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摘要：智能家居是集自动化控制技术、计算机网络技术和网络通信技术于一体的网络化智能家居控制系统。智能家居嵌入式无线网关的功能是将本地ZigBee网络与互联网、GSM等外部网络连接起来。用户可以随时随地通过浏览器和手机对家居环境和设备进行监控和管理。该网关以ARM Cortex-M3为核心，以Linux为平台操作系统，构建嵌入式Boa服务器，实现家庭内网与互联网的通信。GSM模块向用户手机发送报警信息。经过测试，该智能家庭网关具有良好的稳定性和可靠性，具有推广的参考价值和应用前景。

0简介

智能家居是一个新兴的行业。随着国家推进信息化和智慧城市的发展，智能家居近年来发展迅速，市场消费潜力巨大。智能家居以房屋为载体，运用先进的计算机技术、网络通信技术、综合布线技术、自动控制技术、安防技术、音视频技术，集成家庭日常生活的各类设施，实现高效的房屋管理，构建安全、便捷、美观、舒适、环保、节能的居住环境。

智能家庭网关的功能是连接外部网络，如互联网或GSM与家庭局域网。局域网通过组建网络实现家居环境的数据采集和电器设备的控制，如监测家居的亮度、温度、湿度、可燃气体，自动控制照明、窗帘、空调、加湿器、报警装置等设备；通过该网关，用户可以通过远程PC、手机、网络电视等终端对智能家居进行监控。

目前，主流的无线通信技术包括红外技术、家庭射频技术、WiFi技术、GSM技术和ZigBee技术。这些技术各有利弊，无法单独承担智能家居中无线网络系统传输的重任[1]。ZigBee的传输速率为250 kb/s，在家庭环境的数据采集和电器设备的控制中需要传输的数据量不大，数据结构也相对简单，因此家庭内网中的ZigBee技术可以满足智能家居架构的网络需求[2]；WiFi的速率为11 Mb/s，属于高速网络，通过Internet网络可以满足用户的便捷监控。全球使用最广泛的手机GSM标准，可以满足用户随时随地通过手机进行远程监控。本文设计的智能家居嵌入式无线网关的功能是将本地ZigBee网络与互联网、GSM网络等外部网络连接起来，用户可以通过外部网络远程监控本地网络。

网关1的硬件结构

1.1整体架构

为了实现多无线网络的智能家居系统，嵌入式智能网关的硬件设计由处理器、无线收发模块、以太网模块和GSM模块组成。无线收发模块与智能家居ZigBee网络通信，智能家居ZigBee网络包括协调器、各种传感器终端节点，具体包括温湿度采集节点、可燃气体报警信号采集节点和控制节点。以太网模块将网关连接到互联网。GSM模块具有基于GSM网络发送短信、语音通话、GPRS数据传输等通信的全部基本功能。网关的硬件结构如图1所示。

选用ST公司基于ARM Cortex-M3内核的STM32F103单片机作为处理器[3]。STM32F103工作频率达到72 MHz，内置高速存储器。有两种调试模式，串行调试和JTAG接口。本文采用串行调试方式。STM32F103接口丰富，包括2个T2C接口(SM-Bus/PMBus)、5个USART接口、3个SPI接口等。这些功能足以满足这种网关设计的要求。

1.2无线收发器模块

无线收发模块采用TI公司的CC2530芯片。它将高性能2.4 GHz DSSS RF收发器内核与工业级紧凑高效的8051控制器相结合。该系统具有可编程闪存、8 KB RAM和许多其他强大的功能。CC2530有一个休眠模式

以太网控制芯片为DM9000A，是台湾省DEVICOM公司开发的10 M/100 M自适应以太网控制器芯片。能满足数据传输的需要，性价比高，占用资源少，在工业上应用广泛。图2是以太网控制器和处理器之间的连接图。处理器通过FSMC总线连接到以太网控制芯片，即FSMC的D0 ~ D15脚连接到SD0 ~ SD15DM9000A的顺序；Mca2接CMD，当CMD值为1时，处理器访问DM9000A的数据寄存器；当CMD值为0时，处理器访问DM9000A的地址寄存器。IOR和IOW分别控制DM9000A的读写。是CS芯片的片选信号线，INT是中断，PWRST是外部复位引脚。

1.4 GSM模块

GSM模块采用SIMCom无线模块SIM300。SIM300是4频段GSM/GPRS模块，工作在GSM/GPRS 850/900/1800/1900 MHz，可以实现语音、短信、数据和传真信息的传输，功耗较低。SIM300的尺寸为4033 2.85(mm)，可以满足M2M应用中的各种设计要求，尤其是紧凑型产品设计。该模块使用户能够通过他们的移动电话监控家庭环境。一旦发生紧急情况，报警信息会发送到手机上，方便用户第一时间处理。

2网关软件设计

ARM Cortex-M3使用免费开源的Linux作为平台操作系统。Linux占用资源少，其内核易于裁剪和移植，能够满足智能家庭网关的设计要求[5]。

2.1网关和互联网通信

目前嵌入式Web服务器主要有Boa、Goahead、Thttpd、Shttpd、Appweb、Apache等。嵌入式设备的资源相对有限，不需要并发处理多用户需求，所以本设计采用开源的Boa服务器[6]。它占用资源少，支持CGI程序，性能优越。CGI(公共网关接口)运行在服务器端，为接口提供客户端的HTML页面[7]。

Boa web服务器安装在嵌入式ARM服务器的Linux操作系统上。当服务器接受用户通过浏览器发送的请求时，Boa通过CGI调用C语言程序获取家庭局域网的状态信息，然后返回给浏览器页面。处理步骤如下：

(1)用户请求通过IE浏览器发送到Boa服务器；

(2)Boa服务器接受用户请求，并发送给CGI程序进行处理；

(3)CGI程序读取各传感器节点的状态数据，并发送给Boa服务器；

(4)服务器将处理结果返回给用户。

服务器的网页是用HTML语言编写的，脚本是Javascript，比如从家庭内网获取室温状态数据，对应的Javascript脚本程序如下：

头部……

脚本语言=' JavaScript ' type=' text/JavaScript ' src='/jquery . js ' charset=' utf-8 '

/脚本

/头

脚本语言='javascript '

函数start_fun{

get _ temperature}//调用获取温度函数

get _ temperature {//定义温度采集函数。

var u=function(txt){

document . getelementbyid(' temperature ')。value=txt//接收服务器发送的温度信息

禁用按钮(flase)；}

jquery . post('/CGI-bin/get _ temperature . CGI '，''，u)；}

//向服务器发送获取温度的命令

/脚本

2.2网关和GSM通信

GSM模块通过串口与系统的ARM处理器相连，通过AT指令集[8]进行通信。SMS_flag标志指示处理器的SMS缓冲区数组中是否有内容。当有内容时，标志被设置为1，当内容被读取时，标志被设置为0。处理器向GSM模块发送AT指令后，当模块返回“OK”时，模块与控制器之间的通信正常。然后，检测数据标志位。如果data_flag位等于1，则发送数据，调用短信发送函数SMS_sendout发送数据。如果发送成功，则结束，否则将再次调用短信发送功能。通信过程如图3所示。

3测试

网关和ZigBee节点上电后，协调器建立网络，ZigBee节点加入网络，开始发送数据。测试过程中，ZigBee节点每1 s向网关发送温度、湿度、电压等信息，网关接收数据进行处理。SIM模块的TXD和RXD通过杜邦线连接到ARM串口1的RXD和TXD，并在RealView MDK开发环境下进行调试。SIM卡的RS232接口连接到计算机，通过串行调试辅助工具测试数据。

测试中，夏季室内温度阈值设定为28，即当室温超过阈值时，空调会自动开启。SIM模块收到处理器发送的各节点状态信息后，产生提示信息“高温警告”。模块提示CMTI:“SM”，8，表示有新消息，存储在SIM卡的8位。然后，在CMGR=8发送阅读短信。调试软件显示短信发送者的电话号码和发送时间，发送内容与预设一致，如图4所示。

ZigBee网关设备通电并通过RJ45接口连接到路由器。网关地址配置为192.168.139.254，客户端PC的IP设置为192.168.139.20，与ZigBee网关的IP在同一个网段。打开IE浏览器，输入ZigBee网关的IP运行嵌入式Web服务器页面，如图5所示。界面实时显示当前室内温度，并能正确接收ZigBee网络的节点状态数据。在设备控制上，空调设备自动开启，实现了家里的远程控制。

4结论

本文设计了一种用于智能家居的嵌入式无线网关。其功能是将本地ZigBee网络与外部网络(如互联网和GSM网络)连接起来。用户可以随时随地通过手机和浏览器对家居环境和设备进行监控和管理。该网关以ARM Cortex-M3为核心，以Linux为平台操作系统，构建嵌入式Boa服务器，实现家庭内网与互联网的通信。GSM模块向用户手机发送报警信息。经过测试，智能家居嵌入式无线网关具有良好的稳定性和可靠性，具有推广的参考价值和应用前景。

参考

[1]闵，陆汉华，陈玲，等.智能家居系统结构及相关无线通信技术研究[J].计算机技术与发展，2011，21 (8): 169-172。

冉，姜伟，等. ZigBee协议的设计与实现[J].实验技术与管理，2013，30 (2): 101-102。

[3]孙毅。嵌入式系统开发基础[M]。Xi安：西安电子科技大学出版社，2008。

[4]陈，罗桂娥。基于ZigBee技术的智能家居系统的研究与设计[J].微型计算机及应用，2010，29 (20): 100-102。

汤米，陈，等.基于ARM的嵌入式工业无线网关设计[J].自动化与仪表，2013，28 (9): 29-32，57。

宗，张伟。基于ARM和ZigBee的智能家居系统设计[J].微型计算机及应用，2014，33 (1): 54-55，59。

[7]于文君，凌志浩。一种物联网智能家居系统的研究[J]。自动化仪表，2011，32 (8): 56-59。

陈玉涛，杨军起，康润生，等.基于SIM300的短信传输系统的设计与实现[J].计算机工程与科学，2008，30 (3): 156-158。

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