基于Cortex和ZigBee的智能家居網關設計與實現

張 毅，馬鈞元，楊校權

(重慶郵電大學通信學院，重慶 400065)

短距離通信技術在智能家居系統中已得到廣泛應用，其中ZigBee技術以低成本、低功耗、較好的安全性、網絡容量大等特點，成為了組建智能家居網絡的首選［1］。在ZigBee技術大量應用于智能家居系統的同時，對現有網絡終端設備如何查看、控制、管理家居現場的研究也在快速發展。目前基于PC方案的網關不僅靈活性差，不能滿足人們對家居現場實時監控，而且成本較高，不便于智能家居系統的推廣，所以，采用廉價嵌入式CPU的網關對于普通家庭來說是非常適合的，但若采用8位或16位MCU，其數據處理速度、外設資源等方面不能滿足網關的功能需求。

因此，本文以ARM Cortex－M3為平臺，實現ZigBee網絡與以太網、GPRS、藍牙3種異構網絡的緊密結合。

1 網關節點功能分析

網關的主要功能是用戶通過其在現場或者遠程查詢、控制智能家居網絡各節點。監控現場的節點將各自采集的信息傳送給網關上的協調器，經過主控制器處理后，將信息通過有線或者無線方式傳送至電腦或者手機等用戶終端。而終端的控制指令也需要經過網關的處理，轉換后才能下傳至監控現場各節點。設計的智能家居系統組成結構如圖1所示。

文中設計主要現實以下2個目標:

圖1 智能家居網絡圖

1)完成ZigBee網絡與以太網、藍牙、GPRS這3種異構網絡的結合，實現通過多種終端完成對現場的監控，滿足用戶對實時性、便捷性的要求;

2)從成本、性能上考慮硬件及軟件設計，滿足用戶對性價比的要求。

2 網關硬件設計

網關硬件電路主要由控制器模塊、供電模塊、通信模塊等組成。其結構見圖2。

圖2 硬件設計框架圖

2.1 控制器模塊

作為整個網關節點的核心，控制器負責接收、處理ZigBee協調器上傳的家居節點信息以及用戶終端下傳的控制信息，通過AT指令初始化GPRS模塊、藍牙模塊，使其分別鏈接至GPRS網絡、藍牙網絡，利用基于μC/OS－Ⅱ的小型TCP/IP協議棧，實現網關與Internet的鏈接。綜合性能、功耗、成本等方面因素考慮，文中的網關主控制器采用以ARMv7－M為架構的32位 Cortex－M3處理器LM3S8962，該芯片運行頻率最高可達50 MHz，片內含256 kbyte Flash，64 kbyte SRAM，無需再外擴存儲模塊，此外該處理器還集成了 UART，GPIO，SPI，I2C，CAN，以太網控制器，SSI等豐富的外圍資源［2］。

2.2 供電模塊

LM3S8962控制器、藍牙模塊、ZigBee協調器的供電電壓為DC 3.3 V，GPRS模塊的電源范圍為3.4～4.7 V，文中采用低壓差穩壓器SPX29302實現4.0 V的輸出電壓，經過濾波處理后，即可滿足GPRS模塊的供電要求。4.0 V通過低壓差穩壓器SPX1117M3穩壓輸出3.3 V，為LM3S8962、ZigBee協調器、藍牙模塊進行供電。為了降低模擬電源/模擬地的噪聲，將模擬電源/模擬地與數字電源/數字地進行隔離［3］，如圖3所示，模擬地AGND與數字地GND分別通過小磁珠FB1和FB2接到POWER_GND上，降低數字電源對模擬電源的噪聲干擾。

圖3 降噪電路

2.3 數據傳輸模塊

此部分電路包括GPRS模塊、藍牙模塊、ZigBee協調器、PC機的接口電路設計，及以太網接口電路設計。LM3S8962具有兩個通用異步串行接口:UARTO是TTL接口，使用RXD和TXD兩根信號線與ZigBee協調器相連傳輸數據，PC機通過RS－232電平轉換芯片查看ZigBee協調器與控制器間的數據交互;UART1也是TTL接口，設計通過跳線帽選擇使用RXD和TXD兩根信號線與藍牙模塊或者GPRS模塊通信。

2.3.1 ZigBee協調器

ZigBee協調器負責整個智能家居ZigBee網絡的建立，以及網絡的相關設置，儲存各家居節點的信息，管理新節點的加入等。文中采用TI推出的2.4 GHz IEEE802.15.4/ZigBee片上系統(SoC)解決方案CC2430芯片作為ZigBee協調器的控制核心。該芯片具有可編程內存以及通過認證的ZigBee TM協議棧，完全滿足ZigBee協調器功能要求。主控制器只需通過串口即可與ZigBee協調器實現數據交互。

2.3.2 GPRS模塊

該模塊負責網關與GPRS網絡的鏈接、數據傳輸等。文中采用華為推出的一款GSM/GPRS無線模塊EM310作為GPRS傳輸模塊，它支持電話、短信及GPRS數據傳輸等模式，內置協議棧中包含透傳命令，方便主控制器進行透傳模式數據傳輸［4］。

2.3.3 藍牙模塊

在文中設計的智能家居系統中，用戶可通過手機藍牙與網關進行通信，查看、控制家居現場。由于只要求藍牙技術在網關節點和手機藍牙之間提供無線傳輸，所以模塊只需實現HCI層以下的協議棧即可。文中采用的匯承公司HC－06藍牙模塊完全符合了這一點，它不僅可實現藍牙HCI層以下物理鏈路的建立，而且主控制器只需RXD，TXD兩組信號即可對其控制、傳輸，大大降低了設計難度。

2.3.4 以太網接口

網關的主控制器內部已集成了一個由介質訪問控制器(MAC)和網絡物理(PHY)接口器件組成的以太網控制器，這使得以太網接口外圍電路設計更加簡單，成本更低。主控制器要與外部以太網通信需要RJ－45接口，而RJ－45前端信號并不是理想化的，由于衰減、損耗、干擾等原因，接收端可能會出現丟包或者傳輸距離不夠而中斷等問題，所以在主控制器和RJ－45接口之間還需添加一個網絡變壓器用于解決以上問題，從成本、性能、設計難度等方面考慮，文中選用了漢仁公司的網絡變壓器HR601680。

3 網關軟件設計

文中采用開源實時操作系統μC/OS－Ⅱ作為應用程序開發和運行平臺，它具有構思巧妙、結構簡潔、實時性好、開源、移植性好等特點［5］。運行于操作系統基礎上的各個任務即為網關應用程序，系統根據各個任務的情況，分配優先級，完成資源管理、任務調度等工作。網關程序主程序流程圖如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

其分為三大子任務，分別是使用以太網協議棧以及其數據收發、GPRS模塊初始化及其數據處理傳送、藍牙模塊初始化及其數據處理傳送。主任務啟動后，使用鍵盤輸入來選擇初始化子任務，子任務完成數據傳輸后即可關閉鏈接，或者根據需要重新選擇啟動子任務。

3.1 以太網

文中使用的ZLG/IP是周立功公司基于μC/OS－Ⅱ的小型TCP/IP協議棧，它完成了TCP/IP的建立、通信和連接管理，能實現一個最簡單的TCP服務器功能。此外，還需編寫一個實現以太網與ZigBee協調器數據交互的程序，負責對來自兩種網絡數據的接收、處理、轉發。用戶利用PC機上的客戶機軟件，執行連接服務器操作，一旦連接上，即可對智能家居現場進行查詢、控制。

3.2 GPRS

該任務完成對GPRS模塊EM310(簡稱TA)的初始化，向EM310發送AT指令，建立GPRS數據無線傳輸鏈路，通過GPRS方式實現控制終端與智能家居控制現場的數據交互。GPRS模塊初始化流程如圖5所示。

圖5 GPRS模塊初始化流程圖

AT指令用于對GPRS模塊的控制，每發出一個AT指令，模塊都會返回一個OK。ATE0為命令回顯模式，使用該命令，可設置TA在命令狀態下是否回顯從TE(控制終端)接收到的字符。設置 AT%IOMODE=1，1，0，即數據模式命令，本文設置的模式為模塊對數據進行壓縮轉換(例如，當發送兩個字符“1A”/“1a”——AT%IPSEND=“1A”/“1a”時，模塊會自動將兩個有效字符的 ASCII碼0x31，0x41/0x31，0x61壓縮為一個字節 0x1A/0x1A 發送);AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMNET”，注冊移動的CMNET 網關;AT%ETCPIP=“user”，“gprs”注冊用戶名密碼，等待分配IP，收到ok后表示分配IP完成，這個時間根據網絡情況有所不同，建議等待時間可以設置為10 s，注冊過程中做其他AT操作會注冊不到IP;AT%IPOPEN=“TCP”，“219.151.168.116”，6800 設置接收服務器的協議類型、IP和端口號，返回CONNECT表示鏈接成功。

3.3 藍牙

該任務實現藍牙模塊的初始化、模塊與智能家居網絡的數據交互等。主控制器通過串口發送AT指令對藍牙模塊進行初始化工作，包括將其設置為從模塊、配置串口通信波特率、獲取模塊地址、初始化SPP規范庫等。

4 小結

本文提出了一種智能家居綜合網關節點設計與實現方案，該方案采用高穩定性、高性價比的Cortex－M3處理芯片LM3S8962為核心，設計通過以太網、GPRS、藍牙3種通信方式使控制終端與智能家居無線網絡相連，用戶即可快速，便捷地實現對智能家居系統各節點的控制查詢。該網關節點不僅可以應用于智能家居，在醫療自動化、酒店管理以及其他新興無線應用領域，都有很廣泛的應用價值。

［1］高守瑋，吳燦陽.ZigBee技術實踐教程［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2009.

［2］周立功.ARM Cortex－M3開發指南—基于LM3S8000［M］.廣州:廣州致遠電子有限公司，2007.

［3］周立功.EasyARM8962實驗教程［M］.廣州:廣州致遠公司，2007.

［4］張浩靖.華為EM310產品(GSM 模塊)概述V1.02［M］.廣州:華為公司，2009.

［5］周航慈，吳光文.基于嵌入式實時操作系統的程序設計技術［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2006.