基于ARM7嵌入式微处理器无线家庭网关的研究与实现

【中心议题】

• 研究了家庭网关的功能
• 详细介绍了嵌入式无线家庭网关的软硬件设计和实现的方法

【解决方案】

• 通过各个测控基站实现系统信息的采集、信息输入、逻辑处理、信息输出、联动控制等功能
• 利用家庭网关解决信息集中、交互控制、远程访问等问题
• 测控基站和家庭网关通信采用自有的无线协议

0引言

随着信息时代的到来，网络逐渐走入了每个家庭。如何将家庭内部相互独立的上网设备有机地整合起来，构建成一个功能强大的整体呢？家庭网关随之孕育而生。家庭网关是位于家庭内部的一个网络设备,它的作用是使家庭内部智能设备连接到Internet,或者使这些设备相互之间实现通信。家庭网关是整个家庭网络的核心。从技术角度来看,家庭网关具有从内部到外部实现桥接/路由、协议转换、地址管理和转换并承担防火墙的职责。

本文以基于ARM核的32位嵌入式微处理器作为硬件平台，结合无线通信技术，通过移植嵌入式操作系统，开发相应的驱动程序、应用程序和嵌入式web服务器，以实现家电设备的Internet接入和远程控制等功能。

1嵌入式家庭网关概述及总体设计

家庭网络最终实现每一个家电设备之间的互连,并且与Internet相连。其总体结构如图1所示。

家电设备信息网络的特点是多元信息处理,包括各类信息的采集、加工、管理、存储、交互等,因此有必要建立一个功能强大的信息处理平台。在家电设备网络中,家庭网关担当信息处理平台的角色。一方面要完成家庭网络中各种不同通信协议之间的转换和信息共享,以及同外部通信网络之间的数据交换功能；

另一方面要负责对家庭中各个家电的管理和控制。同时各个家电设备也可通过家庭网关与外部网络相联,实现信息的交互和共享。家庭主网网关是一个嵌入式设备,具有服务器功能，向家庭内部提供以太网接入方式。

目前应用较为普遍的家庭网络主要采用的架构如图2所示。家庭网关采用单片机,网关和智能模块用Zigbee无线连接,构成控制网络。从图2可见,家庭网络将所有的智能模块连接起来形成一个有机整体接受家庭网关的集中控制。家庭网络可以采用总线制、电力载波、无线方式等。

2嵌入式家庭网关的设计与实现

2.1嵌入式家庭网关的硬件设计

目前大多数家庭网络都使用485总线或其它有线方式组建，在组网的过程中无法回避布线带来的烦恼,而采用无线的组网方式则具有更多的灵活性和自由度。目前适合家庭网络的无线技术主要包括:红外（IrDA）技术、家庭射频（HomeRF）技术、蓝牙（Biuetooth）技术、Wi-F（i802.11b/g）技术、ZigBee技术。采用无线连接技术,测控基站和家庭网关都要设计无线模块，并需要一个符合需求的无线通信协议来完成数据和控制指令在家庭网络内的传输。

测控基站是家庭网络平台的执行单元和控制末端,和家庭网关模块在逻辑上形成一个整体。家庭网关通过各个测控基站实现系统信息的采集、信息输入、逻辑处理、信息输出、联动控制等功能。无线测控基站最大的优点是安装便捷,每一个测控基站都是一个无线接入点，彼此互不干扰。如图3所示为采用8位CPU+RF方案的无线测控基站。

对测控基站的一般要求是:易扩展、不受地址限制、标准化模块组合、铺设简单维修方便。图3中AT89S52为CPU,nRF2401为射频模块的测控基站就具有以上特点。控制适配模块由于被控对象的不同,有所差异。EEPROM用来保存临时数据,芯片采用AT24c32。

家庭网关解决了信息集中、交互控制、远程访问等问题。无线家庭网关主要由CPU、无线模块、GPRS、LCD显示、电源模块、报警模块、网络接口模块等组成。本网关选用三星公司的ARM7处理器S3C44B0X作为家庭网关的核心处理器。S3C44B0X是韩国三星公司早期推出的一款基于ARM7TDMI核的16/32位RISC高性价比、低功耗的嵌入式微处理器，芯片的片上资源非常丰富，提供了8KB的Cache、可选SRAM、2个UART、系统管理、8通道12位ADC、I/O口、IIC/IIS总线等功能接口，自带LCD控制器，大大降低了成本，可以移植uClinux等复杂的操作系统，非常适用于高性能的嵌入式系统。同时通过开发相关的底层驱动程序和应用程序,确保整个网关的性能稳定、功能可靠。其网关示意图如图4所示。

2.2嵌入式家庭网关的软件设计

家庭网关硬件资源比较丰富,集成了多种通信和控制功能,从逻辑功能上看，软件要具有GPRS通信、无线收发控制、触摸屏用户界面。这对软件的设计提出了比较高的要求,比如多任务的调度、实时性要求、有良好的用户界面、系统的稳定性等。因此考虑移植嵌入式操作系统以便简化软件开发的难度。uClinux操作系统采用C语言编写,具有构思巧妙、结构简单、实时性好、开源、移植性好等优点。随着嵌入式硬件功能的不断完善,越来越多的嵌入式系统采用uClinux操作系统。

测控基站和家庭网关通信采用自有的无线协议。测控基站的编程思路是:系统上电时配置nRF2401状态字,使其进入休眠模式。待休眠时间结束进入激活模式，MCU检测是否接收到命令包,如果有则进行相应的包处理。命令包处理过程是：首先MCU检查地址，如果地址不符,说明命令是发给其它基站的,则丢弃该命令；如果地址符合,则将家庭网关发来的命令包提交给控制程序,同时将数据反馈给家庭网关。在没接收到命令包的情况下,检查是否到了主动发送数据的时间,如果到了,则主动发送数据给家庭网关；否则，进入休眠模式。测控基站软件流程图如图5所示。

用户应用程序包括家电设备的远程控制、触摸屏用户图形界面、无线控制和收发。远程控制主要解决PDA和主控制模块通过GPRS网络实现交互；触摸屏提供人性化的操作界面和良好的用户体验；无线控制和收发实现智能测控基站和家庭网关的互通互联、数据传送和命令传送。这三个任务是相互独立的,而任务的切换和调度则由操作系统完成。

3结语

本文构建了一个基于ARM处理器S3C44b0及uClinux的无线家庭网关。与其它的家庭网关相比，该网关采用Zigbee无线技术,省去了综合布线带来的麻烦；系统能够通过Internet网络,实现对智能家电的实时远程控制,使得智能家电的管理变得更加容易，符合当前家电向智能化、信息化、网络化、人性化方向发展的趋势。