面向智能家居的嵌入式傳感網網關的研究與設計

0 引言
智能家居系統是為適應現代化家庭生活而形成的一個形式多樣化的網絡系統。它是現代3C技術(計算機技術，通信技術，控制技術)與傳統家居系統相結合的產物，是家居信息化未來的發展方向。智能家居網絡通常包括智能家居網關，外部網，安防設備等。智能家居網關與其他4個部分連接，交互信息，對它們進行統一的管理。此外，智能家居網關還接入外部網絡，使用戶能夠遠程實時控制管理家庭內部網絡。
在本文中，智能家居網絡是指應用于家庭環境的無線傳感器網絡。在家庭中，部署各種傳感器，例如紅外傳感器，煙霧傳感器，RFID門磁傳感器來監測家庭的一些環境信息，這些傳感器通過自組織方式就構建了智能家居網絡。所以本文設計的智能家居網關主要是實現WSN網絡與Internet以及GSM網的互連。顯然，智能家居網關是整個家庭網絡的核心，主要實現Internet網，GSM網的接入，遠程控制，以及實現協議轉換連接家庭內部異構網絡的功能。目前基于PC方案的家庭網關不僅成本高，而且要求計算機一直處于開機狀態，因此，對于普通的用戶，家庭網關應采用廉價的嵌入式CPU，若單是采用8位或者16位的單片機，由于速度慢且資源有限，不能實現復雜的控制，效果不理想。
因此，以ARM920T核處理器S3C2440為主處理器，家庭內部通過JENNIC 5139射頻模塊自組織無線網絡。GSM模塊選用Wavecom GSM模塊。此外，本文用Qt設計了用戶可操作的觸摸屏界面。

1 網關需求分析
網關系統的主要功能是在現場及遠程終端監控家庭各個傳感器的工作狀態，并在異常時報警。各個傳感器將各自采集的信息，經過JEN-NIC射頻模塊的無線傳輸，傳送到網關系統上，通過嵌入式微處理器操作系統，將信息通過有線或者無線方式傳送到遠程終端上或者用戶手機上。網關部署如圖1所示。

本文要實現的目標有以下3個：
(1)實現用戶在任何時間，任何地點通過遠程無線的方式對家庭內的環境信息查詢；
(2)對家庭內部的環境信息進行實時監控，當其中某一項參數超過一定指標時，以遠程無線方式通知用戶，發送報警信息；
(3)監聽遠程終端的連接請求，當有遠程Socket連接時網關發送數據。

2 網關總體設計
現階段大部分的家庭網關聯網方式主要為有線接入，本文提出了一種基于ARM處理器和GSM網絡，以linux為操作系統的家庭網關無線接入方案，目的是能通過手機短信或者遠程終端對控制節點進行遠程控制。并使用JENNIC無線射頻模塊實現家庭內部子網采集數據的無線傳輸。
網關系統的總體結構圖可以簡化為硬件層和軟件層。硬件層由高性能的微處理器和多個功能模塊組成。軟件層由嵌入式操作系統以及應用軟件構成，其具體結構如圖2所示。

3 家庭網關硬件設計
本次網關設計的硬件層主要采用嵌入式的ARM9開發平臺。嵌入式ARM處理器具有體積小，功耗低，成本低，性能高等特點，是十分優秀的RISC處理器。其中三星公司的S3C2440是一款優秀的ARM9核心處理器，具有400 MHz的主頻，內部集成多個功能模塊，支持NAND-flash啟動等特點，是目前市場上最常見的嵌入式處理器芯片。因此，本系統擬采用S3C2440處理器為核心處理器。
考慮主控制器擴展出來的串行接口數量有線，程序的調試，燒寫，傳感器節點等都需要串行接口。所以，選擇了AU9254這款USB PUB芯片來實現USB串行口的擴展。以太網控制器和配合擴展的RJ 45接口主要用于與Internet網絡互聯。射頻收發模塊和GSM無線模塊擬采用標準的串口集成到網關上。人機接口打算使用LCD觸摸屏，可以方便地觀察節點的配置以及檢測環境的變化。JTAG接口將引導加載程序燒寫在網關中。具體的硬件架構圖如圖3所示。