嵌入式无线家庭网关系统研究[权威资料]

嵌入式无线家庭网关系统研究 本文档格式为 WORD,感谢你的阅读。 摘要：本文提出一种集各种控制与管理功能于一体的信息传输平台 无线家庭网关。设计了一个基于 S3C4510B的无线家庭网关，系统外网借助商用的移动 GPRS 通信网络传输数据，内网采用 ZigBee 技术与信息家电组成开放式网络系统，操作系统采用源码开放的 uCLinux，编制软件可以实现远程管理，节能控制。 关键词：无线家庭网关； uCLinux； ZigBee U285.49 A 1 前言 二十世纪九十年代以来 , 计算机、信息、控制和通信等技术得到迅速发展 , 极大地促进了社会生产力的提高 , 也使人们的生产和生活方式发生了巨大的变化。现代家庭更加注重生活品质 , 健康、安全、舒适成为人们的迫切需要 , 这就必将导致人们在家庭居住需求观念上的彻底变革 , 追求更高层次和境界的居住环境 , 从而促使智能建筑的诞生 , 并推动了住宅智能化的发展。住宅中各种通信设备、家用电器和家庭保安装置通过无线家庭网关连接成一个智能化系统，进行集中的或异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持 这些家庭设计与住宅环境和谐、协调。同时，有了这个信息技术平台，能实现住宅中尤其是耗能较高的城镇住宅中的节能控制措施。以信息技术克服浪费能源的因素，使能源的使用由粗放到集约，达到整个住宅节能的目的。 2 嵌入式无线家庭网关的硬件设计 家庭网关是家庭信息网络的核心部分 ,通过它组建家庭信息网络、负责对家庭信息设备的管理和控制。作为控制整个无线家庭网关的核心就是微控制单元 (MCU)，并通过微控制单元外扩存储器 (Flash/SDRAM)、 ZigBee 模块、键盘及液晶、以太网接口模块等模块等来构建嵌 入式无线家庭网关，从而实现多种控制方式。嵌入式网关硬件结构图如图 1 所示： 图 1 嵌入式网关硬件结构图 （ 1）微处理器 MCU：基于 ARM7TDMI 内核的 S3C4510B微处理器是一个多用途的通用芯片，它内部集成了微处理器和常用外围组件，特别适用于手持设备。 （ 2）网络接口：网络控制芯片采用 RTL8201。RTL8201 是一种低价位的工业用以太网控制器，是专门针对嵌入式系统设计的嵌入式网卡芯片，具有带模拟滤波的 10BASE以太网端口，提供自动极性校验和更正功能，支持无跳变设置的 EEPROM，支持悬挂和停止模式等。 （ 3） FLASH 存储器：系统中的 Flash 芯片用于存储家庭网关中的嵌入式操作系统、 HTTP 服务器、 CGI 网关应用程序、家庭网络服务器以及支持各种服务所需的文件系统。整个家庭网关软件平台存储在 Flash 中，系统启动时，将从Flash 中运行 Bootloader 解压缩操作系统并将其搬移到SDRAM 中。 （ 4） SDRAM 存储器：嵌入式操作系统的存在需要有一定量的动态 RAM，需要在外部总线上扩充 SDRAM。解压缩后的操作系统将驻留内存。 （ 5） JTAG 接口：可对芯片内部的所有部件进行访问，通过该接口可对系统进行调试，编程等。 （ 6）串行接口： S3C4510B 自身就带有两个 UART 控制器，将它们与 MAX232 相连进行电平转换，就可以得到两个标准 RS-232 串行接口。 （ 7） I/O 接口：主要包括键盘控制模块和液晶显示模块等。 （ 8） ZigBee 模块主要用于住宅内部数据的采集与发送，并且通过其控制家庭设备。 ZigBee 模块选择 CC2430，CC2430 是一颗真正的系统芯片（ SOC） CMOS 解决方案，这种解决方案能够提高性能并满足 以 ZigBee 为基础的 2.4GHz ISM波段的应用对低成本、低功耗的要求。 （ 9） GPRS 模块主要通过 AT 命令进行系统远程监控。GPRS 模块选择西门子公司的 MC35i，该模块具有很高的性能，可以广泛应用于 POS 终端、自动售货机、安全系统、远程遥测、交通控制等多种场合。 3 嵌入式无线家庭网关的软件设计 3.1 总体结构 在选定了嵌入式网关的硬件平台后 ,家庭网关便有了自己的物理载体 ,但仅仅是硬件部分并不能完成家庭网关所应具有的功能。响应客户端的 HTTP 请求、协议的转换和 返回请求的结构等工作 ,需要有建立在硬件平台之上的软件来实现。 Linux 是一个极具吸引力的开放源码的操作系统。它具有源码公开、价格低廉、功能强大及易于移植等优点 ,提供了实时系统所需的基本功能。而 uCLinux 的 Linux2.0 版本的一个分支 ,也具有上述的优点 ,它被广泛应用在微控制领域 ,很适合在家庭网关中应用。本设计选择的操作系统就是 uCLinux。图 2 为无线家庭网关系统的软件结构组成。 图 2 无线家庭网关系统的软件结构 3.2 建立 uCLinux 开发环境 基于 uCLinux 操作系统的应用开发环境一般是由目标系统硬件开板 (S3C4510B 的开发板 )和宿主 PC 机所构成。目标板所用到的操作系统的内核编译、应用程序的开发和调试需要通过宿主 PC 机来完成 . 双方之间一般通过串口，并口或以太网接口建立连接关系。首先，要在宿主机上安装标准Linux 操作系统，如 Red Hat Linux；接下来就可以建立交叉开发环境 .从网上下载工具链如 :arm-elf-gcc-2.95.3-2.i386.rpm，将它复制到到宿主机上的任一目录下，键入命令安装，这样交叉编译器就安装到了宿主机 . 我们就可以用交叉编译器 arm-elf-gcc 编译操作系统内核和用户应用程序了。 3.3 系统软件流程设计 软件设计是整个系统设计的重点和难点。采用模块化编程的方法 , 首先按照功能将程序分成几个协议模块。每一个模块放在一个独立的文件中 , 最后由主程序模块调用各功能模块实现协调工作。系统工作流程图如图 3 所示。上电后首先开始初始化工作 , 包括单片机及其外围电路 , 串口和以太网控制芯片的初始化。接着检查是否有串口发送或接收中断标志 , 如有转入相应子程序进行串行数据处理。本系统中 , 仅有串口使 用中断的操作方式 , 网络芯片的控制采用查询方式。单片机的处理速度有限 , 如果响应以太网控制芯片中断将花费大量中断处理时间 ,这势必会影响通信数据的丢失或超时。因此用查询法控制网络芯片 , 并将 TCP/IP 协议的处理放到主程序顺序循环中 , 以牺牲响应时间来保证系统稳定可靠工作。当然这种可能造成响应不及时 , 出现缓冲区溢出或丢包的现象 , 这可以通过 TCP 协议来保证可靠传输。当需要向网络发送数据时 , 首先检查发送缓冲区是否为空 , 如果没有数据帧正在发送 , 则依次对数据进行 TCP 和 IP 打包后 , 将数据交给以太网 控制芯片发出。网络数据的接收过程则与发送相反。 图 3 系统工作流程图 3.4 基于软硬件平台的嵌入式网关的实现 网关是一种连接不同协议的网络的设备 ,介于多种网络协议之间 ,完成一种网络协议之间的翻译工作。基于 Internet的远程网关程序与家庭网络的 HTTP 服务器和家庭内部服务器位于同一物理设备之上 ,负责连接 HTTP 服务器和后台数据库 ,完成 HTTP 服务器与 Home Server 之间的信息交互。图 4 为基于软硬件平台的嵌入式网关的实现的设计思路。 图 4Internet 接入家庭 网关结构 4 结束语 本文设计了基于 S3C4510B 及 uClinux 的无线家庭网关的软硬件设计。与其它的家庭网关相比，系统外网采用GPRS 技术，内网采用 ZigBee 技术，具有远程控制，按流量收费，低功耗，短时延，大容量等特点， uCLinux 操作系统应用于嵌入式无线家庭网关系统，具有可移植，内核定制高度灵活性等优点。使系统具有全无线，低成本，易于实现住宅的智能化及节能。具有与时俱进的现实意义，有利于推动智能建筑业的发展，降低能源消耗，实现住宅智能化与节能的普及，具有广泛的市场前景。 参考文献： 1王济勇，林涛，吴进时，王金东 .一个嵌入式网关的设计及实现 J.计算机工程， 2003.08 2黄布毅，刘国梅，郑安平 .嵌入式家庭网络中央控制器的开发 J.郑州轻工业学院学报 (自然科学版 )，第 19 卷第 2 期 2004.05 3刘玉兰等 .uClinux 系统分析及嵌入式操作系统的一个开发实例 .计算机与现代化 J.2002.03 4李驹光 . ARM 应用系统开发详解 . 北京 :清华大学出版社， 2004 5 Chi-Hsiang Wu and Rong-Hong Jan, System integration of WAP and SMS for home network system, Computer Networks, Volume 42, Issue 1, 15 May 2003, Pages 7-22 6 Yu Junqi etc., Control Technology in Intelligent Building and Energy Saving, 首届西安国际建筑科技大会论文集， 2006.09 文档资料：嵌入式无线家庭网关系统研究 完整下载 完整阅读 全文下载 全文阅读 免费阅读及下载 阅读相关文档 :浅谈故障诊断技术在矿山机电设备维修中的应用 浅谈岩土勘察工程质量控制 试论 10kV 变配电设备安装时需要注意的问题 试析园林植物配置的若干问题 关于海上拖救过程中常遇困难问题及预防措施 精密水准测量的实施探讨 分析机电安装中存在的问题与对策 对当前中小城镇规划问题的探讨 浅谈农村公路常见病害原因分析及养护措施 建筑工程现场施工管理初探 对植保社会化服务体系的几点思考 浅谈建筑电