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基于802.11b和Zigbee相结合的信息家电系统的设计

胡笛; 刘宏; 郑群花| 信息家电,嵌入式系统,家庭网关,Zigbee,802.11b| 2010-11-24
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【中心议题】

  • 给出了基于802.11bZigbee两种无线网络技术的信息家电系统总体框架
  • 阐述了实现该系统的几个关键问题

【解决方案】

  • 家庭网络中的信息家电之间通过家庭网关进行数据通信
  • 采用ARM9 S3C2410芯片和uclinux操作系统

ZigBee技术建立在IEEE802.15.4标准基础上,是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本、网络容量大的无线传感网络技术,主要适合于承载数据流量较小的业务。相对于现有的各种无线通信技术,ZigBee技术是最低功耗和成本的技术。而与ZigBee技术相反,802.11b是一种远距离、复杂度较高、高功耗、高数据速率(11Mbps)、高成本的无线网络技术。目前在无线局域网中得到了较为广泛的应用,十分便于接入Internet。基于ZigBee技术的无线传感器网络具有可快速部署、成本低等优点。十分适合于家庭网关发送对信息家电的控制通信。但是,由于ZigBee技术是一种低数据速率的无线传输技术,它一般传输的数据量较小,而在信息家电系统中,除了低数据速率的控制数据外,还有需要大量数据传输率的设备,如手提电脑,家庭无线摄像监控设备,无线打印机,wifi手机等,这对于ZigBee技术是个难点,很难完成,但是对于802.11b则易如反掌。由于ZigBee802.11b技术具有很强互补性的特点,决定了将其结合起来能很好的满足信息家电无线网络系统的各种需求。

1系统总体方案

智能家居网络的总体结构划分为外部网,家庭网关和家庭控制子网三个部分,家庭网关从逻辑上又可划分为家庭主网网关和家庭控制子网网关。外部网可以是小区局域网,有线电视网,电话网和Internet等,大多采用比较成熟的技术。家庭控制子网则是用于互连家庭内部各种信息家电设备的局域网。每个信息家电设备即为通信的一个终端,各信息家电设备之间相互独立,某一个设备出现故障时不影响到其他节点的运行。家庭网关是连接家庭控制子网和外部网的连接设备,它将家庭控制子网接入外部网,为外部网络提供对家庭内部联网设备的控制功能,同时家庭网关允许家庭控制子网可以采用不同的联网技术,家庭网关从逻辑上可划分为主网网关和子网网关。外部网络接入技术应用在家庭主网网关,是家庭对外的桥梁。家庭与外界的沟通和互动都是通过外部网络接入技术来实现。子网网络连接技术应用在家庭子网网关,是建立在信息家电基础上的。通过内部网络连接技术,可完成各式各样家电(如空调、洗衣机等)的连接,从而实现智能化家域网的构建。

 

在家庭控制子网中,对于网络中中传输数据量较小的设备,我们使用zigbee技术将其与家庭网关进行无线连接,对于网络传输数据量较大的设备,我们使用802.11b技术将其与家庭网关进行无线连接。

信息家电系统的总体结构框图如图1所示。

本文家庭网关采用SAMSUNG公司的ARM9 S3C2410嵌入式处理器。在家庭网关中嵌入基于zigbee芯片的无线网络收发模块和一块无线网卡,在信息家电设备中嵌入基于zigbee芯片的无线网络收发模块或者嵌入一块支持802.11b的无线网卡,从而实现家庭网关和家庭控

制子网内各个信息家电设备的无线连接和数据传送。

2硬件设计

2.1 ZigBee技术

ZigBee是一种新兴的近距离,低复杂度,低功耗,低数据速率,低成本的无线网络技术,ZigBee采用自组织(Ad-hoc)方式组网。这种构架被称为无基础构架的无线局域网(Ad-hoc Wireless LAN),这种架构对网络内部的设备数量不加限制。并可随时建立无线通信链路。协调器一直处于监听状态,一个新添加的终端节点会被网络自动发现。

 

2.2 802.11b技术

IEEE 802.11b工作的2.4GHz频带是免费可用的,并且能完全兼容原来的IEEE 802.11标准,因此一经推出便得到了用户的认可,是现今最为流行的无线局域网标准。IEEE 802.11b也称为Wi-Fi,采用直接序列扩展频谱(DSSSDirect Sequence Spread Spectrum)和补偿编码键控(CCK)调制技术,其最大信息传输速率为11Mbps,无论是组建家庭无线局域网还是中小企业的内部无线局域网,IEEE 802.11b都能基本满足使用要求。由于使用开放的2.4GHz频段,因此IEEE 802.11b无需申请频率使用许可证,既可作为对有线网络的补充,又可自行独立组网,灵活性很强。

2.3万能遥控器

万能遥控器是家庭控制子网的移动控制设备。万能遥控器通过无线通信方与家庭控制子网网关通信,从而完成对各种信息家电设备的操控。图2反映了万能遥控器与信息家电之间的通信过程。

万能遥控器主要具有以下功能:

1)万能遥控器通过与家庭控制子网网关通信,实现对所有家庭控制子网设备集中管控;

2)万能遥控器提供友好的图形化控制界面,使用户能够方便直观地操作和控各个信息家电设备。

 

2.4家庭网关

家庭网关是智能家居系统的核心部件,它实际上就是一个功能齐全的嵌入式系统,硬件设计上采用功能强大的S3C2410芯片加上其他功能模块,并且外接一个zigbee无线收发模块,用以实现对嵌入ZigBee无线模块的信息家电设备的控制和数据传输。同时为了实现家庭网络基于IEEE 802.11b的无线网络传输,家庭网关上就需要有一个支持IEEE 802.11b的模块。现有的IEEE 802.11b无线网卡多用PCMCIA卡,由于三星公司的ARM9-2410EP已经提供PCMCIA卡的控制接口,所以可以直接连接PCMCIA接口的无线网卡,用以实现对嵌入无线网卡的信息家电设备的控制及数据传输。软件上主要是移植嵌入式Linux操作系统,并在其上开发驱动程序,应用程序。

其硬件结构如图3所示。

家庭网关对外可以提供各种远程智能控制接口。操作者可以通过任何一台连接到InternetPC访问家庭网关,在网关上使用ZigBee技术和802.11b技术实现网关与家庭控制子网内的信息家电的无线连接,操作者可以通过Internet对家中的信息家电终端节点进行控制和状态监测,同时操作者也可以通过嵌入ZigBee收发模块的万能遥控器对家中的信息家电终端节点进行控制。

在家庭网关的设计上,为了实现家庭控制子网与外部网的连接,协议转换以实现远程控制。为了使用户可以在Internet上通过浏览器控制家庭网络,需要在网关上架设web服务器与用户进行通信,并通过CGI接口调用后台CGI程序。CGI程序在web服务器和控制程序间建立联系,调用具体的控制程序,实现对家庭网络终端节点的指定操作。

 

3基于ZigBee技术与802.11b技术的家庭控制子网网络模型

建立一个无线网络首先要选择一个合理的网络拓扑,家庭控制子网这样的小型局域网通常采用星型网络结构,它结构简单,连接容易,容易扩展和管理。同时家庭控制子网的无线网络连接距离较短,一般在100以内,而ZigBee技术的最大传输距离为150802.11b技术支持室内100,室外300的传输距离,因此这两种无线技术采用星型拓扑结构完全能满足家庭网络的需要。

在基于ZigBee技术的星型网络中,支持两种类型的物理设备,全功能设备和精简功能设备。

1)全功能设备(FFDFull Function Device)的特点:支持任何拓扑结构,可以成为网络协调器或路由,能和任何设备通信。

2)精简功能设备(RFDReduced Function Device)特点:只用在星型拓扑中,不能成为网络协调器,只能和网络协调器通信,实现非常简单。

FFD内嵌入到家庭网关中,成为网络协调器,它采用连接式电源,配置较多的存储空间,完成建立网络和与信息家电设备进行

通信,控制信息家电设备,对终端节点实现唤醒,查询,控制等操作,并支持低延迟设备等。每一个终端节点都是一个RFD,它内嵌在某个传感器或信息家电设备内部,实现记录当前状态,等待查询,控制命令等。终端设备的通信必需通过协调器才能完成。

在基于802.11b技术的无线网络中,采用点对点模式。点对点模式是指无线网卡和无线网卡之间的通信方式。对于小型的无线网络来说,这是一种非常方便的互联方案,最多可连接256台嵌入无线网卡的家电设备,足以满足家庭网络的需要。因此,基于这两种无线网络技术的家庭控制子网网络模型如图4所示。

 

4软件设计

4.1家庭网关软件的总体结构

嵌入式家庭网关的软件总体结构如图5所示。整个软件在uclinux操作系统上开发。核心控制模块是整个软件的核心,主要负责处理下层硬件驱动与上层通信协议、配置程序之间的交互;配置和支持程序用于对家庭网关进行设置;串口驱动、PCMCIA接口驱动和无线网卡驱动用于直接控制相应的硬件以实现家庭网络基于ZigBeeIEEE 802.11b的无线传输;而PSTN接口驱动和以太网网卡驱动则分别用于直接控制PSTN接口和以太网接口,从而实现通过PSTNInternet对家庭网络的接入控制。

4.2家庭网关中程序的执行流程

本系统中采用的操作系统是uclinux。它是一个嵌入式多任务实时操作系统,具有简洁高效,易于移植,可裁剪等特点。针对本系统各模块设计了相应的独立任务完成所需的功能,主要包括主程序任务,信息家电控制任务,远程控制任务。主程序任务是其他各任务的创建者,由它来管理各个任务的创建及运行。故程序运行时首先创建主程序任务,它的显示界面将提供其他各任务的进入菜单。整个程序运行过程如图6所示。

 

从图中可以看到。系统上电后,首先进行系统初始化(包括LCD,中断,串口等的初始化)。再进行Zigbee网络的硬件和802.11b无线网卡的初始化。再进入操作系统ucLinux的载入及初始化,接下来再进入操作系统ucLinux创建主程序任务,主程序任务又进而创建其他任务。

5结束语

由于ZigBee802.11b各自存在较为明显的特点,许多特性是相互补充的,因此将二者相结合具有很好的应用前景。本系统结合ZigBee802.11b各自的优点,在ARM9 S3C2410芯片的基础上,建立了一种信息家电无线网络系统。此系统的结构清晰,成本低,并具有较好的扩展性。用户在增加家电设备时,只需要在新增加的家电设备中嵌入ZigBee模块或者一块支持802.11b技术的无线网卡,家庭网关就能自动对其进行编址,从而实现对它的控制与监测,安装容易,配置灵活,既方便又快捷。

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