智能家居网关设计方案

1、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。

2、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

3、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,应用层,物理层,MAC层,2、系统设计2.1 电力线传输协议设计,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。

4、 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01 2、网关收到该帧，拆出用户数据DATA 3、网关组装UDP数据报，目的端口10 4、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DATA 2、P

5、C端组装UDP数据报，目的端口10 3、PC端根据表2组装IP报文，源地址192.168.2.2，目的地址192.168.1.2 4、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01,S3C6410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3.1

6、MCU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500bps PL3106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

7、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

8、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,FLASH MEM 1GB,SDRAM 128M,SDRAM 128M,S3C6410,按键、LED,HS9016,GM320,CLOCK,PL3106,RJ45,载波接收和发送,POWER,天线,UART,UART,SDIO,BUS,GPIO,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,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