基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居服務網(wǎng)關(guān)的設(shè)計

鐘 科，陳向東

(西南交通大學 信息科學與技術(shù)學院，四川 成都 610031)

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，將傳統(tǒng)的Internet與新型的無線傳感器網(wǎng)絡整合的趨勢越來越明顯，嵌入式服務網(wǎng)關(guān)既是無線傳感器網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)，又是遠程 WEB的服務器，它實現(xiàn)兩個不同協(xié)議的網(wǎng)絡之間的通信。同時也是將無線傳感器網(wǎng)絡接入Internet，從而實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)概念的關(guān)鍵設(shè)備。

物聯(lián)網(wǎng)服務網(wǎng)關(guān)在未來的物聯(lián)網(wǎng)時代將會扮演非常重要的角色，它將成為連接物聯(lián)網(wǎng)感知層網(wǎng)絡與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡的紐帶。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可實現(xiàn)感知網(wǎng)絡和基礎(chǔ)網(wǎng)絡以及不同類型的感知網(wǎng)絡之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，既可以實現(xiàn)廣域互聯(lián)，也可以實現(xiàn)局域互聯(lián)。并且具有廣泛的感知網(wǎng)接入、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換和強大的系統(tǒng)管理等特點[1]。利用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的服務網(wǎng)關(guān)可以有效降低成本，利用家庭智能化的普及。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。在遠端的移動智能終端或電腦通過Internet訪問到無線傳感器網(wǎng)絡，而嵌入式 WEB服務器提供了交互式的頁面訪問。如果訪問數(shù)據(jù)量大或者需要對數(shù)據(jù)有統(tǒng)計、分析及處理，那么需要建立網(wǎng)頁服務器和數(shù)據(jù)庫服務器[2]。

在物聯(lián)網(wǎng)框架下的智能家居是一個復雜的系統(tǒng)，需要多人合作完成，如Internet數(shù)據(jù)庫服務器的設(shè)計、建立感知層網(wǎng)絡。文中重點介紹服務網(wǎng)關(guān)的設(shè)計，包括嵌入式WEB、近程終端、WSN協(xié)調(diào)器3個部分所組成的一體化終端。它是兩個異構(gòu)網(wǎng)之間的橋梁，起著重要的銜接作用[3]。

圖1 系統(tǒng)總體框

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本設(shè)計中智能家居系統(tǒng)的硬件由3部分組成：服務網(wǎng)關(guān)、終端節(jié)點和路由節(jié)點。

（1）服務網(wǎng)關(guān)

服務網(wǎng)關(guān)硬件框圖如圖2所示。由ARM主控制器、Zigbee模塊、以太網(wǎng)PHY、TFT-LCD液晶觸摸屏、及最小系統(tǒng)模塊5部分組成。

圖2 服務網(wǎng)關(guān)硬件框

主控制器采用基于 ARM(Cotex-M3)核的STM32F107互聯(lián)型微控制器。它擁有64K SRAM、256K FLASH、以太網(wǎng)MAC等豐富的存儲器及外設(shè)資源。Zigbee模塊是由TI公司的CC2430作為主控芯片，在服務網(wǎng)關(guān)中它是 WSN的協(xié)調(diào)器，通過USART實現(xiàn)與主控制器之間的數(shù)據(jù)通信。以太網(wǎng)模塊采用以太網(wǎng)的物理層芯片DM9161A，通過RMII與主控制器相連接，其50M時鐘由ARM的MCO提供。液晶觸摸屏通過I/O接口與ARM相連，實現(xiàn)人機對話。

（2）終端節(jié)點與路由節(jié)點

傳感器節(jié)點是組成傳感網(wǎng)的最基本單元，主要有射頻通信模塊和傳感器數(shù)據(jù)采集模塊組成。終端節(jié)點與路由節(jié)點的硬件一樣，不同之處主要表現(xiàn)在軟件上。

終端節(jié)點硬件圖如圖3所示。根據(jù)CC2430的特點，它是一款集 Zigbee協(xié)議棧、RF射頻模塊以及增強型51核于一身的SOPC，可以滿足對數(shù)字或模擬傳感器模塊收集的數(shù)據(jù)處理及在 WSN中的通信傳輸任務。

圖3 終端節(jié)點硬件框

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件分為運行于 ARM 上的服務網(wǎng)關(guān)軟件和運行于CC2430模塊上的WSN網(wǎng)關(guān)軟件。

考慮到服務網(wǎng)關(guān)軟件的總體設(shè)計的復雜程度以及層次性模塊化的設(shè)計理念，系統(tǒng)采用嵌入式操作系統(tǒng)uCOS-II作為系統(tǒng)資源的管理，對系統(tǒng)功能任務化。

服務網(wǎng)關(guān)軟件總體設(shè)計框圖如圖4所示。

圖4 服務網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計框

3.1 服務網(wǎng)關(guān)軟件層次結(jié)構(gòu)

服務網(wǎng)關(guān)軟件層次結(jié)構(gòu)分為：底層驅(qū)動層，系統(tǒng)層，應用層。

（1）底層驅(qū)動層

底層驅(qū)動層包括FWLib和BSP。FWLib是ST公司為了對其ARM的支持而推出的驅(qū)動支持軟件，提供系統(tǒng)初始化函數(shù)，對中斷和操作系統(tǒng)的支持，存儲器分配以及所有片內(nèi)外設(shè)的驅(qū)動，從而方便軟件的開發(fā)。此外，用戶還應開發(fā)針對應用的板級支持包(BSP)，在本系統(tǒng)中 BSP的內(nèi)容主要是應用開發(fā)板相關(guān)的硬件驅(qū)動。

（2）系統(tǒng)層

系統(tǒng)層包括了操作系統(tǒng)和中間件軟件LwIP，操作系統(tǒng)是對軟硬件資源的管理，其他各部分軟件都要以操作系統(tǒng)為中心。操作系統(tǒng)移植的過程中，主要任務是改寫針對處理器和編譯器相關(guān)的部分，向上為應用任務提供支持，向下連接驅(qū)動程序來實現(xiàn)對硬件的操作[4]。LwIP是一個針對嵌入式系統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧，本程序包含其基本功能：TCP、IP、UDP、ICMP。LwIP的操作系統(tǒng)模擬層提供了向操作系統(tǒng)移植的方便，因其包括了任務間通信的機制：信號量、消息郵箱。

（3）應用層

本設(shè)計根據(jù)模塊化和功能獨立性原則，將所有的應用程序分成7個應用任務，分別是引領(lǐng)全局的根任務，與輸入輸出有關(guān)的按鍵任務和LCD顯示任務，與嵌入式WEB相關(guān)的TCP發(fā)送任務和TCP超時重傳任務，與 WSN協(xié)調(diào)器相關(guān)的串口數(shù)據(jù)發(fā)送任務和Zigbee控制命令任務。

3.2 軟件設(shè)計流程

軟件設(shè)計流程分為服務網(wǎng)關(guān)根任務軟件設(shè)計流程和WSN網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計流程。

（1）服務網(wǎng)關(guān)根任務軟件設(shè)計流程

操作系統(tǒng)環(huán)境中，每個任務都是無限循環(huán)的相對獨立的功能模塊，通常都會有一個根任務，它應該被設(shè)定該系統(tǒng)的核心功能業(yè)務。

如圖5為根任務程序流圖，首先板級初始化是對硬件的抽象和封裝，為應用程序提供更友好的接口。然后創(chuàng)建其余6個應用任務，創(chuàng)建格式與創(chuàng)建開始任務類似。最后程序進入 WEB服務主循環(huán)程序，為了讓別的優(yōu)先級低的任務能夠執(zhí)行，必須調(diào)用任務掛起函數(shù)。

圖5 根任務流程

（2）WSN網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計流程

WSN網(wǎng)關(guān)也叫WSN協(xié)調(diào)器，它是整個傳感器網(wǎng)絡的總控制中心和數(shù)據(jù)采集的匯聚點，無線傳感器節(jié)點分布在其覆蓋范圍內(nèi)[5]。

傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的軟件流圖如圖6所示。程序開始建立Zigbee網(wǎng)絡，此時網(wǎng)絡中沒有其他節(jié)點。然后進入無線監(jiān)控程序，查找是否有請求加入網(wǎng)絡的信號產(chǎn)生，若有新節(jié)點信號申請則根據(jù)信號類型添加入網(wǎng)并分配網(wǎng)絡號，若不是新節(jié)點，則判定節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有效性，有效則接收并發(fā)送到ARM網(wǎng)關(guān)，否則丟棄。

圖6 WSN網(wǎng)關(guān)軟件流程

4 結(jié)語

文中系統(tǒng)地討論了物聯(lián)網(wǎng)服務網(wǎng)關(guān)這一項基于物聯(lián)網(wǎng)應用的關(guān)鍵性技術(shù)[6-7]，結(jié)合家庭自動化進行應用設(shè)計。在硬件方面，按照嵌入式板級硬件設(shè)計流程，設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于 ARM 處理器的低成本網(wǎng)關(guān)硬件。軟件設(shè)計上采用自頂向下和分層的設(shè)計方法，結(jié)合網(wǎng)關(guān)硬件，利用嵌入式操作系統(tǒng)uCOS-II和協(xié)議棧LwIP，搭建了一個應用開發(fā)平臺，為應用軟件的開發(fā)提供了良好的軟件環(huán)境。

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