基于6LOWPAN的智能家電監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

魏燕達(dá)+周衛(wèi)星

摘 要： 系統(tǒng)以Android智能手機(jī)為操作終端，IP網(wǎng)絡(luò)為傳輸介質(zhì)，使用STM32F107微處理器和集成射頻功能在內(nèi)的STM32W108微處理器構(gòu)建嵌入式網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)物理芯片DP83848傳輸操作終端的控制或查詢(xún)命令，利用6LOWPAN技術(shù)傳輸無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)對(duì)家電終端的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制功能。該系統(tǒng)解決傳統(tǒng)家居傳感器節(jié)點(diǎn)與互聯(lián)網(wǎng)信息融合的問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，具有良好的可行性，有一定的應(yīng)用價(jià)值和前景。

關(guān)鍵詞： 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 智能家電； 6LOWPAN； STM32； Android

中圖分類(lèi)號(hào)： TN919.2?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）14?0101?04

0 引 言

現(xiàn)代社會(huì)提倡節(jié)能減排，人們不良的用電習(xí)慣往往帶來(lái)不必要的浪費(fèi)。這就需要能夠?qū)Ω黝?lèi)用電器進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制的系統(tǒng)。智能家居在傳統(tǒng)的家居環(huán)境中引入自動(dòng)化控制等技術(shù)，可以解決以上問(wèn)題，但是布線復(fù)雜，價(jià)格昂貴[1?2]。而物聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)今學(xué)術(shù)和應(yīng)用研究的熱點(diǎn)之一，接入互聯(lián)網(wǎng)需要專(zhuān)用的適配器[3?4]，6LOWPAN技術(shù)的提出，將IP網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為可能[5]。本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到家電系統(tǒng)，在不改變舊式家電的基礎(chǔ)上，提出在燈座插線增加轉(zhuǎn)接器的非侵入低成本手段，該轉(zhuǎn)換器利用6LOWPAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議搭建低功耗的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家電終端的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制功能。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

基于6LOWPAN的智能家電監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)框架圖如圖1所示，系統(tǒng)由手持客戶(hù)終端、嵌入式網(wǎng)關(guān)、IPv6無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主智能節(jié)點(diǎn)和從轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)等部分構(gòu)成。手持客戶(hù)終端采用Android手機(jī)，安裝開(kāi)發(fā)的APP軟件就能通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制家電；嵌入式網(wǎng)關(guān)提供互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)服務(wù)和轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)指令的功能，負(fù)責(zé)接收手機(jī)發(fā)來(lái)的指令，并將其轉(zhuǎn)換為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可識(shí)別的指令以及轉(zhuǎn)發(fā)到對(duì)應(yīng)的智能節(jié)點(diǎn)上。網(wǎng)關(guān)采用STM32W108和STM32F107雙核處理器方案，STM32W108處理無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的6LOWPAN數(shù)據(jù)，STM32F107處理互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。嵌入式網(wǎng)關(guān)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，擔(dān)任數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)發(fā)工作，需要很強(qiáng)的可靠性和穩(wěn)定性[6]。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)組成，主節(jié)點(diǎn)作為嵌入式網(wǎng)關(guān)與從節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆酚善鳎瑥墓?jié)點(diǎn)嵌入到家電中，監(jiān)測(cè)和控制家電狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)框架

2 硬件電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用Android智能手機(jī)作為客戶(hù)端；嵌入式網(wǎng)關(guān)的STM32F107與STM32W108處理器之間通過(guò)Uart接口連接；網(wǎng)絡(luò)物理層芯片采用DP83848；IPv6無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)采用都是STM32W108處理器。嵌入式網(wǎng)關(guān)和IPv6無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線收發(fā)模塊采用的都是STM32W108內(nèi)部自帶的RF模塊，外接一個(gè)陶瓷天線構(gòu)成。硬件總體框架圖如圖2所示。

圖2 硬件總體框架圖

2.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

IPv6無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。主節(jié)點(diǎn)“R”和從節(jié)點(diǎn)“N”都采用STM32W108處理器，不同之處在于節(jié)點(diǎn)“N”比節(jié)點(diǎn)“R”增加傳感器和控制電路模塊。

STM32W108是意法半導(dǎo)體（ST）公司推出的一個(gè)完全集成的系統(tǒng)級(jí)芯片，該芯片集成符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz收發(fā)器、32位ARM Cortex?M3微處理器、FLASH閃存、RAM儲(chǔ)存器和其他通用外設(shè)。在保持低功耗的基礎(chǔ)上， 采用32位ARM Cortex?M3內(nèi)核，它有別于其他的[816]位處理器，其提供更強(qiáng)大的處理能力，并有廣泛的ARM開(kāi)發(fā)工具，群體支持；芯片內(nèi)部帶有功率放大器，發(fā)射輸出功率可達(dá)7 dBm，無(wú)需外部功放就可以獲得較遠(yuǎn)的通信距離[7]。

圖3 IPv6無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2.2 嵌入式網(wǎng)關(guān)

嵌入式網(wǎng)關(guān)主要由STM32F107，STM32W108和DP83848三部分電路模塊構(gòu)成。STM32F107也是由ST公司推出全新SMT32互聯(lián)型系列控制器中的一款性能較強(qiáng)的產(chǎn)品，此芯片集成各種共性能工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，并且STM32F10X不用型號(hào)產(chǎn)品在引腳和軟件上具有完美的兼容性，可以輕松適應(yīng)更多的應(yīng)用。此芯片的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)包括10個(gè)定時(shí)器，2個(gè)12位A/D，2個(gè)12位D/A，2個(gè)I2C接口，5個(gè)USART接口，3個(gè)SPI接口，高質(zhì)量數(shù)字音頻接口I2S。另外擁有全速USB（OTG）接口，2個(gè)CAN 2.0B接口和10M/100M以太網(wǎng) MAC模塊。STM32F107內(nèi)部自帶以太網(wǎng)模塊，以及嵌入式網(wǎng)關(guān)無(wú)需用戶(hù)顯示界面，不需要性能很高的處理器，所以選用性?xún)r(jià)比較好的STM32F107處理器。

DP83848是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體（NS）公司生產(chǎn)的集成以太網(wǎng)控制芯片，是一種10M/100M單路物理層以太網(wǎng)收發(fā)器器件，支持MII和RMII接口模式，集成度高，具有全功能、低功耗等性能。本系統(tǒng)采用RMII接口，配置成100 Mb/s以太網(wǎng)模式。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

節(jié)點(diǎn)“N”和“R”移植Contiki操作系統(tǒng)，Contiki系統(tǒng)由瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)研究所開(kāi)發(fā)，是一個(gè)開(kāi)源多任務(wù)事件驅(qū)動(dòng)操作系統(tǒng)，專(zhuān)為網(wǎng)絡(luò)嵌入式設(shè)備設(shè)計(jì)。輕量級(jí)的足印很適合內(nèi)存有限的MCU。一個(gè)Contiki系統(tǒng)只需2 KB的RAM和40 KB的ROM。包含一個(gè)事件驅(qū)動(dòng)的內(nèi)核，使用輕量級(jí)的protothreads進(jìn)程模型，可以在事件驅(qū)動(dòng)內(nèi)核上提供一個(gè)線性的、類(lèi)似于線程的編程風(fēng)格，Contiki操作系統(tǒng)可運(yùn)行于各種平臺(tái)[8?9]。

在Windows系統(tǒng)環(huán)境下，采用Cygwin開(kāi)發(fā)平臺(tái)。Cygwin是許多自由軟件的集合，最初由Cygnus Solutions開(kāi)發(fā)，在各種版本的Microsoft Windows上運(yùn)行Unix類(lèi)系統(tǒng)。在Cygwin環(huán)境下移植Contiki操作系統(tǒng)，需要另外借助EWARM編譯工具。安裝好相應(yīng)軟件后，打開(kāi)Cygwin軟件，需要設(shè)置編譯軟件PATH環(huán)境變量。命令如下：

exportPATH=/cygdrive/c/Program＼Files/IAR＼Systems/Embedded＼Workbench＼5.4＼Evaluation/arm/bin：$PATH

智能節(jié)點(diǎn)軟件流程圖如圖4所示，智能節(jié)點(diǎn)上電初始化之后，處于監(jiān)聽(tīng)嵌入式網(wǎng)關(guān)的狀態(tài)。一旦嵌入式網(wǎng)關(guān)發(fā)來(lái)無(wú)線數(shù)據(jù)包，智能節(jié)點(diǎn)就對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析。如果是監(jiān)測(cè)家電狀態(tài)的指令，智能節(jié)點(diǎn)就查詢(xún)當(dāng)前家電的狀態(tài)，把數(shù)據(jù)打包之后通過(guò)射頻模塊發(fā)送給嵌入式網(wǎng)關(guān)；如果是控制指令，智能節(jié)點(diǎn)將會(huì)控制家電的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，完成指令控制后，智能節(jié)點(diǎn)也會(huì)通過(guò)射頻模塊向嵌入式網(wǎng)關(guān)發(fā)送應(yīng)答信號(hào)。

圖4 智能節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

3.2 嵌入式網(wǎng)關(guān)

嵌入式網(wǎng)關(guān)內(nèi)部有2個(gè)獨(dú)立的操作系統(tǒng)，其中STM32F107處理器移植μC/OS操作系統(tǒng)[10]，STM32W108移植Contiki系統(tǒng)。操作系統(tǒng)之間通過(guò)Uart協(xié)議通信，通信自定義幀格式如表格1所示。自定義幀由幀頭、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)、節(jié)點(diǎn)地址與端口號(hào)、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)、傳感器類(lèi)型、節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)、保留字節(jié)和幀尾組成，長(zhǎng)度為16 B。通過(guò)讀取節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)和節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，客戶(hù)端就可以監(jiān)測(cè)和控制傳感器節(jié)點(diǎn)。幀格式保留2 B，當(dāng)有更多的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，保留的字節(jié)可以直接擴(kuò)展。

表1 自定義幀格式

嵌入式網(wǎng)關(guān)軟件流程圖如圖5所示，網(wǎng)關(guān)上電初始化之后，處于監(jiān)聽(tīng)UDP端口信息狀態(tài)，等待客戶(hù)端的訪問(wèn)。一旦有客戶(hù)端訪問(wèn)，需要驗(yàn)證客戶(hù)端的遠(yuǎn)程口令是否正確。如果口令不正確，不再解析數(shù)據(jù)包，返回監(jiān)聽(tīng)UDP端口信息狀態(tài)；如果口令正確，將會(huì)解析數(shù)據(jù)包。解析后的數(shù)據(jù)包由網(wǎng)關(guān)的射頻模塊向IPv6無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送無(wú)線數(shù)據(jù)。在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，不管IPv6無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)有無(wú)響應(yīng)嵌入式網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)都會(huì)向客戶(hù)端返回指令響應(yīng)狀態(tài)的應(yīng)答信號(hào)。

3.3 Android客戶(hù)端

客戶(hù)端用Android手機(jī)為載體，軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。在登錄界面用戶(hù)輸入嵌入式網(wǎng)關(guān)的IP地址、UDP端口號(hào)和遠(yuǎn)程口令，點(diǎn)擊界面“登陸”按鈕后，軟件通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)向嵌入式網(wǎng)關(guān)發(fā)送登陸命令，如果通過(guò)嵌入式網(wǎng)關(guān)的遠(yuǎn)程口令驗(yàn)證，軟件進(jìn)入功能界面；如果沒(méi)通過(guò)嵌入式網(wǎng)關(guān)的遠(yuǎn)程口令驗(yàn)證，軟件則停留在登錄界面。功能界面提供友好的操作，軟件等待用戶(hù)按下觸屏按鈕，一旦按鈕被按下，軟件向嵌入式網(wǎng)關(guān)發(fā)送相應(yīng)的指令后，等待嵌入式網(wǎng)關(guān)響應(yīng)，軟件根據(jù)響應(yīng)的信息更改對(duì)應(yīng)的界面顯示。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

圖7為手機(jī)客戶(hù)端登陸界面，輸入正確的嵌入式網(wǎng)關(guān)IP地址、UDP端口號(hào)以及遠(yuǎn)程口令訪問(wèn)嵌入式網(wǎng)關(guān)。系統(tǒng)需要測(cè)試無(wú)線數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸。在客戶(hù)端側(cè)安裝網(wǎng)絡(luò)抓包工具，并開(kāi)啟手機(jī)root權(quán)限，捕獲發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)。圖8為UDP數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸數(shù)據(jù)信息，與自定義幀格式一致。圖9為客戶(hù)端功能操作界面。

圖5 嵌入式網(wǎng)關(guān)軟件流程圖

圖6 客戶(hù)端軟件流程圖

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出一種基于6LOWPAN的智能家電監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)的非侵入解決方案，對(duì)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行論述，最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。系統(tǒng)各模塊正常穩(wěn)定工作，實(shí)現(xiàn)IPv6無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)，用戶(hù)通過(guò)客戶(hù)端可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制家電的目標(biāo)。

圖7 客戶(hù)端登陸界面

圖8 抓包信息

圖9 功能界面

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