摘要：設計一種新型的基于ZigBee技術的智能無線網(wǎng)關控制系統(tǒng)，以S3C2410為平臺，采用Linux操作系統(tǒng)，實現(xiàn)智能家庭網(wǎng)關與終端設備的無線連接；重點研究了該系統(tǒng)的組成、系統(tǒng)的軟硬件設計，以及利用ZigBee技術實現(xiàn)對終端設備的控制。
關鍵詞：家庭網(wǎng)關；無線；ZigBee；Linux操作系統(tǒng)
引言
隨著網(wǎng)絡技術和現(xiàn)代通信技術的發(fā)展，家庭網(wǎng)絡化已經(jīng)成為家庭現(xiàn)代化的趨勢。家庭網(wǎng)絡可視為一種分布式網(wǎng)絡，通過無線家庭網(wǎng)關實現(xiàn)對普通家電終端的遠程控制是未來的發(fā)展趨勢，岡此無線家庭網(wǎng)關是整個家庭網(wǎng)絡的核心，它主要實現(xiàn)網(wǎng)絡接入、遠程控制以及無線連接家庭內(nèi)部異構(gòu)子網(wǎng)等功能。其中無線網(wǎng)關控制技術是一個需要解決的關鍵問題。
目前無線控制技術主要有IrDA、ZigBee、無線USB、藍牙、Z-Wave。在以上技術中，IrDA技術最具有成本優(yōu)勢且協(xié)議簡單，但傳輸方向單一，不能組網(wǎng)。WirelessUSB的成本較高，主要用于傳輸高速多媒體數(shù)據(jù)，不適合智能家庭的控制應用。藍牙技術主要用于傳輸語音，如果將其應用在智能家庭網(wǎng)關控制，將帶來傳輸距離受限和控制協(xié)議復雜等問題。Z-Wave是從ZigBee標準中精簡而來，但該技術目前尚不支持全球通用的2．4 GHz頻段。ZigBee技術在傳輸距離、可靠性以及組網(wǎng)能力方面都極具優(yōu)勢，本文利用ZigBee技術對智能無線家庭網(wǎng)關控制技術進行研究。
1 無線智能家庭網(wǎng)關控制技術的結(jié)構(gòu)設計
1．1 家庭網(wǎng)關組網(wǎng)技術的選擇
ZigBee技術是一種新興的遠距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術。ZigBee技術的低數(shù)據(jù)速率特點，適合于承載數(shù)據(jù)流量較小和QoS的要求不高的業(yè)務，因此，ZigBee技術是最適合智能家居系統(tǒng)的組網(wǎng)技術。對于智能家居系統(tǒng)來說，該網(wǎng)絡自身是一個動態(tài)系統(tǒng)，不斷與外界環(huán)境相互影響，網(wǎng)絡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，網(wǎng)絡節(jié)點多，要求低功耗，因此家庭無線網(wǎng)關利用ZigBee技術，其拓撲結(jié)構(gòu)采用星型結(jié)構(gòu)組網(wǎng)。
1．2 家庭網(wǎng)關的無線組網(wǎng)設計
基于ZigBee技術的家庭網(wǎng)關系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，家庭網(wǎng)關和若干個無線通信ZigBee節(jié)點模塊組成星形結(jié)構(gòu)的家庭傳輸網(wǎng)絡。家庭網(wǎng)關是網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，它主導網(wǎng)絡的建立，監(jiān)督網(wǎng)絡的正常運行，配置存儲空間，實現(xiàn)網(wǎng)絡初始化、數(shù)據(jù)采集、設備控制等功能。另外，它配置16位本地地址給設備以節(jié)省帶寬。其他的無線通信ZigBee模塊只能與家庭網(wǎng)關之間進行通信，實現(xiàn)狀態(tài)采集、查詢響應、設備控制等。智能家庭網(wǎng)關是一個智能的嵌入式網(wǎng)絡系統(tǒng)，包括硬件和軟件兩部分。
1．3 智能家庭網(wǎng)關硬件結(jié)構(gòu)設計方案
硬件部分需要提供多種多樣的網(wǎng)絡接口類型與控制接口，主要由主控制器、GPRS模塊和ZigBee射頻通信模塊3部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
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主控制器CPU控制各種各樣的接口，包括以太網(wǎng)接口、USB接口、ADSL接口、WLAN接口等。主控制器采用三星公司的ARM9微處理器S3C24-10X，它具有外圍擴展功能模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)高速處理。GPRS模塊采用Siemens公司的TC35終端，通過串口與CPU相連，實現(xiàn)與Internet。的連接。ZigBee射頻收發(fā)模塊采用Chipcon AS公司的CC2420芯片．控制家庭網(wǎng)內(nèi)具備ZigBee標準接口的家用電器。在家電控制器上加載ZigBee無線通信模塊成為家庭分布式網(wǎng)絡的終端設備。
2 無線智能家庭網(wǎng)關控制技術的實現(xiàn)
在選定了家庭網(wǎng)關的硬件平臺后，家庭網(wǎng)關便有了自己的物理載體，但僅僅是硬件部分，并不能實現(xiàn)家庭網(wǎng)關所應具有的功能，還需要有建立在硬件平臺之上的軟件控制系統(tǒng)。
2．1 智能家庭網(wǎng)關系統(tǒng)的選用
家庭網(wǎng)關采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)進行開發(fā)，包括與硬件相關的底層驅(qū)動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設備驅(qū)動接口、通信協(xié)議、圖形界面等。操作系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能：
①建立交叉編譯環(huán)境。
②引導裝載程序(Bootloader)，能實現(xiàn)系統(tǒng)的快速引導，提供瞬間開機功能；負責將Linux內(nèi)核加載到內(nèi)存，并將控制權(quán)交給內(nèi)核初始化程序。
③Linux內(nèi)核(kernel)的移植與裁減。Linux內(nèi)核采用模塊化的組織結(jié)構(gòu)，通過增減內(nèi)核模塊的方式來增減系統(tǒng)的功能，正確合理地設置內(nèi)核的功能模塊，只編譯系統(tǒng)所需功能的代碼，以獲得更高的運行速度。
④裝載文件系統(tǒng)(file system)。嵌入式系統(tǒng)一般不具備硬盤等大容量存儲體，而用Flash為主存儲器，其文件系統(tǒng)也具有特殊性。
⑤開發(fā)圖形用戶界面(GUI)。
⑥選擇上層應用程序(applieation)。
2．2 智能家庭網(wǎng)關軟件結(jié)構(gòu)的設計
智能家庭網(wǎng)關采用分層軟件設計結(jié)構(gòu)，如圖3所示。在整個軟件框架中，位于底層的是各類硬件驅(qū)動程序，通過嵌人式Linux操作系統(tǒng)實現(xiàn)底層硬件設備的驅(qū)動與管理。嵌入式Linux操作系統(tǒng)之上是針對設計需要而移植的TCP／IP協(xié)議與ZigBee通信協(xié)議。協(xié)議層之上為應用程序?qū)?，其中包括Web、CGI程序與嵌入式用戶圖形系統(tǒng)QT和一些其他的嵌入式應用程序。其中嵌入式web服務器，提供了全中文的Web管理界面，用于家庭網(wǎng)關的遠程訪問和管理，QT是基于本地LCD的一個強大的圖形界面系統(tǒng)，實現(xiàn)在家庭內(nèi)部通過ZigBee對家電終端的訪問和控制。
2．3 ZigBee通信控制的實現(xiàn)
(1)智能家庭網(wǎng)關與終端設備通信連接的建立
在家庭網(wǎng)關硬件平臺的ZigBee適配器與終端設備之間建立的無線通信連接，是基于無線替代有線而建立的無線信道連接，它與實際的串行連接并沒有太大的差別。這樣，在Linux下利用先前移植的ZigBee工具包，完成家庭網(wǎng)關硬件平臺上無線適配器與終端設備之間的配對與連接后，就可以以操作設備文件的方式對這條無線信道的串行連接進行操作，在本地實現(xiàn)對終端設備的通信和控制。主要包括兩個方面的內(nèi)容：一個是網(wǎng)關發(fā)送的控制指令要通過ZigBee發(fā)送到終端設備，另一個是終端設備反饋給家庭網(wǎng)關的狀態(tài)數(shù)據(jù)也要通過ZigBee的方式發(fā)送給家庭網(wǎng)關。通信過程的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。
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按照需求編寫相應通信控制程序、編譯并下載到目標系統(tǒng)。這些程序要遵循通信協(xié)議。
(2)通信連接過程的部分實現(xiàn)代碼
3 總結(jié)
本文利用ZigBee技術，以S3C2410為平臺，采用Linux操作系統(tǒng)，對無線智能家庭網(wǎng)關與設備終端之間控制技術進行分析，并對硬件結(jié)構(gòu)和軟件實現(xiàn)進行了設計。該智能家庭無線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好，實時性強，控制距離遠，協(xié)議簡單等特點，克服了目前家庭網(wǎng)關的一些缺點。
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