嵌入式的無線智能家居網(wǎng)關(guān)的設(shè)計原理

1、嵌入式的無線智能家居網(wǎng)關(guān)的設(shè)計原理信管理、動態(tài)組網(wǎng)與數(shù)據(jù)傳輸。Zigbee終端節(jié)點包括家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中的門磁開關(guān)、紅外對射探測器、 玻璃破碎探測器、火災(zāi)探測器以及煙感和燃氣泄露探測器等。Zigbee模塊采用JENNIC公司的JN5139,這是業(yè)界第一款與IEEE802. 15. 4兼容的低功耗、低 成本無線控制模塊。該模塊與S3C2440A中的UART1相連，S3C2440A中有三個通用異步串行接口，UART0是RS232接 口，用來連接PC機，UART1和UART2是TTL接口。這里使用UART0來連接，設(shè)置相應(yīng)波特率后實 現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。其通信接口電路如圖3所示，只需連接TXD0和RXD0兩根信

2、號線即可實現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù) 傳輸通信。VCCTXD。RXDOGNDVCCD106-TXDI07-RXGND圖3 JN5139的通信接口電路3 Wi-Fi通信模塊該模塊用來實現(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)與Internet連接。Wi-Fi模塊采用威盛的VT6656芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠 程傳輸，VT6656芯片內(nèi)嵌TCP / IP協(xié)議棧，降低了設(shè)計的難度，同時大大提高了主控制器處理其 他數(shù)據(jù)的能力。VT6656與S3C2440A的連接非常簡單，二者可以通過標準的USB接口直接相連。 VT6656芯片的主要特性：54 Mbps標準802. 11g無線Internet訪問，比基于802. 11b協(xié)議快5 倍；采用USB 2. 0

3、最高比USB 1. 1快40倍；新的天線技術(shù)支持更遠距離的無線訪問；支持所有 標準802. 11g和802. 11b無線路由器及接入點；支持64 /128 /152位WEP加密；支持WPA/WPA2、 WPA-PSK /WPA2-PSK等高級加密與安全機制。3軟件平臺設(shè)計軟件平臺采用一種開放源碼的Linux操作系統(tǒng)，便于在其基礎(chǔ)上完成各項相關(guān)應(yīng)用程序的開發(fā)。 軟件主要涉及到操作系統(tǒng)的裁剪與編譯、驅(qū)動程序編寫和系統(tǒng)主程序編寫。1家庭網(wǎng)關(guān)軟件體系結(jié)構(gòu)家庭網(wǎng)關(guān)采用模塊化設(shè)計方案，如圖4所示由硬件驅(qū)動層、操作系統(tǒng)層、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層和應(yīng)用程 序?qū)咏M成。硬件驅(qū)動層描述網(wǎng)關(guān)節(jié)點中Zigbee模塊和Wi-Fi模塊

4、的驅(qū)動；操作系統(tǒng)層移植了 ARMLinux實時操作系統(tǒng)內(nèi)核；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層移植了 Zigbee和Wi-Fi協(xié)議棧，實現(xiàn)Zigbee和Wi-Fi協(xié)議 雙向轉(zhuǎn)換;應(yīng)用程序?qū)釉贚inux內(nèi)核上移植嵌入式Web服務(wù)器軟件Boa.應(yīng)用程序?qū)忧度胧絎eb服務(wù)器日睥網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層| Zifibee協(xié)議棧|刷舊協(xié)議棧操作系統(tǒng)房AKM Linux硬件驅(qū)動層7迫昵己模塊Wi-Fi模塊圖4家庭網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)關(guān)中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層主要完成從Wi-Fi和Zigbee協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換工作。對于從Zigbee設(shè)備發(fā) 送到Wi-Fi的數(shù)據(jù)，在網(wǎng)關(guān)需要經(jīng)過以下處理步驟：Zigbee設(shè)備接收到數(shù)據(jù)一去掉物理層Zigbee 分組一去掉MAC層Zig

5、bee分組一添加MAC頭的Wi-Fi分組一添加物理層頭的Wi-Fi分組一Wi-Fi 處理或發(fā)送。Wi-Fi接收數(shù)據(jù)到發(fā)送給Zigbee設(shè)備的過程如下：Wi-Fi接收到數(shù)據(jù)一去掉物理層Wi-Fi分組一去掉MAC層Wi-Fi分組一添加MAC頭的Zigbee 分組一添加物理層頭的Zigbee分組一Zigbee處理或發(fā)送。Wi-Fi-Zigbee通信協(xié)議模型如圖5所 示。應(yīng)川層TCP/UDPIPWj-Fi LLCWi-Fi MACWi-Fi PHY網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層1PP-：AV-4數(shù)據(jù)鏈路層1.LCLLCLLCWi-Fi MACZigbee MACZigbee MACWi-Fi PHYZigbee PHYZ

6、igbee PHY圖5 Zigbee /Wi-Fi網(wǎng)關(guān)的通信協(xié)議模型。3. 2 Zigbee組網(wǎng)軟件設(shè)計家庭網(wǎng)關(guān)集成了 Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和嵌入式Web服務(wù)器，有兩個主要功能。1 ）實現(xiàn)無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)的建立，傳感器節(jié)點管理和數(shù)據(jù)傳輸。將收集到的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，使用戶可以隨時查詢 監(jiān)控Zigbee終端設(shè)備的狀態(tài)。2）用戶可以通過Web瀏覽器直接訪問網(wǎng)關(guān)，可以進行實時監(jiān)測和遠 程管理。為了實現(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)的功能，在硬件平臺上移植了 Linux2. 6實時操作系統(tǒng)、Zigbee協(xié)議棧和 VT6656的驅(qū)動程序，并使用基于HTTP協(xié)議的Boa服務(wù)器作為Web服務(wù)器，其中ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào) 器的

7、軟件實現(xiàn)包括ZigBee協(xié)議和監(jiān)控管理程序的移植。該軟件流程如圖6所示。圖6 Zigbee軟件流程。在智能家居內(nèi)部ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中，首先協(xié)調(diào)器進行初始化，然后協(xié)調(diào)器選擇一個稱為PAN ID 的標識號碼，接著啟動網(wǎng)絡(luò)，所有的設(shè)備接入CSMA-CA機制的協(xié)調(diào)器。當協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)時，首先 判斷是新節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的請求還是設(shè)備節(jié)點的控制請求：如果是新節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的請求則分配網(wǎng)絡(luò) 地址并綁定節(jié)點；如果是控制請求，則調(diào)用控制請求處理函數(shù)處理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理完畢，協(xié)調(diào)器返回 等待請求監(jiān)聽狀態(tài)。3. 3家庭網(wǎng)關(guān)主程序設(shè)計家庭網(wǎng)關(guān)是建立在傳輸層以上的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，通常它連接兩個或多個相互獨立的網(wǎng)絡(luò)，每接收一 種

8、協(xié)議的數(shù)據(jù)包后，在轉(zhuǎn)發(fā)之前將它轉(zhuǎn)換為另一種協(xié)議的格式，Zigbee協(xié)議棧由一系列分層結(jié)構(gòu)組 成，包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用支持層和應(yīng)用層，每一層為上一層提供服務(wù)。采集節(jié)點 將要傳輸?shù)墓?jié)點地址信息和監(jiān)測數(shù)據(jù)以Zigbee幀的形式打包發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點。傳送數(shù)據(jù)在通過物理 介質(zhì)進入網(wǎng)關(guān)后，先用Zigbee協(xié)議棧解封裝得到原始數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)可以用操作系統(tǒng)上的應(yīng)用軟件根據(jù) 需要對原始數(shù)據(jù)處理。然后再以TCP / IP協(xié)議打包后通過USB 口與Wi-Fi通信模塊VT6656相連， Wi-FiVT6656網(wǎng)卡通過AP路由器，將數(shù)據(jù)傳送到Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中，AP路由器接入Internet,從而實現(xiàn) 網(wǎng)關(guān)與I

9、nternet相連。為實現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)測和控制兩大功能，數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計由前導(dǎo)碼、數(shù)據(jù)模式、 目標地址、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)信息與校驗和等部分構(gòu)成3,其中數(shù)據(jù)信息字段又劃分為方向位、功能類 型和數(shù)據(jù)。家庭網(wǎng)關(guān)主程序處理流程如圖7所示。硬件上電系統(tǒng)啟動以后，應(yīng)用程序初始化，網(wǎng)關(guān)開始監(jiān) 聽網(wǎng)絡(luò)，有數(shù)據(jù)到來網(wǎng)關(guān)進入中斷狀態(tài)。首先判斷是否Zigbee數(shù)據(jù)，如果是Zigbee數(shù)據(jù)，按照WSN 協(xié)議處理數(shù)據(jù)然后打包轉(zhuǎn)發(fā)給Wi-Fi模塊，網(wǎng)關(guān)返回監(jiān)聽狀態(tài)；如果不是Zigbee數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)判斷是 否Wi-Fi數(shù)據(jù)，如果是則以Wi-Fi協(xié)議處理數(shù)據(jù)然后打包轉(zhuǎn)發(fā)給Zigbee模塊，并返回監(jiān)聽狀態(tài)；若 是未知數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)進行丟棄

10、處理直接返回監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。3軟件平臺設(shè)計軟件平臺采用一種開放源碼的Linux操作系統(tǒng)，便于在其基礎(chǔ)上完成各項相關(guān)應(yīng)用程序的開發(fā)。 軟件主要涉及到操作系統(tǒng)的裁剪與編譯、驅(qū)動程序編寫和系統(tǒng)主程序編寫。3. 1家庭網(wǎng)關(guān)軟件體系結(jié)構(gòu)家庭網(wǎng)關(guān)采用模塊化設(shè)計方案，如圖4所示由硬件驅(qū)動層、操作系統(tǒng)層、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層和應(yīng)用程 序?qū)咏M成。硬件驅(qū)動層描述網(wǎng)關(guān)節(jié)點中Zigbee模塊和Wi-Fi模塊的驅(qū)動；操作系統(tǒng)層移植了 ARM Linux實時操作系統(tǒng)內(nèi)核；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層移植了 Zigbee和Wi-Fi協(xié)議棧，實現(xiàn)Zigbee和Wi-Fi協(xié)議 雙向轉(zhuǎn)換;應(yīng)用程序?qū)釉贚inux內(nèi)核上移植嵌入式Web服務(wù)器軟件Boa.應(yīng)用程序

11、層嵌入式Wsb服務(wù)器日閔網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層Zigbee協(xié)議棧| Wi-Fi協(xié)議棧操作系統(tǒng)層ARM Linux硬件驅(qū)動層難心模塊Wi-Fi模職圖4家庭網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)關(guān)中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層主要完成從Wi-Fi和Zigbee協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換工作。對于從Zigbee設(shè)備發(fā) 送到Wi-Fi的數(shù)據(jù)，在網(wǎng)關(guān)需要經(jīng)過以下處理步驟：Zigbee設(shè)備接收到數(shù)據(jù)一去掉物理層Zigbee 分組一去掉MAC層Zigbee分組一添加MAC頭的Wi-Fi分組一添加物理層頭的Wi-Fi分組一Wi-Fi 處理或發(fā)送。Wi-Fi接收數(shù)據(jù)到發(fā)送給Zigbee設(shè)備的過程如下：Wi-Fi接收到數(shù)據(jù)一去掉物理層Wi-Fi分組一去掉MAC層Wi-Fi分組一

12、添加MAC頭的Zigbee 分組一添加物理層頭的Zigbee分組一Zigbee處理或發(fā)送。Wi-Fi-Zigbee通信協(xié)議模型如圖5所 示。應(yīng)用層TCP/UDP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層IPIPP二-4數(shù)據(jù)鏈路層Wi-Fi LLCLLCLLCLLCWi-Fi MACWi-R MACZigbee MACZigbee MACWi-Fi PHYWi-Fi PHVZigbee PHYZigbee PHY圖5 Zigbee /Wi-Fi網(wǎng)關(guān)的通信協(xié)議模型。3. 2 Zigbee組網(wǎng)軟件設(shè)計家庭網(wǎng)關(guān)集成了 Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和嵌入式Web服務(wù)器，有兩個主要功能。1 ）實現(xiàn)無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)的建立，傳感器節(jié)點管理和數(shù)據(jù)傳

13、輸。將收集到的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，使用戶可以隨時查詢 監(jiān)控Zigbee終端設(shè)備的狀態(tài)。2）用戶可以通過Web瀏覽器直接訪問網(wǎng)關(guān)，可以進行實時監(jiān)測和遠 程管理。為了實現(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)的功能，在硬件平臺上移植了 Linux2. 6實時操作系統(tǒng)、Zigbee協(xié)議棧和 VT6656的驅(qū)動程序，并使用基于HTTP協(xié)議的Boa服務(wù)器作為Web服務(wù)器，其中ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào) 器的軟件實現(xiàn)包括ZigBee協(xié)議和監(jiān)控管理程序的移植。該軟件流程如圖6所示。圖6 Zigbee軟件流程。在智能家居內(nèi)部ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中，首先協(xié)調(diào)器進行初始化，然后協(xié)調(diào)器選擇一個稱為PAN ID 的標識號碼，接著啟動網(wǎng)絡(luò)，所有的設(shè)備接入

14、CSMA-CA機制的協(xié)調(diào)器。當協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)時，首先 判斷是新節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的請求還是設(shè)備節(jié)點的控制請求：如果是新節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的請求則分配網(wǎng)絡(luò) 地址并綁定節(jié)點；如果是控制請求，則調(diào)用控制請求處理函數(shù)處理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理完畢，協(xié)調(diào)器返回 等待請求監(jiān)聽狀態(tài)。3. 3家庭網(wǎng)關(guān)主程序設(shè)計家庭網(wǎng)關(guān)是建立在傳輸層以上的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，通常它連接兩個或多個相互獨立的網(wǎng)絡(luò)，每接收一 種協(xié)議的數(shù)據(jù)包后，在轉(zhuǎn)發(fā)之前將它轉(zhuǎn)換為另一種協(xié)議的格式，Zigbee協(xié)議棧由一系列分層結(jié)構(gòu)組 成，包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用支持層和應(yīng)用層，每一層為上一層提供服務(wù)。采集節(jié)點 將要傳輸?shù)墓?jié)點地址信息和監(jiān)測數(shù)據(jù)以Zigbee幀的形式打包發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點。傳送數(shù)據(jù)在通過物理 介質(zhì)進入網(wǎng)關(guān)后，先用Zigbee協(xié)議棧解封裝得到原始數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)可以用操作系統(tǒng)上的應(yīng)用軟件根據(jù) 需要對原始數(shù)據(jù)處理。然后再以TCP / IP協(xié)議打包后通過USB 口與Wi-Fi通信模塊VT6656相連， Wi-FiVT6656網(wǎng)卡通過AP路由器，將數(shù)據(jù)傳送到Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中，AP路由器接入Internet,從而實現(xiàn) 網(wǎng)關(guān)與Internet相連。為實現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)測和控制兩大功能，數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計由前導(dǎo)碼、數(shù)據(jù)模式、 目標地址、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)信息與校驗和等部分構(gòu)成3,其中數(shù)據(jù)信息字段又劃分為方向位、功能類 型和數(shù)據(jù)。方向位分為上行和下行兩種：上行傳輸