一種智能家居異構(gòu)網(wǎng)關(guān)的研究與實(shí)現(xiàn)

譚立志，周維龍，歐陽洪波

（1.湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院 湖南 株洲 412001；2.湖南工業(yè)大學(xué) 湖南 株洲 412007）

智能家居作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一種重要應(yīng)用[1]，具有廣泛的應(yīng)用前景。據(jù)國(guó)際專家不完全統(tǒng)計(jì)，在未來十年內(nèi)智能家居產(chǎn)品銷售額將達(dá)到328億美元[2-3]。我國(guó)在2011年5月正式頒布的“十二五”規(guī)劃中明確提出了將智能家居作為戰(zhàn)略性新型產(chǎn)業(yè)進(jìn)行培育發(fā)展，在大力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的時(shí)代，智能家居控制系統(tǒng)必將迎來一種熱潮。嵌入式網(wǎng)關(guān)作為智能家居控制器的核心，已成為當(dāng)今世界研究的一大熱點(diǎn)[4-5]。Hwang Kwangil，Jeongsik In.etal[6]設(shè)計(jì)了基于Web訪問式的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，用戶可通過Web方式訪問和控制傳感器網(wǎng)絡(luò)，但不能提供其它的數(shù)據(jù)采集接口；文獻(xiàn)[7]中，論述了一種基于GPRS的嵌入式智能家庭控制器的設(shè)計(jì)，作者采用嵌入式系統(tǒng)、GPRS通信技術(shù)和RS485總線技術(shù)相結(jié)合，搭建了一個(gè)家庭智能管理平臺(tái)。但系統(tǒng)沒涉及當(dāng)前應(yīng)用非常廣泛的ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)；文獻(xiàn)[8]中提出基于FPGA的嵌入式ZigBee網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，作者通過構(gòu)建可編程片上系統(tǒng) （SOPC），并利用Nios II嵌入式系統(tǒng)通過串口通信來實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集，同時(shí)結(jié)合以太網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。但是它沒有提供輸入輸出管理，文件系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)的額外服務(wù)。

針對(duì)以上問題，本文提出一種低成本，高效率的智能家庭異構(gòu)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)，通過 Internet、無線局域網(wǎng)（Wi-Fi）、家庭設(shè)備無線傳感控制網(wǎng)絡(luò)等多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的相互融合，真正實(shí)現(xiàn)公網(wǎng)接入，無線Wi-Fi覆蓋，家電設(shè)備、家居環(huán)境無線組網(wǎng)（ZigBee）及遠(yuǎn)程監(jiān)控家居設(shè)備、家居環(huán)境的智能家居，實(shí)現(xiàn)家庭的網(wǎng)絡(luò)化控制，提高人類的生活質(zhì)量，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)功能需求分析

智能家居指的是：家庭內(nèi)的各種電器設(shè)備（冰箱、空調(diào)、電視機(jī)等）、室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)（溫度、光照度、濕度、甲醛濃度等）、室內(nèi)照明系統(tǒng)、自動(dòng)門窗和窗簾、監(jiān)控視頻探頭和傳感器設(shè)備等都通過各種類型的網(wǎng)絡(luò)接入外部互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。家庭成員可通過終端設(shè)備（遙控設(shè)備、電腦或智能手機(jī)等）對(duì)各種家用電器進(jìn)行控制，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可用圖1表示。由圖1可以總結(jié)出智能家庭異構(gòu)網(wǎng)關(guān)的功能和接口，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）外網(wǎng)（Internet）的接入功能。作為一個(gè)家庭關(guān)網(wǎng)，必需要具有 Internet網(wǎng)絡(luò)的接入功能。本系統(tǒng)采用ADSL技術(shù)，實(shí)現(xiàn)家庭異構(gòu)網(wǎng)關(guān)的撥號(hào)上網(wǎng)功能；2）多種通信方式的兼融功能，為家庭高速網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供以太網(wǎng)、Wi-Fi方式共享的Internet服務(wù)，支持 DHCP、NAT、防火墻、路由等功能；3）無線傳感網(wǎng)絡(luò)（ZigBee）的接入功能。為家庭內(nèi)的低速率設(shè)備提供信息交互服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息家電的監(jiān)測(cè)與控制。低速控制網(wǎng)絡(luò)的通信數(shù)據(jù)較少，網(wǎng)關(guān)設(shè)備可通過串口（UART）與 ZigBee節(jié)點(diǎn)相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和轉(zhuǎn)發(fā)；4）家庭控制網(wǎng)絡(luò)的管理功能。提供數(shù)據(jù)庫(kù)的支持，對(duì)種類繁多的家居設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理，應(yīng)對(duì)家庭設(shè)備的可變性（添加或移除），向用戶提供一種靈活的管理模式；5）遠(yuǎn)程管理服務(wù)。通過在家庭異構(gòu)網(wǎng)關(guān)上構(gòu)建Web服務(wù)器和嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)，為授權(quán)用戶提供遠(yuǎn)程管理和監(jiān)視功能，應(yīng)對(duì)各種意外情況的發(fā)生。

圖1 智能家居網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 Intelligent home furnishing network structure

綜上所述，整個(gè)家庭異構(gòu)網(wǎng)關(guān)的性能要求可歸納如下：1）硬件功能。RJ45接口，以實(shí)現(xiàn)ADSL接入與Internet接入；AP模塊，完成Wi-Fi覆蓋功能；串口通信，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)設(shè)備與ZigBee模塊的數(shù)據(jù)交互。2）軟件功能。支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)、Web服務(wù)器、防火墻、路由、NAT、DHCP、PPP、PPPOE 等功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件平臺(tái)的選擇

作為一個(gè)智能家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)備，需要完成家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)設(shè)備各種數(shù)據(jù)信息的交互，大量路由信息對(duì)CPU的處理速率提出了極高的要求。FPGA具有高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理能力，用來實(shí)現(xiàn)主要的交換路由，可大大減少 CPU的負(fù)荷。因此，本系統(tǒng)采用一種基于ARM+FPGA的雙核組合架構(gòu)，以S3C2440A作為主控 CPU，采用串口通信方式與ZigBee模塊相連；DMA接口與FPGA模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。對(duì)于家庭內(nèi)部高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，則通過一個(gè)專用交換模塊來實(shí)現(xiàn)，利用FPGA實(shí)現(xiàn)主要的交換路由控制，整體方案如圖2所示。

圖2 網(wǎng)關(guān)硬件整體框圖Fig.2 The hardware block diagram of gateway

2.2 ARM與FPGA的接口電路

為減小數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸?shù)臅r(shí)間開銷，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，需設(shè)計(jì)高效的數(shù)據(jù)通信鏈路。DMA（Direct Memory Access）具有數(shù)據(jù)傳輸速率高 、I/O響應(yīng)速度快與 CPU額外開銷小等優(yōu)點(diǎn)。因此，本文采用DMA的傳輸模式完成FPGA與ARM間的數(shù)據(jù)傳輸。S3C2440A支持多種DMA實(shí)現(xiàn)方式，當(dāng)ARM接收到FPGA控制器發(fā)出的數(shù)據(jù)傳送中斷請(qǐng)求后，開啟DMA傳輸方式，將FPGA處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到主控器的寄存器中，便于數(shù)據(jù)與其他設(shè)備之間進(jìn)行各種通信。系統(tǒng)以Altera公司的EP3C25E1448CN作為FPGA芯片，其與ARM的接口電路如圖3所示[9]。

FPGA內(nèi)部采用LPM_FIFO定制方式生成16位異步FIFO，解決FPGA數(shù)據(jù)傳輸與ARM對(duì)數(shù)據(jù)讀寫頻率不匹配的問題，其中Data[15..0]為數(shù)據(jù)輸入端口；Q[15..0]為數(shù)據(jù)輸出端口；Wrreq為數(shù)據(jù)寫入請(qǐng)求信號(hào)，高電平有效；Rdreq為數(shù)據(jù)讀出請(qǐng)求信號(hào)，高電低有效；Aclr為異步清零端；Full為溢出指示信號(hào)，當(dāng)存儲(chǔ)器溢出時(shí)輸出高電平；FIFO輸出數(shù)據(jù)經(jīng)由nGCS2為片選信號(hào)的16位緩沖器（SN74LVTH16244A）后發(fā)送到ARM的數(shù)據(jù)總線上。

圖3 FPGA邏輯接口圖Fig.3 FPGA logic interface map

FIFO的寫請(qǐng)求信號(hào)由S3C2440A與FIFO的Full信號(hào)共同決定，當(dāng)ARM發(fā)出的Start信號(hào)為高電平，且FIFO的Full為低電平時(shí)，寫請(qǐng)求信號(hào)Wrreq有效，數(shù)據(jù)被寫入到FIFO中，當(dāng)Start=0或Full=1時(shí)，停止寫操作；對(duì)FIFO的讀操作則需與ARM的DMA操作協(xié)同進(jìn)行。本系統(tǒng)以單服務(wù)命令模式對(duì)DMA進(jìn)行操作，每次傳輸一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)位。當(dāng)DREQ0=0時(shí)DMA操作開始，每傳輸一個(gè)字節(jié)便產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，直到 DMA控制寄存器中的計(jì)數(shù)器為 0，產(chǎn)生DMA中斷。根據(jù)上述時(shí)序特點(diǎn)，將FIFO的空信號(hào)作為DMA的請(qǐng)求信號(hào) DREQ0，當(dāng) MII接口輸出的數(shù)據(jù)寫進(jìn)FIFO中時(shí)，空信號(hào)跳變?yōu)榈碗娖絾?dòng) DMA操作，同時(shí)以DACK0作為FIFO的讀請(qǐng)求信號(hào)。每一次 DMA傳輸完成后應(yīng)答信號(hào)使FIFO的讀指針移動(dòng)一位，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速準(zhǔn)確的傳輸。

2.3 MII接口電路的設(shè)計(jì)

由圖2可知，Internet網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)、Bluetooth網(wǎng)絡(luò)及PC終端等室內(nèi)高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間通過交換模塊實(shí)現(xiàn)各異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合，采用MII（Media Independent Interface）接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽PGA中，MII接口信號(hào)包括 MII數(shù)據(jù)接口和 MII管理接口[10]。MII數(shù)據(jù)接口的標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出信號(hào)包括：T_CLK、T_EN、TD、T_ER、R_CLK、R_CLK、R_DV、RD、R_ER、CRS 和 COL，MII 管 理 接 口 包 括 ：MDC 、MD_I、MD_O、MD_OEN，各信號(hào)的功能與管腳分配如表1所示。

表1 信號(hào)功能與腳管分配Tab.1 The signal function&distribution of legs

T_EN信號(hào)由MAC產(chǎn)生，與發(fā)送幀的第一個(gè)前導(dǎo)碼同步置為高電平（要求延遲不超過 4bits），且保持到所有發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束，用來激活物理層芯片發(fā)送邏輯。T_EN的下降沿要在最后一個(gè)數(shù)據(jù)傳送完后的第一個(gè)T_CLK上升沿之前產(chǎn)生。T_ER則在T_CLK同步下發(fā)送，如果T_ER信號(hào)保持一個(gè)或多個(gè)時(shí)鐘周期而此時(shí)T_EN依然為高電平，在此情況下 PHY就會(huì)在相應(yīng)時(shí)間里丟棄發(fā)送幀里的無效數(shù)據(jù)或SFD。

R_DV由物理層芯片產(chǎn)生，在接收時(shí)鐘R_CLK的同步下，數(shù)據(jù) RD[3..0]發(fā)送到 MAC層。接收有效信號(hào)R_DV從幀的第一個(gè)解碼后直到最后一個(gè)之后一直保持有效，在第一個(gè)時(shí)鐘的上升沿來到之前置為低電平。為保證在兩層之間正確接收幀，R_DV覆蓋整個(gè)幀時(shí)間。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

筆者著力于設(shè)計(jì)一個(gè)完成公網(wǎng)接入，實(shí)現(xiàn)家庭高速網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有線（以太網(wǎng)）、無線（Wi-Fi）方式訪問 Internet，低速家居設(shè)備 ZigBee無線組網(wǎng)，遠(yuǎn)程 Web方式訪問監(jiān)控家居設(shè)備的專用型家庭異構(gòu)網(wǎng)關(guān)。Internet的接入需要 PPP、PPPOE模塊的支持；高速局域網(wǎng)的組建需要 DHCP、NAT、防火墻、路由、Wi-Fi模塊的支持；智能家電無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)需要ZigBee模塊的支持；智能家居網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制則需要Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)、Web交互界面、串口交互程序的支持。為了節(jié)省系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間，可以通過移植一些基于嵌入式Linux的開發(fā)包，為系統(tǒng)提供服務(wù)支持。家庭異構(gòu)網(wǎng)關(guān)的軟件架構(gòu)如圖4所示。在嵌入式數(shù)據(jù)的建立中，采用“通信類型+區(qū)域+設(shè)備標(biāo)識(shí)”三層管理模式實(shí)現(xiàn)對(duì)不同戶型。

不同設(shè)備的通用管理。把室內(nèi)的設(shè)備按通信速度不同分為高速網(wǎng)絡(luò)和低速網(wǎng)絡(luò)兩大類，再按客廳、主臥等不同功能分成若干區(qū)域，最后在各區(qū)域內(nèi)對(duì)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)識(shí)來建立數(shù)據(jù)庫(kù)，減少設(shè)備標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)位，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?，降低設(shè)計(jì)難度。

4 結(jié) 論

本文對(duì)智能家居網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、智能家居異構(gòu)網(wǎng)關(guān)硬件電路、軟件架構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，完成了異構(gòu)網(wǎng)關(guān)軟硬件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)工作安全可靠，對(duì)推動(dòng)物聯(lián)技術(shù)在智能家居的應(yīng)用具有重要的意義。

文章創(chuàng)新點(diǎn)：1）提出一種基于ARM+FPGA的異構(gòu)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)，利用FPGA強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力，完成多種通信協(xié)議間不同數(shù)據(jù)格式間的兼容，有效減輕CPU的負(fù)擔(dān)，降低對(duì)CPU主頻的要求，降低硬件系統(tǒng)開發(fā)難度。2）采用“通信類型+區(qū)域+設(shè)備標(biāo)識(shí)”三層管理模式實(shí)現(xiàn)對(duì)不同戶型不同設(shè)備的通用管理。把室內(nèi)的設(shè)備按通信速度不同分為高速網(wǎng)絡(luò)和低速網(wǎng)絡(luò)兩大類，再按客廳、主臥等不同功能分成若干區(qū)域，最后在各區(qū)域內(nèi)對(duì)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)識(shí)來建立數(shù)據(jù)庫(kù)，有效壓縮設(shè)備標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，降低軟件設(shè)計(jì)難度。

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