基于IPv6的家庭網關的設計

蘇兵

(廣州白云工商高級技工學校計算機系，廣東廣州510450)

1.家庭網絡控制系統

本設計的家庭網關是整個家庭網絡的樞紐，所有家電設備都連接在上面，由它集中控制。主要實現以下四方面功能：

(1)Internet接入功能。所有家庭內部的信息家電通過這個網關接入Internet。

(2)語音網關功能。能打IP電話。

(3)管理信息家電。家庭網絡內家電的添加、刪除、配置都可以在這上面來完成。

(4)遠程監控功能。通過在網關上設置Web服務器，可以通過Internet遠程監控家庭內部的信息家電。

根據圖1將連接家庭內部網絡和Internet網絡的家庭網關抽象為站點，將家庭內部的被控對象(智能電冰箱、智能空調等)抽象為節點。

1.1 站點

站點是通過Internet訪問家庭內部網絡的驛站，它可以將來自互聯網絡的各種信息通過協議轉換的方法傳遞到家庭內部網絡，而具備此項功能的站點通常稱為家庭網關。

1.2 節點

節點負責對單個家用電器實施控制，使其按照人的要求正常運行，同時以特定的通訊協議將本地信息傳送到家庭網關，接受來自家庭網關的指令以改變現在的運行狀況。

1.3 遠端控制機

由于家庭網關可以將家庭內部的信息發布到Internet上，那么可以在網絡的另一端在一臺安裝了監控軟件的PC上對家庭網絡實施監視與控制。

2.家庭網關的硬件結構

2.1 嵌入式處理器MCF5272介紹

MCF5272微處理器是Motorola公司生產的高集成的ColdFire微處理器。在設計下一代互聯網設備、LAN電話系統、低端網絡控制、工業控制、圖像設備，摩托羅拉的MCF5272的高性能及通用性都能滿足嵌入式系統設計和應用要求。

2.2 家庭網關的硬件結構設計

Motorola嵌入式處理器MCF5272，具有較好的處理能力的同時也支持藍牙上層協議棧、終端的接入控制、話路交換等功能。圖2描述了家庭網關的硬件結構。

3.家庭網關的軟件結構設計

家庭網關的軟件體系可分為三個層次：

3.1 應用程序層

通過內核的系統調用實現用戶需要的應用服務。包括遠程監控系統、信息家電管理系統等。

3.2 嵌入式Linux內核

提供進程控制、文件系統管理、內存管理、中斷和中斷處理、網絡協議棧等。

3.3 硬件驅動層

包括通用的硬件驅動程序，如藍牙模塊、串口、USB設備、以太網、FOMFS文件和本系統的一些特殊的硬件驅動程序，如LCD、VoIP、DSL等[3]。

家庭網關軟件結構如圖3所示：

圖3 家庭網關軟件結構

4.家庭網絡無線通信的實現

將藍牙技術集成到各種數字設備中的方式有兩種：一種是單微控制器方式，即所有的藍牙低層傳輸協議(包括藍牙射頻、基帶與鏈路控制器、鏈路管理器)與高層傳輸協議包括邏輯鏈路控制與適配協議、串口仿真協議、服務發現協議、網絡協議等)以及用戶應用程序集成到一個模塊當中，整個處理過程由一個微處理器來完成；另一種是雙微控制器方式，即藍牙協議與用戶應用程序分別由主機控制器和主機來實現(低層傳輸協議一般通過藍牙硬件模塊實現，模塊內部嵌入式的微處理稱為主機控制器；高層傳輸協議和用戶應用程序在個人計算機或嵌入式的單片機、DSP等上運行，稱為主機)，主機和主機控制器之間通過標準的物理總線接口(如通用串行總線USB、串行端口RS232)來連接[1]。連接模型如圖4所示。

圖4 藍牙主機—主機控制器連接模型

在藍牙的主機—主機控制器連接模型中，HCI作為藍牙軟件協議堆棧中軟硬件之間的接口，提供了一個控制基帶與鏈路控制器、鏈路管理器、狀態寄存器等硬件的統一接口。當主機和主機控制器通信時，HCI層以上的協議在主機上運行，而HCI層以下的協議由藍牙主機控制器硬件來完成，它們通過HCI傳輸層進行通信。主機和主機控制器中都有HCI，它們具有相同的接口標準。主機控制器中的HCI解釋來自主機的信息并將信息發向相應的硬件模塊單元，同時還將模塊中的信息(包括數據和硬件/固件信息)根據需要向上轉發給主機。

主機—主機控制器模式的設計在很大程度上可以降低產品的成本同時設計難度也小很多，這種方式可以應用在家庭網關上。但是對于信息家電來說它的控制芯片往往是固化了產商的程序，用戶一般不能在上面添加自己的程序。所以這種模式不能用于信息家電上(將來藍牙通信協議可能會被固化到信息家電中作為一種標準通信接口，那樣家庭網絡內的通信就很容易實現了)，只能采用第一種模式，將所有的協議集成在一個模塊里，這個模塊提供標準的USB接口或RS232接口。將這個藍牙模塊插在家電的標準通信接口上即可構成藍牙家電。

5.家庭網絡通信協議方案設計

為了使嵌入式家庭網關能與家庭網絡內的各嵌入式終端進行通訊，在研究參考了國內外相關資料的基礎上，本文設計了家庭網絡通訊協議。

5.1 幀格式(鏈路層)

鏈路層的幀格式為：幀頭+命令包字節數+命令包+幀尾。具體說明如表1所示。

表1 數據幀格式

5.2 命令包(網絡層)

命令包的格式為：地址碼+命令屬性+命令串+校驗和，具體描述如表2所示。

表2 命令包格式

其中地址碼(即家電ID)由產品類別碼(1字節)+產品序列碼(l字節)共2個字節組成，產品類別碼代表家電的種類，產品序列碼表示同一個家庭中一個產品類別碼的不同家電的編碼，初始值為00H。ID=0000H為廣播地址，每臺家電或設備都必須執行其中的指令。產品序列碼為可變的，家居組網后可由網關重新分配[2]。產品類別的具體定義類似表3。

表3 設備類別碼定義參數

當發送大數據量時，大數據量包的格式為：地址碼+0EFH+總幀數+幀序號+數據+校驗和。格式具體描述如表4。

表4 大數據量包格式

5.3 傳輸層協議

5.3.1 發信方的處理

發信方在發出一個數據包后，2S內未收到目標收信方的任何應答，應重發，十次發送不成功，則放棄。

5.3.2 家居設備與嵌入式家庭網關之間的通訊

網關使用命令屬性42H讀工作狀態，每10S輪詢一遍設備的工作狀態，在每個循環中應加入查詢新家電信息編碼的命令包。

5.3.3 ID的處理

ID初始值設為XX00H，XXH為家電設備類別碼，固定不變，00H為家電序列碼，可動態分配，家電在每次登陸網關時，將重新分配家電ID，平時家電ID將保存在EEPROM中，只有在恢復初始設置時，重新變為XX00H。

5.4 通訊數據(應用層)

有關通訊的數據，應根據不同的型號，做出不同的定義。

5.5 家電自動注冊與發現過程

網關在輪詢過程的每個循環中加入查詢新家電信息編碼的命令包，命令屬性E1。家電在收到E1命令后，如果已注冊則不作處理，如果未注冊則發回產品信息編碼，命令屬性El，命令包為12字節產品編碼+4字節校驗。網關接收到家電的信息編碼后，發送分配家電ID命令，命令屬性E2。家電在接受到分配ID命令后，返回注冊成功，命令屬性為E3[3]。

5.6 設備編碼規則

網絡家電的MCU中應存放表示該類產品類型的信息編碼。每個具體的產品編碼由七段共24位10進制數組成(只取部分信息)，具體格式如下：

規則：2-3-3-2-1-8-5(24位，分七段表示具體的設備條形碼)

各段具體說明如表5所示：

表5 產品編碼

用設備類型的信息碼即可表示出該設備的型號，將這一編碼信息存放到網絡家電的EEPRO中。其中用一個字節的二進制碼代表兩位十進制數。網關將根據這一信息自動建立起該型號網絡家電的控制指令及ID。

6.遠程監控系統界面

在接入Internet上的任意一臺計算機上通過瀏覽器就可以訪問家庭網關，在瀏覽器中輸入家庭網關的IP地址首先進入一個登錄界面，進行用戶驗證，之后進入管理主界面，可以查詢家居系統的當前狀態、控制信息家電的運行等操作。圖5為遠程控制界面的截圖。

7.結束語

本文設計了家庭網絡控制系統模型，對家庭網關的硬件結構和軟件結構進行了分析和設計，通過對一個基于MCF5272微處理器的嵌入式Linux操作系統的構造方法，對家庭網絡通信協議，以及對家庭網絡內部的藍牙無線通信的實現方案進行了分析和設計，最終以B/S模式來完成遠程監控服務的設計。

[1]R.Shepherd.Bluetooth wireless technology in the home[J].Electronics and Communication Engineering Journal，2001.7：78-80.

[2]周明天，汪文勇.TCP/IP網絡原理與技術[M].北京：清華大學出版社，1993.

[3]Klaus Wehrle，Frank Pahlke，Hartmut Ritter.LINUX內核中網絡協議的設計與實現[M].北京：清華大學出版社，2006.