基于家庭基站技術的智能家居系統設計

王振朝，王藝衡，王竹毅

（河北大學 無線通信實驗室，河北 保定 071000）

智能家居是一個以住宅為依托，利用網絡通信技術、安全防范技術、自動控制技術，使住宅內的相關設施形成一定自主管理事務能力的多功能綜合系統。在智能家居系統中，家庭內部網絡覆蓋的情況和與外部網絡溝通的流暢性影響著整個系統的運行效果。智能家居系統往往通過有線的以太網進行組網，通過SIM300系列芯片與手機進行短信收發。有線的組網方式布線麻煩，增減設備需要重新布線，系統的可擴展性差。只具備發短信功能的SIM300系列芯片造成了SIM卡資源的浪費。本文提出的將家庭基站技術應用于智能家居系統的設計方案很好地解決了上述問題[1-3]。

在3GPP Release 8中首次提出的家庭基站（毫微蜂窩基站，也被稱作Femtocell）技術，為用戶提供了遍及全家各處的優質信號覆蓋和與外部網絡的便捷連通。家庭基站技術是一種擴展移動通信室內覆蓋的解決方案，可以把用戶手機發出的話音和數據呼叫傳輸到基于標準接口的移動運營商的核心網絡，它通過用戶已有的ADSL、LAN等寬帶電路連接，遠端由專用網關實現從IP網到移動網的聯通。家庭基站的大小與ADSL調制解調器相似，具有安裝方便、自動配置、自動網規、即插即用的特點[4-7]。

基于家庭基站上述功能特性，本文提出將家庭基站技術應用于智能家居系統的設計方案，對智能家居系統的多項功能進行優化。本系統利用家庭基站對信號的收發處理及其向上連接IP網、移動網的功能特性，在其上集成智能家居控制單元，形成智能家居系統多功能控制器。多功能控制器不但提供了移動信號在室內的良好覆蓋，而且用戶可通過移動網用智能手機進行語音、短信控制或者通過互聯網對智能家居系統的各個網絡節點進行實時監測[8-9]。多功能控制器使得智能家居系統信息交流更加及時與暢通，節約了系統的建設成本。

1 基于家庭基站技術的智能家居系統

基于家庭基站技術的智能家居系統通過局域網、移動網、互聯網以及小區廣播實現實時監控和通信，在完成家庭基站提供室內信號的優質覆蓋的功能后繼而完成以下三大智能家居功能：1）家庭安全防范：發生盜竊、火災、天然氣泄露等緊急情況發送報警信息；2）智能化控制：控制電燈的開關、明暗，下雨時自動關窗，火災時自動斷電等；3）遠程控制：用戶可通過移動網、互聯網等方式在戶外遠程控制家庭設備[10-11]；另外，用戶也可以根據自己實際需要訂制智能家居系統的功能。

如圖1所示，本智能家居系統主要由一個兼有家庭基站及智能家居控制器功能的多功能控制器和若干個無線終端節點組成，其中多功能控制器有內部網絡的匯聚節點和連接外部網絡的網關功能。無線終端節點由傳感器和Zigbee無線模塊組成，傳感器負責采集各種數據，如：光照變化，煙霧濃度、突發火災、天然氣泄露、盜賊入侵等危害用戶財產安全的信息，無線模塊通過內部網絡把此類信息發送給控制器。多功能控制器內部的Zigbee無線模塊，用來接收無線終端節點發來的信息并交給控制器的核心芯片做進一步處理，然后發射各種控制信號做出預定處理或者通過短信、網絡等形式告知用戶[12-13]。

圖1 基于家庭基站技術智能家居系統的網絡架構圖

2 智能家居系統中的多功能控制器

多功能控制器的設計如圖2所示，從功能和集成度以及性價比與功耗等方面考慮，選擇Mindspeed公司開發的一款多核DSP處理芯片PC205作為本智能家居系統多功能控制器的核心芯片。PC205不但能夠完成多功能控制器對基帶信號的處理和控制，還能夠完成對智能家居系統設備的控制、數據收發和數據管理等任務。

圖2 多功能控制器設計框圖

邏輯上PC205芯片分為Picoarry陣列子系統和ARM子系統。該ARM子系統基于ARM公司的ARM926EJ核，32位的RISC（精簡指令集）處理器，具有低功率、高性能的特性，獨立的JTAG端口為基站開發提供了簡單和便于操作的開發環境。控制器的所有基帶處理功能如編碼、調制、加密等可以借助Pico陣列實現，控制和高層處理功則可以通過ARM處理器來實現，應用程序接口APl支持Pico陣列和ARM之間的數據和控制信息的傳輸[3,6]。

控制器還有一個重要的模塊是匯聚節點模塊，在本系統中該模塊選用的是TI公司的CC2530，它在智能家居系統中承擔著網絡匯聚節點的角色，提供信息的雙向傳輸，以連接智能家居系統中其它終端節點。CC2530是TI公司的一款真正符合IEEE802.15.4標準的片上系統解決方案。CC2530除了包括RF收發器外，還集成了加強型8051MCU、256 KByte的Flash內存（32/64/128可選）、8 KByte的RAM、8路輸入12位ADC、2個支持多種串行通信協議的U-SART通信接口、內置Z-stack等。CC2530工作在2.4 GHz頻段，采用低電壓（2.0～3.6 V）供電，且功耗很低（接收數據時為27 mA，發送數據時為25 mA）、靈敏度高（-97 dBm）、最大傳送速率為250 kbit/s。CC2530的這些特性使其具有很長的使用壽命和很強的市場競爭力[11-12]。

SIM卡模塊是基于運營商固定移動網絡融合需要設計的，通過將SIM卡設置在家用基站上，運營商只需控制家用基站設備的SIM卡號即可實現對家用基站覆蓋范圍內各種移動終端設備的統一認證和一卡計費；電源模塊的作用是通過電平轉換獲得控制器各模塊正常工作所需的電壓，并監視各個電壓的變動情況，保證控制器的正常工作；RS232模塊為家用基站提供RS232接口，方便控制器的串口調試[3-6]；射頻模塊的主要作用是進行信號的放大發送和接收，主要由發射/接收器、功率放大器、低噪聲放大器和雙工器/濾波器組成。

3 智能家居系統中的通信網絡

3.1 智能家居系統內部網絡

ZigBee技術是一種新興短距離傳輸的無線局域網技術，具有功耗低、成本低、容易安裝和擴展的優點。Zigbee模塊一般工作在2.4 GHz頻段上，具有250 kbit/s的傳輸效率，傳輸距離為10～75 m。智能家居系統的內部網絡覆蓋范圍較小，通信數據量不大，數據傳輸速率相對較低。采用ZigBee技術，可以很好地滿足智能家居系統內部網絡的上述需求，而且還具有其它無線局域網技術不具有的低成本和低功耗。

ZigBee標準規定了3種網絡拓撲結構：星形、樹形和網狀結構。其中星型網絡結構簡單，連接方便，管理和維護都相對容易，而且擴展性強，重新配置靈活，更適合家庭自動化小范圍的應用，本系統采用的便是星型網絡結構。本結構由一個匯聚節點和一個或多個終端節點組成的。匯聚節點位于網絡的中心，負責發起建立和維護整個網絡，其它的終端節點分布在協調點的覆蓋范圍內，直接與協調點進行通信。

在完整的Z-stack中，雖然已經分別實現了匯聚節點（coord）以及終端節點（rfd）的程序，但主要是網絡層及以下各層的通信協議，要完整實現本系統中各個節點的功能，需要對Z-stack應用層程序進行相應編寫和修改。本系統在安放終端節點的過程中，增加了參考終端節點與匯聚節點的距離以及兩者之間有無障礙物的標準設置終端節點的發射功率大小的步驟，以保證其信號能被匯聚節點收到和降低室內各種信號的干擾。最后將修改后的coord程序下載到匯聚節點以及修改的rfd程序下載到終端節點，對其供電，各個節點就可以以無線組網的方式正常工作了。

3.2 智能家居系統外部網絡

連接外部網絡的功能主要由多功能控制器完成，其核心處理芯片PC205中的ARM處理器通過串口與無線網絡中的匯聚節點模塊交換數據，從而實現內部網絡與外部網絡的聯通。多功能控制器功能的軟件實現主要通過以下兩個方面：一方面是控制器的基站功能和技術指標的軟件實現，主要完成的有通信系統（3G或LTE、LTE-A）物理層的處理和控制功能；第二方面是本文研究的重點，即控制器作為智能家居系統匯聚節點和網關的功能的軟件實現。

多功能控制器軟件的整體架構主要由2個邏輯模塊構成：信號處理模塊、管理調度模塊。信號處理模塊實現家用基站物理層信號處理功能，向管理調度模塊和射頻子系統提供標準的接口；管理調度模塊實現控制器物理層的管理調度功能，向ARM子系統提供標準的接口，用來實現控制面、用戶面和OAM處理。

硬件方案設計中選用的PC205核心芯片已經集成了信號處理模塊的主要功能，完成碼片、符號和抽樣級速率物理層處理，包括調制、編碼、擴頻等。管理調度模塊需要在Linux環境下，依據PC205芯片的ARM子系統開發手冊進行開發，在主處理器PC205中的ARM子系統中實現。

首先剪裁Linux操作系統，移植內核到ARM上，開發串口、以太網模塊等驅動和應用程序。為了達到用戶在Internet上的任何一臺PC上通過IE瀏覽器登陸網關，實現數據交互的目的，需要在ARM上嵌入Web服務器。設置服務器運行環境、參數等，并且把相關的配置文件、CGI程序以及html文件放在系統對應的文件中，然后把Boa服務器添加到系統自動啟動的服務中，嵌入式Web服務器便能夠在硬件系統上運行。架設完Web服務器以后，就可以通過CGI（通用網關接口）調用后臺的CGI程序。CGI程序與Web服務器之間通過標準輸入/輸出、環境變量和命令行就可以實現數據的交互，然后調用相應的處理程序，實現內部網絡中各個節點的控制。可以在外部網絡上的PC或者裝有相應APP應用的智能手機上對整個智能家居的內部網絡各個節點進行遠程監控與控制[14-15]。

另外，只要滿足發送報警或緊急情況短信息的條件，多功能控制器便會給移動網絡發送短消息，由短信中心轉發給用戶手機，具體資費的結算由控制器上的SIM卡來承擔。

4 結束語

本方案將家庭基站技術首次應用于智能家居系統，在解決移動網絡在室內覆蓋差的問題同時，連接外部網絡十分便捷，遠程監控與報警方式多樣。Zigbee組網的特性滿足了智能家居內部網絡低成本、低功耗、低速率的要求。總體來說，整個系統功能完善，適合未來家居智能化、網絡化的發展方向。

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