CN207819948U - 基于zigbee与linux的智能家居系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于zigbee与linux的智能家居系统，包括网络节点、中央管理单元和无线路由器，网络节点包括传感器节点和无线节点，传感器节点、无线路由器和无线节点分别通过zigbee网络与中央管理单元进行数据交互；无线节点作为中继设备对传感器节点和/或另一无线节点进行数据处理；中央管理单元包括控制电路板和接口电路板，控制电路板设置有用于实现linux系统的ARM芯片，控制电路板和接口电路板电连接。通过利用ARM系列嵌入式芯片作为中央管理单元，不仅能够解决单片机数据传输能力有限的缺陷，并且能够解决PC机功耗大的问题，从而能够减小功耗、改善系统性能。

Description

基于zigbee与linux的智能家居系统

技术领域

本实用新型涉及智能家居系统领域，尤其是一种基于zigbee与linux的智能家居系统。

背景技术

伴随着数字化、网络化的进程，智能化的浪潮席卷了世界的每个角落，成为势不可挡的历史趋势，在这种形式下智能网络家居技术应运而生，它依靠3C技术，并结合信息、家电的发展，为用户提供了一种更加安全、舒适、方便、快捷的智能化的自由生活空间。但在国内智能家居系统的研究没有一个统一的标准，各种研究方案都具有其优缺点，所以研究一套完善的智能家居系统就具有了现实的意义。

常规应用的智能家居系统之中，常常使用单片机或者PC机作为系统的主控部分。当使用单片机作为主控部分时，由于单片机的数据传输能力有限，因此容易出现传输效率低的问题；而当使用PC机作为主控部分时，不仅功耗大而且价格昂贵，对于传输率不大的传感器网络来说十分浪费资源。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种基于zigbee与linux的智能家居系统，通过利用ARM系列嵌入式芯片作为中央管理单元，不仅能够解决单片机数据传输能力有限的缺陷，并且能够解决PC机功耗大的问题，从而能够减小功耗、改善系统性能。

本实用新型解决其问题所采用的技术方案是：

基于zigbee与linux的智能家居系统，包括网络节点、用于对网络节点进行数据传输监控及网络接入监控的中央管理单元和用于连接以太网的无线路由器，网络节点包括用于获取环境数据的传感器节点和与家电设备内部相连接的用于进行数据处理及传输作用的无线节点，传感器节点、无线路由器和无线节点分别通过zigbee网络与中央管理单元进行数据交互；无线节点作为中继设备对传感器节点和/或另一无线节点进行数据处理；中央管理单元包括用于进行系统控制及管理的控制电路板和用于进行信号传输的接口电路板，控制电路板设置有用于实现linux系统的ARM芯片，控制电路板和接口电路板电连接。

进一步，控制电路板还设置有用于存储数据的存储器，存储器包括SDRAM芯片、NorFlash芯片和NandFlash芯片，SDRAM芯片、NorFlash芯片和NandFlash芯片分别与ARM芯片相连接。

进一步，控制电路板还设置有用于进行人机交互的TFT触摸屏，TFT触摸屏与ARM芯片相连接。

进一步，接口电路板设置有用于进行数据无线传输的射频模块、用于辅助管理射频模块的单片机和用于进行对外连接的插接口模块，插接口模块与ARM芯片相连接；射频模块通过插接口模块利用UART接口与ARM芯片相连接；单片机与射频模块通过SPI接口相连接。

进一步，射频模块包括型号为CC2420的射频芯片及其外围电路，射频芯片的外围电路包括无线收发天线和天线匹配电路，天线匹配电路包括传输电容、第一匹配网络、第二匹配网络和第三匹配网络，传输电容串联于无线收发天线与射频芯片的射频信号输入端之间；第一匹配网络包括第一匹配电容和第一匹配电感，第一匹配电容和第一匹配电感相互并联并串接于传输电容与射频芯片的射频信号输入端之间；第二匹配网络包括第二匹配电容和第二匹配电感，第二匹配电感和第二匹配电容依次串联于射频芯片的射频信号输入端与参考地之间；第三匹配网络包括第三匹配电容和第三匹配电感，第三匹配电感串联于第一匹配网络的输出端与射频芯片的射频信号输入端之间，第三匹配电容连接于射频芯片的射频信号输入端与参考地之间。

进一步，接口电路板还设置有用于进行系统工作指示的LED指示灯，LED指示灯通过插接口模块连接于ARM芯片。

优选地，单片机的型号为ATmega128L。

优选地，ARM芯片的型号为S3C2440A。

本实用新型的有益效果是：基于zigbee与linux的智能家居系统，通过以ARM芯片作为硬件平台，实现基于linux系统的中央管理单元，并利用zigbee网络将中央管理单元与无线节点及传感器节点相连，因此中央管理单元能够与各个无线节点及传感器节点进行数据交互，而由于各个家电设备的内部分别与不同的无线节点相连接，传感器节点能够检测家居中不同位置的环境数据，因此，中央管理单元不仅能够实时监控各个家电设备的工作状态，并且能够实时监控家居中各种环境数据，从而能够对应控制不同家电设备进行工作；另外，中央管理单元还通过无线路由器连接以太网从而实现对各种家电设备的远程控制，从而实现智能家居网络系统的构建。由于ARM芯片具有丰富的片内外设，并且具有低价格低功耗、高性能等优点，因此，把ARM芯片作为中央管理单元，不仅能够解决单片机数据传输能力有限的缺陷，并且能够解决PC机功耗大的问题，从而能够减小功耗、改善系统性能。

附图说明

下面结合附图和实例对本实用新型作进一步说明。

图1是本实用新型的智能家居系统的原理图；

图2是中央管理单元的原理图；

图3是射频模块的电路原理图。

具体实施方式

参照图1－图3，本实用新型的基于zigbee与linux的智能家居系统，包括网络节点、用于对网络节点进行数据传输监控及网络接入监控的中央管理单元1和用于连接以太网的无线路由器3，网络节点包括用于获取环境数据的传感器节点2和与家电设备内部相连接的用于进行数据处理及传输作用的无线节点5，传感器节点2、无线路由器3和无线节点5分别通过zigbee网络与中央管理单元1进行数据交互；无线节点5作为中继设备对传感器节点2和/或另一无线节点5进行数据处理；中央管理单元1包括用于进行系统控制及管理的控制电路板11和用于进行信号传输的接口电路板12，控制电路板11设置有用于实现linux系统的ARM芯片111，控制电路板11和接口电路板12电连接；其中，ARM芯片111的型号为S3C2440A。具体地，通过以ARM芯片111作为硬件平台，实现基于linux系统的中央管理单元1，并利用zigbee网络将中央管理单元1与无线节点5及传感器节点2相连，因此中央管理单元1能够与各个无线节点5及传感器节点2进行数据交互，而由于各个家电设备的内部分别与不同的无线节点5相连接，传感器节点2能够检测家居中不同位置的环境数据，因此，中央管理单元1不仅能够实时监控各个家电设备的工作状态，并且能够实时监控家居中各种环境数据，从而能够对应控制不同家电设备进行工作；另外，中央管理单元1还通过无线路由器3连接以太网从而实现对各种家电设备的远程控制，从而实现智能家居网络系统的构建。由于ARM芯片111具有丰富的片内外设，并且具有低价格低功耗、高性能等优点，因此，把ARM芯片111作为中央管理单元1，不仅能够解决单片机数据传输能力有限的缺陷，并且能够解决PC机功耗大的问题，从而能够减小功耗、改善系统性能。

具体地，由于目前zigbee网络的通信主要在低端8位或16位的单片机上实现，对于中央管理单元1而言，其数据处理能力不强，且限于自身的硬件资源，很少能实现良好的人机交互界面，因此，对于功能要求较高的中央管理单元1，这种构架很难满足应用的需求。而基于PC机的中央管理单元1，不但体积大、价格高，而且功耗大，对于传输率不大的传感器网络来说十分浪费资源。而在本实用新型的智能家居系统中，采用型号为S3C2440A的ARM芯片111作为核心处理器的中央管理单元1。型号为S3C2440A的ARM芯片111是一款32位的RISC微处理器，其CPU采用的是ARM920T内核，具有丰富的片内外设、低价格低功耗、高性能等优点。由于ARM芯片111具有运行Linux、WindowsCE、Andorid等系统的固有功能，并且其内部提供有丰富的系统外设控制器，因此一般情况下，无需额外扩展系统组件，从而大大减小了系统的复杂度和成本，是智能家居控制处理器的绝佳选择。

其中，参照图1－图3，控制电路板11还设置有用于存储数据的存储器，存储器包括SDRAM芯片112、NorFlash芯片113和NandFlash芯片114，SDRAM芯片112、NorFlash芯片113和NandFlash芯片114分别与ARM芯片111相连接。具体地，在本实施例中，采用两片SDRAM芯片112，并且两片SDRAM芯片112的容量均为32MB；另外，由于NorFlash芯片113的写入、擦除速度较慢，读取速度较快，并且成本较高容量存储小，主要用于存储系统启动的Bootloader代码，因此本实施例中所使用的NorFlash芯片113的规格为2M＊16Bit；而由于NandFlash芯片114的特点与NorFlash芯片113的特点相反，能够进行大容量存储，因此本实施例中所使用的NandFlash芯片114的规格为64M＊8Bit。

其中，参照图1－图3，控制电路板11还设置有用于进行人机交互的TFT触摸屏115，TFT触摸屏115与ARM芯片111相连接。具体地，利用TFT触摸屏115实现人机交互的功能，能够使用户更方便地对系统进行操作，从而大大提高了本实用新型的智能家居系统的可操作性及操作便利性。

其中，参照图1－图3，接口电路板12设置有用于进行数据无线传输的射频模块121、用于辅助管理射频模块121的单片机122和用于进行对外连接的插接口模块，插接口模块与ARM芯片111相连接；射频模块121通过插接口模块利用UART接口与ARM芯片111相连接；单片机122与射频模块121通过SPI接口相连接；其中，单片机122的型号为ATmega128L。具体地，插接口模块不仅能够方便控制电路板11与接口电路板12之间的电连接，并且能够有效防止控制电路板11之上的电磁辐射与接口电路板12之上的电磁辐射相互干扰，从而能够有效降低EMC的干扰问题；另外，单片机122能够对射频模块121进行独立的实时控制，使得ARM芯片111只需向射频模块121发送需要进行传输的数据即可，降低了ARM芯片111的工作负荷，使得射频模块121能够更高效地与外部网络进行数据传输。

其中，参照图1－图3，射频模块121包括型号为CC2420的射频芯片U1及其外围电路，射频芯片U1的外围电路包括无线收发天线E1和天线匹配电路，天线匹配电路包括传输电容C1、第一匹配网络、第二匹配网络和第三匹配网络，传输电容C1串联于无线收发天线E1与射频芯片U1的射频信号输入端之间；第一匹配网络包括第一匹配电容C2和第一匹配电感L1，第一匹配电容C2和第一匹配电感L1相互并联并串接于传输电容C1与射频芯片U1的射频信号输入端之间；第二匹配网络包括第二匹配电容C7和第二匹配电感L2，第二匹配电感L2和第二匹配电容C7依次串联于射频芯片U1的射频信号输入端与参考地之间；第三匹配网络包括第三匹配电容C3和第三匹配电感L3，第三匹配电感L3串联于第一匹配网络的输出端与射频芯片U1的射频信号输入端之间，第三匹配电容C3连接于射频芯片U1的射频信号输入端与参考地之间。具体地，型号为CC2420的射频芯片U1以0.18umCMOS工艺制成，只需极少外部元器件即可实现其功能，不仅性能稳定，并且功耗极低。因此，本实施例使用型号为CC2420的射频芯片U1实现数据的无线传输，能够确保短距离通信的有效性和可靠性，因此，利用该射频芯片U1实现的智能家居系统，能够支持的数据传输率可高达250kbps，从而可以实现多点对多点的快速组网。另外，天线匹配电路能够使无线收发天线E1和射频芯片U1之间实现射频信号的良好匹配，避免射频信号出现功率反射的问题，从而避免损坏无线收发天线E1或射频芯片U1。

其中，参照图1－图3，接口电路板12还设置有用于进行系统工作指示的LED指示灯124，LED指示灯124通过插接口模块连接于ARM芯片111。具体地，LED指示灯124能够对系统的工作情况进行实时指示，从而方便用户实时了解系统的工作状态。

另外，本实用新型的智能家居系统之中，中央管理单元1与每台家电设备和传感器节点2通过zigbee网络组成了一个小型的家居“物联网”。各个家电设备之中的无线节点5与中央管理单元1互相通信，实现智能联动控制操作。例如：在家电智能控制方面，能够定时开关家电设备或者实时采集室内的温湿度数据，从而智能地控制空调的工作状态；在灯光智能控制方面，能够根据不同的室内自然光强度，从而智能地控制灯管的发光强度。

为了保证本实用新型的智能家居系统运行的稳定性，对中央管理单元1进行了为期一周的高温测试，在整个测试过程中，系统能够一直保持稳定的工作状态，同时，通过对ARM芯片111的温度进行了测量，能够得到ARM芯片111的工作温度处于正常范围之内的结果。

另外，在对本实用新型的智能家居系统的无线节点5进行的性能测试之中，其测试的条件为：

1、用障碍物将中央管理单元1与无线节点5隔开；

2、设置中央管理单元1的波特率为250kbps；

3、设置每一帧数据为64字节；

4、每次测试数据发送1000帧，发送间隔为200ms；

通过上述测试，可得到如下表的实验结果，由下表中可以看出，智能家居系统如果要正常工作，需保持在200m距离范围内：

有上述结论可知，本实用新型的智能家居系统，通过利用ARM系列嵌入式芯片作为中央管理单元，不仅能够解决单片机数据传输能力有限的缺陷，并且能够解决PC机功耗大的问题，从而能够减小功耗、改善系统性能。

以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本实用新型并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.基于zigbee与linux的智能家居系统，其特征在于：包括网络节点、用于对所述网络节点进行数据传输监控及网络接入监控的中央管理单元(1)和用于连接以太网的无线路由器(3)，所述网络节点包括用于获取环境数据的传感器节点(2)和与家电设备内部相连接的用于进行数据处理及传输作用的无线节点(5)，所述传感器节点(2)、无线路由器(3)和无线节点(5)分别通过zigbee网络与所述中央管理单元(1)进行数据交互；所述无线节点(5)作为中继设备对所述传感器节点(2)和/或另一无线节点(5)进行数据处理；所述中央管理单元(1)包括用于进行系统控制及管理的控制电路板(11)和用于进行信号传输的接口电路板(12)，所述控制电路板(11)设置有用于实现linux系统的ARM芯片(111)，所述控制电路板(11)和接口电路板(12)电连接。

2.根据权利要求1所述的基于zigbee与linux的智能家居系统，其特征在于：所述控制电路板(11)还设置有用于存储数据的存储器，所述存储器包括SDRAM芯片(112)、NorFlash芯片(113)和NandFlash芯片(114)，所述SDRAM芯片(112)、NorFlash芯片(113)和NandFlash芯片(114)分别与所述ARM芯片(111)相连接。

3.根据权利要求2所述的基于zigbee与linux的智能家居系统，其特征在于：所述控制电路板(11)还设置有用于进行人机交互的TFT触摸屏(115)，所述TFT触摸屏(115)与所述ARM芯片(111)相连接。

4.根据权利要求1所述的基于zigbee与linux的智能家居系统，其特征在于：所述接口电路板(12)设置有用于进行数据无线传输的射频模块(121)、用于辅助管理所述射频模块(121)的单片机(122)和用于进行对外连接的插接口模块，所述插接口模块与所述ARM芯片(111)相连接；所述射频模块(121)通过所述插接口模块利用UART接口与所述ARM芯片(111)相连接；所述单片机(122)与射频模块(121)通过SPI接口相连接。

5.根据权利要求4所述的基于zigbee与linux的智能家居系统，其特征在于：所述射频模块(121)包括型号为CC2420的射频芯片(U1)及其外围电路，所述射频芯片(U1)的外围电路包括无线收发天线(E1)和天线匹配电路，所述天线匹配电路包括传输电容(C1)、第一匹配网络、第二匹配网络和第三匹配网络，所述传输电容(C1)串联于无线收发天线(E1)与射频芯片(U1)的射频信号输入端之间；所述第一匹配网络包括第一匹配电容(C2)和第一匹配电感(L1)，所述第一匹配电容(C2)和第一匹配电感(L1)相互并联并串接于所述传输电容(C1)与射频芯片(U1)的射频信号输入端之间；所述第二匹配网络包括第二匹配电容(C7)和第二匹配电感(L2)，所述第二匹配电感(L2)和第二匹配电容(C7)依次串联于射频芯片(U1)的射频信号输入端与参考地之间；所述第三匹配网络包括第三匹配电容(C3)和第三匹配电感(L3)，所述第三匹配电感(L3)串联于第一匹配网络的输出端与射频芯片(U1)的射频信号输入端之间，所述第三匹配电容(C3)连接于射频芯片(U1)的射频信号输入端与参考地之间。

6.根据权利要求4所述的基于zigbee与linux的智能家居系统，其特征在于：所述接口电路板(12)还设置有用于进行系统工作指示的LED指示灯(124)，所述LED指示灯(124)通过所述插接口模块连接于所述ARM芯片(111)。

7.根据权利要求4所述的基于zigbee与linux的智能家居系统，其特征在于：所述单片机(122)的型号为ATmega128L。

8.根据权利要求1－7任一所述的基于zigbee与linux的智能家居系统，其特征在于：所述ARM芯片(111)的型号为S3C2440A。