基于ARM9的嵌入式无线智能家居网关设计

第３０卷第９期２０１０年９月

文章编号：１００１—９０８１（２０１０）０９—２５４１—０４

计算机应用

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ

Ｖ０１．３０Ｎｏ．９

Ｓｅｐ．２０１０

基于ＡＲＭ９的嵌入式无线智能家居网关设计

满

莎１，杨恢先２，彭友２，王绪四２

（１．湘潭大学信息工程学院，湖南湘潭４１１１０５；２．湘潭大学材料与光电物理学院，湖南湘潭４１１１０５）

（ｓｓ０４０８＠１６３．ｃｏｎ）

摘要：针对传统智能家居系统中多种无线通信技术之间互联的困扰，设计了一个新的两种无线通信技术直连的智能家居网关。该网关以ＡＲＭ９２０Ｔ嵌入式处理器￥３Ｃ２４４０Ａ为核心，ＡＲＭＬｉｎｕｘ为实时操作系统，采用新兴的Ｚｉｇｂｅｅ与Ｗｉ—Ｆｉ融合的通信技术，以满足家庭远程监控、家庭安防和家电控制的个性化需求。在ＡＲＭ９处理器上构建嵌入式Ｗｅｂ服务器，通过扩展ｗｉ—Ｆｉ模块与Ｚｉｇｂｅｅ模块实现家庭内部无线网络的建立以及与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的连接，并给出了硬件组成结构和软件实现流程。实验结果表明，该网关在丢包率与时间响应方面优于有线网关和ｗｉ—Ｆｉ一蓝牙网关，适合在智能家居系统中应用。

关键词：Ｚｉｇｂｅｅ；Ｗｉ—Ｆｉ；￥３Ｃ２４４０Ａ；Ｗｅｂ服务器；智能家居中图分类号：ＴＰ３９３．０２

文献标志码：Ａ

ｏｎ

Ｄｅｓｉｇｎｏｆ

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２．Ｆａｃｕｌｔｙ＂ｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓ，Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ

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ＡＲＭ９２０Ｔｅｍｂｅｄｄｅｄｐｒｏｃｅｓｓｏｒ￥３Ｃ２４４０Ａ，ＡＲＭＬｉｎｕｘ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｚｉｇｂｅｅ；Ｗｉｒｅｌｅｓｓ—Ｆｉｄｅｌｉｔｙ（Ｗｉ—Ｆｉ）；￥３Ｃ２４４０Ａ；Ｗｅｂｓｅｒｖｅｒ；ｓｍａｒｔｈｏｍｅ

０

引言

随着人们生活水平的提高以及计算机技术、通信技术和

可以直接进入家庭网关，实现对家电设备的远程监控和智能控制。系统中家庭网关为Ｗｉ—Ｆｉ－－ＺｉｇＢｅｅ的Ｗｅｂ服务器，它是ＺｉｇＢｅｅ协议、ｗｉ—Ｆｉ协议和以太网之间的转换接口，并负责建立和管理无线传感器网络以及实现外网的通信连接。１

网络技术的发展，智能家居逐渐成为未来家居生活的发展方向。智能家居不仅能给用户提供安全、健康和舒适的生活环境，而且用户能够远程监控自己的家居状态和控制家庭电器设备。在智能家居系统中，采用无线网络技术可以提供更大的灵活性、流动性，更符合家庭网络简洁性、灵活性、模块化、扩展性及独立性的通信特点，将无线网络技术应用于家庭网络已经成为主流趋势。

Ｚｉｇｂｅｅ作为一种新兴的无线通信技术，其低速率、低成本、低功耗、自配置和灵活的网络结构，非常适合于家庭内部组网。而Ｗｉ—Ｆｉ作为一种无线联网技术，最主要的优势在于不需要布线，不受布线条件的限制，因此特别适合移动办公用户的需要，在智能家居中采用ｗｉ—Ｆｉ技术使得家庭内部网络与Ｉｎｔｅｍｅｔ连接更加便捷，通过一台Ｗｉ—Ｆｉ的手持终端设备就

收稿日期：２０１０—０３—１７；修回日期：２０１０—０５—１９。

网关总体设计和工作流程

系统主要包括ＡＲＭ９处理器￥３Ｃ２４４０Ａ（家庭网关）、

Ｚｉｇｂｅｅ模块（协调器）、ｗｉ—Ｆｉ模块、Ｚｉｇｂｅｅ终端设备（如红外探测器、门磁开关和火灾探测器和烟感燃气探测器等），其结构如图１所示。在ＡＲＭ９处理器中移植Ｗｅｂ服务器Ｂｏａ作为家庭网关，负责对整个智能家居设备的管理以及远程监控。由于智能家居中许多家电设备都是通过Ｚｉｇｂｅｅ无线传感网络来工作的，因此必须在处理器中保存数据并对Ｚｉｇｂｅｅ无线传感网络进行数据融合处理，协调器负责家庭内部Ｚｉｇｂｅｅ网络的管理与控制。Ｗｉ—Ｆｉ模块用来传输大容量信息，通过无线访问节点（ＡｃｃｅｓｓＰｏｉｎｔ，ＡＰ）路由器与以太网连接，实现家

基金项目：海南省自然科学基金资助项目（６０８９７）；海南省教育厅项目（Ｈｊ２００９—１３５）。

作者简介：满莎（１９８３一），女（苗族），湖南长沙人，硕士研究生，主要研究方向：嵌入式系统、智能信息处理、智能控制；杨恢先（１９６４一），男，湖南益阳人，教授，主要研究方向：嵌入式系统、图形图像处理；彭友（１９８３一），男，湖南宁乡人，硕士研究生，主要研究方向：数字信号处理；

万方数据王绪四（１９８６一），男，湖南岳阳人，硕士研究生，主要研究方向：图像处理、模式识别。

２５４２

计算机应用第３０卷

庭内部网络与Ｉｎｔｅｍｅｔ的通信。

Ｚｉｇｂｅｅ

Ｙ

Ｚｉｇｂｅｅ

Ｙ

ｌｚｉ曲ｅｅ终端ｌｌｚｉｇｂｅｅ终端ｌ

图１系统结构

系统处理基本流程如下：系统内部由Ｚｉｇｂｅｅ星型网络组成，家中电器开关状态和传感器的控制信息在网络中自由传输，经由协调器（Ｚｉｇｂｅｅ模块）传送至Ｗｅｂ服务器的网关，再由网关通过Ｗｉ—Ｆｉ经无线路由连接到外部以太网，用户可以通过远程用户界面端了解家中电器状态；家庭网关可以通过无线网络对远程用户的控制命令作出判断和响应，从而开启或关闭家中的电器。

２网关硬件平台设计

网关硬件电路主要由控制器模块（￥３Ｃ２４４０Ａ）、存储单元（６４

ＭＢＳＤＲＡＭ、６４ＭＢＮａｎｄ

Ｆｌａｓｈ和２

ＭＢＮｏｒ

Ｆｌａｓｈ）、通信

模块（Ｚｉｇｂｅｅ模块和ｗｉ—Ｆｉ模块）和显示模块（ＬＣＤ）等组成，其硬件电路结构框图如图２所示。

ＡＲＭ９芯片

（￥３Ｃ２４４０Ａ）

墨霉

ｌ！！垒鱼ｌ

墨露

图２系统硬件电路

２．１控制器模块

控制器是整个嵌入式家庭网关的核心，用来对Ｚｉｇｂｅｅ通信模块进行相应配置并接收Ｚｉｇｂｅｅ终端节点的数据，利用Ｗｉ—Ｆｉ协议将网关通过Ｗｉ—Ｆｉ模块连接到Ｉｎｔｅｍｅｔ网络。为了能达到高性能、低功耗的目的，设计的嵌入式网关采用以ＡＲＭ９２０Ｔ为核心的３２位的ＲＩＳＣ微处理器￥３Ｃ２４４０Ａ作为主控制器，该处理器集成了ＬＣＤ控制器、ＵＳＢＨｏｓｔ、ＮＡＮＤ控制器、ＢＵＳ控制器、中断控制、功率控制、存储控制、ＵＡＲＴ、ＳＨ和ＧＨＯ等丰富的外围资源。１ｏ，通过外扩存储器、串口、ＵＳＢ接口和ＪＴＡＧ调试接口等构成硬件平台。

２．２

Ｚｉｇｂｅｅ组网模块

在智能家居系统中，采用Ｚｉｇｂｅｅ无线通信技术将智能家

电设备组成星形网络。星形网络是一个辐射状的结构，网络命令和数据都是通过协调器传输，终端设备之问通信也是通过协调器转发，终端设备不是通信的起点就是通信的终点。Ｚｉｇｂｅｅ扩展模块在家庭网关中作为网络协调器，可以是通信的起点或终点，负责各子传感器节点的通信管理、动态组网与数据传输。Ｚｉｇｂｅｅ终端节点包括家庭内部网络中的门磁开关、红外对射探测器、玻璃破碎探测器、火灾探测器以及烟感和燃气泄露探测器等。

Ｚｉｇｂｅｅ模块采用ＪＥＮＮＩＣ公司的ＪＮ５１３９，这是业界第一款与ＩＥＥＥ８０２．１５．４兼容的低功耗、低成本无线控制模块。２ｏ。该模块与￥３Ｃ２４４０Ａ中的ＵＡＲＴｌ相连，￥３Ｃ２４４０Ａ中有三个通用异步串行接口，ＵＡＲＴ０是ＲＳ２３２接口，用来连接Ｐｃ机，ＵＡＲＴｌ和ＵＡＲＴ２是ｒＩＴｌｌＬ接口。这里使用ＵＡＲＴ０来连接，设置相应波特率后实现数据传输。其通信接口电路如图３所示，只需连接ＴＸＤ０和ＲＸＤ０两根信号线即可实现两者的数据传输通信。

万方数据

图３

ＪＮ５１３９的通信接口电路

２．３

Ｗｉ—Ｆｉ通信模块

该模块用来实现家庭网关与Ｉｎｔｅｍｅｔ连接。ｗｉ—Ｆｉ模块

采用威盛的ＶＴ６６５６芯片实现数据的远程传输，ＶＴ６６５６芯片内嵌ＴＣＰ／ＩＰ协议栈，降低了设计的难度，同时大大提高了主控制器处理其他数据的能力。ＶＴ６６５６与￥３Ｃ２４４０Ａ的连接非常简单，二者可以通过标准的ＵＳＢ接口直接相连。ＶＴ６６５６芯片的主要特性：５４Ｍｂｐｓ标准８０２．１ｌｇ无线Ｉｎｔｅｒｎｅｔ访问，比基于８０２．１１ｂ协议快５倍；采用ＵＳＢ２．０最高比ＵＳＢ１．１快４０倍；新的天线技术支持更远距离的无线访问；支持所有标准８０２．１ｌｇ和８０２．１ｌｂ无线路由器及接入点；支持６４／１２８／１５２位ＷＥＰ加密；支持ＷＰＡ／ＷＰＡ２、ＷＰＡ—ＰＳＫ／ＷＰＡ２一ＰＳＫ等高级加密与安全机制。

３软件平台设计

软件平台采用一种开放源码的Ｌｉｎｕｘ操作系统，便于在其基础上完成各项相关应用程序的开发。软件主要涉及到操作系统的裁剪与编译、驱动程序编写和系统主程序编写。３．１家庭网关软件体系结构

家庭网关采用模块化设计方案，如图４所示由硬件驱动层、操作系统层、网络协议层和应用程序层组成。硬件驱动层描述网关节点中Ｚｉｇｂｅｅ模块和ｗｉ—Ｆｉ模块的驱动；操作系统层移植了ＡＲＭＬｉｎｕｘ实时操作系统内核；网络协议层移植了Ｚｉｇｂｅｅ和ｗｉ—Ｆｉ协议栈，实现Ｚｉｇｂｅｅ和ｗｉ—Ｆｉ协议双向转换；应用程序层在Ｌｉｎｕｘ内核上移植嵌入式Ｗｅｂ服务器软件

Ｂｏａ。

应用程序层嵌入式ｗｅｂ服务器Ｂｏａ

网络协议层ｚｉ曲ｅｅ协议栈ｌＷｉ—Ｆｉ协议栈

操作系统层硬件驱动层

ｚｉｇｂｅｅ模块ｌＷｉ．Ｆｉ模块

图４家庭网关结构

网关中的网络协议层主要完成从Ｗｉ—Ｆｉ和Ｚｉｇｂｅｅ协议的相互转换工作。对于从Ｚｉｇｂｅｅ设备发送到ｗｉ—Ｆｉ的数据，在网关需要经过以下处理步骤：Ｚｉｇｂｅｅ设备接收到数据一去掉物理层Ｚｉｇｂｅｅ分组一去掉ＭＡＣ层Ｚｉｇｂｅｅ分组一添加ＭＡＣ头的Ｗｉ—Ｆｉ分组＿＋添加物理层头的Ｗｉ—Ｆｉ分组＿＋ｗｉ—Ｆｉ处理或发送。ｗｉ—Ｆｉ接收数据到发送给Ｚｉｇｂｅｅ设备的过程如下：ｗｉ—Ｆｉ接收到数据＿＋去掉物理层Ｗｉ—Ｆｉ分组一去掉ＭＡＣ层ｗｉ—Ｆｉ分组一添加ＭＡＣ头的Ｚｉｇｂｅｅ分组＿＋添加物理层头的Ｚｉｇｂｅｅ分组一－Ｚｉｇｂｅｅ处理或发送。Ｗｉ—Ｆｉ－－Ｚｉｇｂｅｅ通信协议模型如图５所示。

网络应用层

ＩＰＩＰＩ—＋Ｉ数据链路层

ＬＬＣ

ＬＬＣ拳墨一

Ｉ 叫ＬＬＣ

Ｗｉ—ＦｉＭＡＣＺｉｇｂｅｅ

ＭＡＣｌ －—叫ＺｉｇｂｅｅＭＡ

Ｗｉ—ＦｉＰＨＹ

ＺｉｇｂｅｅＰＨＹ

Ｉ叫ｚｉｇｂｅｅ

ＰＨＹ

图５Ｚｉｇｂｅｅ／Ｗｉ－Ｆｉ网关的通信协议模型

３．２

Ｚｉｇｂｅｅ组网软件设计

家庭网关集成了Ｚｉｇｂｅｅ网络协调器和嵌入式Ｗｅｂ服务

第９期满莎等：基于ＡＲＭ９的嵌入式无线智能家居网关设计

２５４３

器，有两个主要功能。１）实现无线传感器网络的建立，传感器节点管理和数据传输。将收集到的数据存储在数据库中，使用户可以随时查询监控Ｚｉｇｂｅｅ终端设备的状态。２）用户可以通过Ｗｅｂ浏览器直接访问网关，可以进行实时监测和远程管理。

为了实现家庭网关的功能，在硬件平台上移植了Ｌｉｎｕｘ２．６实时操作系统、Ｚｉｇｂｅｅ协议栈和ＶＴ６６５６的驱动程序，并

使用基于Ｈ７肿协议的Ｂｏａ服务器作为Ｗｅｂ服务器，其中

ＺｉｇＢｅｅ网络协调器的软件实现包括ＺｉｇＢｅｅ协议和监控管理程序的移植。该软件流程如图６所示。

图６

Ｚｉｇｂｅｅ软件流程

在智能家居内部ＺｉｇＢｅｅ无线网络中，首先协调器进行初始化，然后协调器选择一个称为ＰＡＮＩＤ的标识号码，接着启动网络，所有的设备接入ＣＳＭＡ—ＣＡ机制的协调器。当协调器收到数据时，首先判断是新节点加入网络的请求还是设备节点的控制请求：如果是新节点加入网络的请求则分配网络地址并绑定节点；如果是控制请求，则调用控制请求处理函数处理数据。数据处理完毕，协调器返回等待请求监听状态。３．３家庭网关主程序设计

家庭网关是建立在传输层以上的协议转换器，通常它连接两个或多个相互独立的网络，每接收一种协议的数据包后，在转发之前将它转换为另一种协议的格式，Ｚｉｇｂｅｅ协议栈由一系列分层结构组成，包括物理层、数据链路层、网络层、应用支持层和应用层，每一层为上一层提供服务。采集节点将要传输的节点地址信息和监测数据以Ｚｉｇｂｅｅ帧的形式打包发送给网关节点。传送数据在通过物理介质进入网关后，先用Ｚｉｇｂｅｅ协议栈解封装得到原始数据，网关可以用操作系统上的应用软件根据需要对原始数据处理。然后再以ＴＣＰ／ＩＰ协议打包后通过ＵＳＢ口与Ｗｉ—Ｆｉ通信模块ＶＴ６６５６相连，ｗｉ—ＦｉＶＴ６６５６网卡通过ＡＰ路由器，将数据传送到Ｗｉ—Ｆｉ网络中，ＡＰ路由器接人Ｉｎｔｅｒｎｅｔ，从而实现网关与Ｉｎｔｅｍｅｔ相连。为实现系统的监测和控制两大功能，数据帧结构的设计由前导码、数据模式、目标地址、数据长度、数据信息与校验和等部分构成。３Ｊ，其中数据信息字段又划分为方向位、功能类型和数据。方向位分为上行和下行两种：上行传输的是监测数据，下行传输的是控制命令。

家庭网关主程序处理流程如图７所示。硬件上电系统启动以后，应用程序初始化，网关开始监听网络，有数据到来网关进入中断状态。首先判断是否Ｚｉｇｂｅｅ数据，如果是Ｚｉｇｂｅｅ数据，按照ＷＳＮ协议处理数据然后打包转发给Ｗｉ—Ｆｉ模块，网关返回监听状态；如果不是Ｚｉｇｂｅｅ数据，网关判断是否ｗｉ—Ｆｉ数据，如果是则以Ｗｉ—Ｆｉ协议处理数据然后打包转发给Ｚｉｇｂｅｅ模块，并返回监听状态；若是未知数据，网关进行丢弃

万方数据

处理直接返回监听网络状态。

４测试结果与分析

将设计的ｗｉ—Ｆｉ—ｚｉｇｂｅｅ网关与同样采用无线通信技术的ｗｉ—Ｆｉ一蓝牙无线网关，以及采用综合布线的有线网关做如下比较，如表１。有线网关网络稳定性、抗干扰性方面高，但是耗时且灵活性较低，而无线网关耗费的工时少且在网络稳定、灵活和抗干扰方面均性能良好。

图７家庭网关主程序流程表１三种网关的比较

为验证Ｗｉ—Ｆｉ－－Ｚｉｇｂｅｅ网关在智能家居监控系统中的性能，测试了两组性能指标：１）无障碍物和干扰状态下，随着距离的增加，数据丢包率和响应时问的变化情况；２）数据传输距离分别为１０

ｉｎ、２０ｍ、５０

ｉｎ时，有障碍物情况下丢包率和响

应时问性能变化；如图８所示，其中（ａ）、（ｂ）为在无障碍物和干扰状态下测得三种网关下丢包率与响应时间的曲线；（ｃ）、（ｄ）为在有障碍物和干扰情况下所测得的数据。实验结果表明，在无障碍物传输距离为５０ｍ以内时，Ｗｉ—Ｆｉ－－Ｚｉｇｂｅｅ网关较ｗｉ—Ｆｉ一蓝牙网关的优势明显，随着传输距离增加，丢包率低维持在３％左右，相对于有线网关高出２％左右，而响应时间波动在１ｍｓ以内，完全能够充分满足正常家居环境的通信需要，而且接收功率很低，非常适合家庭的使用。在有障碍物和干扰的情况下，Ｗｉ—Ｆｉ－－Ｚｉｇｂｅｅ网关丢包率与响应时问较有线网关稍高，却远优于Ｗｉ—Ｆｉ一蓝牙网关。５

结语

本文提出了一种无线智能家居网关的设计和实现方案，

该方案采用低功耗ＡＲＭ处理器Ｓ３Ｃ２４４０Ａ为核心，利用内嵌ＴＣＰ／ＩＰ协议栈的模块ｗｉ—Ｆｉ为网络的数据出口，以嵌入式Ｗｅｂ服务器为网关，克服了传统网关架构下Ｚｉｇｂｅｅ传输速率较低的瓶颈，利用Ｗｉ—Ｆｉ和Ｚｉｇｂｅｅ全网无线无缝连接。实验表明，该系统可靠性高、协议转换效率高，抗干扰能力强，同时具有很好的通用性，非常适合在智能家居系统中应用。

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计算机应用第３０卷

ｌ１ｌＯＯ９Ｏ８０７０６０５

＆、哥回佩

Ｏ４０３Ｏ２０ｌ０

董厘害恻兽

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距离，ｍ距离，ｍ

啦、斟固帐

距离，ｍ

（ｃ）三种网关在有障碍物和干扰隋况下丢包率曲线

参考文献：

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ＳａｍｓｕｎｇＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ．￥３Ｃ２４４０Ａ３２－ｂｉｔＲＩＳＣｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ

ｕｓｅｒ＇ｓ

（ｄ）三种网关在有障碍物和干扮Ｉ靓下响应时间曲线

［７］

ＫＩＭ

距离肺

图８三种网关在不同环境下丢包率与响应时间的比较

ＳＨ，ＫＡＮＧＪＳ，ＰＡＲＫＨＳ，ｅｔａ１．ＵＰＮＰ—ＺｉｇＢｅｅＩｎｔｅｍｅｔｗｏｒｋｉｎｇ

ａ

ａｒｅｈｉｔｅｅｔｍ＇ｅｍｉｒｒｏｒｉｎｇ

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ＩＶＥＲＳＯＮＭＡ，ＯＺＧＵＮＥＲＦ，ＦＯＬＬＥＮＧＪ．Ｒｕｎ—ｔｉｍｅｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ

ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ

［１１］ＫＵＭＡＲＳ，ＤＡＳＳＫ，ＢＩＳＷＡＳＲ．Ｇｒａｐｈ

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Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ

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基于ARM9的嵌入式无线智能家居网关设计

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

满莎， 杨恢先， 彭友， 王绪四， MAN Sha， YANG Hui-xian， PENG You， WANG Xu-si

满莎,MAN Sha(湘潭大学信息工程学院,湖南,湘潭,411105)， 杨恢先,彭友,王绪四,YANG Hui-xian,PENGYou,WANG Xu-si(湘潭大学材料与光电物理学院,湖南,湘潭,411105)计算机应用

JOURNAL OF COMPUTER APPLICATIONS2010,30(9)1次

参考文献(10条)

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本文读者也读过(8条)

1. 徐锋.刘欣.方加宝.XU Feng.LIU Xin.FANG Jiabao 智能家居远程控制系统设计[期刊论文]-低压电器2009(4)2. 夏澎.郝卫东.XIA Peng.HAO Wei Dong 基于嵌入式的智能家居监控系统设计[期刊论文]-微型机与应用2010,29(10)3. 高小平.GAO Xiao-ping 中国智能家居的现状及发展趋势[期刊论文]-低压电器2005(4)

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引证文献(6条)

1.尚维来 嵌入式智能区域系统的应用研究[期刊论文]-甘肃科技 2011(4)

2.叶崧 集成WSN、载波通信和多种现场总线的网关设计[期刊论文]-现代电子技术 2011(24)3.叶崧 嵌入式远程监控装置中PLCC_Zigbee网关设计[期刊论文]-微计算机应用 2011(7)

4.张逢雪.王香婷.王通生.徐广瑞 基于STM32单片机的无线智能家居控制系统[期刊论文]-自动化技术与应用 2011(8)5.严武军.赵鹏 基于3G机器人的视频监控系统设计[期刊论文]-电脑开发与应用 2011(11)6.尚维来 嵌入式智能区域系统的应用研究[期刊论文]-安阳工学院学报 2010(6)

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