基于ARM平臺的智能家居網關設計

摘 要： 介紹智能家居網絡各種傳輸介質的優缺點，設計一種基于電力線傳輸的簡化分時發送協議。在此協議基礎上，提出一種基于ARM平臺的智能家居網關設計方案。根據系統設計的要求，進行無線WiFi、電力傳輸、以太網等模塊的電路設計和相應的網關軟件流程設計。最后，通過系統調試證明該系統電路簡單、設計合理且實用性強。

關鍵詞： 分時發送； S3C6410； PL3106； 軟件流程

中圖分類號： TN926?34； TP277 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）20?0121?04

Abstract： The advantages and disadvantages of various transmission mediums for smart home network are introduced in this paper. A time sharing delivery protocol based on power line transmission is designed. Based on the protocol， a design scheme of the smart home gateway based on ARM platform is proposed. According to the system design requirements， the circuit design of wireless WiFi， power transmission， Ethernet modules and the process design of the corresponding gateway software are conducted. The system debugging result shows that the circuit is simple， and its design is rational and practical.

Keywords： time delivery； S3C6410； PL3106； software process

智能家居網絡是指在家庭內部通過某種有線或無線的傳輸介質，采用一定的通信協議來實現家電設備之間互聯互通的一種信息傳輸網絡[1?2]。實現智能家居網絡主要有3類主流技術：總線技術、短距離無線通信技術和電力線載波通信技術。總線技術采用雙絞線總線結構，需增加額外布線；短距離無線通信技術穿墻能力差，需要路由器且存在死角；電力線載波技術避免了上述2種技術的缺陷，是未來智能家居網絡的一種不可或缺的技術實現方案。

1 系統總體設計及主要芯片選型

本設計著重于電力線傳輸協議和網關設計。基于ARM平臺實現協議轉換、路由選擇和遠程控制等功能。

1.1 電力線傳輸協議設計

利用電力傳輸線來監控智能家居設備，避免了CAN總線或者以太網所需的額外布線，也能解決無線傳輸穿墻時信號嚴重衰減的缺點。電力線傳輸的信道條件較差，所以需要專門的物理層規范設計。由于是小范圍聯網，數據量小，實時性要求較低，無需復雜芯片，可采用簡化的MAC層協議，使用分時傳輸的發送方式[3?4]。

文中不采用CSMA/CD載波監聽多點介入/碰撞檢測協議，轉而設計一種簡化的分時發送機制。在下列時間節點，若網絡空閑，設備或網關便可主動發送數據：0 ms網關發送；100 ms設備1發送；200 ms設備2發送；300 ms設備3發送；以此類推。

在上述約定的分時發送時間，沒有任何從設備或網關正在進行通信，此時可認為網絡空閑；否則推遲發送等待下一次機會。網關控制器每隔一段時間發送校時信號，重啟發送時序。以上協議可有效避免“碰撞”出現，在實時性要求較低的情況下獲得較高的線路利用率。簡化的分時發送機制傳輸協議分層結構如圖1所示。

網關分時發送機制傳輸協議應用層實現主要通過CPU實現，MAC層和PHY物理鏈路層主要通過單片機PL3106實現。PL3106帶有PSK調制功能，中心頻率為120 kHz，最大波特率[5]為500 b/s。利用單片機編程，該芯片可完成全部MAC層、物理層和部分應用層的功能。分時發送機制傳輸協議分層硬件設計，如圖2所示。

1.2 網關設計

1.2.1 功能需求

具有無線路由器功能，可實現電力傳輸協議、IEEE 802.11協議、以太網協議之間的轉換。主芯片選擇S3C6410是因其強大的處理功能，符合路由器實時處理的要求，同時能提供多種服務功能[6]。

1.2.2 主動和被動工作模式

在主動工作模式下，網關按照配置好的命令直接控制家電設備運行。在被動工作模式下，網關對電力線上傳來的數據作協議轉換處理，以UDP形式在WLAN和以太網上進行廣播，使PC機能接收到設備信息。同時對PC機傳來的設備命令作協議轉換，發送到電力傳輸線上，使設備能接收到PC機的指令。無論哪種模式下，在家電設備看來，控制者均是網關。網關屏蔽了外部環境的差異。被動模式中的地址解析流程，如圖3所示。

從設備A到PC的工作原理為：

（1） 設備A發送MAC幀，源地址00，目的地址01；

（2） 網關收到該幀，拆出用戶數據DATA；

（3） 網關組裝UDP數據報，目的端口10；

（4） 網關根據圖3中表1，組裝報文，源地址192.168.1.2，目的地址為廣播地址；

（5） 網關在以太網廣播該幀；

（6） PC端監聽UDP端口10，收到數據包；

（7） PC端根據圖3中表2得知這是設備A發出的數據，據此做出反應。

從PC到設備A的工作原理：

（1） PC端生成用戶數據DATA；

（2） PC端組裝UDP數據報，目的端口10；

（3） PC端根據圖3中表2組裝IP報文，源地址192.168.2.2，目的地址192.168.1.2；

（4） PC端發送以太網幀到默認網關；

（5） 網關監聽UDP端口10，收到數據報；

（6） 網關發現目的IP地址為192.168.1.2，在電力線上；

（7） 網關拆出用戶數據，根據圖3中表1組裝MAC幀，目的地址00，源地址01。

1.3 系統結構

三星S3C6410是一款16/32位RISC微處理器。基于ARM11內核，可外接大容量RAM和ROM，擁有多個SDIO接口和UART接口。基于該芯片的網關系統框圖，如圖4所示。

2 網關的軟硬件流程設計

2.1 網關硬件電路設計

硬件部分主要包含無線WiFi收發模塊、電力傳輸模塊和以太網電路模塊等，下面介紹這些硬件的電路設計及原理。無線WiFi芯片AW?GM320使用3.3 V供電，通過SDIO接口與CPU連接，AW?GM320外圍電路如圖5所示。

PL3106帶有PSK調制功能，中心頻率為120 kHz，最大波特率[7]為500 b/s。PL3106通過串口與處理器連接，利用單片機編程，該芯片可完成全部MAC層、物理層和部分應用層的功能，但仍需外加載波發送/接收電路。

PL3106單片機電力傳輸芯片電路，如圖6所示。

網關發送數據時，載波發射信號由PL3106芯片的PSK_OUT引腳輸出，波形視具體配置而定。載波發射信號經過由三極管VT1～4組成的互補推挽放大電路后，具備較好的帶負載能力，電路中的二極管VD1，VD2，VS1，VS2起到了保護放大電路的作用。載波發射信號的功率大小與供電電源相關，提升供電電源電壓便可增加發射功率，從而加大了通信距離。信號輸出耦合電容C1及電感L1是對輸出信號進行低通濾波，減少諧波信號對電網的干擾，經過濾波后的信號可由耦合線圈直接耦合到電力線上。

網關接收數據時，載波接收電路對耦合的載波信號進行帶通濾波處理。根據公式：

利用并聯諧振回路原理可對輸入信號進行選頻。當諧振中心頻率[fc]為120 kHz，假如選取電容C12=0.15 nF時，則電感L2=1.17 mH。這里選擇為標稱電感值1 mH。為了保護后級電路，二極管VD3，VD4將選頻后的輸入信號電壓嵌位到±0.7 V。輸出信號通過C2耦合到SIGIN管腳并由單片機PL3106進行載波檢測并譯碼。

TCP/IP協議和以太網協議可利用軟件實現，CPU只需通過串口連接HS9016隔離變壓器實現電壓轉換。HS9016隔離變壓器硬件連接電路，如圖7所示。

2.2 網關軟件流程設計

整個系統以嵌入式Linux為基礎，由Linux提供進程管理、設備管理、文件系統管理等基礎功能。在Linux的基礎上，添加各類應用層協議程序模塊，包括DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，動態主機配置協議），Web Server網頁服務器，RIP路由信息協議，NAT（Network Address Translation，網絡地址轉換），Firewall防火墻，SNMP簡單網絡管理協議等，各層軟件程序結構如圖8所示[8?9]。

在IP層，所有發往電力傳輸線網絡的數據包被過濾，由服務器進程解包、識別和轉換之后直接發往PL3106芯片。同理，PL3106芯片接收的數據包不能直接在IP網絡上傳輸，必須交由服務器進程添加必要信息并進行地址轉換之后才能發往以太網或無線網，供PC機處理。

按照先前的配置直接控制家電設備的運行，通過Web Server 接收遠程配置，只是服務器進程變為監控進程而已。

3 系統調試

本系統調試主要分為單片機PL3106載波收發和ARM?S3C6410控制AW?GM320無線收發兩部分。

（1） 為了提高ARM的工作效率，單片機接收到UART口的控制命令后，載波發射和接收采用外部中斷的方式來完成對數據的處理。下面給出調試核心的中斷程序Timeint0和載波發送程序PL_pro相關代碼。

其次，加載和編譯源代碼。在 “eclair＼vendor＼sec_proprietary＼”目錄下建一個目錄，放上驅動和firmware文件并從Android.mk中將文件拷貝到設備對應目錄即可。由于驅動對應的上層接口是通過wpa_supplicant中間層實現的，因此也要保證wpa層能正確的識別設備。

4 結 語

隨著對家居設備的人機友好性提出了更高的要求，需要建立完善的智能家居系統。因此，對智能家居系統網關的研究已成為熱點。本文提出簡化的分時發送傳輸機制，符合當前應用的發展方向，設計實現的基于ARM平臺的智能家居網關系統，為同類設計提供了參考。

參考文獻

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