劉曉霞, 周紹軍

（四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系, 四川 崇州 611231）

基于先進(jìn)處理器架構(gòu)的智能家居多協(xié)議網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

劉曉霞, 周紹軍

（四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系, 四川 崇州 611231）

針對智能家居系統(tǒng)中, 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議單一、轉(zhuǎn)換復(fù)雜低效等問題, 特設(shè)計(jì)基于ARM Cortex-A8的多協(xié)議家用智能型網(wǎng)關(guān). 該網(wǎng)關(guān)能夠?qū)⒓揖迎h(huán)境中的ZigBee協(xié)議的設(shè)備數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)、藍(lán)牙、GPRS等多種協(xié)議的數(shù)據(jù), 從而實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境的數(shù)據(jù)與戶主進(jìn)行互聯(lián)互通. 實(shí)驗(yàn)測試表明, 設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)具有良好性能, 能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、協(xié)議轉(zhuǎn)換、管理控制功能, 并且有效降低丟包率, 具有良好的實(shí)用和通用價(jià)值.

先進(jìn)處理器架構(gòu); 嵌入式; 多協(xié)議; 網(wǎng)關(guān)

1 引言

智能家居中廣為使用的技術(shù)是無線傳感網(wǎng)(Wireless Sensor Network, WSN)技術(shù). WSN負(fù)責(zé)將散布家中的各個(gè)傳感器組織成網(wǎng)絡(luò), 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯聚、傳輸, 并且傳達(dá)、執(zhí)行控制命令. 但是, 現(xiàn)實(shí)中普及應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),如藍(lán)牙、GPRS、以太網(wǎng)等與傳感網(wǎng)絡(luò)沒有統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn), 難以直接通信. 因此, 在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中需要了一種銜接兩種通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備, 即物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān). 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的作用很簡單, 就是將一般通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和信息轉(zhuǎn)換為WSN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)和信息, 實(shí)現(xiàn)一般網(wǎng)絡(luò)與WSN間的協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換. 因此, 本文針對智能家居系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)的特定應(yīng)用場景, 設(shè)計(jì)一種多協(xié)議網(wǎng)關(guān), 能夠?qū)崿F(xiàn)從傳感協(xié)議到通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換, 完成Zigbee網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)、藍(lán)牙、GPRS這三種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合, 從性能、成本、用戶體驗(yàn)考慮軟硬件設(shè)計(jì), 滿足用戶需求[8-9].

2 體系架構(gòu)

智能家居是將各種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于家居環(huán)境, 其總體結(jié)構(gòu)可沿用物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu), 將其劃分為三層,即: 家居環(huán)境現(xiàn)場感知層、數(shù)據(jù)信息傳輸層和戶主需求的各種應(yīng)用構(gòu)成的應(yīng)用層[1]. 感知層主要實(shí)現(xiàn)和完成家居環(huán)境中各種數(shù)據(jù)的采集與驅(qū)動(dòng), 并將采集到的數(shù)據(jù)按照一定的協(xié)議進(jìn)行封裝和保存, 同時(shí)接收上層傳輸來的控制命令而實(shí)現(xiàn)對家居現(xiàn)場的控制; 感知層主要由帶有傳感設(shè)備的不同節(jié)點(diǎn)組成, 在智能家居中這些終端節(jié)點(diǎn)可以是洗衣機(jī)、冰箱、電視劇、微波爐、窗簾等家居設(shè)備. 傳輸層的作業(yè)和任務(wù)十分清晰, 就是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的上傳和下達(dá), 即將按照一定協(xié)議封裝的數(shù)據(jù)按照一定的傳輸協(xié)議進(jìn)行傳輸; 起到承上啟下, 是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和命令的匯聚、中轉(zhuǎn)樞紐; 收集匯聚數(shù)據(jù)信息, 將其進(jìn)行初步處理上傳至應(yīng)用層, 同時(shí), 將應(yīng)用層下達(dá)的控制命令, 準(zhǔn)確無誤傳達(dá)至終端節(jié)點(diǎn). 應(yīng)用層專門為用戶定制各種應(yīng)用而設(shè)置的, 主要提供各種用戶接口與交互、操作命令的發(fā)送與接收等; 應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的目的, 從感知層采集, 經(jīng)傳輸層傳送的數(shù)據(jù), 在此進(jìn)入各類信息系統(tǒng)提供相關(guān)服務(wù). 其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

在智能家居系統(tǒng)中, 網(wǎng)關(guān)是最核心的信息匯聚和控制單元, 負(fù)責(zé)協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、終端認(rèn)證、管理控制.本文設(shè)計(jì)的智能家居網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖1 總體架構(gòu)圖Fig. 1 Chart general

3 硬件設(shè)計(jì)

圖2 網(wǎng)關(guān)整體結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 The gateway structure diagram

智能家居網(wǎng)關(guān)的硬件是實(shí)現(xiàn)智能家居功能的物質(zhì)基礎(chǔ), 各種數(shù)據(jù)交互與信息的轉(zhuǎn)換, 都是以硬件作為核心基礎(chǔ)的, 沒有物理硬件的網(wǎng)關(guān)是不能實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能的. 如圖3所示, 為智能家居網(wǎng)關(guān)的硬件組成框圖, 其主要模塊包括MCU模塊、各種通信模塊、電源模塊、存儲(chǔ)器模塊和外圍接口等.

3.1 主控器模塊

主控器是整個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的核心, 負(fù)責(zé)接收處理Zigbee協(xié)調(diào)器上傳的家居節(jié)點(diǎn)信息以及應(yīng)用層下達(dá)的控制命令, 同時(shí)要實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換. MCU選擇由韓國三星公司制造的S5PV210處理器,該處理器采用了ARM公司的Cortex-A8內(nèi)核, ARM V7指令集, 其處理器的主頻可達(dá)到1GHz, 且具有64/32位內(nèi)部總線結(jié)構(gòu), 同時(shí)集成了很多用戶接口, 為用戶應(yīng)用提供了許多方便. 因此, 經(jīng)過多方面的比較和選型, 最后確定使用S5PV210處理器作為網(wǎng)關(guān)的核心處理器, 并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建其硬件平臺.

3.2 電源模塊

任何計(jì)算系統(tǒng), 無論是嵌入式計(jì)算系統(tǒng)還是桌面計(jì)算系統(tǒng), 電源都是不可缺少的部分; 沒有電源, 計(jì)算系統(tǒng)無法完成預(yù)定的功能; 有了電源, 電源要滿足計(jì)算系統(tǒng)的要求, 并能夠?yàn)橛?jì)算系統(tǒng)提供需要的電壓和電流, 才能使計(jì)算系統(tǒng)正常運(yùn)行而實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能.

網(wǎng)關(guān)的MCU需要的電壓為DC3.3v, 且藍(lán)牙通信模塊、ZigBee協(xié)議處理模塊等也是DC3.3v; 而GPRS模塊的電壓要求為DC3.3～4.8v; 基于這些要求, 在設(shè)計(jì)系統(tǒng)電源時(shí), 采用外接雙電源技術(shù), 即市電AC220v進(jìn)入電源部分, 經(jīng)過變壓和調(diào)理后, 變?yōu)镈C5v的電源, 供網(wǎng)關(guān)使用, 同時(shí)這DC5v的電源為鋰電池進(jìn)行充電, 以防市電斷電時(shí)使用鋰電池為網(wǎng)關(guān)供電.

為了滿足電路板總體供電, 本文設(shè)計(jì)的供電原理圖如圖4所示, 采用串聯(lián)二極管1N5817, 將直流5V電壓降至合適范圍以供給GPRS模塊.

圖3 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)圖Fig. 3 Gateway hardware design diagram

圖4 電源模塊原理圖Fig. 4 The power supply module principle diagram

3.3 其他模塊

主要的模塊電路原理設(shè)計(jì)完成后, 進(jìn)行輔助的通信模塊及其他外圍接口的設(shè)計(jì). 本網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的通信模塊較多, 主要為支持多協(xié)議而設(shè)置. 其通信模塊包括ZigBee協(xié)議及模塊、以太網(wǎng)接口、GPRS和藍(lán)牙等; 其外圍接口包括USB接口、LCD接口和串口等. 在此主要進(jìn)行各通信模塊的設(shè)計(jì).

ZigBee就其字面意義而言, 就是象蜜蜂一樣的之字型短距離, 因此, ZigBee就表示短距離的無線通信技術(shù). ZigBee模塊選用TI公司的CC2530芯片, 配上合適的天線, 就可以收發(fā)ZigBee協(xié)議的數(shù)據(jù)和信息. 而且該芯片集成了2.4GHz、ZigBee協(xié)議的SoC[2].

以太網(wǎng)接口采用LM3S9B96芯片, 配上RJ45接口和相應(yīng)的外圍電路. 該芯片將802.3MAC引擎以及10BASE-TX和100BASE-TX模擬前端等集成在一起, 如圖5所示. 主控MCU通過MAC層來訪問以太網(wǎng)控制器, 通過內(nèi)部的獨(dú)立媒體接口MII提供外部接入, 從而, 增加RJ45接口即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與以太網(wǎng)的連接[3].

圖5 以太網(wǎng)模塊原理圖Fig. 5 Schematic diagram of Ethernet

藍(lán)牙模塊主要任務(wù)是方便用戶通過手機(jī)藍(lán)牙與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行交互, 監(jiān)測、控制家居實(shí)時(shí)狀態(tài). 本設(shè)計(jì)中采用集成藍(lán)牙通信協(xié)議芯片HC-06. 其能夠自動(dòng)建立藍(lán)牙連接, 提供發(fā)送TXD, 接收RXD兩個(gè)接口供主控器控制, 使用方便、高效.

4 軟件設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)好硬件電路和做好電路板后, 焊接好各種器件并測試硬件的完好性和準(zhǔn)確性之后, 就需要將采用協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)的軟件在其硬件平臺上運(yùn)行, 并測試各項(xiàng)功能是否符合要求. 嵌入式系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù), 指的是在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)的同時(shí)開始軟件的設(shè)計(jì). 在系統(tǒng)硬件選型基本確定后, 軟件同時(shí)開始進(jìn)行設(shè)計(jì).

軟件設(shè)計(jì)時(shí), 首要的問題就是選擇一個(gè)合適的RTOS操作系統(tǒng)應(yīng)用于本網(wǎng)關(guān). 經(jīng)過比選, 選擇開源的嵌入式Linux作為網(wǎng)關(guān)的RTOS操作系統(tǒng), 因其具有很多優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn), 適合于嵌入式應(yīng)用.

4.1 CC2430軟件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行ZigBee方面的軟件設(shè)計(jì)時(shí), 首要的問題是ZigBee協(xié)議的問題, 只要處理好了ZigBee協(xié)議, 接下來的軟件就簡單了. 而CC2530帶有ZigBee協(xié)議, 即Z－Stack 協(xié)議棧, 因此僅需要將其移植到本網(wǎng)關(guān), 就可以進(jìn)行專門的應(yīng)用軟件開發(fā)了.

Z-Stack由ZigBee協(xié)議棧、ZigBee應(yīng)用、硬件支持包組成. CC2530在整個(gè)智能家居環(huán)境的網(wǎng)關(guān)中, 起到一個(gè)ZigBee型設(shè)備的數(shù)據(jù)信息的采集與驅(qū)動(dòng), 即與家居環(huán)境中的其他ZigBee設(shè)備進(jìn)行通信, 因此, 網(wǎng)關(guān)的CC2530就相當(dāng)于一個(gè)協(xié)調(diào)工作站[4-5].

CC2530工作流程如圖6所示. Zigbee控制節(jié)點(diǎn)在收發(fā)數(shù)據(jù)之前, 首先要將Zigbee節(jié)點(diǎn)組織成網(wǎng)絡(luò), 建立各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的連接通道, 以便將各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集、匯聚[4]. 然后再檢測網(wǎng)絡(luò)中有無新的數(shù)據(jù)信息需要進(jìn)行收發(fā). 因此CC2530負(fù)責(zé)辨別、處理新的ZigBee設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò), 同時(shí)還要處理新加入的設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息.

4.2 主控器軟件設(shè)計(jì)

主控器的軟件設(shè)計(jì)流程為: 首先初始化硬件、打開中斷、進(jìn)入監(jiān)聽, 然后等待數(shù)據(jù)的到來, 若收到數(shù)據(jù), 首先判斷數(shù)據(jù)來自上層應(yīng)用層, 還是底層感知節(jié)點(diǎn). 若是上層命令, 則將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)至下層Zigbee節(jié)點(diǎn), 若是下層數(shù)據(jù), 則將數(shù)據(jù)信息上傳至上層應(yīng)用程序. 網(wǎng)關(guān)是建立在傳輸層的協(xié)議轉(zhuǎn)換器, 連接兩個(gè)或者多個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò), 每接收一種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包之后, 在轉(zhuǎn)發(fā)之前將它轉(zhuǎn)換成為另一種協(xié)議的格式[6].

圖6 Zigbee控制器工作流程Fig. 6 Zigbee controller work flow

圖7 MCU工作流程Fig.7 MCU workflow

5 系統(tǒng)測試

測試主要檢測了組網(wǎng)性能指標(biāo)、實(shí)時(shí)控制性能指標(biāo)、數(shù)據(jù)傳輸性能指標(biāo)、丟包率. 首先組網(wǎng)測試, 每一個(gè)Zigbee節(jié)點(diǎn)的加入, 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠正確顯示新加入網(wǎng)絡(luò), 并且按照尋找最近父節(jié)點(diǎn)算法加入網(wǎng)絡(luò)且重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[7]. 測試各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)不同時(shí)間、溫度、光照的數(shù)據(jù)值, 且結(jié)果反饋正確.

智能家居中的網(wǎng)關(guān)是智能環(huán)境下的一種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備, 其作用前面已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)論述, 因此其測試主要就是測試其數(shù)據(jù)傳輸過程中的數(shù)據(jù)丟包率. 而可能造成傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的數(shù)據(jù)丟包的原因?yàn)? ZigBee設(shè)備與網(wǎng)關(guān)間的數(shù)據(jù)傳輸丟包; 網(wǎng)關(guān)讀取ZigBee設(shè)備數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生了丟包; 網(wǎng)關(guān)進(jìn)行不同協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與傳輸時(shí)的數(shù)據(jù)信息丟包.

測試時(shí), 在實(shí)驗(yàn)室條件下, 放置了10個(gè)ZigBee設(shè)備作為WSN的節(jié)點(diǎn), 每個(gè)節(jié)點(diǎn)按照一定的周期進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送, 而測試平臺端每采集到2000數(shù)據(jù)包時(shí), 就進(jìn)行一次丟包的統(tǒng)計(jì). 重復(fù)測試10次, 得到如圖8所示的測試數(shù)據(jù). 實(shí)際測試結(jié)果表明, 本設(shè)計(jì)中各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求, 并且十分健壯, 從而實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)關(guān)的通用性.

圖8 丟包數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析Fig. 8 analysis of packet loss statistics

6 結(jié)束語

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和發(fā)展, 智能家居得到廣泛發(fā)展和應(yīng)用. 智能家居使得人們的生活變得更加環(huán)保和安全, 而且給人們提供了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)掌控自家狀態(tài), 使一切盡在掌握之中. 本文采用先進(jìn)的Cortex A8內(nèi)核的MCU芯片, 設(shè)計(jì)了智能家居環(huán)境中使用的多協(xié)議網(wǎng)關(guān). 首先進(jìn)行硬件設(shè)計(jì), 然后進(jìn)行軟件設(shè)計(jì), 最后進(jìn)行了測試. 同時(shí), 該網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)具有通用性, 不僅可以應(yīng)用于智能家居系統(tǒng), 而且可以應(yīng)用與醫(yī)療自動(dòng)化、倉儲(chǔ)管理等領(lǐng)域.

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Design on multi-protocol gateway of intelligent household based on advanced processor architecture

LIU Xiao-xia, ZHOU Shao-jun
(Department of Information Engineering, Sichuan Water Conservancy Vocational College, Chongzhou, Sichuan 611231, P.R.C.)

In view of the smart home system, the instability of wireless sensor network data transmission, data transmission protocol is single, complex conversion inefficiencies, this paper designs a kind of multi-protocol gateway based on ARM architecture A8 kernel processor to connect Zigbee wireless sensor network and the traditional communication network, such as Ethernet, such as bluetooth, GPRS, which realizes the connectivity, data sharing. Laboratory tests show that the design of the gateway has good performance, to the experimental data forwarding, protocol conversion, management, control, and effectively reduce the packet loss rate. In addition, it has good practical and universal value.

advanced processor architecture; embedded; multi-protocol; gateway

TP273

A

1003-4271(2014)04-0559-05

10.3969/j.issn.1003-4271.2014.04.17

2014-06-12

劉曉霞(1976-), 女, 漢族, 河南人, 講師, 碩士, 研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù).