基于RT5350的家庭網關的設計與實現

王慶波，葉錫恩，王賢禮

（寧波大學 信息科技與工程學院，浙江 寧波 315211）

基于RT5350的家庭網關的設計與實現

王慶波，葉錫恩，王賢禮

（寧波大學 信息科技與工程學院，浙江 寧波 315211）

將Zigbee無線傳感網絡與嵌入式處理器、嵌入式操作系統相結合，構建一個家庭網關。以RT5350為主控芯片，使用多塊CC2530開發板組建一個Zigbee網絡，實現一個完整的家庭網關。在RT5350處理器中植入嵌入式Linux操作系統，移植Web服務器Boa和嵌入式數據庫SQLite。Zigbee終端節點獲取到傳感器數據，通過Zigbee無線網絡傳輸給Zigbee協調器，Zigbee協調器通過串口發送給處理器，采集的數據保存在SQLite嵌入式數據庫中。局域網客戶端可以通過連接WIFI監控實時數據，遠程用戶可以通過連接Internet查看實時數據，實現了Zigbee、以太網和WIFI的互通互聯。

Zigbee；RT5350；CGI；網關；遠程監控

0 引言

隨著物聯網技術的快速發展，智能家居的概念也開始深入人心，人們對智能化的家居環境充滿了向往。智能家居使得現代生活變得更為便利，例如，下班之前用戶可以查看家里的溫度，判斷是否需要提前打開空調，通過終端設備（PC機或智能手機等）可以對空調、電熱水器等設備進行控制。家庭網關作為智能家居的重要部分。針對性能、價格和硬件接口等多方面考慮，給出了一種基于RT5350、Zigbee技術的家庭網關系統方案，實現Internet、 WIFI和Zigbee多種網絡互聯互通。

1 硬件設備簡介

1.1 Zigbee模塊

Zigbee無線網絡是由IEEE802.15.4工作組和Zigbee聯盟共同定制的無線通信協議，Zigbee是一種新型的無線通信技術，特點是低功耗、短距離、低速度、低延時、保密性好等，使得Zigbee技術在物聯網智能家居行業獲得廣泛的使用［1］。Zigbee模塊按照節點的類型進行分類，可以分為3類，即協調器（Coordinator）、終端（end-device）和路由器（router），每個Zigbee網絡只允許有一個Zigbee的協調器，主要負責組建、維護Zigbee網絡和控制節點等用途，終端節點主要負責數據的采集，路由器負責數據包的路由選擇［2］。

系統硬件采用的是TI公司的完全支持Zigbee2007協議的單片機CC2530。CC2530是用于2.4 GHz或IEEE 802.15.4、Zigbee和RF4CE應用的一個SoC解決方案，該產品可以用很低的材料成本建立強大的網絡節點。

1.2 RT5350模塊

系統主控制器結構體如圖1所示，主控制器使用的是Ralink（雷凌）公司的RT5350，其特點是低價位、低功耗、集成度高和多接口等。RT5350采用雷凌公司第二代802.11n技術，最大傳輸率150 Mbps。將RF模塊和CPU集成在一塊芯片上。CPU是一顆高性能的MIPS 24Kc處理器，主頻最高可達360 MHz，兼容IEEE802.11n協議，支持嵌入式Linux系統。采用Ralink SDK 3.6作為RT5350開發平臺的kernel、根文件系統的軟件開發源，燒寫到開發板，搭建好嵌入式Linux開發環境。

圖1 RT5350開發板結構框圖

2 系統整體結構設計

設計的整體系統框架圖如圖2所示。

圖2 系統結構框架圖

主要硬件設備主要包括了RT5350和Zigbee模塊，通過家庭網關實現數據的上傳和下發功能。通過一連串的數據傳輸，終端節點上的傳感器數據最終到達客戶端瀏覽器，實現了數據的上傳，同時通過客戶端瀏覽器的命令可以控制終端節點，從而實現數據的下發［3］。

2.1 傳感器介紹

通過3種傳感器采集室內環境相關數據，即通過溫濕度傳感器DTH11得到室內的溫濕度信息，MQ2煙霧探測傳感器采集室內煙霧濃度，HC-SR501人體紅外傳感器探測室內是否有人。分別編寫傳感器數據采集程序，將這些傳感器與CC2530終端節點相連接，從而采集到家庭環境的相關參數［4］。

2.2 Zigbee終端節點與協調器通信

Zigbee協調器通過Zigbee網絡協議與Zigbee路由器和Zigbee終端節點進行通信，這樣就使傳感器采集的數據上傳到了協調器，協調器、終端、路由器是同樣的CC2530開發板，通過編程確定其屬性，Zigbee模塊的軟件開發平臺是IAR，使用Zigbee 2007協議棧ZStack-CC2530為基礎進行軟件開發。通過Tools工程下的3個文件f8WCord.cfg、f8WEndev.cfg和f8Wrouter.cfg文件來確定CC2530設備具有的是路由器、終端還是協調器的功能［5］。分別編寫協調器、路由器和終端的程序，然后分別下載到不同的開發板中，從而組建了一個小規模的Zigbee無線傳感網絡。

2.3 數據處理程序和SQLite數據庫

Zigbee協調器通過串口與RT5350開發板連接。系統使用了USB轉串口，對RT5350開發板內核進行配置，移植Boa服務器和SQLite數據庫，同時在RT5350開發板中加入串口驅動，在開發板中運行數據處理程序。對協調器發送的數據進行處理，將處理后的數據存儲在SQLite數據庫中。

在數據處理程序中，初始化串口設備文件，填充termios結構體，設置波特率為115 200，數據格式為8位，無校驗位，1位停止位［6］。

在數據處理程序中調用函數pthread_mutex_init（＆mutex，NULL）初始化互斥量；然后調用pthread_ create創建兩個線程，一個線程對串口文件進行寫，另一個線程對串口文件進行讀，在各自的線程中調用pthread_mutex_trylock（＆mutex）對線程進行加鎖。在讀取串口文件線程中，將讀取的數據存入SQLite數據庫中。在寫串口文件的線程中先從消息隊列中獲取數據，再寫入串口設備文件中。

在PC機中的Linux系統使用mipsel-linux-gcc對數據處理程序進行編譯鏈接，得到可執行文件之后，通過tftp傳輸到RT5350開發板，并在開發板中運行數據處理程序。最終傳感器采集的數據保存在SQLite數據庫中。

2.4 Boa服務器和CGI程序

一般而言嵌入式設備的資源相對有限，因此不會使用Linux下最常用的如Apache等服務器，一般使用一些專門為嵌入式設備設計的Web服務器，這些服務器占用較少的資源，對硬件要求較低。常見典型的嵌入式Web服務器有Boa和thttpd等，它們和Apache等高性能的Web服務器最大的區別就是它們是單進程服務器，只有在完成一個用戶請求后才能響應另一個用戶的請求，而無法并發響應，但這在嵌入式設備的應用場合里已經足夠了［7］。

Boa服務器是一個小巧而高效的運行在Linux或Unix下的服務器，支持CGI（通用網關接口）［8］。在開發板中移植Boa服務器，結合CGI技術，編寫HTML靜態網頁和CGI程序，通過CGI程序調用數據庫中最新的數據［9］，瀏覽器訪問Web服務器，從而得到傳感器的實時數據［10］。

圖3為CGI程序與客戶端和服務器之間的關系圖。在CGI程序編寫的時候使用了cgic206開發庫，通過調用開發庫中的API使得開發更為簡單，在虛擬機中編譯鏈接，將生成的cgi文件傳輸到開發板的cgi-bin目錄下［11］。

圖3 CGI程序與客戶端和服務器之間的關系圖

在控制頁面中按下開關按鈕的時候，通過cgic206 API函數cgiFormRadio獲取按鍵信息，采用進程間通信技術消息隊列，在cgi程序中創建消息隊列，然后在數據處理中調用msgrcv函數獲取按鈕信息，再通過串口下發到Zigbee模塊［12］，從而實現對終端設備的控制。

3 實驗測試結果

圖4 系統硬件實物圖

圖4是整個系統的實物圖，將傳感器與終端節點相互連接，給終端節點和協調器通上電源，組建好了Zigbee無線網絡，協調器通過USB轉串口與RT5350開發板連接。在RT5350開發板上設置開機啟動數據處理程序和Web服務器。

系統以3個終端節點和1個協調器為例進行測試，3個終端節點分別放在3個不同的房間里，RT5350開發板和協調器放在大廳，搭建好硬件設備。

系統設計了溫濕度、煙霧和紅外傳感器3種數據采集頁面：1個登陸頁面和1個設備控制頁面。

3.1 家庭內部用戶

RT5350具有AP（無線訪問接入點）功能，配置RT5350本地IP地址為192.168.1.103。PC機或者手機客戶端通過連接WIFI接入RT5350的AP，客戶端瀏覽器輸入http://192.168.1.103，進入登錄界面。輸入賬號和密碼之后，選擇進入的房間。便可以查看各個傳感器采集的數據，頁面有刷新按鈕，用戶可以通過刷新按鈕，時刻獲得最新的傳感器數據。同時可以通過控制網頁中開關按鈕，控制Zigbee終端節點上的繼電器，從而實現了對終端節點設備查看和控制。

3.2 遠程客戶端

采用了通過新花生殼內網版客戶端軟件實現外網用戶訪問內網服務器的方法，在花生殼官網申請一個域名，啟動花生殼客戶端，進行端口隱射，設置好IP地址和端口號，外網用戶就可以訪問內網的服務器了。用戶在遠程可以通過以太網、3G或ADSL等方式接入Internet，瀏覽器中輸入http://2013tianyajuanke.oicp.net：40838，便同樣可以進入登錄界面了［13］。

經過實驗結果分析，無論是家庭內部用戶還是遠程用戶都可以完成數據的查看和家庭環境的控制。

4 結束語

設計的家庭網關，經過實驗測試能很好地完成實驗預期要求。通過使用新花生殼客戶端軟件實現了內網的穿透，使得外網用戶可以訪問內網服務器，從而實現了遠程監控。內網用戶可以通過連接RT5350 AP實現局域網的監控。實現了Zigbee、以太網和WIFI網絡的互通互聯，達到了預期的目標。選用的硬件平臺Ralink RT5350芯片集成了AP和高性能的CPU，同時還有串口支持，功能強大，價格優勢明顯，在現代家居環境中有很好的應用價值。對于改變傳感器類型或者是顯現其他功能，系統只需要稍作修改即可，可擴展性較好。在后期的開發中將進一步完善其功能，比如開發嵌入式GUI，使得更為方便地查看監控信息，添加更多的CGI程序處理模塊，使得網關平臺可以控制更多的家居設備。

［1］王 祥.無線傳感器網絡MAC協議的實現與分析［J］.無線電工程，2012，42（2）：21－24.

［2］劉洪波.基于ARM和Zigbee的網關設計與實現［D］.武漢：湖北大學，2013：27－28.

［3］湯莉莉，馬仟，黃偉.語音無線遙控智能小車設計［J］.無線電工程，2014，44（12）：67－69.

［4］鄒少軍.基于ARM／ZigBee技術的智能家居網關的研究與實現［D］.宜昌：三峽大學，2013：24－29.

［5］王小強，歐陽駿.Zigbee無線傳感器網絡設計與實現［M］.北京：化學工業出版社，2012：48－58.

［6］王 濤.基于nRF24L01的2.4GHz無線通信系統設計［J］.無線電通信技術，2011，37（3）：6－7.

［7］施忠華.基于嵌入式Linux和Sqlite的Web服務器的研究與應用［D］.南昌：南昌大學，2012：3－10.

［8］王靈芝，葉美霞，張建造.基于Zigbee和BOA服務器的嵌入式智能家居的設計［J］.閩南師范大學學報，2014，3（85）：72－73.

［9］田智春.基于嵌入式數據庫SQLite3.0的遠程監控系統［D］.西安：西安建筑大學，2010：42－44.

［10］代 成，葉 焱，劉太君，等.基于Web的遠程控制系統的研究與實現［J］.無線電通信技術，2014，40（3）：92－93.

［11］姜 龍.基于Zigbee的嵌入式家庭網關的設計與實現［D］.武漢：華中師范大學，2013：41－42.

［12］基于ZigBee的智能家居網關系統的研究與是實現［D］.長沙：湖南大學，2010：59－62.

［13］馬 成.基于Linux的嵌入式智能家居服務器的研究與設計［D］.南京：江蘇科技大學，2013：52－54.

Design andImplementation of Home Gateway Based on RT5350

WANG Qing-bo，YE Xi-en，WANG Xian-li
（College ofInformation Science and Engineering，Ningbo University，Ningbo Zhejiang 315211，China）

A home gateway is formed by combining a Zigbee wireless sensor network with embedded processor and embedded operating system.By using RT5350 as the main MCU and using several CC2530 boards to form a Zigbee network，a complete home gateway is implemented.An embedded Linux operating system is implanted into the RT5350，the Web server Boa and embedded database SQLite are transplanted.The Zigbee end devices get the collected data from the sensors，then send it to the coordinator through the Zigbee wireless sensor network.The coordinator transmits the data to the processor via serial port，and the data is stored in the embedded database SQLite.The clients can monitor the real-time data by connecting to the WIFI，meanwhile the remote users can check the real-time data by connecting to the Internet，realizing the interconnection of Zigbee，Ethernet and WIFI.

Zigbee；RT5350；CGI；gateway；remote monitor

TP919.6＋5

A

1003－3114（2015）06－61－4

10.3969／j.issn.1003－3114.2015.06.16

王慶波，葉錫恩，王賢禮.基于RT5350的家庭網關的設計與實現［J］.無線電通信技術，2015，41（6）：61－64.

2015－07－02

國家自然科學基金項目（61471211）

王慶波（1990—），男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統與應用、無線通信、計算機通信等。葉錫恩（1955―），男，教授，主要研究方向：數字集成電路設計、嵌入式系統設計、DSP等。