介绍了一种基于ZigBee技术的网络化智能家居系统的设计与实现。系统硬件以S3C2440A为控制核心。CC2430用于组建家庭内部网络，采集家庭设备的数字信号，USB摄像头用于采集家庭中的文章信号。该软件利用嵌入式Web服务器和CGI技术实现家庭内网与互联网的连接，从而达到远程监控的目的。实际测试证明，该系统功能强大、稳定，满足家庭信息网络化的要求。
1导言
随着信息时代的到来和网络技术的飞速发展，实现家庭信息化和网络化是智能家居设备系统发展的新趋势。智能家居系统是将相对独立的家用电器组合起来，然后实现这些设备和家居环境的智能管理、远程监控和资源共享的统一系统。其目的是为人们提供一个安全、舒适、高效、便捷的生活环境。介绍了一种基于嵌入式Web和ZigBee技术的网络化智能家居系统的设计与实现。
2系统结构和功能介绍
该系统由远程PC、嵌入式网关、USB摄像头和ZigBee四部分组成。设计思路是在每个家庭设备上安装ZigBee模块和相应的传感器，形成一个终端节点，用于实时监测设备的状态，并将采集到的数据以无线方式发送给ZigBee协调器，使ZigBee协调器和每个终端设备形成一个无线连接的星型家庭内部网络。嵌入式网关是系统的中心，可以将USB摄像头采集的文章信息和协调器接收的终端节点信号传输到互联网，从而将内部网络连接到互联网。尤其是USB摄像头的使用，让用户可以直观地看到家中的一切变化，弥补了大多数智能家居系统只能查看家居设备数字信息的不足。用户可以通过远程PC访问家庭内部网络，查看家庭设备的数字信息和文章信息，达到远程监控的目的。
3系统硬件设计
3.1核心处理器模块
本系统的核心控制器选用S3C2440A，它是一款基于三星推出的ARM920T内核的处理器。它采用16/32位RISC处理器，具有外部存储器控制器、LCD控制器、4通道DMA控制器、3通道UART、2通道SPI、两个全速USB主芯片和MMU虚拟存储单元。这个特性可以移植到linux系统上，并设置Web服务器。它的主频为400MHz，有130个I/O口和24个外部中断源，有各种通信接口。它体积小、功耗低、成本低、可靠性高，特别适用于嵌入式微处理器。
3.2存储模块
NAND内存模块选用三星生产的K9F1208U0M-YCB0 64M*8bits高性能内存芯片。断电后信息不会丢失，用于存储引导代码、内核和文件系统。
SDRAM是系统的内存。它不具备断电保存数据的特性，存取速度远高于闪存。它主要作为系统中程序的运行空间、数据和堆栈区。系统中的SDRAM采用K4S561632C-TC75芯片。4S561632c-TC75的存储容量为16M*16位(32M字节)，数据宽度为16位。由于S3C2440A为32位，外部总线为32位，为了最大限度地发挥处理器的性能，本系统选用两片4S561632c-TC75芯片并联组成32位存储系统。
3.3以太网接口
系统选用CS8900A芯片建立网络接口。CS8900A是Cirrus公司生产的单芯片、全双工、高度集成的以太网控制器，完全支持IEEE802.3标准。在这个系统中，网络控制器起着重要的作用。它负责将监控数据发送到互联网，并将控制指令从互联网传送到底层。
3.4摄像机选择
图像采集传感器采用中兴微公司以ZC301感光芯片为核心的USB摄像头作为图像采集模块。中威301系列高清芯片拥有图像光源自动增益增强技术、自动白平衡、边缘增强、伽玛校正等先进的相机控制技术。
3.5 ZigBee模块
无线收发芯片采用CC2430。Chipcon生产的cc 2430(2006年被TI公司收购)。除了集成ZigBee射频(RF)前端、存储器和微控制器之外，它还具有128KB可编程存储器、8KB ram、模数转换器(ADC)、定时器、AES-128协处理器、看门狗定时器和21个可编程I。因此，选择CC2430作为无线收发器，非常易于使用。由于CC2430的高度集成，需要很少的外围设备来形成最小的系统。它结合了Chipcon 的全球高级ZigBee协议栈、工具包和参考设计，展示领先的ZigBee解决方案。其产品广泛应用于汽车、工业控制系统、家居系统、无线传感器网络等领域。
4系统软件设计
系统软件主要包括移植Linux操作系统、编写USB摄像头驱动程序、ZigBee协调器工作程序和终端设备收发程序、移植嵌入式Web服务器等。
4.1移植Linux操作系统
本系统选用2.6版Linux内核。首先，从ftp://ftp.kernel.org/pub/linux/kernel/.下载内核源代码在编译内核之前，修改根目录下的Makefile:
拱形=手臂
交叉编译=arm-linux-gcc
然后运行make menuconfig进入配置菜单，选择需要的选项，配置完成后保存并退出，然后执行内核编译命令：make dep使干净；Make zImage编译成功后会在/linux/arch/arm/boot/下找到编译好的内核镜像文件zImage。然后你可以使用Bootloader菜单命令将内核镜像烧入NAND FLASH。
4.2 USB摄像头程序
在Linux内核源代码目录中，driver/usb/usb-skeleton.c提供了一个基本的usb驱动程序。它可以驱动一个USB设备，只需做一些修改。重新编译内核生成摄像头驱动文件，然后执行insmod加载USB摄像头驱动。Linux系统在/dev目录中注册USB文章设备/dev/video0。
安装摄像头驱动程序后，必须添加Video4Linux模块才能捕捉文章。Video4Linux是Linux中文章设备的内核驱动程序，它为文章设备的应用程序提供了一系列的接口函数。对于USB口摄像头，驱动程序需要提供基本I/O接口功能如开、关、读、写等的实现。中断处理、内存映射函数的实现以及I/O通道控制接口函数ioctl的实现等。并在struct file_operations中定义它们。这样，当应用程序对设备文件执行打开、关闭、读写等系统调用功能时，Linux内核将通过file_operations结构访问驱动程序提供的函数。
4.3 ZigBee协调器和设备节点程序
ZigBee家庭无线网络主要负责对现场的各种信息进行监控和数据采集，并将内部处理后的数据通过家庭网关传输到外部网络。该系统中的ZigBee协调器主要用于建立无线网络、分配地址、向终端节点发送控制命令和接收终端节点的工作状态，并将接收到的所有状态数据上传到Web服务器，最终通过互联网传输到远程用户端。终端节点主要加入网络，接收控制命令，向协调器发送状态信息。协调器的主程序流程如图2所示。
4.4网络服务器
Web服务器的作用是监控用户服务请求并根据用户提供相应的服务请求。服务器和客户端浏览器之间的通信协议是超文本传输协议。HTTP协议规定了发送和请求的标准方式、消息格式以及浏览器和服务器之间传输的各种控制信息。
Linux支持boa、httpd、thttpd等多种Web服务器，其中boa是一款开源、高速、性能优异的单任务Web服务器软件。它支持可实现动态Web技术的CGI(公共网关接口)技术，特别适合在嵌入式系统中应用。
CGI提供了Web服务器的外部程序通道，它运行在服务器上，由浏览器输入触发。它是Web服务器与系统中其他程序连接的通道。CGI程序就是符合这个接口的程序。服务器接收用户的请求，并将数据发送给CGI程序。CGI程序收到数据后，启动编写的应用程序，根据用户提供的数据执行。应用程序执行后，返回执行结果并发送给用户用于通过Web服务器显示。
该系统采用CGI实现动态Web技术，CGI规定了Web服务器调用其他可执行程序(CGI程序)的接口协议标准。Web服务器通过CGI程序与浏览器进行交互，即CGI程序接受浏览器发送给Web服务器的信息进行处理，并将响应结果发送回Web服务器和浏览器。CGI程序可以用各种编程语言编写，本系统选择用C语言编写的CGI程序。嵌入式Web服务器的工作流程如图3所示。
5系统测试
用网线将服务器连接到计算机主机。服务器的地址设置为192.168.1.6，计算机主机的地址设置为192.168.1.8(只要主机的IP和服务器的IP在同一个网段)。系统的网页包括家电系统、安防系统、文章屏幕三个页面，可以相互切换。在浏览器中输入服务器IP以测试系统，并选择摄像机的遥控屏幕。
6结论
本文设计的智能家居集成控制系统采用ZigBee技术组建家庭无线网络，利用USB摄像头实时采集家庭文章信息，将嵌入式Linux操作系统和Web服务器移植到以S3C2440A为控制核心的硬件平台上，完成家庭网关的设计。经过实际测试，该系统达到了家庭信息网络化的目的，实现了远程监控家庭设备的愿望。该系统功能强大、功耗低、实现简单，具有广阔的应用前景。
参考文献：[1]。589563.html datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/S3C2440A的S3C2440A。[2].datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/cc 2430 _ 1055132 . html[3]。PC datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/PC _ 2043275 . html .[4]. arm 920t datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/arm 920t _ 139814 . html .[5].RISC datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/RISC _ 1189725 . html .[6]. k4s 561632 c-TC75 datasheet http://www . dzsc . com/data sheet/k4s 561632 c-TC75 _ 1096750 . html .[7]. cs 8900 a datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/CS8900A _ 593567 . html
标签：系统服务器内核