基于藍牙的智能家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)計與實現(xiàn)

（1.泰州市科技信息中心；

2.泰州市高新技術(shù)創(chuàng)業(yè)服務(wù)中心，江蘇泰州225300）

智能家庭網(wǎng)絡(luò)是信息時代帶給人們的又一個高科技產(chǎn)物，它利用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將家庭內(nèi)各種智能設(shè)備連網(wǎng)，通過家庭網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)家庭內(nèi)部信息與家庭外部信息的交換[1-2]。因此家庭網(wǎng)關(guān)是整個智能家庭網(wǎng)路的核心，通過家庭網(wǎng)關(guān)才能實現(xiàn)家庭內(nèi)部多種智能設(shè)備之間的聯(lián)網(wǎng)，以及從家庭內(nèi)部到外部網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，因此設(shè)計性價比高的家庭網(wǎng)關(guān)是實現(xiàn)智能家庭網(wǎng)路的關(guān)鍵。本文以ARM內(nèi)核的處理器AT91RM9200為核心，結(jié)合藍牙技術(shù)實現(xiàn)硬件平臺，以具有強大網(wǎng)絡(luò)功能的嵌入式操作系統(tǒng)μClinux為基礎(chǔ)，構(gòu)建家庭網(wǎng)關(guān)的軟件平臺，設(shè)計出一種實用的家庭網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)對家電電器的集中管理和遠程控制。

1 家庭網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)家庭網(wǎng)關(guān)的功能要求，本系統(tǒng)的硬件平臺總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由以下五個模塊組成：ARM920T內(nèi)核的微處理器為核心的主控模塊、針對Internet接入的以太網(wǎng)模塊、存儲模塊、基于串口的藍牙模塊、公共電話網(wǎng)接口模塊。

微控制器選用 atmel的 AT91RM9200，AT91RM9200是基于ARM920T核的高性能、低功耗32位處理器，時鐘頻率最高可達180MHz，片內(nèi)集成了非常豐富的外圍功能模塊，非常適用于對功耗和成本有嚴(yán)格要求的嵌入式控制等方面的應(yīng)用。考慮到設(shè)計周期和開發(fā)成本，系統(tǒng)直接選用恒頤公司的開發(fā)板H9200C-II。H9200C-II是基于AT91RM9200的最小系統(tǒng)板，超微型緊湊結(jié)構(gòu)設(shè)計(70mm×45mm)；板載 8M NOR FLASH、64M NAND FLASH、32M SDRAM；電路板間聯(lián)結(jié)器采用100針*2的雙排插針，連接可靠，抗震性強；多層板的布線工藝，穩(wěn)定可靠。

AT91RM9200內(nèi)部集成一個10M/100M的以太網(wǎng)控制器(MAC)，具有MII和RMII兩種網(wǎng)絡(luò)接口，可以工作在半雙工或全雙工模式，控制器支持IEEE802.3 CSMA/CD協(xié)議，在主機與物理層(PHY)間以IEEE802.3u數(shù)據(jù)幀格式進行數(shù)據(jù)交換。雖然AT91RM9200內(nèi)部沒有提供物理層(PHY)，但可以通過具有相同接口的以太網(wǎng)PHY芯片接入以太網(wǎng)，在本設(shè)計中使用具有MII接口的DM9161實現(xiàn)AT91RM9200和物理層的連接[3]。DM9161是一款10/100M自適應(yīng)的以太網(wǎng)收發(fā)器，支持雙絞線自適應(yīng)，功耗低，集成度高，只要少量的外圍元件芯片就可以工作。AT91RM9200與DM916l接口連接如圖2所示。

藍牙模塊選用BT100-2型藍牙模塊，BT100-2采用BlueCore4 External藍牙芯片，完全遵循藍牙系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和音頻連接。采用USB或UART主設(shè)備接口，最高支持3Mbps的數(shù)據(jù)速率。音頻接口支持PCM協(xié)議，模塊和設(shè)備固件完全兼容藍牙規(guī)范V2.0。BT100-2模塊由于具有標(biāo)準(zhǔn)的串行口接口，因此和AT91RM9200可以直接通過串行口進行通信。當(dāng)微控制器AT91RM9200需要和其它家電設(shè)備通信時，只需按照規(guī)定數(shù)據(jù)幀格式將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給BT100-2藍牙模塊，然后由BT100-2模塊中根據(jù)數(shù)據(jù)幀中的目的藍牙地址，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥康乃{牙模塊。

為實現(xiàn)遠程電話控制，本設(shè)計提供了公共電話網(wǎng)接口模塊。模塊由專用電話集成電路TEA1062和MT8880組成，TEA1062用來為TTS語音和撥號音的輸出提供單獨的輸出口，MT8880用來完成DTMF信號、撥號音、忙音等信號的檢測。語音操作提示采用單芯片TTS處理器SD178A，采用真人發(fā)音為樣本，輸出的語音真實、自然、可將漢字及ASCⅡ碼轉(zhuǎn)換為語音輸出。SD178A可直接與AT91RM9200相連，如圖3所示，圖中RYD、SCLK和SDI用于與主控制器進行串行通信。

2 家庭網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計

智能家庭網(wǎng)關(guān)是一個典型的嵌入式設(shè)備，因此選用開源的μClinux作為操作系統(tǒng)。μClinux是一種高度優(yōu)化的、代碼緊湊的嵌入式Linux版本，一款模塊化的、可移植性強、易于配置的嵌入式操作系統(tǒng)，同時又具有Linux系統(tǒng)的高可靠性、網(wǎng)絡(luò)功能強大、源碼開放等特點[4-5]。μClinux通過裁剪和定制，編譯后的目標(biāo)文件只有在幾百KB，因此完全可以移植到AT91RM9200中。

家庭網(wǎng)關(guān)的軟件框架結(jié)構(gòu)由三層組成，最底層由各類接口模塊的驅(qū)動程序，由μClinux操作系統(tǒng)進行管理。中間層由web服務(wù)器以及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議構(gòu)成，最頂層是整個家庭網(wǎng)關(guān)的控制系統(tǒng)軟件，由各個模塊的應(yīng)用程序組成，各個模塊的應(yīng)用程序?qū)τ布目刂剖峭ㄟ^驅(qū)動程序來實現(xiàn)的。

2.1 驅(qū)動程序的設(shè)計

家庭網(wǎng)關(guān)主要包含有藍牙模塊，PSTN模塊、以太網(wǎng)物理層芯片三個接口電路，針對這三個接口電路分別編寫了以太網(wǎng)驅(qū)動、電話網(wǎng)接口驅(qū)動、藍牙模塊驅(qū)動等驅(qū)動程序，分別提供對其相應(yīng)硬件的操作。

對于μClinux操作系統(tǒng)來說，所有的設(shè)備都以文件的形式管理，所以對設(shè)備的操作和對μClinux系統(tǒng)中的文件操作是一樣的。只需為相應(yīng)的設(shè)備編寫幾個基本函數(shù)并向VFS注冊即可，一般都是在現(xiàn)成的驅(qū)動程序基礎(chǔ)上針對特殊的硬件設(shè)備作相應(yīng)的改動。

藍牙模塊、TTS語音芯片和AT91RM9200采用串口連接，直接修改嵌入式Linux內(nèi)核的串口驅(qū)動程序。AT91RM9200共有5個串口。在μClinux內(nèi)核源代碼文件at91rm9200kd.h中，有個宏定義，表明了AT91RM9200的串口與內(nèi)核中的串口驅(qū)動的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)家庭網(wǎng)關(guān)的使用需要以及硬件的連接關(guān)系，對宏定義進行修改，就可以對實際硬件的串口進行操作。

以太網(wǎng)接口模塊中使用DM9161和AT91RM9200連接，因此驅(qū)動程序設(shè)計就是針對DM9161的驅(qū)動。DM9161具有MII接口，在μClinux內(nèi)核編譯時選擇μClinux下對于DM9161的驅(qū)動代碼，編譯生成的目標(biāo)文件中就包含了以太網(wǎng)接口的驅(qū)動程序，使用時只需在上層應(yīng)用程序調(diào)用Socket等μClinux的系統(tǒng)調(diào)用即可。

μClinux沒有專門的電話網(wǎng)接口驅(qū)動，因此本設(shè)計為電話網(wǎng)專門編寫了相關(guān)的驅(qū)動程序。考慮到是為上層電話控制應(yīng)用程序提供硬件操作的，驅(qū)動程序采用字符設(shè)備驅(qū)動。根據(jù)電話網(wǎng)控制模塊需要完成功能的分析，驅(qū)動模塊包括振鈴中斷檢測引腳、自動摘掛機引腳、電話音檢測引腳、寄存器讀寫引腳、發(fā)音串口引腳、發(fā)音完成引腳等6個字符設(shè)備，如圖4所示。這樣在上層應(yīng)用程序中需要使用這些設(shè)備之前，只要使用open函數(shù)打開相關(guān)的字符設(shè)備即可。

AT91RM9200通過MT8880與電話網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通信，因此電話網(wǎng)控制模塊的驅(qū)動程序需要包含有對MT8880內(nèi)部寄存器進行讀寫的操作程序，MT8880內(nèi)部有數(shù)據(jù)和狀態(tài)寄存器，對這2個寄存器的判斷在驅(qū)動函數(shù)通過變量count來區(qū)分是控制操作還是數(shù)據(jù)操作。具體的讀寫函數(shù)流程圖見圖5、6。

2.2 應(yīng)用程序的設(shè)計

家庭網(wǎng)關(guān)的控制系統(tǒng)軟件程序按照接口模塊的不同進行劃分，由三個模塊化的程序?qū)崿F(xiàn)對應(yīng)三個接口模塊的功能，三個模塊的應(yīng)用程序由主控模塊進行控制。Internet控制模塊通過驅(qū)動實現(xiàn)基于Web的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能。PSTN控制模塊通過驅(qū)動實現(xiàn)電話的遠程控制服務(wù)功能，并對家庭內(nèi)的報警信息自動進行電話報警。而Bluetooth控制模塊通過驅(qū)動負責(zé)在家庭網(wǎng)關(guān)和家庭內(nèi)具有藍牙接口的電器之間進行數(shù)據(jù)傳遞，發(fā)送和接收來自Internet控制模塊和PSTN控制模塊的藍牙數(shù)據(jù)。考慮到實時性，為防止三個控制模塊在運行時發(fā)生沖突，設(shè)計了主控模塊用來對三個接口模塊的應(yīng)用程序進行調(diào)度管理，以及應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)傳遞。主控模塊的流程圖如圖7所示。

3 結(jié)語

本文提出了一種基于藍牙技術(shù)的無線智能家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)計和實現(xiàn)方案，實現(xiàn)了通過外部電話網(wǎng)絡(luò)(PSTN網(wǎng))對家用電器的遠程控制，整個系統(tǒng)采用藍牙無線通信，很好地克服了有線方式連線繁瑣、安裝復(fù)雜和維護困難等缺點，具有很好的通用性，滿足了人們對家庭自動化和智能化的需求。

[1]施榮,徐平平.藍牙技術(shù)在電力抄表中的應(yīng)用[J].移動通信.2004,28(1):1-6.

[2]ChristosDouligeris.IntelligentHomeSystems[J].IEEECommu nieationsMagazine.1993,31(10):52-61.

[3]李永祥,周書民,王卡風(fēng),王子新,楊志剛.基于 LPC2366與DM9161嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)計[J].微計算機信息,2010,(29):86-88.

[4]董國.uClinux的分析與移植[D].上海:華東師范大學(xué),2004.

[5]馬啟杰.基于AT91RM9200的ARM-Linux移植[D].成都:電子科技大學(xué),2007.