基于IPv6的家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

蘇兵

(廣州白云工商高級(jí)技工學(xué)校計(jì)算機(jī)系，廣東廣州510450)

1.家庭網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)的家庭網(wǎng)關(guān)是整個(gè)家庭網(wǎng)絡(luò)的樞紐，所有家電設(shè)備都連接在上面，由它集中控制。主要實(shí)現(xiàn)以下四方面功能：

(1)Internet接入功能。所有家庭內(nèi)部的信息家電通過(guò)這個(gè)網(wǎng)關(guān)接入Internet。

(2)語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)功能。能打IP電話。

(3)管理信息家電。家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)家電的添加、刪除、配置都可以在這上面來(lái)完成。

(4)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。通過(guò)在網(wǎng)關(guān)上設(shè)置Web服務(wù)器，可以通過(guò)Internet遠(yuǎn)程監(jiān)控家庭內(nèi)部的信息家電。

根據(jù)圖1將連接家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)的家庭網(wǎng)關(guān)抽象為站點(diǎn)，將家庭內(nèi)部的被控對(duì)象(智能電冰箱、智能空調(diào)等)抽象為節(jié)點(diǎn)。

1.1 站點(diǎn)

站點(diǎn)是通過(guò)Internet訪問(wèn)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的驛站，它可以將來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的各種信息通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換的方法傳遞到家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，而具備此項(xiàng)功能的站點(diǎn)通常稱(chēng)為家庭網(wǎng)關(guān)。

1.2 節(jié)點(diǎn)

節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)單個(gè)家用電器實(shí)施控制，使其按照人的要求正常運(yùn)行，同時(shí)以特定的通訊協(xié)議將本地信息傳送到家庭網(wǎng)關(guān)，接受來(lái)自家庭網(wǎng)關(guān)的指令以改變現(xiàn)在的運(yùn)行狀況。

1.3 遠(yuǎn)端控制機(jī)

由于家庭網(wǎng)關(guān)可以將家庭內(nèi)部的信息發(fā)布到Internet上，那么可以在網(wǎng)絡(luò)的另一端在一臺(tái)安裝了監(jiān)控軟件的PC上對(duì)家庭網(wǎng)絡(luò)實(shí)施監(jiān)視與控制。

2.家庭網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)

2.1 嵌入式處理器MCF5272介紹

MCF5272微處理器是Motorola公司生產(chǎn)的高集成的ColdFire微處理器。在設(shè)計(jì)下一代互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、LAN電話系統(tǒng)、低端網(wǎng)絡(luò)控制、工業(yè)控制、圖像設(shè)備，摩托羅拉的MCF5272的高性能及通用性都能滿(mǎn)足嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用要求。

2.2 家庭網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Motorola嵌入式處理器MCF5272，具有較好的處理能力的同時(shí)也支持藍(lán)牙上層協(xié)議棧、終端的接入控制、話路交換等功能。圖2描述了家庭網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)。

3.家庭網(wǎng)關(guān)的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

家庭網(wǎng)關(guān)的軟件體系可分為三個(gè)層次：

3.1 應(yīng)用程序?qū)?/h3>

通過(guò)內(nèi)核的系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)用戶(hù)需要的應(yīng)用服務(wù)。包括遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、信息家電管理系統(tǒng)等。

3.2 嵌入式Linux內(nèi)核

提供進(jìn)程控制、文件系統(tǒng)管理、內(nèi)存管理、中斷和中斷處理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧等。

3.3 硬件驅(qū)動(dòng)層

包括通用的硬件驅(qū)動(dòng)程序，如藍(lán)牙模塊、串口、USB設(shè)備、以太網(wǎng)、FOMFS文件和本系統(tǒng)的一些特殊的硬件驅(qū)動(dòng)程序，如LCD、VoIP、DSL等[3]。

家庭網(wǎng)關(guān)軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3 家庭網(wǎng)關(guān)軟件結(jié)構(gòu)

4.家庭網(wǎng)絡(luò)無(wú)線通信的實(shí)現(xiàn)

將藍(lán)牙技術(shù)集成到各種數(shù)字設(shè)備中的方式有兩種：一種是單微控制器方式，即所有的藍(lán)牙低層傳輸協(xié)議(包括藍(lán)牙射頻、基帶與鏈路控制器、鏈路管理器)與高層傳輸協(xié)議包括邏輯鏈路控制與適配協(xié)議、串口仿真協(xié)議、服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等)以及用戶(hù)應(yīng)用程序集成到一個(gè)模塊當(dāng)中，整個(gè)處理過(guò)程由一個(gè)微處理器來(lái)完成；另一種是雙微控制器方式，即藍(lán)牙協(xié)議與用戶(hù)應(yīng)用程序分別由主機(jī)控制器和主機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)(低層傳輸協(xié)議一般通過(guò)藍(lán)牙硬件模塊實(shí)現(xiàn)，模塊內(nèi)部嵌入式的微處理稱(chēng)為主機(jī)控制器；高層傳輸協(xié)議和用戶(hù)應(yīng)用程序在個(gè)人計(jì)算機(jī)或嵌入式的單片機(jī)、DSP等上運(yùn)行，稱(chēng)為主機(jī))，主機(jī)和主機(jī)控制器之間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的物理總線接口(如通用串行總線USB、串行端口RS232)來(lái)連接[1]。連接模型如圖4所示。

圖4 藍(lán)牙主機(jī)—主機(jī)控制器連接模型

在藍(lán)牙的主機(jī)—主機(jī)控制器連接模型中，HCI作為藍(lán)牙軟件協(xié)議堆棧中軟硬件之間的接口，提供了一個(gè)控制基帶與鏈路控制器、鏈路管理器、狀態(tài)寄存器等硬件的統(tǒng)一接口。當(dāng)主機(jī)和主機(jī)控制器通信時(shí)，HCI層以上的協(xié)議在主機(jī)上運(yùn)行，而HCI層以下的協(xié)議由藍(lán)牙主機(jī)控制器硬件來(lái)完成，它們通過(guò)HCI傳輸層進(jìn)行通信。主機(jī)和主機(jī)控制器中都有HCI，它們具有相同的接口標(biāo)準(zhǔn)。主機(jī)控制器中的HCI解釋來(lái)自主機(jī)的信息并將信息發(fā)向相應(yīng)的硬件模塊單元，同時(shí)還將模塊中的信息(包括數(shù)據(jù)和硬件/固件信息)根據(jù)需要向上轉(zhuǎn)發(fā)給主機(jī)。

主機(jī)—主機(jī)控制器模式的設(shè)計(jì)在很大程度上可以降低產(chǎn)品的成本同時(shí)設(shè)計(jì)難度也小很多，這種方式可以應(yīng)用在家庭網(wǎng)關(guān)上。但是對(duì)于信息家電來(lái)說(shuō)它的控制芯片往往是固化了產(chǎn)商的程序，用戶(hù)一般不能在上面添加自己的程序。所以這種模式不能用于信息家電上(將來(lái)藍(lán)牙通信協(xié)議可能會(huì)被固化到信息家電中作為一種標(biāo)準(zhǔn)通信接口，那樣家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的通信就很容易實(shí)現(xiàn)了)，只能采用第一種模式，將所有的協(xié)議集成在一個(gè)模塊里，這個(gè)模塊提供標(biāo)準(zhǔn)的USB接口或RS232接口。將這個(gè)藍(lán)牙模塊插在家電的標(biāo)準(zhǔn)通信接口上即可構(gòu)成藍(lán)牙家電。

5.家庭網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議方案設(shè)計(jì)

為了使嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)能與家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各嵌入式終端進(jìn)行通訊，在研究參考了國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了家庭網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議。

5.1 幀格式(鏈路層)

鏈路層的幀格式為：幀頭+命令包字節(jié)數(shù)+命令包+幀尾。具體說(shuō)明如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)幀格式

5.2 命令包(網(wǎng)絡(luò)層)

命令包的格式為：地址碼+命令屬性+命令串+校驗(yàn)和，具體描述如表2所示。

表2 命令包格式

其中地址碼(即家電ID)由產(chǎn)品類(lèi)別碼(1字節(jié))+產(chǎn)品序列碼(l字節(jié))共2個(gè)字節(jié)組成，產(chǎn)品類(lèi)別碼代表家電的種類(lèi)，產(chǎn)品序列碼表示同一個(gè)家庭中一個(gè)產(chǎn)品類(lèi)別碼的不同家電的編碼，初始值為00H。ID=0000H為廣播地址，每臺(tái)家電或設(shè)備都必須執(zhí)行其中的指令。產(chǎn)品序列碼為可變的，家居組網(wǎng)后可由網(wǎng)關(guān)重新分配[2]。產(chǎn)品類(lèi)別的具體定義類(lèi)似表3。

表3 設(shè)備類(lèi)別碼定義參數(shù)

當(dāng)發(fā)送大數(shù)據(jù)量時(shí)，大數(shù)據(jù)量包的格式為：地址碼+0EFH+總幀數(shù)+幀序號(hào)+數(shù)據(jù)+校驗(yàn)和。格式具體描述如表4。

表4 大數(shù)據(jù)量包格式

5.3 傳輸層協(xié)議

5.3.1 發(fā)信方的處理

發(fā)信方在發(fā)出一個(gè)數(shù)據(jù)包后，2S內(nèi)未收到目標(biāo)收信方的任何應(yīng)答，應(yīng)重發(fā)，十次發(fā)送不成功，則放棄。

5.3.2 家居設(shè)備與嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)之間的通訊

網(wǎng)關(guān)使用命令屬性42H讀工作狀態(tài)，每10S輪詢(xún)一遍設(shè)備的工作狀態(tài)，在每個(gè)循環(huán)中應(yīng)加入查詢(xún)新家電信息編碼的命令包。

5.3.3 ID的處理

ID初始值設(shè)為XX00H，XXH為家電設(shè)備類(lèi)別碼，固定不變，00H為家電序列碼，可動(dòng)態(tài)分配，家電在每次登陸網(wǎng)關(guān)時(shí)，將重新分配家電ID，平時(shí)家電ID將保存在EEPROM中，只有在恢復(fù)初始設(shè)置時(shí)，重新變?yōu)閄X00H。

5.4 通訊數(shù)據(jù)(應(yīng)用層)

有關(guān)通訊的數(shù)據(jù)，應(yīng)根據(jù)不同的型號(hào)，做出不同的定義。

5.5 家電自動(dòng)注冊(cè)與發(fā)現(xiàn)過(guò)程

網(wǎng)關(guān)在輪詢(xún)過(guò)程的每個(gè)循環(huán)中加入查詢(xún)新家電信息編碼的命令包，命令屬性E1。家電在收到E1命令后，如果已注冊(cè)則不作處理，如果未注冊(cè)則發(fā)回產(chǎn)品信息編碼，命令屬性El，命令包為12字節(jié)產(chǎn)品編碼+4字節(jié)校驗(yàn)。網(wǎng)關(guān)接收到家電的信息編碼后，發(fā)送分配家電ID命令，命令屬性E2。家電在接受到分配ID命令后，返回注冊(cè)成功，命令屬性為E3[3]。

5.6 設(shè)備編碼規(guī)則

網(wǎng)絡(luò)家電的MCU中應(yīng)存放表示該類(lèi)產(chǎn)品類(lèi)型的信息編碼。每個(gè)具體的產(chǎn)品編碼由七段共24位10進(jìn)制數(shù)組成(只取部分信息)，具體格式如下：

規(guī)則：2-3-3-2-1-8-5(24位，分七段表示具體的設(shè)備條形碼)

各段具體說(shuō)明如表5所示：

表5 產(chǎn)品編碼

用設(shè)備類(lèi)型的信息碼即可表示出該設(shè)備的型號(hào)，將這一編碼信息存放到網(wǎng)絡(luò)家電的EEPRO中。其中用一個(gè)字節(jié)的二進(jìn)制碼代表兩位十進(jìn)制數(shù)。網(wǎng)關(guān)將根據(jù)這一信息自動(dòng)建立起該型號(hào)網(wǎng)絡(luò)家電的控制指令及ID。

6.遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)界面

在接入Internet上的任意一臺(tái)計(jì)算機(jī)上通過(guò)瀏覽器就可以訪問(wèn)家庭網(wǎng)關(guān)，在瀏覽器中輸入家庭網(wǎng)關(guān)的IP地址首先進(jìn)入一個(gè)登錄界面，進(jìn)行用戶(hù)驗(yàn)證，之后進(jìn)入管理主界面，可以查詢(xún)家居系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)、控制信息家電的運(yùn)行等操作。圖5為遠(yuǎn)程控制界面的截圖。

7.結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了家庭網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)模型，對(duì)家庭網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)一個(gè)基于MCF5272微處理器的嵌入式Linux操作系統(tǒng)的構(gòu)造方法，對(duì)家庭網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，以及對(duì)家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的藍(lán)牙無(wú)線通信的實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，最終以B/S模式來(lái)完成遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)的設(shè)計(jì)。

[1]R.Shepherd.Bluetooth wireless technology in the home[J].Electronics and Communication Engineering Journal，2001.7：78-80.

[2]周明天，汪文勇.TCP/IP網(wǎng)絡(luò)原理與技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1993.

[3]Klaus Wehrle，F(xiàn)rank Pahlke，Hartmut Ritter.LINUX內(nèi)核中網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.