智能家居网关设计

刘伟

（重庆建工集团房地产开发有限公司，重庆 401122）

引言

随着社会的不断发展，科技的不断进步，生活资料的积累，人类对生活质量的要求也在逐渐提高，便利、高效、舒适的居住环境无疑能为居民带来更愉悦的生活享受，因此智能家居是未来家居行业的发展趋势。智能家居指将家庭中的各种电子、电气设备通过网络连接起来，进而实现对这些设备和家庭环境的智能管理、远程监控和资源共享。另外，由于网络技术、多媒体技术、嵌入式技术的快速发展，智能化、网络化也已成为家居监控系统发展的主导因素。

1 整体方案

智能家居网关系统是指系统能够通过以太网同各个智能节点进行通信，实现对环境参数（温湿度、一氧化碳浓度等）的远程监视，并能实现对远程节点的相关控制。其主要特点在于功能实用、操作简单、价格低廉、易于安装。

本文设计的智能网关需要接收各个节点通过以太网传送来的数据信息，同时能够及时有效地对所接收的数据进行融合分析处理并实时显示各个节点的信息。另外，智能网关的使用者可按需设置不同的报警阈值（温度、湿度、CO浓度等），当设定的报警阈值小于节点处的实际测量值时，可对危险信息进行报警，同时通过以太网向智能节点发送相应的控制命令（如窗帘控制命令，空调控制命令等）。这就需要网关具有强大的数据处理及运算能力。此外，智能网关的功耗也是设计要考虑的主要问题。本文以设计所要实现的功能为出发点，选择了基于高性能ARM处理器为核心控制器的系统方案，系统结构如图1所示。

图1 系统结构框图

此设计结构通常要求主控制芯片功能较强大，处理速度较快，硬件资源较丰富，通常需要以32位的CPU为核心控制器。设计可以通过在控制器上移植简单的操作系统实现系统功能，也可以不带操作系统，采用简单的程序结构实现功能。

该类方案的优点:①主芯片功能较强大，运行速度较快，硬件电路结构较简单，成本较低。②芯片厂商为芯片开发提供的底层的软件库，便于用户进行二次开发。该类方案的不足:由于其主要功能由控制芯片的硬件实现，故功能可扩展性较差。

2 智能网关硬件的设计与实现

网关硬件设计框图如图2所示，主要由电源模块、STM32最小系统模块、串口转以太网模块、人机交互模块（TFT-LCD模块、按键及LED模块）及串口模块组成。

图2 系统硬件结构图

2.1 主控制器

智能家居系统对信息的实时性能要求相对不高，但当系统中的节点较多时，智能网关需处理的信息量较大，这就对控制器的数据运算能力提出了挑战。该设计选用意法半导体公司的STM32F103RBT6作为核心控制器。该芯片基于专门用于高性能、低功耗、低成本、实时性嵌入式应用系统的ARM CortexTM-M3内核，处理器速度最高可达72Mbit/s。内部资源丰富，提供了多个USART、I2C、SPI接口并整合了全速USB、CAN接口。内置高速存储器（高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM）。 STM32有丰 富的I/O口资源 :GPIOA、GPIOB、GPIOC各有16个，GPIOD有3个、拥有2个12位的ADC、一个实时时钟RTC，此外还有3个通用16位定时器和一个PWM定时器。该芯片足以完成智能家居系统的数据处理与控制。作为智能家居系统的核心控制器，它具有功耗小，性价比高，可靠性好的优点。

2.2 显示屏TFT-LCD

在智能家居网关系统中，良好的人机交互界面保证了用户拥有更加舒适的视觉感并提高了智能网关的可操作性。本系统采用带触摸屏的TFT-LCD作为人机交互介质。TFT-LCD英文全称为:Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display。即薄膜晶体管液晶显示器。它由荧光管、导光板、偏光板、滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄膜式晶体管等构成。TFTLCD与无源TN-LCD、STN-LCD的简单矩阵不同，它在液晶显示屏的每一个像素上都设有一个薄膜晶体管（TFT），能够有效地克服非选通时的像素串扰，使显示液晶屏的静态特性与扫描线数无关，大大提高了图像显示的质量。TFT-LCD也被叫做真彩液晶显示器。TFTLCD模块有如下特点:

(1)2.4/2.8两种大小的屏幕可选。

(2)320×240的分辨率。

(3)16位真彩显示。

(4)自带触摸屏，可以用来作为控制输入。

在智能家居网关系统设计中，使用了2.8寸的TFTLCD模块，该模块采用的是显尚光电的DST2001PH TFTLCD，DST2001PH的控制器为ILI9320，采用26万色的TFTLCD屏，分辨率为320×240，采用16位的80并口。

2.3 数据传输单元

本文所设计的智能家居系统是基于以太网进行数据传输的，以太网与控制器之间的数据交换是通过串口通信实现的，而串口与以太网之间的数据通信，必须经过相关的电路，对控制器的TTL电平进行转换。本设计选用AX88796B作为以太网控制芯片，AX88796B是一款针对嵌入式及工业以太网络应用的低接脚数（LQFP-64）以太网络控制芯片，支持全双工及半双工模式和10/100Mbps N-Way自动协商机制，在全双工模式下支持IEEE 802.3x流量控制，在半双工模式下支持Backpressure流量控制。数据传输单元的电路如图3所示。

图3 数据传输单元电路框图

3 软件的设计与实现

智能网关一方面需要实时接收各个节点通过以太网传来的数据，并通过ARM处理器对接收来的数据进行相应的处理，同时将处理结果显示在TFT上，使使用者能够较为直观地得到监测点相关的环境值；另一方面，网关将处理后的数据与设定的报警值经行比较，判断是否需要发送报警信号（屏幕闪烁显示报警字样）；此外，用户可以通过触摸屏设定驱动电机的PWM值，并通过以太网传输至相应的节点，控制节点处执行机构执行任务的速度。同时智能网关能够设定并实时显示系统时间。

智能网关软件设计主要包括:TFT-LCD的初始化及显示，实时时钟RTC初始化及显示、数据侦听及处理等等。系统软件流程如图4所示。

图4 系统软件流程图

4 测试验证

网关的测试主要分以下几个方面:报警值的设定，时间的设定，网关通过以太网与其它终端设备通信。

（1）报警值设定。首先连接好硬件设备，给系统上电，显示系统主界面，通过界面切换键，进入“报警值设定”界面。设定值及报警效果如图5所示。

（2）时间设定。通过界面切换键进入 “时间设定界面”，设定完成后点击“确定”按钮，系统时间更改，对比图6左右结果可知，设定有效。结果如图6所示。

（3）网关通过以太网与其它终端通信。将智能网关通过网线连接至路由器，同样电脑也通过网线连接至路由器，在电脑上运行TCP调试助手及串口调试助手，智能网关可以向电脑发送数据包 （网关通过以太网向PC机终端发送的数据包为 [0507040155 AA A5]）， 通过图7所示TCP调试助手可以看到智能网关发送的数据包[0507040155 AA A5]。PC机同样可以通过以太网向智能网关发送数据（数据包格式为[A5075555555555]），智能网关利用串口将从以太网接收到的数据发送到串口调试助手显示，结果如图8所示。测试结果表明，智能网关可以通过以太网同PC机进行良好的通信。

图5 报警值设定图

图6 时间设定效果图

图7 TCP调试助手收发数据图

5 结论

该系统经过长时间测试，各装置工作正常，可以进行现场安装运行。通过该系统的运行，可以方便地实现各个节点安置点的环境值，对改善居民生活质量，提高居民住宅环境的安全等级有较高的使用价值。

该项目所设计的智能家居系统，最多可接入的节点数目多达256个，加之当前以太网技术发展日趋成熟，网线的布置密集度高，通信可靠，故该项目除可应用于家庭环境监控外，也可扩展应用于居民小区，对整个居民小区的环境进行实时集中监测，提高居民区的安全等级。

人们对生活质量及安全性的重视程度越来越高，为提高系统的可靠性以及为该产品的大范围推广使用打下了坚实的基础。未来对该系统的设计与完善主要须进行以下工作:

（1）居民小区环境复杂，有强电设备，可能会对系统的稳定性产生影响。另外，雷雨天气等恶劣环境可能也会对系统的稳定性产生一定的影响。因此，还需要大量的实验验证该系统在此环境下的可靠性与稳定性。

（2）支持更多协议。目前智能家居系统是基于UDP传输协议进行数据传输，为实现数据通信的通用性，在未来的工作中将分别实现支持TCP/IP、APR、ICMP和DHCP PPPOE等多协议进行通信。

图8 串口调试助手接收数据图

[1]彭刚，春志强.基于ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器应用实践[M].北京:电子工业出版社，2011.

[2]张新德.TFT液晶显示原理与技术[M].北京:机械工业出版社，2011.

[3]刘波.基于嵌入式ARM系统的应用分析[J].商场现代化，2010，（8）: 54-56.

[4]李江权，张兴敢.基于嵌入式Cortex-M3处理器的智能家居监控系统的设计[J].现代电子技术，2012（4）:47-50.

[5]张小梅，陆俊，彭冰沁，等.嵌入式智能家居监控系统的设计与实现[J].微计算机信息，2007（2）:55-56，49.

[6]薛晓，李昊轮.基于ARM的智能家居远程监控系统设计[J].电脑知识与技术，2012（17）:192-195.