基于Linux的物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計

洪嵐 王佳斌

【摘要】 隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，智能控制和無線傳感領(lǐng)域正在發(fā)生著一場重大的技術(shù)變革，智能家居系統(tǒng)的出現(xiàn)就是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的典型應(yīng)用。而智能網(wǎng)關(guān)作為整個智能家居系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)了無線傳感網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)、移動網(wǎng)絡(luò)的融合，完成不同類型的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，為遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理提供了橋梁。本文先介紹了目前通用的智能家居系統(tǒng)及其智能網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)，隨后著重介紹了智能網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計方案，使得網(wǎng)關(guān)可以實現(xiàn)與協(xié)調(diào)器的串口通信，以及網(wǎng)關(guān)和用戶手持終端的通信。由于嵌入式Linux的可靠性較高且穩(wěn)定性較好，因此網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計采用嵌入式Linux來實現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】 智能網(wǎng)關(guān) 嵌入式Linux Zigbee

引言：近年來，隨著科技的不斷發(fā)展，信息化建設(shè)越來越廣泛地應(yīng)用在日常生活中。智能家居系統(tǒng)的出現(xiàn)，滿足了人們對現(xiàn)代生活更簡便更快捷的要求。通用的智能家居系統(tǒng)的主要功能是能夠?qū)崿F(xiàn)用戶能遠(yuǎn)程地控制家中的家電設(shè)備并監(jiān)控家里環(huán)境等，智能網(wǎng)關(guān)則是人和家中設(shè)備通信的一個橋梁，是智能家居系統(tǒng)中最重要的控制單元。一方面，智能網(wǎng)關(guān)通過zigbee與系統(tǒng)中的所有設(shè)備進(jìn)行無線通信，讀取數(shù)據(jù)，并發(fā)送指令。另一方面，智能網(wǎng)關(guān)通過TCP/IP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議連接到網(wǎng)絡(luò)中，方便人們對其進(jìn)行訪問和讀取。由于接口的不同，通信方式存在差異，因此智能網(wǎng)關(guān)要完成不同設(shè)備之間的信息和數(shù)據(jù)交換的任務(wù)。智能網(wǎng)關(guān)的實現(xiàn)主要有電腦和嵌入式系統(tǒng)兩種方式，其中嵌入式系統(tǒng)具有體積小巧，成本低廉，可靠性高，穩(wěn)定性好、功耗小等優(yōu)點，更能符合智能家居系統(tǒng)中智能網(wǎng)關(guān)的性能要求，因此，本文采用嵌入式的Linux來進(jìn)行智能網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計。

一、智能家居系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)組成

在一個通用的智能家居系統(tǒng)中，主要是根據(jù)用戶的需求來設(shè)置智能節(jié)點，通常包含門禁系統(tǒng)，視頻監(jiān)控，家用電器，數(shù)據(jù)采集等。智能家居系統(tǒng)主要包括終端節(jié)點、智能網(wǎng)關(guān)和上機(jī)位系統(tǒng)等三個部分，智能網(wǎng)關(guān)是統(tǒng)一管理終端節(jié)點的控制設(shè)備。如圖1所示。

智能家居系統(tǒng)中終端節(jié)點主要有家用電器，水表電表，門禁節(jié)點，視頻監(jiān)控，防盜報警等等，這些設(shè)備通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)與智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，并把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)中進(jìn)行解析，智能網(wǎng)關(guān)把解析后的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)接脩舻氖种?，從而實現(xiàn)用戶對末端節(jié)點的監(jiān)測和控制。

二、網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)

智能網(wǎng)關(guān)主要板載嵌入式處理器，Zigbee網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器，天線，串口，以太網(wǎng)接口等模塊。

1、網(wǎng)關(guān)采用三星公司主流Cortex-A8嵌入式處理器，該處理器是采用的芯片是Samsung S5PV210，S5PV210采用了ARM CortexTM-A8內(nèi)核，ARM V7指令集，主頻可達(dá)1GHZ，64/32位內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)，32/32KB的數(shù)據(jù)/指令一級緩存，512KB的二級緩存，可以實現(xiàn)2000DMIPS（每秒運算20億條指令集）的高性能運算能力。其該處理器支持TCP/ IP協(xié)議，安卓軟件和Zigbee等應(yīng)用。。

2、Zigbee網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器是采用德州儀器設(shè)備公司主流CC2530無線收發(fā)芯片組成智能網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器，它作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)家庭內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的建立，對各個終端節(jié)點的入網(wǎng)加以驗證。Zigbee發(fā)收模塊部分，是將接收到的無線Zigbee信號通過串行通信的方式傳送到處理器芯片，另一個面，處理器發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，也是通過串行通信的方式，將數(shù)據(jù)傳送到Zigbee收發(fā)模塊，然后模塊將數(shù)據(jù)以Zigbee協(xié)議進(jìn)行發(fā)送。其采用的無線協(xié)議是zigbee2007。

3、網(wǎng)關(guān)通過外擴(kuò)LAN9220網(wǎng)卡芯片和RJ-45的水晶頭來實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。LAN9220集成了以太網(wǎng)的MAC和PHY，符合IEEE802.3/802.3u標(biāo)準(zhǔn)，支持全雙工和半雙工的模式，能夠自動生成并檢查32位的CRC，其引腳數(shù)少且體積小巧，適用于小型系統(tǒng)設(shè)計。

三、嵌入式Linux網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計

由于智能網(wǎng)關(guān)要處理的數(shù)據(jù)量比較大，不同設(shè)備之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換復(fù)雜，因此軟件設(shè)計考慮采用多線程的編程技術(shù)。多線程的編程技術(shù)優(yōu)點在它可以把上行數(shù)據(jù)和下行數(shù)據(jù)分開處理，且兩個線程可同時運行，節(jié)省了運行時間。這樣既充分發(fā)揮嵌入式Linux網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)性能，又能獲得最大的通訊效率和穩(wěn)定性[1]。網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)編程是通過Socket接口來實現(xiàn)的，系統(tǒng)在網(wǎng)關(guān)和上機(jī)之間建立了一個面向連接的服務(wù)，使網(wǎng)關(guān)用無線或者有線的方式和上位機(jī)進(jìn)行通信。在系統(tǒng)工作的主程序中，網(wǎng)關(guān)服務(wù)器不斷地檢測來自設(shè)備終端和來自用戶終端的連接請求，當(dāng)從任一端收到請求命令時，服務(wù)器被激活并創(chuàng)建一個子進(jìn)程與發(fā)送請求端通信，直到通信結(jié)束服務(wù)器方才結(jié)束該進(jìn)程，而主程序返回繼續(xù)檢測來自其他終端的連接請求。智能網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計主流程圖如下圖所示：

3.1 網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)庫的選擇

嵌入式系統(tǒng)可用的數(shù)據(jù)庫是很多種，本文選用SQLite數(shù)據(jù)庫， SQLite是一種開源數(shù)據(jù)庫，免費使用，功能完善，體積小巧，具有可自由授權(quán)，可移植且有多種API接口等特點[2]。首先把SQLite源碼移植到網(wǎng)關(guān)平臺上，然后在SQLite中創(chuàng)建一個用戶終端信息表和一個設(shè)備終端信息表。用戶終端信息表主要存儲用戶終端的信息，包括用戶名和密碼等。設(shè)備終端信息表主要記錄設(shè)備終端的狀態(tài)，從ZigBee 協(xié)調(diào)器發(fā)來的數(shù)據(jù)經(jīng)解析后存在這張表中。

3.2 創(chuàng)建網(wǎng)關(guān)的多線程

在嵌入式Linux系統(tǒng)中，創(chuàng)建一個進(jìn)程必須分配給它獨立的地址空間，同時還要建立從多的數(shù)據(jù)表，而創(chuàng)建一個線程，可以共享相同的地址空間和很多數(shù)據(jù)，節(jié)約了運行時間。但時在創(chuàng)建線程時必須考慮到其執(zhí)行的先后順序，這樣線程運行時才不會沖突[3]。在Lunux中，線程的創(chuàng)建要遵循POSIX線程接口，稱為pthread。在編寫程序時要先要調(diào)用pthread.h做為頭文件，然后使用函數(shù)pthread_create來創(chuàng)建一個線程。在線程結(jié)束時，通過函數(shù)pthread_ exit來結(jié)束一個線程，并返回相關(guān)參數(shù)。

3.3 與串口RS-232的通信

RS-232是工業(yè)設(shè)備中常用的一種串口，由于其通訊簡單，連線少而被定義為標(biāo)準(zhǔn)接口。嵌入式 Linux網(wǎng)關(guān)調(diào)用串口進(jìn)行通信的基本流程為打開串口，初始化串口，讀寫串口，關(guān)閉串口。串口初始化包括串口選擇、波特率設(shè)置、數(shù)據(jù)位數(shù)選擇、校驗碼選擇、停止位設(shè)置等。

3.4 網(wǎng)關(guān)服務(wù)器的socket編程

Socket（套接字）是兩組網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實現(xiàn)雙向通信并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的一個端口，主要是描述IP地址和端口。Socket可看成是在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層和傳輸層之間的一個虛擬層，當(dāng)成一個接口以供不同程序的調(diào)用，以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程之間的雙向通信。網(wǎng)絡(luò)的Socket數(shù)據(jù)傳輸是一種特殊的I/O，因此Socket也是一種文件描述符，常用的有以下三種類型：流式Socket、數(shù)據(jù)報Socket和原始Socket[4]。本文所采用的是流式Socket編程技術(shù)，對客戶端而言，智能網(wǎng)關(guān)相當(dāng)于Socket的服務(wù)器。

四、結(jié)語

本系統(tǒng)的中軟件設(shè)計，可以實現(xiàn)智能網(wǎng)關(guān)的功能，一方面可以讀取終端節(jié)點的數(shù)據(jù)，另一方面可以通過Internet與電腦或手機(jī)通信，使人們可以方便地通過手機(jī)、平板電腦等設(shè)備與智能家居系統(tǒng)進(jìn)行通信，遠(yuǎn)程讀取信息，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中的終端設(shè)備。但是智能家居系統(tǒng)是非常復(fù)雜且龐大的，涉及到的技術(shù)領(lǐng)域廣泛，在設(shè)計網(wǎng)關(guān)的過程中，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)還有許多地方需要改善，比如網(wǎng)關(guān)的功能還比較單一，接口較少，在未來的研究工作中，還應(yīng)多拓展網(wǎng)關(guān)的功能接口。另外，網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)安全性能還有完善，提高網(wǎng)關(guān)的安全性會使大大增加用戶的滿意度。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]吳晟，蘇慶堂，羅斌等，基于Soctet和多線程技術(shù)的并發(fā)服務(wù)器的研究[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報（理工版），2006，4：6-9.

[2]王京謙，萬蒞新，開源嵌入式數(shù)據(jù)庫Berkeley DBt SQLlite的比較[J]。單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用.2005（2）：5-7

[3] StevensW.R， Rago S A， Advanced Programming in the UNIX Environment（Second Edition），[M].London： Pearson Education， 2013.154-155

[4]文全剛，嵌入式Linux操作系統(tǒng)原理與應(yīng)用[M]。北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011（3）. 79-83