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基于ZigBee和STM32的远程/短距离智能家居监控系统的设计与实现

林元新，芮孔刚，佘荣斌暨俞曙昂暨南大学电气信息学院，珠海519070

摘要：随着物联网（IOT）的不断发展，生活逐渐智能化。因此，远程/短程监控设备成为发展的必然趋势。在此背景下，基于STM32和ZigBee技术提出了智能家居监控系统。系统采用低功耗STM32处理器作为主控制器，实现系统mu;C/ OS-II和mu;C/ GUI的移植。该系统采用电阻式触摸屏作为人机交互界面，并结合ZigBee技术实现对家庭设备的短程监控。系统移植并修改了UIP网络协议的程序。主控制器连接以太网，搭建WEB服务器，实现家庭设备的远程监控。最后给出原型系统和功能测试的实现细节。

关键词：以太网，远程/近程监控，智能家居监控系统，STM32，触摸屏，ZigBee

绪论

物联网是继互联网和移动网络之后信息技术的第三次浪潮（Atzori et al。，2010）。智能家居基于物联网技术。利用先进的计算机技术，嵌入式系统和网络通讯技术，实现了远程/短程监控的智能家居设备。

近年来，专用短距离通信技术在智能家居系统中得到迅速发展。 ZigBee技术具有低功耗，低成本，可与路由功能联网，网络容量大，支持无限扩展等特点，已成为构建智能家庭网络的首选（Yang and Wang，2006）。相对于其他无线通信标准，ZigBee协议对处理器性能的要求较低，从而降低了产品开发的成本。经过系统考虑，在短距离无线通信中，系统采用ZigBee技术实现家庭设备的短距离监控。

在这个系统中，我们采用了STM32处理器，而不是传统的8位或16位MCU。 STM32处理器基于ARM Cortex-M3内核，专门用于嵌入式应用开发和32位闪存微控制器的推出。其价格接近传统的8位微控制器，远低于ARM9 32位处理器。同时，STM32具有低功耗，高集成度和易用性等特点（STM32F103VE Datasheet，2012），是智能家居微控制器的首选。

目前，智能家庭网关技术的远程控制主要分为接入以太网技术和GPRS技术。 接入以太网技术结合了低成本，高可用性，灵活性等优势，是家庭设备远程监控的首选。 所以系统采用接入以太网的方式，实现远程/短程监控的智能家居设备。

智能家居监控系统的整体网络结构

典型的智能家居监控系统的整体网络结构如图1所示。它主要分为两部分，ZigBee短距离无线传感器网络和嵌入式STM32接入以太网。

ZigBee短距离无线传感器网络：ZigBee短距离无线传感器网络解决了网关和家庭设备终端点对点的无线连接问题，使触摸屏终端能够智能监控每个家庭设备节点。 ZigBee传感器网络协议采用星形拓扑结构; 每个网络节点由协调器（PAN）分配唯一的网络地址。 协议还提供了一套比较完整的路由算法（Shouwei and Canyang，2009），因此协调器可以将最快的路由分配给节点的最佳路径。 实现协调员和家庭设备之间的通信。

图1：智能家居监控系统的网络结构

嵌入式STM32接入以太网：嵌入式STM32接入以太网，解决网关对Internet网络链路的访问问题，使个人计算机终端可以对每个家庭设备节点进行远程智能监控。 嵌入式STM32使用以太网接口，设置到服务器，使用以太网载波侦听多路访问（CSMA / CD）机制在网络上发送和接收数据。 系统移植基于STM32网关的开源嵌入式操作系统mu;C/ OS-II（Ucos_II 2.52 中国注释资料来源，2012），采用开源嵌入式网络协议UIP（Uip（微型 Ip），2012）。 实现STM32网关和互联网之间的通信。

请注意，主要通过串口实现ZigBee协调器与STM32网关之间的通信。 两者之间的数据传输不是简单的，而是相互的，可以控制的。 在传输过程中，为了使数据传输更加安全可靠，我们需要在数据中添加相应的标识符。 有时，由于两个通信系统的电源电压不同，我们需要将低电压提升到正常通信。在这个系统中，ZigBee协调器和STM32网关系统都提供3.3 V电源，因此串行数据可以直接发送和接收。

智能家居监控系统硬件设计

系统结构和组件选择的硬件设计如下：CPU选用ST Inc生产的基于ARM Cortex-M3内核的STM32F103VET6处理器。 ZigBee芯片选择TI公司生产的CC2530F128。 10M网卡选择Microchip Technology Inc生产的ENC28J60。 稳压电源模块选用输出电压为3.3 V的AMS1117-3.3芯片。硬件结构和硬件平台如图2和图3所示。

微控制器模块：第一个微控制器模块由STM32F103VET6及其外围电路组成，主要用于系统的核心网关。 这种类型的微处理器的工作频率为72MHz，具有512K字节的闪存和64K字节的SRAM以及丰富的GPIO和丰富的通信接口（USTAR，I2C，SPI，CAN，USB）（Sun等人 。，2010）。

图2：硬件结构

图3：硬件平台

图4：以太网控制器连接电路

第二个微控制器模块由CC2530及其外围电路组成，主要用于系统核心的短距离无线通信。 CC2530具有2.4-GHz IEEE802.15.4兼容RF收发器，128K字节闪存和8K字节SRAM。 这是构建智能家庭网络的首选（百度白皮，2012）。

以太网模块：以太网模块使用带SPI总线接口的独立以太网控制器ENC28J60。 它集成了IEEE 802.3以太网媒体访问控制，10Base-T物理层和8K字节的SRAM（ENC28J60数据表，2012），是以太网通信硬件的核心。 以太网控制器连接电路如图4所示

人机交互模块：人机交互模块主要由瀚宇彩色触摸屏组成。 HannStar显示器型号HSD043I9W1-A是一款彩色有源矩阵薄膜晶体管（TFT）液晶显示器（LCD），采用非晶硅TFT作为开关器件。 该型号由TFT液晶面板，驱动电路和背光系统组成。 这款TFT液晶有一个4.3（16：9）英寸对角线测量有效显示区域，带有WQVGA（480水平乘272垂直像素）分辨率（HannStar 4.3英寸HSD043I9W1-A数据表，2012）。 触摸屏接口电路如图5所示。

图5：触摸屏接口电路

图6：系统软件结构

智能家居监控系统软件设计

系统软件是嵌入式系统的核心部分。 软件是基于硬件平台来实现对每个模块的驱动和控制。 智能家居监控系统的软件设计主要由以下四部分组成：开源嵌入式操作系统mu;C/ OS-II（Ucos_II 2.52源中文注释资料，2012），由Jean J.Labrosse最初开发。 开源嵌入式GUI界面mu;C/ GUI（UCGUI Professional Website，2012）。 ZigBee联盟最初开发的短距离无线网络协议ZigBee（ZigBee Alliance Home，2012）。 开源嵌入式网络协议UIP（Uip（Micro Ip），2012），最初由Adam Dunkels开发。 系统软件结构如图6所示。

实时多任务嵌入式操作系统mu;C/ OS-II：系统移植了开源嵌入式操作系统mu;C/ OS-II。 首先，实现初始化函数OSInit（）的mu;C/ OS-II系统和硬件平台初始化函数BSP-Init（）。 然后，通过OSTaskCreate（）函数构建主任务，并通过OSStart（）函数启动mu;C/ OS-II内核。 除了自动生成的两个任务之外，系统还构建了其他五个任务（通过两个函数来执行App-TaskCreate（）和OSTaskCreateExt（））。 这五个任务是：人机交互任务，触控任务，串口1收发任务，网络处理任务和秒更新任务。

图7：ZigBee协议栈结构

嵌入式GUI界面mu;C/ GUI：在人机交互任务中，系统主要使用mu;C/ GUI中的LIB库函数（UCGUI Professional Website，2012），实现触摸屏交互界面的设计。 本研究主要对设计中使用的主要功能进行简要介绍。 首先，系统使用WM_SetCreateFlags（）函数，创建一个界面窗口。 其次，使用GUI_SetColor（）函数和GUI_SetBkColor（）函数，来设置前景色和背景色。 第三，使用BUTTON_Create（）函数来设置界面的按钮。 然后，使用GUI_DrawBitmapExp（）函数和GUI_DispStringAt（）函数，在界面上显示图像和文本。 最后，使用GUI_Clear（）函数，来清除界面的窗口。

无线网络协议ZigBee：ZigBee协议使用IEEE 802.15.4定义的物理层（PHY）和媒体接入层（MAC）。 并在此基础上定义网络层（NWK）和应用层（APL）的架构（Shouwei and Canyang，2009）。 ZigBee协议栈结构如图7所示。

Application layer	HTTP
Transport layer	TCP
Network layer	ICMP, IP
Link layer	ARP

嵌入式网络协议UIP：在网络处理任务中，系统主要移植开源嵌入式网络协议UIP，在以太网上发送和接收控制信息和状态信息。 UIP协议栈分为四层。 表1显示了该系统的层次模型。

ARP协议，主要是为了在目的主机发送帧之前获取目的主机的MAC地址。 目标主机的MAC地址基于其IP地址。 协议使用uip_arp_arpin（）和uip-arp-out（）函数构造ARP请求和回复，实现IP地址和以太网地址的映射。

IP协议，主要是将数据传输到上层协议，并将数据包传输到数据链路层封装成帧。 IP数据包头数据主要将参数存储到结构tcpip_hdr中。 详情如下：

struct tcpip_hdr

{

u8_t vhl, // IP version number and the length of the header

tos; // Type of Service

图8：TCP的状态转换

u16_t len, // The total length of the IP datagram ipid, // IP datagram identifier

ipoffset; // Segmented information u8_t ttl, // Time to Live

Proto; // Protocol type u16_t ipchksum; // Checksum

u16_t srcipaddr (BaiduBaike, 2012), // IP address of the sender

destipaddr (BaiduBaike, 2012); // IP address of the receiver

ICMP协议，主要用于在主机和路由器之间传递控制信息，包括报告错误，交换限制控制和状态信息等。 ICMP数据包头数据主要将参数存储到结构icmpip_hdr中。 详情如下：

struct icmpip_hdr

{

u8_t type, // Message type

icode; // Message code u16_t icmpchksum; // Checksum

u16_t id, // ICMP datagram identifier

seqno; // serial number

u8_t payload (Atzori et al., 2010); // Data start address

}

TCP协议（Xiren，2009）主要提供面向连接的服务。 当收到新的数据包时，会调用newdata（）函数来准备数据，但不会临时传输。 发送数据包时，调用senddata（）函数发送数据。 当成功发送数据包到达时，会调用acked（）

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