现监控和远程管理。

4.3 家庭网关主程序设计

家庭网关通常连接多个相互独立的网络，其工作特点是将接受的数据包转化为另一种协议格式。然后通过网络传输，传输数据通过物理介质进入网关中，用Zigbee协议栈解开数据，然后用操作系统的应用软件处理得到数据。

5 结论

本文主要讨论了一种智能网关的设计和构造，在未来的发展中，无线智能家居网关的设计将会更加侧重于人们的生活。其优化方向可以从能耗、环保、安全等方面进行突出。

参考文献

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作者单位

中南大学信息科学与工程学院 湖南省长沙市 410000