智能家居网关设计方案

基于ARM平台的智能家居网关设计1、概况2、系统设计3、硬件设计4、软件设计目录1、概况智能家居基本任务之一就是能够通过网络对于各类电器实现控制，由于主要家居电器本身就有220V交流供电，因此利用电力线实现设备监控和控制是一种非常有效的方式。本设计着重于电力线传输协议和网关设计。基于ARM平台提供协议转换，路由选择，远程控制等功能1、概况2、系统设计2.1电力线传输协议设计利用电力线来监控家居各类主要电器设备，避免了CAN总线或以太网等其他有线通信方式所需的额外布线，也解决了无线信号穿透墙壁时严重衰减的缺点，具有很好的实用价值。电力线传输信道质量较差，需要专门设计物理层规范。由于是小范围联网，数据量小，实时性要求不高，无需复杂芯片，可采用简化的MAC层协议，使用分时传输的发送方式。我们不用CSMA/CD，转而设计一种简化的分时发送机制：在下列时间节点，只要网络上空闲，设备或网关便可主动发送数据：1、0ms网关发送2、150ms设备1发送3、300ms设备2发送4、450ms设备3发送以此类推…在上述约定的分时发送时间到以前，没有任何从设备或网关正在进行通信，这时可认为网络空闲。否则推迟发送等待下一次机会。网关控制器每隔一段时间发送校时信号，重启发送时序。以上协议可有效地避免“碰撞”出现，在实时性要求不高的情况下获得较高的线路利用率。2、系统设计2.1电力线传输协议设计2、系统设计2.1电力线传输协议设计前导码目的地址源地址数据包号用户数据奇偶校验目的地址源地址数据包号用户数据奇偶校验数据包号用户数据应用层物理层MAC层2、系统设计2.1电力线传输协议设计CPUPL3106应用层命令+数据ARQMAC层定时发送协议物理地址奇偶校验物理层前导码PSK120kHz250bps功能需求：本身自带无线路由器功能能实现电力传输协议、802.11协议、以太网协议之间的转换2、系统设计2.2网关设计两种工作模式在主动工作模式下，网关按照配置好的命令直接控制家电设备运行。在被动工作模式下，网关对电力线上传来的数据作协议转换处理，以UDP形式在WLAN和以太网上进行广播，使PC机能接收到设备信息。同时对PC机传来的设备命令作协议转换，发送到电力传输线上，使设备能接收到PC机的指令。无论在哪种模式下，在家电设备眼中，控制者都是网关。网关屏蔽了外部环境的差异。2、系统设计2.2网关设计2、系统设计2.2网关设计电力线以太网被动模式中的地址解析问题2、系统设计2.2网关设计从设备A到PC：1、设备A发送MAC帧，源地址00，目的地址012、网关收到该帧，拆出用户数据DATA3、网关组装UDP数据报，目的端口104、网关根据表1，组装IP报文，源地址192.168.1.2，目的地址为广播地址5、网关在以太网广播该帧6、PC端监听UDP端口10，收到数据报7、PC端根据表2得知这是设备A发出的数据，据此做出反应2、系统设计2.2网关设计从PC到设备1、PC端生成用户数据DATA2、PC端组装UDP数据报，目的端口103、PC端根据表2组装IP报文，源地址192.168.2.2，目的地址192.168.1.24、PC端发送以太网帧到默认网关5、网关监听UDP端口10，收到数据报6、网关发现目的IP地址为192.168.1.2，在电力线上7、网关拆出用户数据，根据表1组装MAC帧，目的地址00，源地址01S3C6410是一个16/32位RISC微处理器，基于ARM11内核，可外接大容量RAM和ROM，性能较强，拥有多个SDIO接口和UART接口。选择S3C6410的主要原因是七强大的处理功能，符合路由器实时处理的要求，同时提供多种服务功能。3、硬件设计3.1MCU选型无线调制器GM320通过SDIO接口与CPU连接3、硬件设计3.2无线接口芯片选型PL3106是单片机，带有PSK调制功能，中心频率120kHz，最大波特率为500bpsPL3106通过串口与处理器连接，利用单片机编程，该芯片可完成全部MAC层、物理层和部分应用层的功能。但还需外加载波发送/接收电路3、硬件设计3.3电力传输芯片选型3、硬件设计3.3电力传输芯片选型3、硬件设计3.3电力传输芯片选型载波发送电路载波接收电路当发送数据的时候，载波信号由PL3106芯片的PSK_OUT引脚输出，波形视具体配置而定。经过由VT1、VT2、VT3和VT4组成的互补推挽功率放大电路后，具有了一定的带负载能力；VD1、VD2、VS4和VS2均起保护作用。载波信号发射功率的大小与VHH电源相关，提高VHH电压就可提高发送功率，进而提高通信距离。电容C1和电感L1主要任务是对输出信号进行滤波，减少各谐波信号对电网的污染。滤波信号经双向TVS保护后，可由耦合线圈直接耦合到电力线上。3、硬件设计3.3电力传输芯片选型接收电路的功能是对来自载波耦合电路的信号进行带通滤波处理。电阻R3的目的是隔离发送和接收电路，电感L2和电容C12组成并联谐振回路，对耦合进来的信号进行选频。当谐振中心频率为120kHz时，若电容C12=0.15nF时，则L1=1.17mH。二极管VD3、VD4将选频后的信号双向嵌位到±0.7V，对后级电路进行保护；然后该信号通过C11耦合到SIGIN输入管脚，由内部电路进行载波检测并译码为二进制数据。3、硬件设计3.3电力传输芯片选型TCP/IP协议和以太网协议利用软件实现，CPU只需通过串口连接HS9016隔离变压器实现电压转换硬件连接如图所示：3、硬件设计3.4以太网电路设计3、硬件设计3.5系统框图FLASHMEM1GBSDRAM128MSDRAM128MS3C6410按键、LEDHS9016GM320CLOCKPL3106RJ45载波接收和发送POWER天线UARTUARTSDIOBUSGPIO整个系统以嵌入式Linux为基础，由Linux提供进程管理，设备管理，文件系统管理等基础功能在Linux的基础上，添加各类程序模块，如图所示4、软件设计DHCPWEBserverRIPNATFirewallSNMP服务器进程TCP/UDPIP（Routingtable、IPFiltering）Linux嵌入式系统硬件层服务器进程的功能：被动模式：在IP层，所有发往电力传输线网络的数据包被过滤，由服务器进程解包、识别和转换之后直接发往PL3106芯片。同理，PL3106芯片接收的数据包不能直接在IP网络上传输，必须交由服务器进程添加必要信息并进行地址转换之后才能发往以太网或者是无线网，供PC机处理。4、软件设计DHCPWEBserverRIPNATFirewallSNMP服务器进程TCP/UDPIP（Routingtable、IPFiltering）Linux嵌入式系统硬件层服务器进程的功能：主动模式：按照先前配置直接控制家电设备的运行。通过WEBserver接受远程配置。4、软件设计DHCPWEBserverRIPNATFirewallSNMP监控进程TCP/UDPIP（Routingtable、IPFiltering）Linux嵌入式系统硬件层谢谢观看