智能家居系统网关设计

智能家居系统网关设计

孟亮

安徽省通信产业服务有限公司器材贸易分公司安徽合肥230001

摘要：过去，在对家庭网关设计过程中，以PC方案为基点，运行成本相对较高，且对计算机设备状态提出明确要求，故此为有效规避上述缺陷，本次研究设计了一类以ARM处理器为基础的S3C44B0与uCOS的无线家庭网关的软硬件系统。

关键词：智能家居系统；网关；设计措施；实现方法

智能家居系统作为一类形式多样的网络系统，其构建目的是对现代化家庭生活需求的迎合，可以被视为现代3G技术和传统家居系统相整合的产物，将是家居信息化后续几年的发展趋向。智能家居网络主要由智能家居网关、外部网、安防设备等构成。当下以PC方案为基点的家庭网关设计成本高、并规定计算机长时间处于启动可通行状态，故此难以有效迎合普通用户的主观需求。而科学设计嵌入式智能家居系统网关，能够借用浏览网页以及进行有关操作的方式，实现对家电的远程操控。

1网关需求分析

网关系统的功能主要是在现场以及远程终端设备商体现出来，对家庭各个传感器的运行状态进行监控，在其出现异常时第一时间发出报警信号。各传感器把各自采集的信息，经由射频模块的无线进程传导，发送至网关系统上，采用嵌入式微处理器对系统运行状态进行操控，借助有线或无线方式把信息传输至远程终端设备或用户手机上。

2系统软硬件结构设计

2.1系统硬件结构

在对智能家居系统网关设计过程中，将S3C44B0作为主芯片，以太网卡控制器应用当下最典型的RTL8019，借用SPI接口的CC2500射频芯片，和家庭无线自行组织网络实现射频通信，网关的作用是由外网TCPIP协议至内网自组织网络协议的互换。系统硬件结构示意图见图1，在图中，1，2，……n代表的都是无线节点。

图1系统硬件结构示意图

①CC2500芯片：CC2500是为一类运行成本相对较低的单片式2.4GHz，应用四线制的SPI和S3C44BO进行信息互动流通，硬件衔接过程极为简洁。CC2500作用是提供64B的先进先出的FIFO硬堆栈，在数据信息发送与接受环节中，GD00引脚电平会产生变动，故此将其和S3C44B0的外部中断引脚衔接，进而产生外部中断行为[1]。在系统有传送无线数据信号的需求时，需将传送的数据信息采用SPI口整合至CC2500芯片上进而发送至FIFO内，与此同时将一个发送指令通过SPI口传递给CC2500，此时CC2500就顺利完成发送无线数据任务。

②以太网卡芯片：本系统在设计过程中采用了RTL8019AS10MISA网卡芯片接入以太网。RTL8019AS为当下市面上性价比相对较高的一类网卡芯片，和NE200能够相互包容，软件移植过程中体现出良好性能；接口相对简单化，无需转换芯片，例如在对PCI-ISA桥、S3C44B0以及RTL8019的电路规划期间，过程相对简单，仅需衔接数据线、地址选通与中断等信号线。

2.2系统软件设计

本系统软件在设计过程中，将uCOS和嵌人式TCPIP协议栈lwip设为应用程序的开发与运行平台。嵌人式无线网关负责接收由浏览器客户端传递的请求信息，并对相关协议实施转换措施，并把这些控制信息加工制作成无线自组网络的数据帧格式，同时采用CC2500射频模块将控制信息经由自组织网络传导至目标家电上，进而实现对家电设备运行状态的远距离操控。在家电运行状态发生改变时，其就会通过自组织网络将状态信息实时反馈至网关，若浏览器客户端提出查询咖啡机运行状态的申请时，网关就会将设备状态信息传输给浏览器客户端。

网关在运行期间需执行两个任务，一是HTTP网络通信任务，其是和外网进行信息互动的形式；二是无线射频接收与发送任务，其软件程序图见图2，其职责在于和内部自组织网络进行信息流通与互动。

图2CC2500射频通信程序图

嵌入式web的实现过程可作出如下概述：网页采用HTML格式，被存管在数据组内，在浏览器将相关请求信息传导至网关中时，网关对该请求信号进行相应处理，继而以HTML格式将数组发传输至浏览器，此时浏览器就开始对该段HTML进行解析，并产生一个页面，该页面带有浏览器上可运行的所有操作。设计的新兴网关最大功能是对协议进行转换，衔接无线网关的是两类异构网络，并和外界互联网相连通，在内和无线自组织网络进展性连接[2]。欲要应用浏览页面对家庭电器进行操纵，把这些控制信息的帧转换成无线自组织网络的帧格式是基础步骤，继而将无线帧格式转换成1P帧格式，以实现采用网页呈现家电状态目标，这便是智能家居系统网关协议转换功能的实现过程。

3系统调试

3.1动态刷新功能的实现

因为HTTP协议只有在一个浏览器发送请求信息才做出相应回应的协议，导致难以满足用户实时呈现家电状态信息存在较大难点，笔者采用的应对方案是：在一客户端需动态呈现家电状态信息，就传递一个参数到网关，网关对其判断后采用Iwip协议传送一段Java代码给浏览器，该段代码的功能是促使浏览器每隔1s就主动向浏览器做出相关请求，进而有效解除状态刷新不连贯的问题。

3.2数个浏览器同时操纵一个设备的问题

若在同一时间点上，存在数个远程客户提出控制同一家电需求的情况，那么所有客户端均获得控制权限的概率为零，以防对家电控制产生混乱现象。为应对上述难题，笔者认为可采用在客户端局部布设观看与操作两种权限的方式，只具备观看权限的用户，不具备对家电运行状态操控的权限。也可以采用先访问权限最高的原则，仅赋予最先衔接上用户可操控的权限，后进客户只具备观看的权限，进而实现有效规避家电设备操控冲突问题。

结束语：

本文对在对硬件设计中采用了CC2500射频模块，将Iwip网络协议顺利的植入进uCOS中，采用浏览网页同时进行有关操作的方式，实现对家电的远程化操控以及家庭网络内部多种环境信息的实时监测。希望本文论述的内容，对智能家居系统网关设计方案的编制起到抛砖引玉的作用。

参考文献：

[1]于明涛,陈超,叶晓彤.面向智能家居中生理参数监测的安防系统网关设计[J].四川理工学院学报(自然科学版),2015,28(03):37-41.

[2]刘磊.基于ARM的嵌入式无线智能家居系统多协议网关的设计与实现[J].黑龙江科技信息,2014(09):134.