基于ARM9的家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

引言

智能家居系統(tǒng)是為適應(yīng)現(xiàn)代化家庭生活而形成的一個(gè)形式多樣化的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它是現(xiàn)代3C技術(shù)（計(jì)算機(jī)技術(shù)，通信技術(shù)，控制技術(shù)）與傳統(tǒng)家居系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物，是家居信息化未來的發(fā)展方向。智能家居網(wǎng)絡(luò)通常包括智能家居網(wǎng)關(guān)，外部網(wǎng)，安防設(shè)備等。智能家居網(wǎng)關(guān)與其他4個(gè)部分連接，交互信息，對(duì)它們進(jìn)行統(tǒng)一的管理。此外，智能家居網(wǎng)關(guān)還接入外部網(wǎng)絡(luò)，使用戶能夠遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制管理家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。

在本文中，智能家居網(wǎng)絡(luò)是指應(yīng)用于家庭環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。在家庭中，部署各種傳感器，例如紅外傳感器，煙霧傳感器，RFID門磁傳感器來監(jiān)測家庭的一些環(huán)境信息，這些傳感器通過自組織方式就構(gòu)建了智能家居網(wǎng)絡(luò)。所以本文設(shè)計(jì)的智能家居網(wǎng)關(guān)主要是實(shí)現(xiàn)WSN網(wǎng)絡(luò)與Internet以及GSM網(wǎng)的互連。顯然，智能家居網(wǎng)關(guān)是整個(gè)家庭網(wǎng)絡(luò)的核心，主要實(shí)現(xiàn)Internet網(wǎng)，GSM網(wǎng)的接入，遠(yuǎn)程控制，以及實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換連接家庭內(nèi)部異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的功能。目前基于PC方案的家庭網(wǎng)關(guān)不僅成本高，而且要求計(jì)算機(jī)一直處于開機(jī)狀態(tài)，因此，對(duì)于普通的用戶，家庭網(wǎng)關(guān)應(yīng)采用廉價(jià)的嵌入式CPU，若單是采用8位或者16位的單片機(jī)，由于速度慢且資源有限，不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制，效果不理想。

因此，以ARM920T核處理器S3C2440為主處理器，家庭內(nèi)部通過JENNIC 5139射頻模塊自組織無線網(wǎng)絡(luò)。GSM模塊選用Wavecom GSM模塊。此外，本文用Qt設(shè)計(jì)了用戶可操作的觸摸屏界面。
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　　1 網(wǎng)關(guān)需求分析

網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的主要功能是在現(xiàn)場及遠(yuǎn)程終端監(jiān)控家庭各個(gè)傳感器的工作狀態(tài)，并在異常時(shí)報(bào)警。各個(gè)傳感器將各自采集的信息，經(jīng)過JEN-NIC射頻模塊的無線傳輸，傳送到網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)上，通過嵌入式微處理器操作系統(tǒng)，將信息通過有線或者無線方式傳送到遠(yuǎn)程終端上或者用戶手機(jī)上。網(wǎng)關(guān)部署如圖1所示。

圖1 網(wǎng)關(guān)部署結(jié)構(gòu)圖

本文要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)有以下3個(gè)：
（1）實(shí)現(xiàn)用戶在任何時(shí)間，任何地點(diǎn)通過遠(yuǎn)程無線的方式對(duì)家庭內(nèi)的環(huán)境信息查詢；
（2）對(duì)家庭內(nèi)部的環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)其中某一項(xiàng)參數(shù)超過一定指標(biāo)時(shí)，以遠(yuǎn)程無線方式通知用戶，發(fā)送報(bào)警信息；
（3）*遠(yuǎn)程終端的連接請(qǐng)求，當(dāng)有遠(yuǎn)程Socket連接時(shí)網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)。
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?? ? ? 2 網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段大部分的家庭網(wǎng)關(guān)聯(lián)網(wǎng)方式主要為有線接入，本文提出了一種基于ARM處理器和GSM網(wǎng)絡(luò)，以linux為操作系統(tǒng)的家庭網(wǎng)關(guān)無線接入方案，目的是能通過手機(jī)短信或者遠(yuǎn)程終端對(duì)控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。并使用JENNIC無線射頻模塊實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部子網(wǎng)采集數(shù)據(jù)的無線傳輸。

網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖可以簡化為硬件層和軟件層。硬件層由高性能的微處理器和多個(gè)功能模塊組成。軟件層由嵌入式操作系統(tǒng)以及應(yīng)用軟件構(gòu)成，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 網(wǎng)關(guān)總體架構(gòu)
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　　3 家庭網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

本次網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的硬件層主要采用嵌入式的ARM9開發(fā)平臺(tái)。嵌入式ARM處理器具有體積小，功耗低，成本低，性能高等特點(diǎn)，是十分優(yōu)秀的RISC處理器。其中三星公司的S3C2440是一款優(yōu)秀的ARM9核心處理器，具有400 MHz的主頻，內(nèi)部集成多個(gè)功能模塊，支持NAND-flash啟動(dòng)等特點(diǎn)，是目前市場上最常見的嵌入式處理器芯片。因此，本系統(tǒng)擬采用S3C2440處理器為核心處理器。

考慮主控制器擴(kuò)展出來的串行接口數(shù)量有線，程序的調(diào)試，燒寫，傳感器節(jié)點(diǎn)等都需要串行接口。所以，選擇了AU9254這款USB PUB芯片來實(shí)現(xiàn)USB串行口的擴(kuò)展。以太網(wǎng)控制器和配合擴(kuò)展的RJ 45接口主要用于與Internet網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。射頻收發(fā)模塊和GSM無線模塊擬采用標(biāo)準(zhǔn)的串口集成到網(wǎng)關(guān)上。人機(jī)接口打算使用LCD觸摸屏，可以方便地觀察節(jié)點(diǎn)的配置以及檢測環(huán)境的變化。JTAG接口將引導(dǎo)加載程序燒寫在網(wǎng)關(guān)中。具體的硬件架構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 網(wǎng)關(guān)硬件架構(gòu)圖
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　　4 家庭網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

4.1 構(gòu)建網(wǎng)關(guān)嵌入式Linux操作系統(tǒng)

網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)硬件平臺(tái)與功能應(yīng)用之間，需要專門的負(fù)責(zé)管理存儲(chǔ)器分配，中斷處理以及任務(wù)調(diào)度等功能的軟件模塊，這就是嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)是用來支持嵌入式應(yīng)用的系統(tǒng)的軟件，包括硬件相關(guān)的底層驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)內(nèi)核，通信協(xié)議，圖形用戶界面等。

本文的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)是面向WSN和Internet，GSM互聯(lián)的通信應(yīng)用，主要完成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的通信和控制，因此需要選擇實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)。在眾多的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，從開發(fā)成本，軟件支持和代碼開放的角度考慮，本文將采用Linux操作系統(tǒng)作為網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。

4.2 建立交叉編譯環(huán)境

交叉編譯就是在一個(gè)平臺(tái)上生成另一個(gè)平臺(tái)上可以執(zhí)行的代碼。這里的平臺(tái)包括體系結(jié)構(gòu)和操作系統(tǒng)。同一體系結(jié)構(gòu)上可以運(yùn)行不同操作系統(tǒng)。同樣，同一個(gè)操作系統(tǒng)也可以在不同的體系結(jié)構(gòu)上運(yùn)行。

本文是在裝有Ubuntu 9.10（基于X86架構(gòu)的Linux操作系統(tǒng)）的PC機(jī)上為網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)建立了基于ARM9的交叉編譯環(huán)境。建立之后，就可以在PC機(jī)上對(duì)將在網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)上運(yùn)行的應(yīng)用程序進(jìn)行編譯，從而生成可以在網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)上運(yùn)行的可執(zhí)行代碼，最后下到網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)上。這也就是目前嵌入式程序開發(fā)的宿主機(jī)／目標(biāo)機(jī)（HOST／TARGET）模式。

Linux交叉編譯環(huán)境的內(nèi)容，主要分為4個(gè)部分：GCC編譯器（C語言編譯器），二進(jìn)制工具包（Binutils），標(biāo)準(zhǔn)C庫（Glibc）和Linux內(nèi)核頭文件。Glibc和GCC都有很多版本，需要根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的版本。

?? ? ? 4.3 網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

本次網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的應(yīng)用軟件架構(gòu)圖4所示。其主要功能是依據(jù)傳感器配置文件，分類解析WSN中的數(shù)據(jù)，為用戶提供Socket數(shù)據(jù)服務(wù)和XML-RPC遠(yuǎn)程調(diào)用服務(wù)。其工作流程是：網(wǎng)關(guān)程序啟動(dòng)以后，從XML文件夾中解析所有的傳感器配置文件；*串口數(shù)據(jù)，利用傳感器配置文件解析數(shù)據(jù)生成XML數(shù)據(jù)流；創(chuàng)建Socket服務(wù)器，等待客戶端數(shù)據(jù)請(qǐng)求，提供XML格式的Socket服務(wù)；創(chuàng)建XML-Socket遠(yuǎn)程調(diào)用服務(wù)器，完成用戶的XML請(qǐng)求。

#p網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)#e#

圖4 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的軟件架構(gòu)

程序設(shè)計(jì)思路如圖5所示：網(wǎng)關(guān)程序啟動(dòng)，完成參數(shù)初始化，解析XML文件夾下的所有傳感器配置文件，創(chuàng)建3個(gè)類的實(shí)例。4個(gè)任務(wù)隊(duì)列。Serialcomm類創(chuàng)建兩條線程用讀串口和寫串口，這樣可以保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性?；谕瑯拥牡览?，XMLParser類和XMLComm類也是雙線程并行工作。這樣就組成了從WSN和Internet的上行通道（圖5中的虛線表示），以及Internet到WSN的下行通道（圖5中的粗線表示）。

圖5 網(wǎng)關(guān)應(yīng)用設(shè)計(jì)思路圖

4.4 人機(jī)接口模塊的設(shè)計(jì)

人機(jī)接口使用的是項(xiàng)目中使用的觸摸屏是240×320 TFT彩屏LCD。該模塊主要設(shè)計(jì)以下4個(gè)菜單供用戶操作：文件菜單，查詢菜單，報(bào)警菜單和管理菜單。這部分的設(shè)計(jì)使用Qt設(shè)計(jì)。Qt是一個(gè)跨平臺(tái)的C++圖形用戶界面庫，由挪威TrollTech公司開發(fā)，目前包括Qt／X11、基于Framebuffer的Qt／Embedded、快速開發(fā)工具Qt Designer以及國際化工具Qt Linguist等。Qt的良好封裝機(jī)制使其模塊化程度非常高，可重用性較好，對(duì)于用戶來說非常的方便。Qt API和開發(fā)工具對(duì)所有支持平臺(tái)都是一致的，從而可以進(jìn)行獨(dú)立于平臺(tái)的程序開發(fā)和配置。它使得跨平臺(tái)軟件編程直觀、簡易和方便。

本文所有的可視化界面都是通過Qt自帶的工具Qt designer設(shè)計(jì)，它是一個(gè)可視化的界面設(shè)計(jì)工具，對(duì)于其每個(gè)組件內(nèi)部的關(guān)系通過編寫代碼來實(shí)現(xiàn)。

?? ? ? 網(wǎng)關(guān)登陸界面主要用于用戶登陸信息的輸入，包括用戶名和密碼。用戶正確輸入用戶名和密碼之后，就可以進(jìn)入網(wǎng)關(guān)的主界面，如圖6所示，可以看到，這里有4個(gè)菜單，當(dāng)點(diǎn)擊每一個(gè)菜單分別進(jìn)入相應(yīng)的功能界面，例如點(diǎn)擊文件菜單，可進(jìn)入配置文件的編輯界面。在此界面上可以修改網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的配置文件。這個(gè)界面具有一般文件界面的所有功能。這幾個(gè)界面都比較簡單，比較容易實(shí)現(xiàn)。在此重點(diǎn)介紹監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)。

圖6 網(wǎng)關(guān)主界面

監(jiān)控界面是該系統(tǒng)用戶界面的主要部分。它主要是查看目前家里的環(huán)境信息。和這相關(guān)的文件有query.ui，ui_query.h，query.h，query.cpp等，其中query.ui是Qt Designer設(shè)計(jì)的主界面函數(shù)，如圖7所示。Ui_query.h是moc編譯器產(chǎn)生的函數(shù)。本文中需要的函數(shù)一般都在query.h，query.cpp中得到體現(xiàn)和實(shí)現(xiàn)，主要包括信息的查詢，這里既可以查看一段時(shí)間內(nèi)家庭內(nèi)的環(huán)境信息，也可以輸入查詢?nèi)掌?，查詢某天的?shù)據(jù)信息。根據(jù)需求，設(shè)計(jì)的主要實(shí)現(xiàn)函數(shù)為：

圖7 網(wǎng)關(guān)的查詢界面

這些槽函數(shù)是根據(jù)按鈕要實(shí)現(xiàn)的具體功能而設(shè)計(jì)的。具體實(shí)現(xiàn)在query.cpp中。

通過這部分的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)關(guān)的人機(jī)界面部分?？梢詫?duì)通過此網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)對(duì)家庭信息進(jìn)行查詢。

4.5 報(bào)警功能

該網(wǎng)關(guān)的報(bào)警功能主要是網(wǎng)關(guān)主控制器通過操作串口來操作GSM模塊，使用AT指令來完成。在該網(wǎng)關(guān)中，報(bào)警功能實(shí)現(xiàn)當(dāng)家庭網(wǎng)絡(luò)中的信息超過某一閾值時(shí)，發(fā)送報(bào)警信息。
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　　5 結(jié)語

本文立足于WSN和Internet，GSM異構(gòu)互聯(lián)研究，針對(duì)WSN與Internet，GSM互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)接入要求，完成了基于ARM9的家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)。從硬件平臺(tái)上來說，提供了豐富的接口以便不同網(wǎng)絡(luò)的接入，從軟件平臺(tái)來說，實(shí)現(xiàn)了用戶對(duì)家庭網(wǎng)關(guān)的訪問，通過用戶可操作的人機(jī)界面來對(duì)家庭內(nèi)的環(huán)境信息進(jìn)行查詢。當(dāng)家庭內(nèi)某一項(xiàng)環(huán)境信息超標(biāo)時(shí)，通過使用AT指令控制GSM模塊來向用戶發(fā)送報(bào)警短信。