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在无线智能平台上的家居控制网络设计

曹帅; 刘纯天| 智能家居,ARM9,Zigbee,编码| 2010-11-29
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【中心议题】

  • 提出在ARM9Zigbee技术结合的无线智能家居平台上采用编码的控制方式
  • 给出了采用编码技术的整个无线智能家居控制网络设计方案

【解决方案】

  • ARM9芯片为核心构建家庭网关,实现了外部网络与家居局域网的连接
  • Zigbee协调器模块与Zigbee路由器节点把不同家居接入平台,构成家居内部无线局域网

0引言

无线智能家居系统是家居建设发展的趋势。目前无线智能家居系统中控制平台与控制网络的无线通信技术发展成熟,控制对象多为智能家居。但智能家居在制造方面,至今全球并没有形成统一的标准协议,造成各智能家居系统在控制对象方面都具有针对性。在智能家居成熟并达到普及之前,这会严重制约智能家居系统的应用普及。把非智能化家居纳入无线智能家居系统的控制网络与智能化家居协调控制,这在智能家居的制造形成统一标准并普及之前,对于智能家居系统的应用与发展有着巨大的促进作用。

1无线智能家居控制网络设计的总体方案

无线智能家居控制网络的设计基于ARM9Zigbee无线智能家居系统。智能家居系统一般分为四部分:外部网,家庭网关,家庭局域网,家庭设备,如图1所示。本设计采用ARM9Zigbee无线通信技术设计的无线智能家居平台来构建家庭网关与家庭局域网。

ARM9处理器可通过网卡与Zigbee模块实现家居外网与内网的连接,实现家庭网关的功能,并且ARM9处理器具有良好管理控制能力,在载入操作系统后,应用程序开发方便。Zigbee通信技术混合型与点对点拓扑的网络结构便于家居的无线接入形成家居局域网。

家居局域网的家居设备可分为二部分:①针对本平台设计的智能家居,这部分由于针对平台设计,容易通过串口并口接入平台形成控制网络;②日常生活中的非智能化家居,这些非智能化家居通常是红外与无线电遥控的家居和开关量控制的家居(如电源开关)。把这些非智能化家居纳入家居的控制网络并与智能化家居协调工作,在控制技术与控制网络的结构方面进行研究与设计。

 

控制技术方面,很多日常生活中的家居都采用的是红外遥控与无线电遥控制技术。这两种技术互不干扰,控制原理都是控制器的编码电路根据控制指令产生一组二进制码,经发射电路调制载波发射出去,接收器接受解码后运行控制指令。在家居无线控制中,由于通信的保密性需求不强,通常采用固定的编码方式,编码指令容易分析得到。本家居无线控制网络在ARM9上运行软件根据控制端指令生成对应的二进制码,使控制平台对不同的采用了红外遥控与无线电遥控制技术的家居,只需在软件产生对应的控制编码,分别通过发射电路发送出去,即能控制目标。开关量控制采用继电器。

控制网络的结构在控制程序的设计中构建。针对不同控制对象与不同的控制方式,给每个控制对象一组二进制编码,这组编码含有Zigbee路由节点的IP地址,家居编号信息,控制方式信息,使家居无线控制组网方案在ARM9软件生成控制指令编码之前,软件能先对控制指令先进行分类与分级,既而找到控制对象。

在以上平台以及技术的基础上,可进行编码方式的家居控制网络的研究与设计。

2系统的硬件设计方案

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ZigBee/802.15.4协议自组织方式组网,如图2所示,这种架构被称为无线基础构架的无线局域网,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。Zigbee协调器一直处于监听状态,一个新添加的zigbee路由器节点(RFD)会被网络自动发现。这是一个很类似于互联网的分散式网络拓扑结构。如果一条路径连接失败,它允许节点通过网络找到新的路径。

 

2.2 ARM9Zigbee的嵌入式无线控制平台

ARM9芯片为核心构建家庭网关,实现了外部网络与家居局域网的连接。Zigbee协调器模块与Zigbee路由器节点把不同家居接入平台,构成家居内部无线局域网。手持通信设备,如手机,PDA,电脑,遥控器等控制终端通过平台实现外部网络对家居内部网络的短信与Web远程访问。

2.3家居局域网的构建

ZigBee网络协调器是整个家具局域网的中心,它负责的功能包括建立,维持和管理网络,分配网络地址等。Zigbee路由器节点连接家居设备:连接继电器控制电源开关,连接红外线发射电路与无线电发射模块分别控制红外遥控的家居与无线电遥控的家居,通过spi接口与智能化家居相互通信。本家居局域网的构建实现了智能化家居与非智能化家居在同一家居局域网工作。

 

3软件设计

ARM9采用linux操作系统,是现在已经是最为流行的一款开放源代码的操作系统。它具有精简的内核,性能高、稳定,多任务,能够提供完善的嵌人式GUI以及嵌入式XWifldWS,便于用户图形见面的开发。并且Linux内核的结构在网络方面是非常完整的,它提供了对包括十兆位、百兆位及千兆位的以太网,还有无线网络、Token ring(令牌环)和光纤甚至卫星的支持,使ARM9易于构建家庭网关。

从图5中看出,系统接通电源后,平台上的硬件先载入驱动初始化,在平台硬件正常工作后再载入Linux操作系统。在Linux环境下,创建的maintask任务包含所有的应用程序。图5中家居选择界面的红外与无线电遥控家居控制程序为应用程序之一,用QTE/QTopia作为应用程序图形界面GUI类库和桌面开发环境,BDB数据库软件设计控制编码数据库。

4总结

本文提出在的ARM9Zigbee技术结合的无线智能家居平台上采用编码的控制方式,把红外与无线电遥控,开关量控制的非智能化家居纳入一个智能家居控制网络,一方面丰富了智能家居系统的控制体系;另一方面由于本设计中可纳入本控制网络的红外于无线电遥控家居在日常生活中普及,构建智能家居系统时可降低成本并利于促进智能家居系统的普及应用。

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