基于SOPC的智能家居網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

龔名茂 徐思燕

摘 ? 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的逐步成熟，智能家居已經(jīng)進(jìn)入實(shí)際運(yùn)用階段，讓人們感受到科技帶來的高效、舒適、智能化的生活。但是現(xiàn)在智能家居設(shè)備品種繁多，并且存在著多種通信協(xié)議，導(dǎo)致各種家居設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。在現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議中，ZigBee是一種比較完備的通信協(xié)議。因此，為了實(shí)現(xiàn)協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換，在SOPC技術(shù)基礎(chǔ)上，文章設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了將ZigBee通信協(xié)議和TCP/IP協(xié)議相互轉(zhuǎn)換的智能家居網(wǎng)關(guān)。

關(guān)鍵詞：可編程片上系統(tǒng);ZigBee通信協(xié)議;傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議;協(xié)議轉(zhuǎn)換

智能家居系統(tǒng)一般由智能家居業(yè)務(wù)平臺(tái)、智能家居網(wǎng)關(guān)、智能家居終端傳感器以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)3個(gè)部分構(gòu)成，其中，家庭網(wǎng)關(guān)作為智能家居的核心部分，主要實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換、協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、節(jié)點(diǎn)管理，實(shí)現(xiàn)家庭外部網(wǎng)絡(luò)與室內(nèi)各種家居設(shè)備之間的信息互聯(lián)互通[1]。本文對原有的家庭網(wǎng)關(guān)方案進(jìn)行研究和分析，在此基礎(chǔ)上，提出利用可編程片上系統(tǒng)（System-on-a-Programmable Chip，SOPC）技術(shù)實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)方案。

1 ? ?網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)構(gòu)建

網(wǎng)關(guān)總體的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。網(wǎng)關(guān)硬件由可編程邏輯控制器EP4CE15和外圍模塊兩部分組成[2]。在現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）內(nèi)部構(gòu)建了Nios Ⅱ處理器系統(tǒng)和時(shí)鐘模塊。外圍電路包括FLASH，同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（Synchronous Dynamic Random Access Memory，SDRAM），以太網(wǎng)電路，ZigBee通信模塊，狀態(tài)顯示模塊和聯(lián)合測試行為組織（Joint Test Action Group，JTAG）電路[3]。其中，Nios Ⅱ處理器采用快速型內(nèi)核，并且加入一個(gè)全功能模式的定時(shí)器timer0。靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Static Random Access Memory，SRAM）采用的是Hynix公司的HY57V2562GTR，F(xiàn)LASH芯片采用的是Altera公司生產(chǎn)的EPCS64。

網(wǎng)關(guān)與ZigBee模塊通信使用通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART），通信協(xié)議為115200波特率，8位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗(yàn)，無硬件流控制。

EP4CE15系統(tǒng)內(nèi)構(gòu)建三速以太網(wǎng)（Triple-Speed Ethernet，TSE）核實(shí)現(xiàn)媒體介入控制層（Media Access Control，MAC），它主要接收來自外部網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，并將其數(shù)據(jù)解析后重新封裝成ZigBee協(xié)議，另外，也需要進(jìn)行逆轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)選擇的以太網(wǎng)芯片是PHY DP83848。根據(jù)本系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的需求，對Nios II處理器系統(tǒng)的IP進(jìn)行設(shè)計(jì)和整合，最終生成Nios II的處理器系統(tǒng)。

2 ? ?網(wǎng)關(guān)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 ?ZigBee通信協(xié)議設(shè)計(jì)

在智能家居控制系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)智能家居網(wǎng)關(guān)對各種家居設(shè)備的管理和控制，需要有統(tǒng)一的通信協(xié)議作為信息交互的橋梁。ZigBee數(shù)據(jù)包協(xié)議格式如表1所示。

其中，0xAA，0x55：幀頭，代表一幀數(shù)據(jù)的開始，接收端接收到該字段即表明數(shù)據(jù)來自于各個(gè)節(jié)點(diǎn)。

CMD：命令字，指定了這條指令將執(zhí)行何種操作。

Payload：有效載荷，傳輸指令的參數(shù)，如溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)等。

CRC16：16位CRC校驗(yàn)，該校驗(yàn)確保數(shù)據(jù)通信的可靠性。

0x0D，0x0A：幀尾，標(biāo)志著一條指令的結(jié)束。

本設(shè)計(jì)通過該通信協(xié)議，將ZigBee協(xié)議變成傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP），實(shí)現(xiàn)ZigBee家居設(shè)備與智能家居控制中心之間的通信以及控制中心對設(shè)備的控制和管理。

2.2 ?應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

為了方便地使用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在上述硬件系統(tǒng)中加入μClinux操作系統(tǒng)，在該操作系統(tǒng)上進(jìn)行ZigBee協(xié)議與TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換。在該操作系統(tǒng)中應(yīng)用程序設(shè)計(jì)主要包括串口和網(wǎng)口兩個(gè)部分。

由于在μClinux系統(tǒng)中已經(jīng)有串口驅(qū)動(dòng)程序，因此，串口應(yīng)用程序設(shè)計(jì)只需利用μClinux操作系統(tǒng)中應(yīng)用層的open（），read（），write（），close（）等函數(shù)對串口進(jìn)行操作，其具體操作步驟如圖2所示。

網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)首先需對已有的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行修改，把本文中的端口物理層（Physical Layer，PHY）芯片的設(shè)備和狀態(tài)信息、PHY和多址接入信道（Multiple Access Channel，MAC）配置信息加入到驅(qū)動(dòng)程序中。在此基礎(chǔ)上，才能利用μClinux系統(tǒng)中的socket套接字進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。

3 ? ?實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用網(wǎng)絡(luò)助手和串口助手，對本文網(wǎng)關(guān)的功能進(jìn)行驗(yàn)證。首先，利用串口助手向網(wǎng)關(guān)的串口發(fā)送符合ZigBee協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)助手接收數(shù)據(jù)，然后利用網(wǎng)絡(luò)助手向網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)口發(fā)送ZigBee格式的數(shù)據(jù)，利用串口助手接收。經(jīng)過反復(fù)的測試，TCP/IP與ZigBee協(xié)議之間能正確轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換過程中數(shù)據(jù)出錯(cuò)次數(shù)為0，證明了本設(shè)計(jì)的可靠性和穩(wěn)定性。

4 ? ?結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于SOPC技術(shù)的智能家居網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)ZigBee和TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換。首先，對SOPC技術(shù)進(jìn)行簡介;其次，分別介紹網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì);最后，對網(wǎng)關(guān)的功能進(jìn)行驗(yàn)證，證明本網(wǎng)關(guān)具備ZigBee和TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換的功能。

[參考文獻(xiàn)]

[1]趙海，邵士亮，朱劍，等.一種連接WSN與Intternet的多核嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012（1）：65-68.

[2]杜超，陳濟(jì)民.基于SoC的嵌入式網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2011（9）：89-93.

[3]張杰.基于FPGA的嵌入式以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2014.