張艷玲　田軍委　柯成虎

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在智能家居系統(tǒng)中具有十分重要的意義。文中設(shè)計(jì)了一種嵌入式家庭物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在嵌入式Linux操作系統(tǒng)、IPv4和IPv6網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基礎(chǔ)上，采用ARM微處理器S3C2410、EM310射頻模塊和DM9000A模塊實(shí)現(xiàn)了家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)信息處理平臺(tái)。該平臺(tái)利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、射頻模塊以及網(wǎng)絡(luò)接口模塊，通過無線或有線鏈路實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部感知網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)不僅具有體積小、成本低、功耗小的優(yōu)點(diǎn)，還具有實(shí)時(shí)性好和安全性高的特點(diǎn)，適合應(yīng)用于家庭物聯(lián)網(wǎng)中。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)；智能家居；嵌入式系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

中圖分類號(hào)：TP316.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）08-0-03

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）技術(shù)一直被視為互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用擴(kuò)展，它利用射頻識(shí)別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描儀等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來進(jìn)行信息交換，實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理[1]。物聯(lián)網(wǎng)的概念于1999年提出，而物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)更是一個(gè)新的名詞，在未來的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代將會(huì)扮演非常重要的角色，它將成為連接感知網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的紐帶[2]。

智能家居系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)的一種重要應(yīng)用。智能家居系統(tǒng)又稱為智能家庭局域網(wǎng)，是以住宅為平臺(tái)，兼?zhèn)浣ㄖ?、網(wǎng)絡(luò)通信、信息家電、設(shè)備自動(dòng)化，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境。國(guó)外經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的國(guó)家和地區(qū)（美國(guó)、加拿大、歐洲、澳大利亞等）較早提出了智能家居系統(tǒng)的概念和方案，世界上第一幢智能建筑于1984年在美國(guó)State of Connecticut出現(xiàn)[3]。然而，國(guó)內(nèi)家庭網(wǎng)絡(luò)[4]尚處于萌芽狀態(tài)，但數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)的蓬勃發(fā)展勢(shì)必給家庭網(wǎng)關(guān)帶來巨大的市場(chǎng)。目前，家庭網(wǎng)關(guān)的實(shí)現(xiàn)主要有PC機(jī)與嵌入式系統(tǒng)兩種，與PC機(jī)相比，嵌入式系統(tǒng)具有體積小、成本低、可靠性高、穩(wěn)定性好及功耗低等優(yōu)點(diǎn)，更符合家庭網(wǎng)關(guān)的性能要求，因此，目前家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)主要采用嵌入式系統(tǒng)。

本文基于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在家居系統(tǒng)的信息化、智能化的重要作用及嵌入式系統(tǒng)的眾多優(yōu)點(diǎn)，采用ARM9微處理器S3C2410、EM310射頻模塊、DM9000A網(wǎng)絡(luò)模塊及嵌入式Linux系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)及其在家庭網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)框架及功能模塊概述

嵌入式家庭物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)可以劃分為應(yīng)用管理層、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層和感知接入層，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中可全面感知、可靠傳遞、智能處理的功能需求。系統(tǒng)框架架構(gòu)圖如圖1所示。各層功能如下：

（1）應(yīng)用管理層通過最為熟知的Web瀏覽器實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控和管理；

（2）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層中內(nèi)嵌有IPv4、IPv6等完整的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議簇，并基于其搭建了動(dòng)態(tài)主機(jī)設(shè)置協(xié)議（Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP）服務(wù)器、Web服務(wù)器等功能健全的服務(wù)器；

（3）感知接入層利用系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)接口模塊及射頻模塊方便實(shí)現(xiàn)廣域網(wǎng)的接入及家庭內(nèi)部感知網(wǎng)絡(luò)通過有線或無線的方式互聯(lián)互通。

嵌入式家庭物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)功能模塊可以劃分為無線通信模塊、無線通信模塊接口、網(wǎng)絡(luò)接口模塊、信息處理模塊和界面管理模塊。系統(tǒng)的基本工作過程為：當(dāng)嵌入式家庭物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)啟動(dòng)后，信息處理模塊自動(dòng)啟動(dòng)，通過無線通信模塊接口控制啟動(dòng)無線通信模塊（射頻模塊）接入廣域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)及家庭無線通信設(shè)備，然后等待界面管理模塊設(shè)置系統(tǒng)配置參數(shù)，或者以系統(tǒng)默認(rèn)配置參數(shù)將家庭內(nèi)部感知網(wǎng)絡(luò)設(shè)備橋接互聯(lián)，或路由接入廣域網(wǎng)。

在嵌入式家庭物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中，無線通信模塊將由無線方式接入廣域網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)接受信息處理模塊轉(zhuǎn)發(fā)過來的家庭內(nèi)部感知網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)據(jù)，此外該模塊還是家庭內(nèi)部感知網(wǎng)絡(luò)中無線設(shè)備的連接接口；信息處理模塊是嵌入式家庭物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的大腦，上電自動(dòng)啟動(dòng)，控制周圍模塊的安全啟動(dòng)。信息處理模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，同時(shí)接受來自外網(wǎng)信息及內(nèi)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)，完成最核心的功能，內(nèi)網(wǎng)到外網(wǎng)及外網(wǎng)到內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)；界面管理模塊允許用戶通過Web頁面對(duì)設(shè)備的某些配置（網(wǎng)絡(luò)接口模塊IP、網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)掩碼、所搭建服務(wù)器參數(shù)、無線通信模塊連接狀態(tài)等）進(jìn)行修改和管理，以適應(yīng)用戶自己的使用習(xí)慣。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

嵌入式家庭物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)是以S3C2410微處理器[5]、DM9000A以太網(wǎng)模塊和EM310射頻模塊為核心的硬件平臺(tái)，系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，S3C2410是一個(gè)具有內(nèi)存管理單元，支持實(shí)時(shí)控制的ARM9微處理器，是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的CPU，負(fù)責(zé)對(duì)周圍電路模塊的控制，并且要承載整個(gè)嵌入式最小系統(tǒng)；DM9000A能夠連接所有提供支持介質(zhì)無關(guān)接口功能的家用電話線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或其他收發(fā)器，其自動(dòng)協(xié)調(diào)功能將自動(dòng)完成配置以最大限度地適合其他線路帶寬，還支持IEEE802.3全雙工流量控制，簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)即插即用等特性，能處理封裝好以太網(wǎng)幀并通過網(wǎng)絡(luò)接口和雙絞線傳輸，能實(shí)時(shí)有效的實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部感知網(wǎng)絡(luò)的有線連接；EM310射頻模塊可以方便的接入GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的廣域網(wǎng)接入，并且具有語音短信等功能可以方便接入手機(jī)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部感知網(wǎng)絡(luò)的無線組網(wǎng)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

微處理器S3C2410是整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心，它上電實(shí)時(shí)控制周圍電路的啟動(dòng)、關(guān)閉和復(fù)位等工作，實(shí)時(shí)監(jiān)控周圍電路模塊的工作狀態(tài)。整個(gè)硬件系統(tǒng)由微處理器S3C2410控制EM310射頻模塊接入廣域網(wǎng)及移動(dòng)蜂窩網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)對(duì)外網(wǎng)的接入和家庭內(nèi)部感知網(wǎng)絡(luò)的無線組網(wǎng)；并控制以太網(wǎng)控制器DM9000A讀寫及復(fù)位，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)有線接入家庭內(nèi)部感知網(wǎng)絡(luò)。

此外，整個(gè)硬件系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了RESET模塊即硬件看門狗模塊，可實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以保證當(dāng)軟件復(fù)位系統(tǒng)無法工作時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)位重啟。64 M的SDRAM及64 M的NAND Flash完全滿足嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)需要和程序運(yùn)行的需要。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

嵌入式家庭物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)軟件平臺(tái)參考模型如圖3所示，整個(gè)系統(tǒng)在硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，以嵌入式Linux操作系統(tǒng)為核心[6]，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口模塊驅(qū)動(dòng)、無線通信模塊接口驅(qū)動(dòng)編寫；實(shí)現(xiàn)IPv4/IPv6協(xié)議簇、路由轉(zhuǎn)發(fā)及防火墻移植；實(shí)現(xiàn)上層應(yīng)用程序（PPP撥號(hào)程序、DHCP服務(wù)器、Web服務(wù)器、Web頁面）的編寫和移植。

底層硬件初始化程序、嵌入式操作系統(tǒng)及文件系統(tǒng)、應(yīng)用層軟件和用戶層軟件，自下而上各成模塊的進(jìn)行設(shè)計(jì)。這些模塊都不是孤立存在的，都以更底層的軟件層程序?yàn)榛A(chǔ)。

2.2.1 BootLoader移植

嵌入式家庭物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的BootLoader采用mizi公司專門為arm開發(fā)的一款輕量級(jí)vivi?？蓪?shí)現(xiàn)啟動(dòng)加載和下載兩種工作模式，修改/vivi/Makefile文件里的設(shè)置信息，編譯之前刪除“*.o”和“*.o.flag”文件以保證編譯有效，將最終編譯生成的vivi可執(zhí)行文件燒寫到NAND Flash就可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的引導(dǎo)。

2.2.2 嵌入式Linux內(nèi)核移植

Linux2.4.18內(nèi)核可高速運(yùn)行在ARM920T[7]處理器上，其文件系統(tǒng)支持cramfs、yaffs、ext2和NFS等文件格式或功能，內(nèi)核移植需進(jìn)行：內(nèi)核裁剪和內(nèi)核編譯，通過編譯內(nèi)核文件生成zImage文件，該文件即為內(nèi)核鏡像文件，載入板內(nèi)由BootLoader引導(dǎo)即可啟動(dòng)嵌入式Linux操作系統(tǒng)。

2.2.3 根文件系統(tǒng)移植

嵌入式Linux系統(tǒng)支持多種文件系統(tǒng)，在內(nèi)核制作時(shí)大多已包含ext2、NFS等文件系統(tǒng)。這里在嵌入式Linux系統(tǒng)上移植yaffs文件系統(tǒng)，它是可讀寫的文件系統(tǒng)，方便后續(xù)應(yīng)用程序的制作。

使用busybox1.0版本的文件系統(tǒng)制作工具，它被譽(yù)為嵌入式文件系統(tǒng)的瑞士軍刀，其小巧、方便、快速的特點(diǎn)非常適合嵌入式文件系統(tǒng)的制作。文件系統(tǒng)制作的步驟為：配置Makefile、剪裁文件系統(tǒng)、構(gòu)建根文件系統(tǒng)目錄、編譯。通過編譯可生成root_china.yaffs鏡像文件，載入板內(nèi)，啟動(dòng)硬件系統(tǒng)即可在終端看到shell交互界面，方便后續(xù)應(yīng)用程序開發(fā)。

2.2.4 Iptables移植（NAT實(shí)現(xiàn)）

Iptables 是與最新的 2.4.x 版本 Linux 內(nèi)核集成的 IP 信息包過濾系統(tǒng)。如果Linux系統(tǒng)連接到因特網(wǎng)或LAN、服務(wù)器或連接LAN和因特網(wǎng)的代理服務(wù)器，則該系統(tǒng)有利于在Linux系統(tǒng)上更好地控制IP信息包過濾和防火墻配置。

Netfilte/Iptables在Linux 2.4內(nèi)核中提供了一系列表，每個(gè)表由若干鏈組成，而每個(gè)鏈中可以由一條或數(shù)條規(guī)則組成。內(nèi)核模塊可以注冊(cè)一個(gè)新的規(guī)則表，并要求數(shù)據(jù)包流經(jīng)指定的規(guī)則表，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包過濾（Filter表），網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT表）及數(shù)據(jù)包處理（Mangle表）。在NAT表中包含PREROUTING鏈、POSTROUTING鏈和OUTPUT鏈。進(jìn)行NAT時(shí)Netfilter監(jiān)聽鉤子函數(shù)NF_IP_PRE_ROUTING、NF_IP_POST_ROUTING及NF_IP_LOCAL_OUT，并根據(jù)NAT表中的規(guī)則對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換處理。NAT只對(duì)新連接的第一個(gè)數(shù)據(jù)包查詢NAT表，隨后同一個(gè)連接的數(shù)據(jù)包將根據(jù)第一個(gè)數(shù)據(jù)包的結(jié)果進(jìn)行同樣的轉(zhuǎn)換處理[8]。

Iptables由內(nèi)核模塊和用戶接口應(yīng)用程序組成。Iptables內(nèi)核模塊能夠?qū)斎搿⑤敵龅腎P包進(jìn)行過濾和管理，它是Linux 2.4內(nèi)核中Netfilter框架的一個(gè)組成部分；Iptables用戶接口程序可以添加、插入或刪除內(nèi)核表中的規(guī)則，利用Iptables工具，并用選項(xiàng)“-t nat”來創(chuàng)建、修改NAT表。

2.2.5 DHCP服務(wù)軟件

DHCP[9]是動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議，主要用來完成對(duì)局域網(wǎng)終端設(shè)備IP地址的動(dòng)態(tài)分配，同時(shí)實(shí)現(xiàn)客戶端子網(wǎng)掩碼的設(shè)置，客戶端設(shè)備無需手動(dòng)設(shè)置子網(wǎng)掩碼就可直接接入網(wǎng)絡(luò)。DHCP服務(wù)軟件不僅實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)分配IP地址，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)網(wǎng)內(nèi)用戶的管理，如停止對(duì)租用到期用戶的IP地址分配等。

2.2.6 pppd撥號(hào)服務(wù)

PPP（Point to Point Protocol）協(xié)議是點(diǎn)到點(diǎn)鏈路上承載網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包的一種鏈路層協(xié)議[10]。pppd撥號(hào)服務(wù)用來控制EM310射頻模塊接入無線網(wǎng)絡(luò)，物理層使用標(biāo)準(zhǔn)RS 232與微控制單元（Micro-Control Unit，MCU）通信。

網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議（Network Control Protocol，NCP）負(fù)責(zé)將要處理的數(shù)據(jù)送到網(wǎng)絡(luò)層，鏈路控制協(xié)議 （Link Control Protocol，LCP）在鏈路建立階段用于交換配置信息包，當(dāng)完成配置后開啟LCP，進(jìn)入認(rèn)證階段[11]。認(rèn)證是可選擇的，認(rèn)證通過的用戶將獲得pppd通過IP控制協(xié)議（IP Control Protocol，IPCP）動(dòng)態(tài)分配的一個(gè)IP地址，最終實(shí)現(xiàn)接入Internet。

2.2.7 Web服務(wù)軟件

用戶層用戶交互式Web服務(wù)軟件，在嵌入式Linux系統(tǒng)中安裝Web服務(wù)器，這里移植的是小型、簡(jiǎn)單、全面的Boa嵌入式Web服務(wù)器，然后編寫相應(yīng)的通用網(wǎng)關(guān)接口 （Common Gateway Interface，CGI）程序?qū)崿F(xiàn)用戶Web界面數(shù)據(jù)與Web服務(wù)器的交互，從而實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)系統(tǒng)的控制[12]。

Web頁面的實(shí)現(xiàn)采用基于eybuild引擎的C語言變種——CSP（C Language Service Page，CSP），類似于其他的CGI（ASP、JSP），CSP將C語言插入到HTML模板中，通過編譯最終生成“*.cgi”文件，載入板內(nèi)用戶可直觀的借助IE瀏覽器實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控管理。

根據(jù)上文對(duì)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的分析，本文設(shè)計(jì)了一種家庭物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，其實(shí)物圖如圖4所示。

3 結(jié) 語

本文采用S3C2410、DM9000A和EM310射頻模塊設(shè)計(jì)了便攜、低成本的家庭物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備。它在PCB板面積較小、板層較少的前提下，較好的完成了關(guān)鍵部分SDRAM的布線，保證了信號(hào)的完整性。在硬件資源有限的嵌入式平臺(tái)上，通過對(duì)嵌入式Linux內(nèi)核的剪裁、編譯、移植，制作了完善的嵌入式根文件系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上利用嵌入式Linux內(nèi)完善的IPv4/IPv6協(xié)議簇，流暢運(yùn)行Web服務(wù)器和DHCP服務(wù)器。pppd撥號(hào)程序能夠智能打通無線通信設(shè)備，接入廣域網(wǎng)及內(nèi)網(wǎng)無線組網(wǎng)。在嵌入式Linux操作系統(tǒng)的核心完成Iptables程序的完美移植和匹配，利用其內(nèi)容豐富的規(guī)則設(shè)置，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的防火墻機(jī)制和NAT機(jī)制，使得系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸具有較高的可靠性，并且使得外網(wǎng)和家庭內(nèi)部感知網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)據(jù)包能夠完全按照規(guī)則順利轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)接口。用戶層面采用繼承C語言優(yōu)點(diǎn)的CSP語言精煉的完成了CGI程序的編寫，實(shí)現(xiàn)了較好的人機(jī)界面。隨著物聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，這種低成本的嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)將在家庭物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中得到推廣，其價(jià)值也將明顯體現(xiàn)。此外，該設(shè)備在加入更加豐富的數(shù)據(jù)接口后，其應(yīng)用價(jià)值也會(huì)有很大的提升空間。

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