面向智能家居應用的ZigBee-WiFi網關①

岑榮瀅, 姜 琴, 扈健瑋, 孫夢莉

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面向智能家居應用的ZigBee-WiFi網關①

岑榮瀅, 姜 琴, 扈健瑋, 孫夢莉

(青島工學院信息工程學院, 青島 266300)

ZigBee和WiFi是智能家居設備常用的兩種無線通信技術, 針對智能家居設備使用ZigBee自組網無法和用戶WiFi網絡中的智能終端直接通信的問題, 設計面向家庭應用環境的ZigBee-WiFi無線網關. 網關采用S3C6410作為控制核心, 運行Linux操作系統, 以USB連接無線網卡, 以DMA通道連接CC2530模塊. 通過信道掃描切換的方案解決ZigBee和WiFi兩種信號之間相互干擾的問題, 通過數據線連接的方式給要加入ZigBee網絡的新設備分發密鑰. 實驗表明, 所實現的無線網關信號穩定, 丟包率低, 實用性強, 在智能家居系統中運行穩定、可靠.

ZigBee; WiFi; 無線網關; S3C6410; 智能家居

智能家居在近年的發展迅速, 使用家庭戶數從2002年的2萬戶, 經過2007年的45萬戶, 直達2010年的68萬戶[1]. ZigBee和WiFi無線通信技術在智能家居系統中得到普遍的應用, 并且在同一智能家居系統中往往同時使用這兩種技術, 并通過異構網網關實現互聯, 以實現不同網絡中終端的信息交互.

網關是一種充當轉換重任的計算機系統或設備, 是連接不同網絡的軟件和硬件的結合體. 在使用不同的通信協議、數據格式或語言甚至體系完全不同的兩種系統之間, 網關是一個翻譯器; 通過重新封裝數據信息以使得它們能被另一個系統讀取, 以適應目的系統的需求[2].

本文研究并設計了一種面向智能家居應用的WiFi與ZigBee網關, 實現異構網絡中的終端在家居環境下的數據交互, 解決兩種信號都工作在2.4GHz的ISM頻段會產生的干擾問題, 并通過miniUSB連接的方式給新的需要連入ZigBee加密網絡的智能節點設備導入安全密鑰.

1　ZigBee-WiFi網關總體設計結構

ZigBee-WiFi異構網網關實現WiFi和ZigBee兩種通信協議之間的轉換, 使得入網設備不僅可以和WiFi或ZigBee各自網絡內的節點設備通信, 而且能夠使分別處在WiFi網絡和ZigBee網絡的節點設備實現相互通信[3].

網關的主要部件包括: 核心控制芯片, ZigBee模塊, WiFi模塊, 顯示屏和miniUSB接口, 如圖1所示.

圖1　網關總體結構圖

網關采用S3C6410為核心控制芯片, 運行Linux操作系統. 選擇S3C6410的原因是它集成了USB Host控制器, 可以直接從CPU引線出來, 不需要添加額外的控制芯片, 所以它的USB Host接口可以直接連接USB無線網卡[4]. 同時, S3C6410包含4個DMA控制器, 每個控制器由8個傳輸通道組成, 每個控制器提供16個外設DMA請求, 并且DMA控制器支持外部中斷響應, 即每個通道可以支持從內存到外設, 從內存到內存, 從外設到內存, 從外設到外設4種模式的數據傳輸[5].

ZigBee模塊采用CC2530模塊, 通過DMA通道與主控芯片相連. 使用DMA通道可以保證以較高速率傳輸數據而不占用CUP, 讓CPU能夠繼續完成其他工作[6], 能夠讓CC2530在傳輸數據給S3C6410時, CPU能夠繼續執行Z-Stack協議棧的其他重要任務.

WiFi模塊采用ralink3070模塊, 通過USB連接, 作為無線網卡使用. 使用WiFi模塊, 先要安裝無線網卡驅動, 步驟如下:

1.有效化解各類矛盾，保證各項工作平穩進行。一號煤礦在經營、生產、管理運行過程中，廠務公開使廣大職工通過知廠情、參廠政、議廠事，把矛盾化解在基層與企業，保證企業穩定發展。企業把職工關心、涉及其切身利益的重大事項向職工代表大會報告，向職工如實公開、接受廣大職工的監督，有效地維護了職工的各種權益。一號煤礦每年一度的區隊職工代表大會與礦職工代表大會都能廣泛征集職工意見，重視吸納職工的參與，集合集體智慧，尊重職工的知情權、參與權與監督權，深入基層，集中精力，最大限度地解決職工在生產生活中的各類問題，推行以職代會為基本形式的廠務公開，真正實現企業的民主管理。

(1) 修改內核源代碼, 加入驅動配置信息, 重新編譯內核;

(2) 編譯通過后會生成rt3070sta.ko驅動文件, 動態加載模塊#insmod rt3070sta.ko, 插入網卡, 能夠成功識別;

(3) 安裝Wireless Tools工具配置WiFi, 主要通過iwlist, iwpriv和 iwconfig命令來查看和設置WiFi信息.

WIFI和Zigbee兩種網絡協議的數據包格式不同.

CC2530執行的Z-Stack協議棧能夠處理ZigBee協議幀, Linux系統能夠形成WiFi協議幀. CC2530協調器在DMA通道以數據透明傳輸的方式把ZigBee數據傳入到網關, 在網關建立socket服務器, 將ZigBee協調器發來的數據傳入連接的客戶端, 將客戶端發送來的數據傳入ZigBee協調器. 無論開發者需要怎樣的節點對應關系都不需要對網關程序重新編寫, 而只要在ZigBee協調器和客戶端軟件上設置數據轉發對應關系.

WiFi和ZigBee互聯存在傳輸速率不匹配的問題, 如表1所示, 由于WiFi的數據收發傳輸數量大于ZigBee, 在網關內部WiFi端傳入數據到ZigBee端需要設置中間緩沖區. 模塊中設置數據中轉的緩沖區為512字節. 同時控制WiFi端傳入ZigBee端的每包數據在80字節以內, 發送間隔為5ms, 用以防止WiFi端數據傳輸速率過快使得緩沖區溢出導致的數據丟失[7].

表1 ZigBee與WiFi比較

2　ZigBee與WiFi信號干擾問題及解決方案

ZigBee和WiFi除了傳輸速率不同, 還存在信號干擾的問題. 如表1所示, 兩種無線方式都工作頻段都在2.4GHz, 擴頻方式都為DSSS, 兩者有信道重疊, 會產生干擾. 國內802.11信道1、6、11, 分別與ZigBee的11-14、16-19、21-24信道重疊, 與15、20、25、26信道不重疊[8]. ZigBee與WiFi在2.4GHz段的信道分布, 如圖2所示.

圖2　2.4GHz段ZigBee與WiFi信道分布對比圖

圖3　信道掃描選擇流程圖

通過讀取RSSI判斷信號接收質量, 當RSSI低于閾值, 開始掃描尋找干擾程度低的信道, 同時為了避免在各信道都繁忙時節點設備不停切換信道, 重新組網, 還要限制兩次信道切換間的最小時間間隔. 優先掃描ZigBee與WiFi不重合的第26、25、20、15信道, 更容易避開WiFi信號的干擾, 同時考慮到其他ZigBee網絡信號的干擾, 在這四個信道條件不滿足的情況下, 仍然需要繼續掃描其他信道.

為驗證網關的信道選擇功能實際效果, 在不受重疊干擾信道和受重疊干擾信道測試傳輸延遲和丟包率, 進行了4組對比實驗. I組為無干擾環境下, II組為不使用信道掃描, 設置ZigBee信道與WiFi干擾源網絡信道重疊, III組為不使用信道掃描, 設置ZigBee信道與另一ZigBee干擾源網絡信道重疊, IV組為使用信道掃描自動切換方案, 設置多個信道WiFi干擾源和ZigBee干擾源.

表2 傳輸性能對比

實驗結果如表2所示, 實驗結果表明, 網關在不使用信道掃描切換方案時, 受到其他WiFi信號和ZigBee信號干擾比較嚴重, 丟包數增多, 延遲增大, 在使用信道掃描切換時, 雖然切換信道期間的數據傳輸延遲會增大, 但是平均延遲和總體丟包率較無信道切換方案要低, 因而達到了設計的目標.

3　ZigBee-WiFi網關在家庭環境中的應用

家用ZigBee網絡及設備有很強的私有性, 網絡通信需要安全保護, 外來設備不經認證不允許接入, 家庭購置智能設備往往是逐漸購買, 連入網絡的設備是逐個添加, 但是ZigBee使用對稱加密的AES加密法, 這要求設備有相同的密鑰(KEY)才能連入網絡, 后加的設備無法得到當前網絡通信的密鑰(KEY), 不能正常入網通信, 這給使用ZigBee網絡的智能設備進入家庭造成了困難[9].

本文設計的網關以miniUSB連接的方式來給予新設備網絡密鑰. 智能家居設備和網關之間實現一次有線連接, 操作上并不困難. 當有新設備需要添加入網時, 通過miniUSB數據線連接到網關, 網關獲取新設備的MAC地址, 記錄到白名單, 注冊設備類型, 同時將網絡密鑰傳入新設備. 該節點獲取了入網密鑰就可以加入到當前ZigBee網絡中[10].

為了驗證WiFi-ZigBee網關在家庭環境中應用的運行情況, 本網關在ZigBee智能家居系統中進行實驗, 智能家居系統包括ZigBee家居設備網絡, WiFi-ZigBee網關, 智能手機和PC機, ZigBee家居設備網絡中包括安防傳感器, 家居環境傳感器和照明控制節點, 如圖4所示.

智能手機和PC機與網關連入同一個WiFi路由器, 在智能手機和PC機上能夠監測全部ZigBee節點設備的工作狀態和采集的數據, 可以控制照明燈的開關.

在ZigBee網絡中要添加一個新的照明燈節點, 先將照明燈節點與網關連接, 注冊設備MAC地址, 在上位機注冊該MAC地址設備的種類為照明燈, 照明燈節點獲取網絡密鑰, 自動連入網絡, 通過智能手或PC機可以成功控制照明燈開關, 如圖5所示.

圖4 智能家居系統結構圖

4　結語

傳統ZigBee組網設備只能一次部署完, 不能授予系統外的ZigBee新設備通信密鑰, 使得消費者不能逐步增加ZigBee智能家居設備. ZigBee和WiFi共同工作在2.4GHz頻段, 產生了相互間信號干擾的問題, 本文設計了一種面向家庭應用的ZigBee-WiFi無線網關, 以S3C6410為控制核心, 通過CC2530和ralink3070無線網卡連接ZigBee和WiFi網絡, 通過miniUSB連接要加入ZigBee網絡的新設備, 記錄MAC地址, 并授予入網密鑰, 使其接入原加密網絡. 通過設置數據緩存和采用DMA通信方式實現網絡速率匹配, 通過加入信道篩選, 頻率捷變的控制方案, 使得ZigBee和WiFi在2.4GHz頻段內盡可能避免干擾, 獲取更高的網絡傳輸性能. 經試驗證明該網關能夠實現ZigBee網絡和WiFi網絡中的設備的相互通信, 適合各種智能家居設備接入, 通信傳輸性能穩定優良. 使得人和智能家居設備的交互更加方便.

1 傅率智.智能家居安全網絡的一種新結構.中國高新技術企業,2016,1(8):9–10.

2 樊銳,李茹,王績一.藍牙/ZigBee無線網絡傳輸系統的設計與實現.計算機技術與發展,2013,23(1):209–213.

3 仲偉波,李忠梅,石婕,陳忠銘.一種用于設施農業的ZigBee-WiFi網關研制.計算機科學,2014,41(6A):484–486.

4 劉玉寶,霍春寶,張揚.USB無線網卡在嵌入式系統中的應用.遼寧工業大學學報,2008,28(6):364–366.

5 陳安地,李小文.基于S3C6410的DMA數據跟蹤技術在TD-LTE中的實現.電子技術應用,2012,38(5):19–22.

6 Hessel S, Szczesny D, Bruns F, et al. Architectural analysis of a smart DMA controller for protocol stack acceleration in LTE terminals. The Sixteenth IEEE International Conference on Embedded and Real-Time Computing Systems and Applications. Macau, China. 2010. 309–315.

7 胥嘉佳,許鳴.基于網關的ZigBee和WiFi互通設計.電子科技,2014,27(6):22–25.

8 張毅,吳錦,羅元,陳思璇.新型ZigBee-WiFi無線網關的設計及其抗干擾技術的研究.計算機應用與軟件,2014,31(5): 122–124,187.

9 曲金帥,陳楠,范菁,徐野.基于Zigbee-WiFi的異構無線傳感網實時數據融合機制研究.云南民族大學學報(自然科學版),2014,23(5):365–368.

10 董哲,宋紅霞.ZigBee-WiFi協同無線傳感網絡的節能技術. 計算機工程與設計,2015,36(1):22–29.

ZigBee-WiFi Gateway for Smart Home Application

CEN Rong-Ying, JIANG Qin, HU Jian-Wei, SUN Meng-Li

(School of Information Engineering, Qingdao University of Technology, Qingdao 266300, China)

In smart home applications, ZigBee and WiFi devices are two common wireless communication technologies. The problem is that the smart home devices in the ZigBee self-organizing networks can not directly communicate with the intelligent terminals in the WiFi networks. In order to solve this problem, a home-oriented application environment ZigBee-WiFi wireless gateway is designed. The gateway uses S3C6410 as the control core, runs on the Linux operating system, connects to a wireless network card with USB and connects CC2530 module with the DMA channel, which resolves the issue of mutual interference between ZigBee and WiFi signals by scanning and switching the transmission channels. Key is distributed to the new devices that join the ZigBee network by miniUSB connections. Experiments show that the wireless gateway has stable signal and less packet loss. It is stable and reliable in application of smart home system.

ZigBee; WiFi; wireless gateway; S3C6410; smart home

國家級大學生創新創業訓練計劃(201513995007);青島工學院大學生科技創新項目(2015cx006)

姜琴.Email:ritajq@126.com

2016-04-07;收到修改稿時間:2016-06-12

[10.15888/j.cnki.csa.005540]