嵌入式智能家庭網(wǎng)關的研究與設計

0 概述

家庭網(wǎng)絡接入Internet目前主要通過PC機接入Internet和采用嵌入式產品通過以太網(wǎng)控制器接入Internet兩種方式。前者優(yōu)點是明顯的，如靈活性、大量現(xiàn)有的可用的軟件環(huán)境和高級的用戶接口及軟件工具。但是對于智能家庭網(wǎng)絡來說，網(wǎng)絡的使用者希望能方便快捷地獲得服務，所需熟悉的操作要盡可能地少，并且在任何地方都能對家中設備進行監(jiān)控;而PC不能隨意移動，對設備的控制就會受到局限。因此，目前在智能家庭網(wǎng)絡中，網(wǎng)關產品的設計主要采用嵌入式系統(tǒng)。

一個智能家庭網(wǎng)關可以看成是一個信息處理系統(tǒng)，組成系統(tǒng)的各單元就是連接在網(wǎng)絡各節(jié)點的設備?？刂破脚_一方面輔助不具備信息化條件的設備實現(xiàn)信息化，即提供信息處理的能力;另一方面又提供統(tǒng)一的信息交換接口及控制規(guī)則，從而實現(xiàn)從內部家庭網(wǎng)絡到Internet信息的互通。目前實現(xiàn)信息管理和協(xié)議轉換的方式有兩種:一種是:瀏覽器+WEB Server+CGI技術;另一種是:監(jiān)控軟件十應用服務器+現(xiàn)場總線驅動技術[1]。以瀏覽器+WEB Server+CGI為主的技術手段只能獲取單個家庭網(wǎng)絡中的節(jié)點信息。而以監(jiān)控軟件+應用服務器十現(xiàn)場總線驅動為主的技術手段卻可以同時獲取多個家庭網(wǎng)絡的節(jié)點信息，有助于實現(xiàn)多個家庭網(wǎng)絡的同類節(jié)點的實時監(jiān)控[2](如上網(wǎng)流量監(jiān)控)。近幾年來國內許多高校和一些知名企業(yè)所研制的智能家庭網(wǎng)絡系統(tǒng)的協(xié)議轉換主要以:瀏覽器+WEB Server+CGI技術為主，有應用范圍的局限性。鑒于現(xiàn)有網(wǎng)關產品的種種缺陷，本文主要致力于:以監(jiān)控軟件+應用服務器+現(xiàn)場總線驅動技術為核心技術，而瀏覽器+WEB Server+CGI為輔助技術設計并實現(xiàn)家庭網(wǎng)關。

圖1 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)模型

1 總體設計分析

1.1智能家庭網(wǎng)關的設計要求

家庭網(wǎng)關類似于一個龐大的計算機系統(tǒng)，所有的家庭設備都連接在上面，受它的集中控制?？傮w而言，網(wǎng)關要起到三個功能：

1）Internet接入功能，包括路由、NAT(地址轉換)等等;
2）家庭網(wǎng)絡中各種不同通信協(xié)議之間的轉換，以及家庭網(wǎng)絡系統(tǒng)與TCP/IP協(xié)議之間的轉換;
3）運行家電管理軟件，將使用不同通信協(xié)議的家用電器都接入到家庭網(wǎng)絡中，并統(tǒng)一管理起來;

可以看出，網(wǎng)關是家庭網(wǎng)絡中的物理上和邏輯上的核心。

1.2 家庭網(wǎng)關網(wǎng)絡控制模型分析

根據(jù)系統(tǒng)的體系結構將家庭網(wǎng)關抽象為站點[3]，將家庭內部的被控對象(智能電冰箱、智能微波爐等等)抽象為節(jié)點。其網(wǎng)絡控制模型如圖1所示。

站點:站點是通過Internet訪問家庭內部網(wǎng)絡的驛站，它可以將來自互聯(lián)網(wǎng)絡的各種信息通過協(xié)議轉換的方法傳遞到家庭內部網(wǎng)絡，同時提取家庭內部網(wǎng)絡的各種信息增加TCP/IP協(xié)議報頭、報尾使之可以在廣域網(wǎng)甚至Internet上發(fā)布并向遠端監(jiān)控機傳遞，使遠端監(jiān)控機可以對其控制，而具備此項功能的站點我們通常稱其為家庭網(wǎng)關。

節(jié)點：節(jié)點負責對單個家用電器實施控制使其按照使用者的要求正常運行，同時以特定的通訊協(xié)議將本地信息傳送到家庭網(wǎng)關或者接收來自家庭網(wǎng)關的指令以改變現(xiàn)在的運行狀況。所以可以把它理解為以單片機為核心的智能家用電器，由于不同的家用電器要連接到同一個網(wǎng)關上，要使它們相互連接又互不影響，采用現(xiàn)場總線是個很好的辦法，所以節(jié)點還應該支持現(xiàn)場總線協(xié)議。

2 硬件結構

根據(jù)前面的分析，可以確定硬件系統(tǒng)應具備的功能特征，圖2給出了智能家庭網(wǎng)關的硬件結構。

圖2 系統(tǒng)硬件結構

為保證家庭網(wǎng)關的實用性和可擴展性，網(wǎng)關平臺需要選用高性能的微處理器，廉價的8位處理器己經(jīng)無法滿足設計的要求，考慮到以后系統(tǒng)的升級以及32位處理器的價格不斷下降，設計中決定采用32位的MPU（S3C2410）[4]作為整個系統(tǒng)的核心。

由于網(wǎng)關要實現(xiàn)服務器的功能，因而需要文件系統(tǒng)的支持，同時需要操作系統(tǒng)來支持多任務，這些都決定了硬件平臺中需要有擴展的SDRAM和Flash(或者EEPROM )等存儲芯片。Flash中存儲操作系統(tǒng)和文件系統(tǒng)，系統(tǒng)啟動后將復制到SDRAM中運行。通用I/O接口的設計，用于完成外部信號的接入。為完成與外部信號線的連接，MPU需要支持一定數(shù)量的通用I/O口。

家庭網(wǎng)關要實現(xiàn)與Internet的連接，需要有相應的連接模塊。Ethernet模塊就是為了完成與外部網(wǎng)絡的物理連接。

同時，家庭網(wǎng)關還要連接內部輕量級網(wǎng)絡[5] (家庭網(wǎng)絡中一般使用485. 232等輕量級網(wǎng)絡互聯(lián))。一般這些網(wǎng)絡都可以通過UART口與網(wǎng)關相連。而家庭網(wǎng)關的一些控制或調試信息也需要通過UART口輸出到宿主機的虛擬平臺。

JTAG接口用于實現(xiàn)MPU中程序的實時監(jiān)控，絕大多數(shù)的32位MCU都支持JTAG格式的在線調試功能。

X10系統(tǒng)[6]與網(wǎng)關的接口是整個家庭網(wǎng)絡控制方面至關重要的一個接口。網(wǎng)關通過一個普通I/0口進行過零點信號檢測，通過另一個普通I/O口向電力線載波系統(tǒng)發(fā)出控制命令，最后達到控制大多數(shù)家電的目的(照明，空調，熱水器等等)。目前所實現(xiàn)的控制是單向的，由于控制命令數(shù)據(jù)量少，而受控電器的狀態(tài)數(shù)據(jù)可以根據(jù)控制命令進行判斷，所以這種控制在目前是可以滿足使用要求的。

3 軟件設計

家庭網(wǎng)關是為家庭智能網(wǎng)絡服務的，由于家庭網(wǎng)絡本身的復雜性（網(wǎng)絡種類多，終端種類多等），嵌入式網(wǎng)關的軟件設計也要考慮諸多因素。圖3是軟件設計體系結構。

圖3 軟件體系結構

該系統(tǒng)是一個三層系統(tǒng)，不同層次協(xié)同工作，各層之間通過不同的協(xié)議進行信息交互。為了適應復雜的網(wǎng)絡環(huán)境，該系統(tǒng)采用了以監(jiān)控軟件+應用服務器+現(xiàn)場總線為主，以瀏覽器+WEB Server+CGI為輔的雙技術體系。該3層系統(tǒng)中客戶子系統(tǒng)用來運行提供用戶接口和前端處理的應用程序（即瀏覽器和監(jiān)控軟件）。中間層子系統(tǒng)的宿主既是家庭網(wǎng)關，它包括應用服務器和Web服務器用于發(fā)布信息和數(shù)據(jù)及指令的傳達，另外它還包含數(shù)據(jù)庫服務器提供可供客戶機使用的各種資源和服務。現(xiàn)場控制系統(tǒng)是最終執(zhí)行控制指令、實現(xiàn)控制目標和性能指標的執(zhí)行機構。

在本文的三層軟件體系結構中，發(fā)出數(shù)據(jù)庫查詢的應用可以駐留在數(shù)據(jù)庫以外的任何機器上，客戶子系統(tǒng)不論處于何地，只要能夠通過網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)庫服務器進行通訊，就可以發(fā)出查詢并檢索結果。如果在家庭網(wǎng)絡內部進行查詢，僅僅從本地數(shù)據(jù)庫中進行檢索并返回結果即可。如果在家庭網(wǎng)絡外部進行查詢那么必須通過虛擬數(shù)據(jù)庫，找到目標站點及節(jié)點，由虛擬數(shù)據(jù)庫發(fā)送傳送參數(shù)指令，現(xiàn)場控制系統(tǒng)接到指令后進行檢索，并返回查詢結果給虛擬數(shù)據(jù)庫最后顯示在用戶監(jiān)控界面中。當用戶發(fā)出控制指令時，無論是在家庭網(wǎng)絡內部還是外部，控制指令都可以通過不同的網(wǎng)絡協(xié)議可靠地到達被控對象并完成相應的操作，最后把執(zhí)行結果（成功或者失敗）返回給指令的發(fā)出者。在一般的C/S概念中，客戶端是廉價的個人PC，服務器是價格昂貴、功能強大的專用Server。但對于本系統(tǒng)來講，嵌入式家庭網(wǎng)關是應用服務器和Web服務器的宿主，而嵌入式系統(tǒng)本身資源有限，所以在事物處理時不應將過多的任務分配給服務器，避免因服務器負擔過重而使整個網(wǎng)絡性能下降，要充分發(fā)揮客戶端計算機的作用，合理分配網(wǎng)絡資源，提高數(shù)據(jù)處理的效率。

4 結語

本文首次將監(jiān)控軟件+應用服務器+現(xiàn)場總線以及瀏覽器+WEB Server+CGI兩種技術融合到智能家庭網(wǎng)關產品中，較好的解決了傳統(tǒng)產品的缺陷。通過本系統(tǒng)在實際家庭智能網(wǎng)絡中的運行表明，該系統(tǒng)達到了設計初期的各項要求,能夠通過Internet實時控制系統(tǒng)中的智能家電并精確的獲取家電狀態(tài)信息。相信在未來的信息家電、智能小區(qū)[7]等領域嵌入式智能家庭網(wǎng)關將得到廣泛的應用。

相關閱讀

智能家庭離我們還有多遠？