关键词：家庭网关，家庭网络，ZigBee ，嵌入式系统 ，Linux
Design of Home Gateway System based on ZigBee Technology
ZHONG Zheng
Wuhan Post Science Research Institute 430074
Abstract：Combining with application characteristics in home internal network, this paper design a ZigBee wireless star family network based on low speed, low cost, low power consumption. According to the characteristics of the family network ZigBee star and gateway functionality application requirements，it makes sure the gateway of the whole system design scheme, ZigBee construct wireless home network, for gateway to the test conditions, the design ZigBee network node applications, simulation of the family internal sensor node, design the family network demo system, test process, the gateway system running in good condition, realizs through the family of family within the network gateway node equipment long-distance control.
Key Words: Home gateway, Home network, ZigBee，Embedded system Linux
1.引言
从家庭网络的发展趋势来看，无线组网是未来的发展方向。ZigBee这种新兴的无线通信技术，相对于现有的各种无线通信技术，它是功耗和成本最低的技术之一。对于智能家居系统来说，网络中传输的数据量不大，网络节点多，低功耗和低成本是组网技术选择时考虑的首要因素。ZigBee技术的特点决定了它在低速控制数据领域是最适合智能家居系统的无线组网技术。
2005年韩国SKTelecom推出的新的数字智能家庭服务，其核心技术就是ZigBee无线技术。丹麦的NESA公司在欧洲实施了第一套支持ZigBee系统的自动抄表系统（AMR）[1]。ZigBee技术特点决定了它在未来的智能家居系统中占有重要的位置。所以对ZigBee技术在智能家居中的应用研究是非常有意义的[2]。本文主要研究的主要内容是利用ZigBee无线通信技术组建家庭内部网络，针对ZigBee无线家庭网络，利用嵌入式系统的相关技术，设计实现了针对ZigBee家庭网络的无线家庭网关，在网关平台上利用嵌入式数据库实现对家庭网络数据的存储，利用Web技术实现了用户通过浏览器对家庭网络设备的远程管理。
2.家庭网关总体设计方案
利用互联网技术和ZigBee技术组成的智能家居总体网络系统如图1所示， 在无线ZigBee家庭网络中的每个ZigBee节点相当于智能家庭中的家电设备。远程用户通过Internet向家庭网络内的智能家电发出监控请求，智能家电返回响应，这一过程实际上是用户发送请求到家庭网关，然后由家庭网关对请求进行解析，将请求转化为网络节点可以识别的家电指令，并发送到指定的节点上，节点收到指令，执行相应的动作，如采集环境温度、控制照明、门禁系统等等，并把执行的结果发送给家庭网关，网关对数据进行解析，再以用户可以识别的方式，通过Internet返回给用户，最终实现远程控制的目的。家庭内部中，众多的智能家电也就是众多的ZigBee节点和网关一起构成了ZigBee无线家庭内部网络。同时它还作为外部网络的接出点，连接了外部网络。
一般情况下用户通过互联网登陆网关，对家庭网络中的某一设备进行查询或者控制。另外，当家庭环境发生异常时,如失火，浓烟，偷盗等情况下，ZigBee节点会被唤醒，产生报警信息并将采集数据和自己的节点信息等发送到家庭网关，网关节点进行数据存储、数据处理工作。在这种情况下，节点平时处于休眠状态，可以显著降低系统的功耗。
图1智能家居总体网络系统
除了前面介绍的设计要求外，还要考虑到家庭网关一般工作在室内，整个系统的体积要尽量小，便于安装同时能够通过Internet进行远程监控，能够通过ZigBee模块组建家庭内部无线网络，因此我们设计的网关节点的结构如图2所示：
图2网关节点结构图
主控制器接入Internet，用户通过互联网中的某个站点发出监控指令，指令以TCP/IP协议的形式传输给主控制器，主控制器对接受的信息进行解析，将相应的家电指令发送给ZigBee模块。ZigBee 模块与主控制器模块之间采用的是串口通讯,当 ZigBee 模块收到主控制器的家电指令时,会通过IEEE802.11.15协议将家电指令发给ZigBee网络中的某个ZigBee节点即某个家电设备，ZigBee节点就会触发该家电指令程序，如读某个传感器的值，然后将读取值返回给协调器，协调器再通过串口将读取信息返回给主控制器做进一步处理。主控制器接收数据，对数据进行处理，最终返回信息以页面的形式通过Internet显示给用户。
ARM体系架构的处理器强大的功能，可以实现较完整的TCP/IP协议，从而实现较全面的Web服务功能[3]。此外ARM接口资源丰富，可以完成更多的功能，也为家庭网关功能扩展提供了基础。本文选择Samsung公司的S3C2410作为核心处理芯片，选择TI的CC2530作为ZigBee芯片[4]。
3.系统功能设计
根据前面的家庭网关系统设计，考虑到实际的需要，对系统的功能进行分析整个系统的功能如图3，下面介绍五个主要的部分。
（1）家庭网络的组建
家庭网络的组建是由CC2530来实现的.通过CC2530上运行的协议栈，实现与各个节点的通信，进而建立无线传感网络。家电设备通过ZigBee网络向协调器节点传输自身信息，同时协调器节点管理维护整个无线传感器网络。
（2）接收并发送监控请求
ARM控制器通过互联网接收远程监控指令，并对指令作出解析，将监控请求转化为ZigBee节点信息家电可以识别的指令信息，由协调器发送到指定的节点。相应节点执行指令，并返回相关信息。这些解析工作主要有CGI程序完成。
（3）接收家电信息发送家电指令
网关设备接收家电返回的家电信息，然后对信息进行处理，提取出有效数据，利用CGI程序，采用TCP/IP协议，将家电信息返回给用户
（4）相关数据存储
由于CC2530上的存储空间有限，某些情况下，节点采集的信息需要进行存储，因此，节点信息要不断的发送给网关，网关可以再进行下一步的相关处理，如解析、保存到数据库等。此外如果网关平台断电，还可以保存一些系统的设置参数和运行状态。
（5）人机交互功能
系统运行时，远端用户可以通过浏览器呈现的网页发送监控指令，同时系统通过返回响应页面来向操作者反馈系统的工作状态。系统的开发成功，良好的易用性是一个重要的因素。
图3网关系统功能图
4.家庭内网络设计
实际的家庭环境中，选用何种拓扑结构来实现ZigBee无线家庭网络，有许多因素需要考虑。ZigBee无线家庭网络是一个动态的、与外界环境相互影响的网络。网络中物体移动、电器使用和来自外界的干扰都会对网络的稳定性造成影响。在对家庭网络拓扑结构进行选择的时候，考虑以下几个方面：
第一，最恶劣情况下的拓扑结构连通性，节点的工作环境以及分布密度。第二，对可供选择的拓扑进行评估。第三、系统的可升级性和工作环境的限制。
考虑到家具环境的实际情况：
（1）传感器节点一般通过电池供电，而家庭网关直接由家庭电源供电，为了解决传感器电量消耗，应该尽量减少传感器节点的工作开销。
（2）智能家居中，ZigBee网络中传递的一般为低速的控制信息，接入设备一般是开关、门禁、三表等设备，传输的数据量不是很大。采用实现简单方便的星型拓扑结构就可以满足家庭网络内的数据传输要求，也不牵涉路由寻址，因此本文中的ZigBee智能家庭网络的拓扑结构如图4所示：
图4 ZigBee家庭网络星型拓扑结构
在家庭内部网络中，协调器管理着整个ZigBee无线网络，它负责ZigBee无线网络的组建、地址的分配和成员的加入和退出，同时还对节点设备数据、数据转发表、设备关联表进行维护和更新。在星型ZigBee无线家庭网络中，只有一个全功能节点作为家庭内部网络的协调器，这里网关中ZigBee模块正是协调器的角色。
5.远程控制实现
为了实现用户对家庭网络的远程监控，这就要在网关平台上建立起网页服务器。在众多的网页服务器中，本文中采用了Boa Server。Boa Server具有效率高、体积小的特点，非常适合在嵌入式系统中应用[5]。
本设计中用户所面对的网关平台，从功能上看主要分为三个模块，它们分别是登陆模块，设备添加删除模块和设备查询模块。远程用户通过浏览器，在地址栏中输入家庭网关主页IP地址，浏览器返回家庭网关的登陆页面。输入用户名和密码，网关系统确认成功，进入家庭网关系统，用户登录界面如图5所示。登入家庭网关系统后，点选“设备查询”按钮，可以看到当前网络中节点设备列表。设备列表中的设备信息包括设备名和设备的64位IEEE地址，用户名是由用户自己定义。如果设备处于连接状态，可以选中要查看的设备，点击“Inquiry”进行设备节点信息查询。节点设备列表页面如图5所示，节点设备信息如图6所示。
图5节点设备列表界面 图6 家庭网关登陆界面
当有新的设备节点加入网络或者就的设备节点退出网络时，用户可以更新网关系统的数据库，输入新设备的名字和地址，进行设备添加，而删除设备时选择设备的名称即可进行删除操作。
结束语
家庭网关是智能家居系统中的核心设备，也是智能家居领域研究的一个重要点，它作为连接家庭网络和外部网络的枢纽，实现了家庭网络和外部网络的信息数据交换，在整个的智能家居系统中起着至关重要的作用。2005年韩国SKTelecom推出的新的数字智能家庭服务，其核心技术就是ZigBee无线技术。丹麦的NESA公司在欧洲实施了第一套支持ZigBee系统的自动抄表系统（AMR）。ZigBee技术特点决定了它在未来的智能家居系统中占有重要的位置。所以对ZigBee技术在智能家居中的应用研究是非常有意义的。
参考文献
[1] 敖立．家庭网络的概念及业务综述．中国电信建设．2005，(17)：17～22．
[2] 韦波, 沈澈. 嵌入式技术给中国智能家居指明了方向. 国际智能建筑,2004, (7):94-97.
[3] 董兴丽，周超英．ZigBee技术在家庭网关中的应用与实现．现代电子技术，2007，249(10)
[4] ZStack User’s Guide for CC2530 http://www.TI.com
[5] 曹玲芝，石军，栗娟．Boa源码分析及其在嵌入式系统中的应用．计算机与数学工程．2005，6：l0~11．
