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

鐘 科，陳向東

(西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)整合的趨勢(shì)越來(lái)越明顯，嵌入式服務(wù)網(wǎng)關(guān)既是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)，又是遠(yuǎn)程 WEB的服務(wù)器，它實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)之間的通信。同時(shí)也是將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入Internet，從而實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)概念的關(guān)鍵設(shè)備。

物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)網(wǎng)關(guān)在未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代將會(huì)扮演非常重要的角色，它將成為連接物聯(lián)網(wǎng)感知層網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的紐帶。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可實(shí)現(xiàn)感知網(wǎng)絡(luò)和基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)以及不同類型的感知網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，既可以實(shí)現(xiàn)廣域互聯(lián)，也可以實(shí)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(qiáng)大的系統(tǒng)管理等特點(diǎn)[1]。利用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的服務(wù)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(jì)

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。在遠(yuǎn)端的移動(dòng)智能終端或電腦通過(guò)Internet訪問(wèn)到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，而嵌入式 WEB服務(wù)器提供了交互式的頁(yè)面訪問(wèn)。如果訪問(wèn)數(shù)據(jù)量大或者需要對(duì)數(shù)據(jù)有統(tǒng)計(jì)、分析及處理，那么需要建立網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器[2]。

在物聯(lián)網(wǎng)框架下的智能家居是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，需要多人合作完成，如Internet數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的設(shè)計(jì)、建立感知層網(wǎng)絡(luò)。文中重點(diǎn)介紹服務(wù)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)，包括嵌入式WEB、近程終端、WSN協(xié)調(diào)器3個(gè)部分所組成的一體化終端。它是兩個(gè)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(jì)

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

（1）服務(wù)網(wǎng)關(guān)

服務(wù)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(wù)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(chǔ)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(wù)網(wǎng)關(guān)中它是 WSN的協(xié)調(diào)器，通過(guò)USART實(shí)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(guò)RMII與主控制器相連接，其50M時(shí)鐘由ARM的MCO提供。液晶觸摸屏通過(guò)I/O接口與ARM相連，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。

（2）終端節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)

傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)的硬件一樣，不同之處主要表現(xiàn)在軟件上。

終端節(jié)點(diǎn)硬件圖如圖3所示。根據(jù)CC2430的特點(diǎn)，它是一款集 Zigbee協(xié)議棧、RF射頻模塊以及增強(qiáng)型51核于一身的SOPC，可以滿足對(duì)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(wù)。

圖3 終端節(jié)點(diǎn)硬件框

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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

考慮到服務(wù)網(wǎng)關(guān)軟件的總體設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度以及層次性模塊化的設(shè)計(jì)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(duì)系統(tǒng)功能任務(wù)化。

服務(wù)網(wǎng)關(guān)軟件總體設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

圖4 服務(wù)網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計(jì)框

3.1 服務(wù)網(wǎng)關(guān)軟件層次結(jié)構(gòu)

服務(wù)網(wǎng)關(guān)軟件層次結(jié)構(gòu)分為：底層驅(qū)動(dòng)層，系統(tǒng)層，應(yīng)用層。

（1）底層驅(qū)動(dòng)層

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

（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(duì)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(guò)程中，主要任務(wù)是改寫針對(duì)處理器和編譯器相關(guān)的部分，向上為應(yīng)用任務(wù)提供支持，向下連接驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的操作[4]。LwIP是一個(gè)針對(duì)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(wù)間通信的機(jī)制：信號(hào)量、消息郵箱。

（3）應(yīng)用層

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

3.2 軟件設(shè)計(jì)流程

軟件設(shè)計(jì)流程分為服務(wù)網(wǎng)關(guān)根任務(wù)軟件設(shè)計(jì)流程和WSN網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)流程。

（1）服務(wù)網(wǎng)關(guān)根任務(wù)軟件設(shè)計(jì)流程

操作系統(tǒng)環(huán)境中，每個(gè)任務(wù)都是無(wú)限循環(huán)的相對(duì)獨(dú)立的功能模塊，通常都會(huì)有一個(gè)根任務(wù)，它應(yīng)該被設(shè)定該系統(tǒng)的核心功能業(yè)務(wù)。

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

圖5 根任務(wù)流程

（2）WSN網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)流程

WSN網(wǎng)關(guān)也叫WSN協(xié)調(diào)器，它是整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的總控制中心和數(shù)據(jù)采集的匯聚點(diǎn)，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)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(luò)，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有其他節(jié)點(diǎn)。然后進(jìn)入無(wú)線監(jiān)控程序，查找是否有請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)產(chǎn)生，若有新節(jié)點(diǎn)信號(hào)申請(qǐng)則根據(jù)信號(hào)類型添加入網(wǎng)并分配網(wǎng)絡(luò)號(hào)，若不是新節(jié)點(diǎn)，則判定節(jié)點(diǎn)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(yǔ)

文中系統(tǒng)地討論了物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)網(wǎng)關(guān)這一項(xiàng)基于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵性技術(shù)[6-7]，結(jié)合家庭自動(dòng)化進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)。在硬件方面，按照嵌入式板級(jí)硬件設(shè)計(jì)流程，設(shè)計(jì)并實(shí)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(jì)上采用自頂向下和分層的設(shè)計(jì)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(gè)應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)，為應(yīng)用軟件的開發(fā)提供了良好的軟件環(huán)境。

[1] 羅俊海,周應(yīng)賓,鄧霄博.物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電信科學(xué)，2011(02):105-106.

[2] 鄭娟毅. 基于 ZigBee 技術(shù)的家庭 WSN 及遠(yuǎn)程控制研究.電視技術(shù)[J].2010(04):67-69.

[3] 劉勝,陳向東,穆虹,等.結(jié)合 Zigbee和紅外技術(shù)的病房監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù),2011,43(06):107-109.

[4] LABROSSE J J. 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uCOS-II[M]. 邵貝貝譯.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003:283-289.

[5] 茍爭(zhēng)旭,周淵平.基于 GSM 和 ZigBee 的遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].通信技術(shù),2011,43(08):71-73.

[6] 馮彩紅.一種物聯(lián)網(wǎng)的安全應(yīng)用——信息裝備智慧倉(cāng)庫(kù)設(shè)計(jì)[J]. 信息安全與通信保密，2011(07):92-94.

[7] 郭莉,嚴(yán)波,沈延.物聯(lián)網(wǎng)安全系統(tǒng)架構(gòu)研究[J].信息安全與通信保密，2010(12):73-75.