嵌入式智能家居物聯網網關系統設計

張艷玲　田軍委　柯成虎

摘 要：物聯網網關在智能家居系統中具有十分重要的意義。文中設計了一種嵌入式家庭物聯網網關系統，該系統在嵌入式Linux操作系統、IPv4和IPv6網絡協議的基礎上，采用ARM微處理器S3C2410、EM310射頻模塊和DM9000A模塊實現了家庭內部網絡信息處理平臺。該平臺利用現有的網絡設施、射頻模塊以及網絡接口模塊，通過無線或有線鏈路實現家庭內部感知網絡的互聯互通。所設計的系統不僅具有體積小、成本低、功耗小的優點，還具有實時性好和安全性高的特點，適合應用于家庭物聯網中。

關鍵詞：物聯網網關；智能家居；嵌入式系統；網絡協議

中圖分類號：TP316.2 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）08-0-03

0 引 言

物聯網（Internet of Things，IoT）技術一直被視為互聯網的應用擴展，它利用射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描儀等信息傳感設備與互聯網連接起來進行信息交換，實現智能識別、定位、跟蹤、監控和管理[1]。物聯網的概念于1999年提出，而物聯網網關更是一個新的名詞，在未來的物聯網時代將會扮演非常重要的角色，它將成為連接感知網絡與傳統通信網絡的紐帶[2]。

智能家居系統是物聯網的一種重要應用。智能家居系統又稱為智能家庭局域網，是以住宅為平臺，兼備建筑、網絡通信、信息家電、設備自動化，集系統、結構、服務、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環保的居住環境。國外經濟發達的國家和地區（美國、加拿大、歐洲、澳大利亞等）較早提出了智能家居系統的概念和方案，世界上第一幢智能建筑于1984年在美國State of Connecticut出現[3]。然而，國內家庭網絡[4]尚處于萌芽狀態，但數字家庭網絡的蓬勃發展勢必給家庭網關帶來巨大的市場。目前，家庭網關的實現主要有PC機與嵌入式系統兩種，與PC機相比，嵌入式系統具有體積小、成本低、可靠性高、穩定性好及功耗低等優點，更符合家庭網關的性能要求，因此，目前家庭網關的設計主要采用嵌入式系統。

本文基于物聯網網關在家居系統的信息化、智能化的重要作用及嵌入式系統的眾多優點，采用ARM9微處理器S3C2410、EM310射頻模塊、DM9000A網絡模塊及嵌入式Linux系統軟硬件平臺，實現物聯網網關的設計及其在家庭網絡中的應用。

1 系統框架及功能模塊概述

嵌入式家庭物聯網網關系統可以劃分為應用管理層、網絡協議層和感知接入層，實現物聯網應用于家庭網絡系統中可全面感知、可靠傳遞、智能處理的功能需求。系統框架架構圖如圖1所示。各層功能如下：

（1）應用管理層通過最為熟知的Web瀏覽器實現對整個系統的監控和管理；

（2）網絡協議層中內嵌有IPv4、IPv6等完整的網絡協議簇，并基于其搭建了動態主機設置協議（Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP）服務器、Web服務器等功能健全的服務器；

（3）感知接入層利用系統中的網絡接口模塊及射頻模塊方便實現廣域網的接入及家庭內部感知網絡通過有線或無線的方式互聯互通。

嵌入式家庭物聯網網關系統功能模塊可以劃分為無線通信模塊、無線通信模塊接口、網絡接口模塊、信息處理模塊和界面管理模塊。系統的基本工作過程為：當嵌入式家庭物聯網網關系統啟動后，信息處理模塊自動啟動，通過無線通信模塊接口控制啟動無線通信模塊（射頻模塊）接入廣域網網絡及家庭無線通信設備，然后等待界面管理模塊設置系統配置參數，或者以系統默認配置參數將家庭內部感知網絡設備橋接互聯，或路由接入廣域網。

在嵌入式家庭物聯網網關系統中，無線通信模塊將由無線方式接入廣域網絡，同時接受信息處理模塊轉發過來的家庭內部感知網絡設備數據，此外該模塊還是家庭內部感知網絡中無線設備的連接接口；信息處理模塊是嵌入式家庭物聯網網關系統的大腦，上電自動啟動，控制周圍模塊的安全啟動。信息處理模塊是整個系統的核心，同時接受來自外網信息及內網設備的數據，完成最核心的功能，內網到外網及外網到內網數據的路由轉發；界面管理模塊允許用戶通過Web頁面對設備的某些配置（網絡接口模塊IP、網關、子網掩碼、所搭建服務器參數、無線通信模塊連接狀態等）進行修改和管理，以適應用戶自己的使用習慣。

2 系統設計與實現

2.1 硬件設計

嵌入式家庭物聯網網關系統是以S3C2410微處理器[5]、DM9000A以太網模塊和EM310射頻模塊為核心的硬件平臺，系統硬件整體結構如圖2所示。其中，S3C2410是一個具有內存管理單元，支持實時控制的ARM9微處理器，是整個系統設計的CPU，負責對周圍電路模塊的控制，并且要承載整個嵌入式最小系統；DM9000A能夠連接所有提供支持介質無關接口功能的家用電話線網絡設備或其他收發器，其自動協調功能將自動完成配置以最大限度地適合其他線路帶寬，還支持IEEE802.3全雙工流量控制，簡單實現即插即用等特性，能處理封裝好以太網幀并通過網絡接口和雙絞線傳輸，能實時有效的實現家庭內部感知網絡的有線連接；EM310射頻模塊可以方便的接入GPRS網絡實現網關系統的廣域網接入，并且具有語音短信等功能可以方便接入手機網絡，實現家庭內部感知網絡的無線組網。系統硬件結構圖如圖2所示。

微處理器S3C2410是整個硬件系統的核心，它上電實時控制周圍電路的啟動、關閉和復位等工作，實時監控周圍電路模塊的工作狀態。整個硬件系統由微處理器S3C2410控制EM310射頻模塊接入廣域網及移動蜂窩網，實現網關系統對外網的接入和家庭內部感知網絡的無線組網；并控制以太網控制器DM9000A讀寫及復位，實現實時有線接入家庭內部感知網絡。

此外，整個硬件系統還設計了RESET模塊即硬件看門狗模塊，可實時監控系統的穩定性，以保證當軟件復位系統無法工作時整個系統的復位重啟。64 M的SDRAM及64 M的NAND Flash完全滿足嵌入式系統的存儲需要和程序運行的需要。

2.2 軟件設計

嵌入式家庭物聯網網關系統軟件平臺參考模型如圖3所示，整個系統在硬件平臺的基礎上，以嵌入式Linux操作系統為核心[6]，實現網絡接口模塊驅動、無線通信模塊接口驅動編寫；實現IPv4/IPv6協議簇、路由轉發及防火墻移植；實現上層應用程序（PPP撥號程序、DHCP服務器、Web服務器、Web頁面）的編寫和移植。

底層硬件初始化程序、嵌入式操作系統及文件系統、應用層軟件和用戶層軟件，自下而上各成模塊的進行設計。這些模塊都不是孤立存在的，都以更底層的軟件層程序為基礎。

2.2.1 BootLoader移植

嵌入式家庭物聯網網關系統的BootLoader采用mizi公司專門為arm開發的一款輕量級vivi。可實現啟動加載和下載兩種工作模式，修改/vivi/Makefile文件里的設置信息，編譯之前刪除“*.o”和“*.o.flag”文件以保證編譯有效，將最終編譯生成的vivi可執行文件燒寫到NAND Flash就可實現對系統的引導。

2.2.2 嵌入式Linux內核移植

Linux2.4.18內核可高速運行在ARM920T[7]處理器上，其文件系統支持cramfs、yaffs、ext2和NFS等文件格式或功能，內核移植需進行：內核裁剪和內核編譯，通過編譯內核文件生成zImage文件，該文件即為內核鏡像文件，載入板內由BootLoader引導即可啟動嵌入式Linux操作系統。

2.2.3 根文件系統移植

嵌入式Linux系統支持多種文件系統，在內核制作時大多已包含ext2、NFS等文件系統。這里在嵌入式Linux系統上移植yaffs文件系統，它是可讀寫的文件系統，方便后續應用程序的制作。

使用busybox1.0版本的文件系統制作工具，它被譽為嵌入式文件系統的瑞士軍刀，其小巧、方便、快速的特點非常適合嵌入式文件系統的制作。文件系統制作的步驟為：配置Makefile、剪裁文件系統、構建根文件系統目錄、編譯。通過編譯可生成root_china.yaffs鏡像文件，載入板內，啟動硬件系統即可在終端看到shell交互界面，方便后續應用程序開發。

2.2.4 Iptables移植（NAT實現）

Iptables 是與最新的 2.4.x 版本 Linux 內核集成的 IP 信息包過濾系統。如果Linux系統連接到因特網或LAN、服務器或連接LAN和因特網的代理服務器，則該系統有利于在Linux系統上更好地控制IP信息包過濾和防火墻配置。

Netfilte/Iptables在Linux 2.4內核中提供了一系列表，每個表由若干鏈組成，而每個鏈中可以由一條或數條規則組成。內核模塊可以注冊一個新的規則表，并要求數據包流經指定的規則表，用于實現數據包過濾（Filter表），網絡地址轉換（NAT表）及數據包處理（Mangle表）。在NAT表中包含PREROUTING鏈、POSTROUTING鏈和OUTPUT鏈。進行NAT時Netfilter監聽鉤子函數NF_IP_PRE_ROUTING、NF_IP_POST_ROUTING及NF_IP_LOCAL_OUT，并根據NAT表中的規則對數據包進行地址轉換處理。NAT只對新連接的第一個數據包查詢NAT表，隨后同一個連接的數據包將根據第一個數據包的結果進行同樣的轉換處理[8]。

Iptables由內核模塊和用戶接口應用程序組成。Iptables內核模塊能夠對輸入、輸出的IP包進行過濾和管理，它是Linux 2.4內核中Netfilter框架的一個組成部分；Iptables用戶接口程序可以添加、插入或刪除內核表中的規則，利用Iptables工具，并用選項“-t nat”來創建、修改NAT表。

2.2.5 DHCP服務軟件

DHCP[9]是動態主機配置協議，主要用來完成對局域網終端設備IP地址的動態分配，同時實現客戶端子網掩碼的設置，客戶端設備無需手動設置子網掩碼就可直接接入網絡。DHCP服務軟件不僅實現了動態分配IP地址，還實現了對網內用戶的管理，如停止對租用到期用戶的IP地址分配等。

2.2.6 pppd撥號服務

PPP（Point to Point Protocol）協議是點到點鏈路上承載網絡層數據包的一種鏈路層協議[10]。pppd撥號服務用來控制EM310射頻模塊接入無線網絡，物理層使用標準RS 232與微控制單元（Micro-Control Unit，MCU）通信。

網絡控制協議（Network Control Protocol，NCP）負責將要處理的數據送到網絡層，鏈路控制協議 （Link Control Protocol，LCP）在鏈路建立階段用于交換配置信息包，當完成配置后開啟LCP，進入認證階段[11]。認證是可選擇的，認證通過的用戶將獲得pppd通過IP控制協議（IP Control Protocol，IPCP）動態分配的一個IP地址，最終實現接入Internet。

2.2.7 Web服務軟件

用戶層用戶交互式Web服務軟件，在嵌入式Linux系統中安裝Web服務器，這里移植的是小型、簡單、全面的Boa嵌入式Web服務器，然后編寫相應的通用網關接口 （Common Gateway Interface，CGI）程序實現用戶Web界面數據與Web服務器的交互，從而實現用戶對系統的控制[12]。

Web頁面的實現采用基于eybuild引擎的C語言變種——CSP（C Language Service Page，CSP），類似于其他的CGI（ASP、JSP），CSP將C語言插入到HTML模板中，通過編譯最終生成“*.cgi”文件，載入板內用戶可直觀的借助IE瀏覽器實現對系統的監控管理。

根據上文對硬件系統和軟件系統的分析，本文設計了一種家庭物聯網網關設備，其實物圖如圖4所示。

3 結 語

本文采用S3C2410、DM9000A和EM310射頻模塊設計了便攜、低成本的家庭物聯網網關設備。它在PCB板面積較小、板層較少的前提下，較好的完成了關鍵部分SDRAM的布線，保證了信號的完整性。在硬件資源有限的嵌入式平臺上，通過對嵌入式Linux內核的剪裁、編譯、移植，制作了完善的嵌入式根文件系統，在此基礎上利用嵌入式Linux內完善的IPv4/IPv6協議簇，流暢運行Web服務器和DHCP服務器。pppd撥號程序能夠智能打通無線通信設備，接入廣域網及內網無線組網。在嵌入式Linux操作系統的核心完成Iptables程序的完美移植和匹配，利用其內容豐富的規則設置，實現整個系統的防火墻機制和NAT機制，使得系統數據傳輸具有較高的可靠性，并且使得外網和家庭內部感知網絡設備的數據包能夠完全按照規則順利轉發至相應接口。用戶層面采用繼承C語言優點的CSP語言精煉的完成了CGI程序的編寫，實現了較好的人機界面。隨著物聯網的迅速發展，這種低成本的嵌入式家庭網關將在家庭物聯網網絡系統中得到推廣，其價值也將明顯體現。此外，該設備在加入更加豐富的數據接口后，其應用價值也會有很大的提升空間。

參考文獻

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