一種嵌入式無線智能家居網(wǎng)關系統(tǒng)的設計方案

 摘 要： 為了實現(xiàn)家庭內(nèi)部網(wǎng)路與Int ernet 以及GSM 網(wǎng)的互聯(lián)， 提出了一種嵌入式無線智能家居網(wǎng)關系統(tǒng)的設計方案。該網(wǎng)關系統(tǒng)的硬件平臺以ARM920T 核處理器S3C2440 為主處理器， 采用ZigBee 協(xié)議建家庭內(nèi)部網(wǎng)絡， 而且通過以太網(wǎng)模塊和GSM 模塊接入外部網(wǎng)絡。軟件平臺采用Linux 操作系統(tǒng)， 通過交叉編譯設計網(wǎng)關的應用程序。最后， 以QtopiaCo re 為嵌入式GUI, 進行家庭網(wǎng)關監(jiān)測應用軟件的功能需求分析， 設計圖形用戶界面， 實現(xiàn)家庭內(nèi)部信息的查詢?；贏RM9 和Linux 的嵌入式網(wǎng)關系統(tǒng)， 可擴展性強， 數(shù)據(jù)處理速度快， 使用簡單， 能夠?qū)彝ゾW(wǎng)絡內(nèi)部多項環(huán)境信息進行監(jiān)測。

　　0 引言

　　智能家居系統(tǒng)是為適應現(xiàn)代化家庭生活而形成的一個形式多樣化的網(wǎng)絡系統(tǒng)。它是現(xiàn)代3C技術（計算機技術，通信技術，控制技術）與傳統(tǒng)家居系統(tǒng)相結合的產(chǎn)物，是家居信息化未來的發(fā)展方向。智能家居網(wǎng)絡通常包括智能家居網(wǎng)關，外部網(wǎng)，安防設備等。智能家居網(wǎng)關與其他4個部分連接，交互信息，對它們進行統(tǒng)一的管理。此外，智能家居網(wǎng)關還接入外部網(wǎng)絡，使用戶能夠遠程實時控制管理家庭內(nèi)部網(wǎng)絡。

　　在本文中，智能家居網(wǎng)絡是指應用于家庭環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡。在家庭中，部署各種傳感器，例如紅外傳感器，煙霧傳感器，RFID門磁傳感器來監(jiān)測家庭的一些環(huán)境信息，這些傳感器通過自組織方式就構建了智能家居網(wǎng)絡。所以本文設計的智能家居網(wǎng)關主要是實現(xiàn)WSN網(wǎng)絡與Internet以及GSM網(wǎng)的互連。顯然，智能家居網(wǎng)關是整個家庭網(wǎng)絡的核心，主要實現(xiàn)Internet網(wǎng)，GSM網(wǎng)的接入，遠程控制，以及實現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換連接家庭內(nèi)部異構網(wǎng)絡的功能。目前基于PC方案的家庭網(wǎng)關不僅成本高，而且要求計算機一直處于開機狀態(tài)，因此，對于普通的用戶，家庭網(wǎng)關應采用廉價的嵌入式CPU，若單是采用8位或者16位的單片機，由于速度慢且資源有限，不能實現(xiàn)復雜的控制，效果不理想。

　　因此，以ARM920T核處理器S3C2440為主處理器，家庭內(nèi)部通過JENNIC 5139射頻模塊自組織無線網(wǎng)絡。GSM模塊選用Wavecom GSM模塊。此外，本文用Qt設計了用戶可操作的觸摸屏界面。

　　1 網(wǎng)關需求分析

　　網(wǎng)關系統(tǒng)的主要功能是在現(xiàn)場及遠程終端監(jiān)控家庭各個傳感器的工作狀態(tài)，并在異常時報警。各個傳感器將各自采集的信息，經(jīng)過JEN-NIC射頻模塊的無線傳輸，傳送到網(wǎng)關系統(tǒng)上，通過嵌入式微處理器操作系統(tǒng)，將信息通過有線或者無線方式傳送到遠程終端上或者用戶手機上。網(wǎng)關部署如圖1所示。

圖1 網(wǎng)關部署結構圖[!--empirenews.page--]

　　本文要實現(xiàn)的目標有以下3個：

　?。?）實現(xiàn)用戶在任何時間，任何地點通過遠程無線的方式對家庭內(nèi)的環(huán)境信息查詢；

　　（2）對家庭內(nèi)部的環(huán)境信息進行實時監(jiān)控，當其中某一項參數(shù)超過一定指標時，以遠程無線方式通知用戶，發(fā)送報警信息；

　?。?）*遠程終端的連接請求，當有遠程Socket連接時網(wǎng)關發(fā)送數(shù)據(jù)。
 

　　2 網(wǎng)關總體設計

　　現(xiàn)階段大部分的家庭網(wǎng)關聯(lián)網(wǎng)方式主要為有線接入，本文提出了一種基于ARM處理器和GSM網(wǎng)絡，以linux為操作系統(tǒng)的家庭網(wǎng)關無線接入方案，目的是能通過手機短信或者遠程終端對控制節(jié)點進行遠程控制。并使用JENNIC無線射頻模塊實現(xiàn)家庭內(nèi)部子網(wǎng)采集數(shù)據(jù)的無線傳輸。

　　網(wǎng)關系統(tǒng)的總體結構圖可以簡化為硬件層和軟件層。硬件層由高性能的微處理器和多個功能模塊組成。軟件層由嵌入式操作系統(tǒng)以及應用軟件構成，其具體結構如圖2所示。

圖2 網(wǎng)關總體架構

　3 家庭網(wǎng)關硬件設計

　　本次網(wǎng)關設計的硬件層主要采用嵌入式的ARM9開發(fā)平臺。嵌入式ARM處理器具有體積小，功耗低，成本低，性能高等特點，是十分優(yōu)秀的RISC處理器。其中三星公司的S3C2440是一款優(yōu)秀的ARM9核心處理器，具有400 MHz的主頻，內(nèi)部集成多個功能模塊，支持NAND-flash啟動等特點，是目前市場上最常見的嵌入式處理器芯片。因此，本系統(tǒng)擬采用S3C2440處理器為核心處理器。

　　考慮主控制器擴展出來的串行接口數(shù)量有線，程序的調(diào)試，燒寫，傳感器節(jié)點等都需要串行接口。所以，選擇了AU9254這款USB PUB芯片來實現(xiàn)USB串行口的擴展。以太網(wǎng)控制器和配合擴展的RJ 45接口主要用于與Internet網(wǎng)絡互聯(lián)。射頻收發(fā)模塊和GSM無線模塊擬采用標準的串口集成到網(wǎng)關上。人機接口打算使用LCD觸摸屏，可以方便地觀察節(jié)點的配置以及檢測環(huán)境的變化。JTAG接口將引導加載程序燒寫在網(wǎng)關中。具體的硬件架構圖如圖3所示。

圖3 網(wǎng)關硬件架構圖[!--empirenews.page--]

4 家庭網(wǎng)關軟件設計

　　4.1 構建網(wǎng)關嵌入式Linux操作系統(tǒng)

　　網(wǎng)關系統(tǒng)硬件平臺與功能應用之間，需要專門的負責管理存儲器分配，中斷處理以及任務調(diào)度等功能的軟件模塊，這就是嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)是用來支持嵌入式應用的系統(tǒng)的軟件，包括硬件相關的底層驅(qū)動，系統(tǒng)內(nèi)核，通信協(xié)議，圖形用戶界面等。

　　本文的網(wǎng)關系統(tǒng)是面向WSN和Internet，GSM互聯(lián)的通信應用，主要完成異構網(wǎng)絡之間的通信和控制，因此需要選擇實時的操作系統(tǒng)。在眾多的嵌入式實時操作系統(tǒng)中，從開發(fā)成本，軟件支持和代碼開放的角度考慮，本文將采用Linux操作系統(tǒng)作為網(wǎng)關的系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。

　　4.2 建立交叉編譯環(huán)境

　　交叉編譯就是在一個平臺上生成另一個平臺上可以執(zhí)行的代碼。這里的平臺包括體系結構和操作系統(tǒng)。同一體系結構上可以運行不同操作系統(tǒng)。同樣，同一個操作系統(tǒng)也可以在不同的體系結構上運行。

　　本文是在裝有Ubuntu 9.10（基于X86架構的Linux操作系統(tǒng)）的PC機上為網(wǎng)關系統(tǒng)建立了基于ARM9的交叉編譯環(huán)境。建立之后，就可以在PC機上對將在網(wǎng)關系統(tǒng)上運行的應用程序進行編譯，從而生成可以在網(wǎng)關系統(tǒng)上運行的可執(zhí)行代碼，最后下到網(wǎng)關系統(tǒng)上。這也就是目前嵌入式程序開發(fā)的宿主機／目標機（HOST／TARGET）模式。

　　Linux交叉編譯環(huán)境的內(nèi)容，主要分為4個部分：GCC編譯器（C語言編譯器），二進制工具包（Binutils），標準C庫（Glibc）和Linux內(nèi)核頭文件。Glibc和GCC都有很多版本，需要根據(jù)實際需要選擇合適的版本。

　　4.3 網(wǎng)關應用程序設計

　　本次網(wǎng)關系統(tǒng)的應用軟件架構圖4所示。其主要功能是依據(jù)傳感器配置文件，分類解析WSN中的數(shù)據(jù)，為用戶提供Socket數(shù)據(jù)服務和XML-RPC遠程調(diào)用服務。其工作流程是：網(wǎng)關程序啟動以后，從XML文件夾中解析所有的傳感器配置文件；*串口數(shù)據(jù)，利用傳感器配置文件解析數(shù)據(jù)生成XML數(shù)據(jù)流；創(chuàng)建Socket服務器，等待客戶端數(shù)據(jù)請求，提供XML格式的Socket服務；創(chuàng)建XML-Socket遠程調(diào)用服務器，完成用戶的XML請求。

圖4 網(wǎng)關系統(tǒng)的軟件架構

　　程序設計思路如圖5所示：網(wǎng)關程序啟動，完成參數(shù)初始化，解析XML文件夾下的所有傳感器配置文件，創(chuàng)建3個類的實例。4個任務隊列。Serialcomm類創(chuàng)建兩條線程用讀串口和寫串口，這樣可以保證數(shù)據(jù)的實時性?；谕瑯拥牡览?，XMLParser類和XMLComm類也是雙線程并行工作。這樣就組成了從WSN和Internet的上行通道（圖5中的虛線表示），以及Internet到WSN的下行通道（圖5中的粗線表示）。

圖5 網(wǎng)關應用設計思路圖[!--empirenews.page--]

　　4.4 人機接口模塊的設計

　　人機接口使用的是項目中使用的觸摸屏是240×320 TFT彩屏LCD。該模塊主要設計以下4個菜單供用戶操作：文件菜單，查詢菜單，報警菜單和管理菜單。這部分的設計使用Qt設計。Qt是一個跨平臺的C++圖形用戶界面庫，由挪威TrollTech公司開發(fā)，目前包括Qt／X11、基于Framebuffer的Qt／Embedded、快速開發(fā)工具Qt Designer以及國際化工具Qt Linguist等。Qt的良好封裝機制使其模塊化程度非常高，可重用性較好，對于用戶來說非常的方便。Qt API和開發(fā)工具對所有支持平臺都是一致的，從而可以進行獨立于平臺的程序開發(fā)和配置。它使得跨平臺軟件編程直觀、簡易和方便。

　　本文所有的可視化界面都是通過Qt自帶的工具Qt designer設計，它是一個可視化的界面設計工具，對于其每個組件內(nèi)部的關系通過編寫代碼來實現(xiàn)。

　　網(wǎng)關登陸界面主要用于用戶登陸信息的輸入，包括用戶名和密碼。用戶正確輸入用戶名和密碼之后，就可以進入網(wǎng)關的主界面，如圖6所示，可以看到，這里有4個菜單，當點擊每一個菜單分別進入相應的功能界面，例如點擊文件菜單，可進入配置文件的編輯界面。在此界面上可以修改網(wǎng)關系統(tǒng)的配置文件。這個界面具有一般文件界面的所有功能。這幾個界面都比較簡單，比較容易實現(xiàn)。在此重點介紹監(jiān)控界面的設計。

圖6 網(wǎng)關主界面

　　監(jiān)控界面是該系統(tǒng)用戶界面的主要部分。它主要是查看目前家里的環(huán)境信息。和這相關的文件有query.ui，ui_query.h，query.h，query.cpp等，其中query.ui是Qt Designer設計的主界面函數(shù)，如圖7所示。Ui_query.h是moc編譯器產(chǎn)生的函數(shù)。本文中需要的函數(shù)一般都在query.h，query.cpp中得到體現(xiàn)和實現(xiàn)，主要包括信息的查詢，這里既可以查看一段時間內(nèi)家庭內(nèi)的環(huán)境信息，也可以輸入查詢?nèi)掌?，查詢某天的?shù)據(jù)信息。根據(jù)需求，設計的主要實現(xiàn)函數(shù)為：

圖7 網(wǎng)關的查詢界面
 

　　這些槽函數(shù)是根據(jù)按鈕要實現(xiàn)的具體功能而設計的。具體實現(xiàn)在query.cpp中。

　　通過這部分的設計，實現(xiàn)了網(wǎng)關的人機界面部分?？梢詫νㄟ^此網(wǎng)關系統(tǒng)對家庭信息進行查詢。

　　4.5 報警功能

　　該網(wǎng)關的報警功能主要是網(wǎng)關主控制器通過操作串口來操作GSM模塊，使用AT指令來完成。在該網(wǎng)關中，報警功能實現(xiàn)當家庭網(wǎng)絡中的信息超過某一閾值時，發(fā)送報警信息。

　　5 結語

　　本文立足于WSN和Internet，GSM異構互聯(lián)研究，針對WSN與Internet，GSM互聯(lián)的網(wǎng)絡接入要求，完成了基于ARM9的家庭網(wǎng)關系統(tǒng)的研究與設計。從硬件平臺上來說，提供了豐富的接口以便不同網(wǎng)絡的接入，從軟件平臺來說，實現(xiàn)了用戶對家庭網(wǎng)關的訪問，通過用戶可操作的人機界面來對家庭內(nèi)的環(huán)境信息進行查詢。當家庭內(nèi)某一項環(huán)境信息超標時，通過使用AT指令控制GSM模塊來向用戶發(fā)送報警短信。