（电子科学与技术专业论文）基于蓝牙技术的嵌入式家庭网关的研究与实现.pdf

硕i 学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g y ，t h eg r o w t ho fe l e c t r o n i c i n f o r m a t i o nc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，a n dt h e i m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n g s t a n d a r d ，i ti sa ni r r e s i s t i b l eg e n e r a lt r e n dt h a tt h es m a r th o m ew i l lb eg oi n t oh o m e o ft h ec o m m o nc u s t o m e r t h ee m b e d d e dh o m eg a t e w a yp l a y sa ni m p o r t a n tr o l e si n s m a r th o m e ，i tr e a l i z e st h ec o n v e r s i o nb e t w e e ne a c hk i n do fd i f f e r e n tc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l w i t h i nt h eh o u s e ，a sw e l la sd a t a e x h a n g ef u n c t i o nw i t h t h ee x t e r n a l c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，b e s i d e s ，t h eh o m ee q u i p m e n t sc a nb em o n i t o r e da n d c o n t r o l e dt h r o u g hi n t e r n e t f i r s t l y ，t h ep a p e ra n a l y z e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n do ft h es h b j e c ta n dt h es t a t u s o ft h es m a r th o m ea tp r e s e n t a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h es y s t e m ，t h e o v e r a l ls t r u c t u r eo fe m b e d d e dh o m eg a t e w a yi sp r e s e n t e d t h eh a r d w a r ep l a t f o r m ， w h i c hi n c l u d e st h e $ 3 c 2 4 10m i c r o - p r o c e s s ，p o w e rm o d u l e ，c l o c kr e s e tm o d u l e ， e t h e r n e tm o d u l e ，us bb l u e t o o t hm o d u l e ，i si n t r o d u c e d t h es o f t w a r ep l a t f o r mb a s e d o ne m b e d d e dl i n u xi s s u c c e s s f u l l yp o r t e d t oh a r d w a r ep l a t f o r m ；s e c o n d l y ，t h e s o f t w a r e d e s i g no fb l u e t o o t hw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，w h i c h i n c l u d e s s e a r c h i n g b l u e t o o t h d e v i c e s ，a d v e r t i s i n g a n d s e a r c h i n g b l u e t o o t h s e r v i c e ，e s t a b l i s h i n g b l u e t o o t hw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，i sc o m p l e t e da f t e rm a d i n ga ni n t e n s i v es t u d yo f b l u e zu n d e rl i n u x t h ec o n c u r r e n c yp r o c e s so ft h ed a t ai sd e s i g n e db ym u l t i t h r e a d p r o g r a m m i n g ak i n do fd a t ap a c k e tp r o c e s sa l g o r i t h mb a s e do np r i o r i t yi sd e s i g n e d ， a n di t i m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo fm o n i t o r i n gt ot h eh o m ed e v i c e s ；t h i r d l y ，t h e e m b e d d e dw e bs e r v e r ( e w s ) i ss t u d i e d ，t h em o d eo fb si su s e dt or e a l i z et h er e m o t e c o n t r 0 1 t h ec g it e c h n o l o g yi su s e dt or e a l i z et h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nw e bs e r v e ra n d w e bb r o w s e r ，a n dt h ep r o t o c o lc o n v e r s i o nb e t w e e nh t t pp r o t o c o la n db l u e t o o t h p r o t o c o l i sc o m p l e t e d ；f i n a l l y ，t h eh o m eg a t e w a yi sv e r i f i e d a c c o r d i n gt ot h et e s t r e s u l t ，t h ee m b e d d e dh o m eg a t e w a yb a s i c a l l yr e a l i z e st h ef u n c t i o no fr e m o t ec o n t r 0 1 t h ep a p e r sw o r ki ss u m m a r i z e da n ds o m es u g g e s t i o na r ep o s e df o rf u t u r e r e s e a r c hi nt h el a s tp a r to ft h i sp a p e r k e yw o r d s ：s m a r th o m e ；e m b e d d e dh o m eg a t e w a y ；b l u e zp r o t o c o l ；b l u e t o o t h w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ；p r o t o c o lc o n v e r s i o n i l l 硕一i ：学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 随着计算机控制技术的发展与电子信息通信技术的成长，消费电子产品 ( c o n s u m e re l e c t r o n i c s ) 已与计算机( c o m p u t e r ) 、通信( c o m m u n i c a t i o n ) 两项产品的 技术结合在一起，成为目前所通称的3 c 产品，也就促使普通家用电子电器产品 不断向智能家居的方向演变。 智能家居( s m a r th o m e ) ，又称智能住宅，它利用先进的计算机技术、嵌入式 系统技术、网络通讯技术和传感器技术等，将家中的各种设备( 照明系统、环境控 制系统、安防系统、智能家电等) 有机的连接到一起，并保持这些设备与住宅的协 调，从而构筑成舒适安全的信息化居住空间，以便于实现信息社会中富有创造性 的生活1 。智能家居主要实现了两大功能。第一，智能家居在一个家庭中建立了 一个通讯网络，为家庭信息提供必要的通路，在家庭网络操作系统的控制下，通 过相应的硬件和执行机构，实现对家庭网络上的所有家电和设备的控制和监测； 第二，智能家居通过一定的媒介，构成与外界的通讯通道，以实现与家庭以外的 世界沟通信息，满足远程控制、监测和交换信息的需求，其最终目的是满足人们 在家庭中对安全、舒适、方便地工作和生活的需求乜。3 1 。随着i n t e r n e t 网络向普通 家庭生活的扩展，消费电子、计算机、通讯一体化趋势同益明显，智能家居产品 已经开始步入社会和家庭。智能家居由于其安全、方便、多功能、智能化等特点 在2 1 世纪正在同益成为现代社会和家居生活的新时尚。 目前，家庭连网面临的主要问题就是缺乏完整统一的标准，而蓝牙技术的优 势在于全球标准的统一，具有互操作性，以及能够非常方便地实现快速、灵活、 安全、低成本、低功耗的数据和语音通信，因此蓝牙技术在家庭无线网络系统中 的发展潜力巨大。应用蓝牙技术，通过无线通信使信息设备之间建立联系，设备 可以相互之间自动地进行联络与确认，通过相应的控制软件，不需要用户干预就 可以建立连接进行数据传输。 近年来无线技术迅速发展，促使了蓝牙产品的更新换代，1 9 9 9 年1 2 月公布 了蓝牙规范1 o b 版；2 0 0 1 年4 月公布了新的1 1 版蓝牙规范；2 0 0 3 年6 月蓝牙 s i g ( s p e c i a li n t e r e s tg r o u p ) 宣布，蓝牙规范v 1 2 进行最后阶段的测试；2 0 0 4 年 11 月发布了蓝牙标准2 0 版本+ e d r ( e n h a n c e dd a t ar a t e ) ，使得数据传输速度 提高到以往的3 倍且减小了耗电量；b l u e t o o t h2 1 + e d r ( 5 3 版本则针对以往版本中 配置流程复杂和设备功耗较大的问题进行了改进，主要包括：改善装置配对流程， 基于蓝牙技术的嵌入式家庭网关的研究j 实现 由于有许多使用者在进行硬件之间的蓝牙配对时，会遇到许多问题，不管是单次 配对，或者是永久配对，在配对过程中都过于繁杂，以往在连接过程中，需要利 用个人识别码来确保连接的安全性，而改进过后的连接方式则是会自动使用数字 密码来进行配对与连接；在功耗方面，蓝牙2 1 版本加入了呼吸模式( s n i f f s u b r a t i n g ) 的功能，通过设定在两个装置之间互相确认讯号的发送问隔来达到节省 功耗的目的。2 0 0 9 年4 月2 1 日，s i g 正式颁布了新一代标准规范b l u e t o o t hc o r e s p e c i f i c a t i o nv e r s i o n3 0h i g hs p e e d 哺1 ( 蓝牙核心规范3 0 版高速) ，蓝牙3 0 的数 据传输率提高到了大约2 4 m b p s ，是蓝牙2 0 的八倍，可以轻松用于录像机至高清 电视、p c 至p m p 、u m p c 至打印机之间的资料传输。目前，蓝牙4 o 技术规范已 经基本成型，预计在2 0 10 年6 月3 0 日完成，其在电池续航时间、节能和设备种 类上等方面进行了较大的改进。 在目前市场上的多种无线传输的技术方案中，无线蓝牙作为一种同益成熟的 技术，拥有良好的性价比和众多可供选择的解决方案，非常适合智能家居控制系 统的要求川。 1 2 嵌入式家庭网关 智能家庭网络是信息时代带给人们的一个高科技产物。它借助现有的计算机 网络技术，将家庭内各种家电和设备连网，通过网络为人们提供各种丰富、多样 化、个性化、方便、舒适、安全和高效的服务，一个理想的家庭网关可以实现家 庭内部信息与家庭外部信息的交换，这也是家庭连网的目的所在。不同的人或不 同的厂商对家庭网关有着不同的定义。 r e s i d e n t i a lg a t e w a yg r o u p ( r g ) 的家庭网关定义为：一种简单的、智能的、 标准化的、灵活的整个家庭网络接口单元，它可以从不同的外部网络接收通讯信 号，通过家庭网络传递信号给某个消费设备。借助引入家庭网关的概念，希望能 够为集成不同的外部网络和丰富新的应用提供一个有效的途径。 c i s c os y s t e m 公司的家庭网关定义是：一个家庭内的网络化信息设备与智能 宽带接入网之间的智能化网关。 2 w i r e 公司的家庭网关定义是：一种将家庭网络无缝连接到宽带网络，使所 有家庭内连网设备同时享有高速连接的设备碡1 。 上面这两种定义都认为家庭网关是一种将外部宽带网络与家庭内部网络连接 的设备。美国家庭智能化行业专业顾问公司p a r k sa s s o c i a t e s 认为家庭网关应是： 连接一个外部网络或多个接入网络，通过某种类型的家庭网络分配服务给一个或 多个设备的设备，即一个集中式整个家庭的网关才能视为一个真正的网关旧3 。但 由于现有一些产品已具备其中的某些功能，而且目前存在许多不同的观点，因此 家庭网关应有一个比较广义或普遍意义上的定义。 2 硕f j 学位论文 1 3 蓝牙技术 蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术町是一种短距离无线通信技术，最初是由爱立信 ( e r i c s s o n ) 、诺基亚( n o k i a ) 等世界著名的五家大公司于1 9 9 8 年5 月联合发布的， 并成立了特殊利益集团( s i g ) 。蓝牙技术在2 4 g h z 波段运行，该波段是一种无需 申请许可证的工业、科技、医学( i s m ) 无线电波段。蓝牙规范实现了设备的无连 接工作，提供了接入数据网的功能，并且具有外围设备接口，可以组成一个特定 的小网，因而它的出现是对传统通信和计算机终端设备通信的挑战，具有广阔的 发展前景，备受i t 行业的关注，短短几年时间，取得众多可喜成果。由于蓝牙体 积小功耗低，其应用已不局限于计算机外设，几乎可以被集成到任何数字设备之 中，尤其是那些对数据传输速率要求不高的移动设备和便携式设备。 蓝牙规范的核心部分就是蓝牙协议栈，其采用了分层结构，分别完成数据流 的过滤和传输、跳频和数据帧传输、连接的建立和释放、链路的控制、数据的拆 装等功能。一个完整的蓝牙协议栈叫43 从整体上可以分为两大部分，一部分为核 心协议，包括基带协议、链路管理协议、逻辑链路控制和适配协议以及服务发现 协议；另一部分为应用协议，应用协议是和具体的应用相关的上层协议，包括串 口仿真协议、电话控制协议、对象交换协议等等。整个蓝牙协议体系结构如图1 1 所示。 图1 1 蓝牙协议栈结构框图 此外，规范还定义了主机控制器接口( h c i ) ，即基带控制器、链路管理器、 基于蓝牙技术的嵌入式家庭网关的研究j 实现 硬件状态和控制寄存器提供命令接口，蓝牙核心协议由s i g 制定的蓝牙指定协议 组成，绝大部分蓝牙设备都需要核心协议( 加上无线部分) ，而其它协议则根据应 用的需要而定。下面将分别介绍蓝牙与其他无线通信的比较和l i n u x 下b l u e z 协 议。 l 、蓝牙与其他无线通信技术 无线个人区域网( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ， w p a n ) 是当前发展最迅速的领域之一，相应的新技术也层出不穷，其中蓝牙技术 是令人瞩目的，而其他较为成功的短距离无线通信技术争1 还包括红外、 i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网技术和h o m e r f 家用无线局域网技术。 蓝牙与红外 红外( i n f r a r e dr e d ) 通信技术是通过波长为8 5 0 n m 的红外光传输数据。由于红 外光线直线传输、易受遮挡，只支持点对点视距连接，收发装置的光路夹角一般 在3 0 。内，常用通信距离为l 3 m 。蓝牙在其规范中专门定义了i r d a 互操作性协 议，支持i r d a 的o b e x 协议以及其他基于o b e x 的对象交换方面的应用，这是 因为红外技术的发展和这方面的应用已经相当成熟，但是，红外技术由于传输媒 质本身的限制，并且红外技术的标准目前在全球并不统一，不同设备之问的互操 作性也不如蓝牙。 蓝牙与i e e e 8 0 2 1 l b i e e e 8 0 2 1l 是电气电子工程师协会( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c s e n g i n e e r s ，i e e e ) 8 0 2 工作组制定的无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s ， w l a n ) 标准，主要用于实现小范围内的移动组网和无线接入。i e e e 在8 0 2 1 l 的 基础上相继推出了8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 1 b 两个标准。8 0 2 1 l a 工作在5 g h z 的u n i l 频带，8 0 2 1 l b 工作在与蓝牙一样的2 4 g h zi s m 频带。8 0 2 1 l b 也被称为w i f i ， 全名为w i r e l e s sf i d e l i t y ，意为“无线高保真 。在数据传输速率方面，8 0 2 1 1 b 最 高可以达到1 1 m b i t s ，而传输距离在室外是3 0 0 m ，在办公环境中最长为1 0 0 m 。 在成本和功耗方面，8 0 2 1 1 b 的成本要远高于蓝牙，功耗也远大于蓝牙。由于 8 0 2 1 1 b 的高速版本使用的是直接序列扩谱，而非调频扩谱，因而抗干扰能力和防 窃听能力均不如蓝牙。综上所述，这两种技术具有互补的特性，8 0 2 1 1 b 的优势在 于传输速率和距离，蓝牙的优势在于成本和功耗，以及抗干扰能力和安全性，可 以说，蓝牙可以应用于那些8 0 2 1 1 b 无法胜任的广阔领域，与之相互补充。 蓝牙与h o m e r f 家庭无线电射频( h o m e r f ) ，是专门为家庭无线局域网而设计的开发性工业 标准，利用h o m e r f 家庭用户可以建立具有互操作性的话音和数据通信网，在语 音通信方面，h o m e r f 采用的是d e c t ( d i g i t a le n h a n c ec o r d l e s st e l e p h o n e ，数字 增强无绳通信) 标准，支持t d m a 技术，以提供交互式语音和其他实时业务。 4 硕士学位论文 h o m e r f 同样工作在2 4 g h z 频段，采用跳频技术，每秒跳频5 0 次，最大功率为 1 0 0 m w ，有效范围约5 0 m ，其侧重于p c 及其外设所组成的无线局域网，主要针 对低成本的家庭语音与数据的无线连接。但是，由于h o m e r f 技术标准没有公开， 仅获得了少数公司的支持，并且在抗干扰能力等方面也存在一些缺陷，加上这一 标准推出后，市场营销策略失当、后续研发和技术升级进展缓慢，价格整体偏高， 因此，2 0 0 0 年以后h o m e r f 技术开始走下坡路，市场优势逐渐散失。 2 、b l u e z 协议 目前，l i n u x 操作系统上开放的蓝牙协议栈主要包括i b m 公司的b l u e d r e k a r ， n o k i a 公司的a f t i x 、a x i s 公司的o p e n b t 和官方协议栈b l u e z 。b l u e z 协议最先 是由蓝牙爱好者共同开发的，公布在i n t e r n e t 上的免费的蓝牙协议栈。由于它的 结构简单，应用方便，具有灵活、高效和模块化的特点以及较强的兼容性，因此 b l u e z 协议已经成为l i n u x 操作系统下的官方蓝牙协议栈，在l i n u x 的部分版本 中已经将b l u e z 协议加入到l i n u x 内核中h 引。如图1 2 所示为b l u e z 的体系结 构。 u s e r s p a c e k e m e l s p a c e 震 b l u e t o o t ha p p l i c a t i o n s | b 杠i e ys o c k e t i n t e r f a c e j ti 隧戮獬瓣鞫隧鬃i 鞫斓麟麟鬻黪：溺隧黼辫黪绸 t t m 妣0 t h 伦r f a j 嗣麟粼隧鬻i 剽糜 h 6 s tc o n t r o l l e l i n t e r f a c eb ( h c l l b l u e t o o t hh a r d w a r e 图1 2l i n u x 下蓝牙协议栈b l u e z 的结构框图 b l u e z 由多个独立的模块组成，总体可分为两个部分：内核代码和用户态程 序及工具集。其中内核代码由b l u e z 核心协议和驱动程序等模块组成：用户态程 序及工具集包括应用程序接口和b l u e z 工具集。在内核代码中，b l u e z 协议的 b l u e z k e r n e l 和b l u e z l i b s 软件包实现了主机控制接口( h c i ) 和套接字( s o c k e t ) 接 口的全部功能。对于用户态程序，b l u e z 提供函数库及应用程序接口，便于蓝牙 应用程序的开发。b l u e z u t i l e 是蓝牙设备配置和应用的主工具集，完成蓝牙设备 的初始化和控制。b l u e z 可以很好地在l i n u x 支持的各种体系的硬件平台下运行， 基于蓝牙技术的嵌入式家庭嘲关的研究。j 实现 包括各种单处理器平台、多处理器平台以及超线程系统。 1 4 国内外研究现状 智能化住宅小区在发达国家起步较早，始于2 0 世纪8 0 年代，装备有各种通 信、家电、安保等设施，通过总线技术应用计算机和信息技术，实现监视、控制 与管理等智能功能心0 。2 。一些发达国家如美国和日本对住宅小区智能化系统制定 了相关的技术标准，按照技术标准进行智能化住宅建设，1 9 9 8 年底，在高科技大 亨聚居的五隆德市，位于美国硅谷的e c h e l o n 公司为了向媒体和各界人士介绍 智能化网络控制技术和发展趋势，以展示其蕴涵的许多具有前瞻性的理论与信息， 举行了一次名为“将互联网带入生活”的展示会乜引。在新加坡、欧洲等国家，也 都建有智能化住宅小区，应用于智能化居住小区的基础产品，在发达国家已形成 系列。美国、意大利、西班牙等国的产品，相当一部分已通过了国际质量认证， 在国际市场上占据优势。智能化居住小区的基础是家庭综合布线系统，在这方面 美国朗讯公司、西蒙公司、奥地利公司、里特公司等都己拥有了成熟的产品。 国内的智能家居产品行业兴起于九十年代的末期。为了进一步规范智能化住 宅小区建设中的目标与原则，l9 9 9 年建设部住宅产业中心颁布了全国智能化住 宅小区系统示范工程建设要点与技术导则( 试行稿) ，拟自2 0 0 0 年起，用五年左 右的时间，组织实施全国智能化住宅小区系统示范工程，以此带动和促进我国智 能化住宅小区的建设。由于相对于国外起步较晚，尚未形成一定的国家标准，我 国的智能家居大多采用国外的技术和产品，但也有一些单位推出了自己的产品， 如清华同方的“e h o m e 数字家园”，海尔公司的“e 家庭”，科龙公司的“现代家 居信息服务集散控制系统”以及合肥工业大学研制的“智能家居与家居服务器”。 以上4 种具有代表性的智能家居系统，是不同企业和科研单位从不同角度和立场 理解智能家居的结果。任何一种家居系统如果需要得到良好的应用前景，就必 须具有开放性和可扩展性，以及使用和维护的简单方便，这也是由普通家庭的实 际情况所决定的，信息家电和家庭网络的出现，为智能家居这一崭新的家居形式 的产生和发展奠定了基础。 1 5 本文的主要内容 本文通过结合蓝牙技术与嵌入式技术各自的特点，设计实现了一种基于蓝牙 技术的嵌入式家庭网关。课题研究的工作内容如下： 第1 章，绪论。讨论了课题研究的背景及意义，并介绍了嵌入式家庭网关的 概念，然后分析了蓝牙协议体系结构，并与其他无线通信技术进行了比较分析， 同时介绍了l i n u x 下官方协议栈b l u e z ，最后在此基础上叙述了国内外在该领域 6 硕l ：学位论文 的研究现状。 第2 章，嵌入式家庭网关的总体设计。阐述了嵌入式家庭网关的功能，并给 出了系统结构的总体框图，然后讨论了嵌入式家庭网关硬件平台的主要模块的组 成原理和设计方法，包括a r m 微处理器、电源模块、时钟复位模块、外围扩展 存储模块、以太网模块、u s b 蓝牙通信模块等。 第3 章，嵌入式家庭网关软件平台的构建。分别讨论和实现了嵌入式家庭网 关开发环境的建立、引导加载程序v i v l 的移植、l i n u x 内核的移植和f l a s h 文件 系统的建立。 第4 章，嵌入式家庭网关的软件设计。重点进行了蓝牙无线通信的开发，并 设计实现了家庭网关数据采集处理程序，最后论述了嵌入式w e b 服务器的实现过 程，通过c g i 技术实现h t t p 协议与蓝牙协议之间的转换。 第5 章，家庭网关应用测试。对家庭网关进行了测试，给出了测试方案和测 试结果。 7 基于蓝牙技术的嵌入式家庭嘲关的研究j 实现 第2 章嵌入式家庭网关的总体设计 基于蓝牙技术的嵌入式家庭网关的设计是一个嵌入式应用系统的开发，因此 它的设计过程应遵循嵌入式系统设计的特点和要求。本章首先从整个系统的功能 设计出发对系统的需求和性能以及家居控制功能进行介绍，然后叙述了系统的整 体结构和工作原理，最后讨论了系统的硬件设计。 2 1 嵌入式家庭网关的功能设计 嵌入式家庭网关作为智能家居系统的核心部分，其构造了信息家电的信息交 互平台，并在此基础上实现智能家居的各类功能，从而使用户享受智能化和人性 化的家居生活。 2 1 1 需求和性能分析 嵌入式家庭网关的设计以用户需求为中心，通过研究分析，家庭网关作为家 庭网络的中央枢纽和家庭内外沟通的桥梁，从功能上看，应该满足如下需求睛1 ： 1 ) 信息网络化，通过家庭网关，用户可以方便的接收电子邮件、浏览互联网 上的信息和订阅各种电子期刊或杂志等； 2 ) 管理智能化，管理家庭内各种通讯设备的运行，包括网络通讯协议的执行 和网络资源的分配，以保证家庭网络系统的运行正常； 3 ) 节能环保化，通过网络管理系统，对家庭内各种设备的运行进行监控，如 灯光控制、家电设备的远程控制等； 4 ) 居住安全化，通过安装各种检测报警装置实现家庭的保安、消防以及其它 要求。如通过烟气传感器、温度传感器、特殊气体传感器，预防房间失火和有害 气体过量；通过加装红外传感器、门磁、振动感应器、无线微波等报警装置，可 防止窃贼入侵等等； 5 ) 运行自动化，家庭内各种设备都连接到网络上，通过网络上的管理软件， 实现对设备的检测和故障诊断功能； 6 ) 操作简单化，因为该网络系统是在千家万户中使用的，由于使用者的年龄、 职业、经历以及受教育程度等的差异，因此该系统应该操作简单、方便、可靠， 适应不同用户的需要； 7 ) 个性化、模块化，随着信息时代的到来，个性化的要求在不断提高。未来 智能家居应能够根据不同用户的家庭环境、设备数量和类型以及生活方式等可进 行相应的配置和调整，如可根据用户的需求和可接受费用，定制相应的系统解决 8 硕f ：学位论文 方案等。 嵌入式家庭网关的设计还应该满足以下性能要求： 1 ) 安全性，运行在上面的软件和硬件都必须安全可靠； 2 ) 连通性，实现家庭内部设备的互联以及家庭内外的互通； 3 ) 低功耗，由于家庭网关提供的是2 4 小时不问断的i n t e r n e t 宽带接入，因 此必须将功耗降低到最小； 4 ) 可扩展性，由于通信技术、计算机技术、微电子技术的飞速发展，新技术、 新设备、新业务层次不穷，因此家庭网关应该具备良好的可扩展性； 5 ) 必须有一个安全环境，可以保证运行各种i n t e r n e t 服务。 由于家庭网络的普及是一个长期的多方协作的过程，因此嵌入式家庭网关的 设计也是一个长期而复杂的过程。在设计过程中，第一阶段首先完成家庭内网与 外网之间的高速互联，形成家庭网络的基本模型，构建出嵌入式家庭网关的软硬 件平台，并实现对家居设备的本地控制和远程控制的功能，在此基础上完成向第 二阶段的扩展。第二阶段主要完成建立统一的家电设备模型和嵌入式家庭网关的 业务模型，并提供诸如q o s 、多种安全机制等高级应用。在本系统的设计中，重 点研究第一阶段的实现过程。 因此，本文设计的嵌入式家庭网关主要具备的功能是通过蓝牙技术将智能家 居设备组成一个蓝牙微微网们( p i c o n e t ) ，每个智能家居设备从节点与家庭网关之 间通过蓝牙技术进行无线通信，其中智能家居节点设备已集成了传感器、微处理 器、无线蓝牙接口，分别负责数据采集、处理、传输和接收。家庭网关作为微微 网的主设备，负责对每个从节点设备的管理、接收节点发来的数据信息，并对这 些数据进行处理、分析。同时还负责向节点发送控制信息，实现h t t p 协议与蓝 牙协议之间的转换，通过登录运行在网关上的、b 服务器可以完成对智能家居设 备的远程访问和控制。 2 1 2 家居控制功能分析 本文设计的嵌入式家庭网关主要实现对家居设备的控制，因此从整体上来看， 家居控制也是智能家居的重要组成部分，它通过利用微处理电子技术、无线通信 及遥控遥测技术来集成或控制家中的电子电器产品，如电灯、厨房设备、取暖制 冷系统、视频及音响系统等。一般情况下，家居控制主要包括以下3 个方面： 1 、用户对家居设备的集中控制 用户对家居设备的集中控制是指用户通过某种方式，可以控制住宅内的任意 家居设备从而提高用户生活的便利性。通常采用两种方式进行控制，即室内集中 控制和室外远程控制。室内集中控制是指通过有线或无线的方式对家居设备进行 集中控制；室外远程控制是指通过电话或计算机网络在异地对家居设备进行控制， 9 基于蓝牙技术的嵌入式家庭网关的研究与实现 实现家居设备的启停。 2 、家居设备的自动启停控制 家居设备的自动启停控制是指家居设备根据时间、家庭环境的变化而自动调 整工作模式。例如通过测感技术对家庭环境进行检测，根据湿度、温度、光亮度、 时间等的变化自动启停相关的设备。 3 、各种设备之间的协同工作 在实际生活中，各个家居设备是相互关联的。家居控制系统根据用户的要求 和实际生活的需要，对住宅的设备定义了一套逻辑规则，自动实现设备之间的协 同工作。在实际应用中，家居控制通过设置场景模式来实现设备的协同工作n 3 。 2 。1 - 3 系统功能设计 基于蓝牙技术的家庭网关是一个具备蓝牙无线通信能力的嵌入式设备，是专 用的信息处理平台，它是智能家居网络中的核心部分，主要完成家庭内部网络各 种不同通信协议之间的转换，以及同外部通信网络之间的数据交换功能，还负责 家居设备的管理和控制，并通过i n t e r n e t 实现对家居设备的远程访问，包括状态 查询、操作控制等陋3 i 。它的硬件部分是由微处理器$ 3 c 2 4 10 及其外围模块构成， 软件部分是以l i n u x 操作系统为平台，设计和实现了相关的应用程序，其整体结 构如图2 1 所示。 图2 1 系统结构框图 l o 雕 家庭网络 硕i j 学位论文 蓝牙网络具有a dh o c 陋卜2 引的特性，各个设备可以方便地进入和离开网络，智 能设备从节点散布在指定的蓝牙通信范围内，通过自组网方式构成网络，整个智 能家庭网络采用了星型拓扑结构，即所有的智能设备从节点直接与家庭网关进行 通信，而节点之间不需要互相通信，这样可以实现家庭网关对各个节点的实时访 问和控制。集成在智能设备从节点中的传感器将采集到的数据信息按照已经设置 好的格式进行打包，再通过蓝牙接口发送给家庭网关，家庭网关对各个节点采集 到的数据信息进行集中处理和分析。当通过i n t e r n e t 对智能家居设备进行远程控 制时，家庭网关通过e t h e r n e t 接口接收到用户通过i n t e r n e t 发送的各种指令，然 后将控制信息按照已经设置的格式打包，最后通过蓝牙接口发送给智能家居设备。 2 2 嵌入式家庭网关的硬件平台 嵌入式家庭网关硬件平台采用的是以s a m s u n g 公司的3 2 位r i s c 处理器 $ 3 c 2 4 1 0 为核心，由电源模块、存储器( f l a s h s d r a m ) 模块、无线蓝牙通信模块、 网络接口e t h e r n e t 模块等几部分组成。系统硬件方框图如图2 2 所示。 图2 2 系统硬件方框图 2 2 1a r m 简介 a r m 即a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写。第一个a r m 原型于1 9 8 5 年在剑 桥的a c o r n 计算机有限公司诞生，由美国加州s a nj o s ev l s i 技术公司制造，并随 着技术的不断创新，产品已遍布于全球。2 0 世纪9 0 年代，a r m3 2 位嵌入式 r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 微处理器在低功耗、低成本和高性能的嵌 入式系统应用领域占据了领先地位。 a r m 微处理器具有如下特点： 1 、体积小，功耗低，成本低，性能高； 2 、1 6 位3 2 位双指令集； 3 、c p u 内部使用大量寄存器，指令执行速度快； 基于蓝牙技术的嵌入式家庭网关的研究j 实现 4 、寻址灵活简单，执行效率高； 5 、全球众多的合作伙伴。 a r m 微处理器的出色性能使系统设计者可得到完全满足其确切要求的解决 方案。借助于来自第三方开发者广泛的支持，设计者可以使用丰富的标准开发工 具和a r m 优化的应用软件。a r m3 2 位体系结构被公认为是业界领先的3 2 位嵌 入式r i s c 微处理器结构，所有a r m 处理器共享这一体系结构，这可确保当开发 者转向更高性能的a r m 处理器时，在软件开发上可获得最大的回报心引。 a r m 微处理器当前的产品系列有：a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 、a r m l l 、 c o r t e x 和s e c u r c o r e ，每个系列都提供一套特定的性能来满足设计者对功耗、性能 和体积的要求。嵌入式家庭网关中采用的是s a m s u n g 公司推出的基于a r m 9 内核的微处理器$ 3 c 2 4 10 ，该处理器已被广泛应用。 2 2 2 $ 3 c 2 4 1 0 x 简介 微处理器$ 3 c 2 4 1 0 x 是韩国s a m s u n g 公司设计生产的一款1 6 3 2 位r i s c 微控制器，其采用了a r m 公司设计的a r m 9 2 0 t 内核，加上丰富的片内外设， 为手持设备和其他应用，提供了低价格、低功耗、高性能微控制器的解决方案。 $ 3 c 2 4 1 0 x 提供一组完整的系统外围设备，从而大大降低了整个系统的成本， 省去了系统进行额外器件配置的开销。$ 3 c 2 4 1 0 x 的主要功能包括心7 1 ： l 、具有电源管理功能，可以使系统以普通方式、慢速方式、空闲方式和掉电 方式工作； 2 、5 5 个中断源，可以设定1 个为快速中断，有2 4 个外部中断，并且触发方 式可以设定； 3 、具有1 6 k b 指令c a c h e 、1 6 k b 数据c a c h e 和存储器管理单元。 4 、外部存储器控制器，可扩展8 组，每组1 2 8 m b ，总容量达l g b ；支持从 n a n df l a s h 存储器启动； 5 、4 通道的d m a ，并且有外部请求引脚； 6 、有4 个具有p w m 功能的l6 位定时器和1 个l6 位内部定时器； 7 、8 通道的1 0 位a d 转换器，最高速率可达5 0 0 k b s ，并提供触摸屏接口； 8 、具有1 1 7 个通用i o 口和2 4 通道的外部中断源； 9 、有2 个u s b 主机总线的端口，1 个u s b 设备总线的端口； 1 0 、3 个通道的u a r t ，带有1 6 字节的t x r xf i f o ，支持i r d a l 0 功能； 1 1 、具有2 通道的s p i 、1 个通道的i i c 串行总线接口和1 个通道的i i s 音频 总线接口； 12 、有l c d 控制器，支持4 k 色的s t n 和2 5 6 k 色的t f t ，配置有d m a 通道； 1 3 、具有p l l 功能的时钟发生器，时钟频率高达2 0 3 m h z 。 1 2 硕一l ：学位论文 以上功能特征均集成在芯片中，$ 3 c 2 4 1 0 的结构框图见附录b ，其结构特点 如下： 1 、采用a r m 9 2 0 t 核，1 6 位3 2 位r i s c 结构和a r m 精简指令集； 2 、具有a r mm m u ，能够很好的支持w i n d o w sc e 、l i n u x 等操作系统； 3 、具有指令c a c h e ，数据c a c h e 和写缓冲； 4 、支持a r m 调试结构，片上i c e 支持j t a g 调试方式： 5 、内置先进微控制器总线接口a m b a 。 2 3 外围硬件电路设计 l 、电源模块 电源电路为嵌入式家庭网关中的所有器件提供工作电压，它是嵌入式系统设 计中一个非常重要的部分。系统需要使用5 v 、3 3 v 、1 8 v 的直流稳压电源，其 中$ 3 c 2 4 1 0 内核需要1 8 v 电压，外围设备需要3 3 v 电压，u s b 设备需要5 v 电 压。系统采用5 v ，2 a 直流变压器作为系统的总电源，然后通过l m l ll7 3 3 和 l m l1 1 7 1 8 芯片将加载进来的5 v 电源分别转换为3 3 v 和1 8 v 。l m l1 1 7 是一个 低压差电压调节器系列，其压差在1 2 v 输出，当负载电流为8 0 0 m a 时为1 2 v ， 其可提供1 8 v 、2 5 v 、2 8 5 v 、3 3 v 和5 v 的固定电压输出，并提供电流限制和 热保护功能，l m il l7 电路包含1 个齐纳调节的带隙参考电压以确保输出电压的 精度在士1 以内。电路原理图如图2 3 所示。 u 6 0 1 v t l n 气vt m l l l l 气气 7 图2 3 电源电路原理图 2 、时钟复位模块 $ 3 c 2 4 1 0 需要两路时钟输入，一路提供$ 3 c 2 4 1 0 的工作时钟输入，另一路提 供给r t c ( r e a l t i m ec l o c k ) 电路。系统设计中采用外接1 2 m h z 无源晶振，并作 为系统m p l l 和u s bu p l l 的基准输入时钟，再经过内部p l l 最终产生$ 3 c 2 4 10 的工作时钟和u s b 的工作时钟。r t c 通过外接3 2 7 6 8 k h z 晶振工作，主要用于 幕r 蓝牙技术的嵌入式家庭网关的研究j j 实现 计时或相关的功能，在没安装外接电池的情况下，断电再上电后需要对时间进行 重新设置。电路原理图如图2 4 所示，其中图2 4 ( a ) 中引脚x t i p l l 和x t o p l l 分 别为内部振荡电路的晶振输入和输出，图2 4 ( b ) 中引脚x t i r t c 和x t o r t e 分别为 r t c 晶振的输入与输出。 1 5 p f e 3 2 7 6 观沮z x t o n c c 1 1 9c 1 2 0 2 p f ： a ) $ 3 c 2 4 1 0 1 - 作时钟电路b ) r t c 时钟电路 图2 4 时钟电路原理图 在嵌入式系统中，有时会受到电压供应不稳定、静电释放等问题的影响，可 能造成系统运行不稳定，因此各个单元要进入正常工作状态，就需要可靠的复位， 正常情况下，有上电复位和手动复位。如果电源电压出现波动，系统就会非正常 复位，这时会发生复位时间不够而造成的一些错误甚至死机，因此需要使用复位 监控电路。系统复位电路采用的芯片是m a x 8 1l ，它是4 引脚微处理器电压监视 器，具有精密电源监控和低功耗的特点，能监视3 v 、3 3 v 和5 v 的电源电压。原 理图如图2 5 所示。 v d d 3 3 vu 9 图2 5 复位电路原理图 3 、外围扩展存储模块 外围扩展存储模块包括f l a