1 引言

隨著信息時代的到來和網絡技術的飛速發展, 實現家庭信息化、網絡化是當今智能家居設備系統發展的新趨勢。智能家居系統是將相對獨立的家用電器構成一個統一的系統, 進而實現對這些設備和家庭環境的智能管理、遠程監控和資源共享。其目的是為人們提供一個安全、舒適、高效和便利的生活環境。本文介紹一種基于嵌入式Web 和ZigBee 技術的網絡化智能家居系統的設計和實現方案。

2 系統結構和功能介紹

系統有遠端PC、嵌入式網關、USB 攝像頭和ZigBee 組成的家庭內部無線網絡四部分組成。設計思想是在每一個家庭設備上都裝上ZigBee 模塊和相應傳感器來組成一個終端節點,用來實時監控設備的狀態, 并且把采集到的數據以無線方式發給ZigBee 協調器,這樣就由ZigBee 協調器和各終端設備組成了一個無線連接的星型結構的家庭內部網絡。嵌入式網關是系統的中樞,可以把USB 攝像頭采集的視頻信息和來自協調器接收的終端節點信號傳送到Internet 上, 這樣就把內部網絡連接到互聯網上。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只可以查看家庭設備數字信息的不足。用戶可以通過遠程PC 機訪問家庭內部網絡,查看家庭設備的數字信息和視頻信息,實現遠程監控的目的。

3 系統硬件設計

3.1 核心處理器模塊

本系統選用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 主設備芯片,帶有MMU 虛擬存儲器單元,這一特性可以移植linux 系統和建立Web 服務器,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、內核和文件系統。

SDRAM 是系統的內存, 它不具有掉電保持數據的特性,其存取速度大大高于Flash 存儲器, 在系統中主要作程序的運行空間、數據和堆棧區。系統中SDRAM 選用K4S561632C-TC75芯片。K4S561632C-TC75 的存儲容量為16M*16 位(32M 字節),數據寬度為16 位,由于S3C2440A 是32 位的,外部總線也是32位的, 為了最大限度發揮處理器的性能, 本系統選用兩片K4S561632C-TC75 芯片并聯起來,以構成32 位內存系統。

3.3 以太網接口

系統選用CS8900A 芯片建立網絡接口。CS8900A 是Cirrus公司生產的一款單芯片、全雙工、全面支持IEEE802.3 標準的高集成以太網控制器。在本系統中網絡控制器發揮著重要作用,它負責將監控數據發送到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,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。

3.5 ZigBee 模塊

無線收發芯片采用Chipcon (已于2006 年被TI 公司收購)公司生產的CC2430。CC2430 芯片除了整合ZigBee 射頻(RF)前端、內存和微控制器外, 還具有128KB 可編程內存和8KB 的RAM、模擬數字轉換器(ADC) 、定時器(Timer) 、AES-128協同處理器、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。它結合Chipcon 公司全球先進的ZigBee 協議棧、工具包和參考設計,展示了領先的ZigBee 解決方案。其產品廣泛應用于汽車、工控系統、家居系統和無線傳感器網絡等領域。

4 系統軟件設計

系統軟件主要包括移植Linux 操作系統,USB 攝像頭驅動的編寫,ZigBee 協調器工作程序和終端設備的收發程序,嵌入式Web 服務器的移植等等。

4.1 移植Linux 操作系統

本系統選用2.6 版本的Linux 內核, 首先從ftp://ftp.kernel.org/pub/linux/kernel/下載內核源碼。在編譯內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, 依次執行內核編譯命令:make dep ;make clean;make zImage 編譯成功后會在/linux/arch/arm/boot/下找到編譯好的內核鏡像文件zImage。然后可以用Bootloader 菜單命令把內核鏡像燒寫到NAND FLASH 中。