摘 要： 為了實現家庭內部網路與Int ernet 以及GSM 網的互聯， 提出了一種嵌入式" title="嵌入式">嵌入式無線智能家居" title="智能家居">智能家居網關" title="網關">網關系統(tǒng)" title="系統(tǒng)">系統(tǒng)的設計" title="設計">設計方案" title="方案">方案,。該網關系統(tǒng)的硬件平臺以ARM920T 核處理器S3C2440 為主處理器,， 采用ZigBee 協議建家庭內部網絡,， 而且通過以太網模塊和GSM 模塊接入外部網絡。軟件平臺采用Linux 操作系統(tǒng),， 通過交叉編譯設計網關的應用程序,。最后， 以QtopiaCo re 為嵌入式GUI, 進行家庭網關監(jiān)測應用軟件的功能需求分析,， 設計圖形用戶界面,， 實現家庭內部信息的查詢?；贏RM9 和Linux 的嵌入式網關系統(tǒng),， 可擴展性強， 數據處理速度快,， 使用簡單,， 能夠對家庭網絡內部多項環(huán)境信息進行監(jiān)測。
0 引言
智能家居系統(tǒng)是為適應現代化家庭生活而形成的一個形式多樣化的網絡系統(tǒng),。它是現代3C技術（計算機技術,，通信技術，控制技術）與傳統(tǒng)家居系統(tǒng)相結合的產物,，是家居信息化未來的發(fā)展方向,。智能家居網絡通常包括智能家居網關，外部網,，安防設備等,。智能家居網關與其他4個部分連接，交互信息,，對它們進行統(tǒng)一的管理,。此外，智能家居網關還接入外部網絡,，使用戶能夠遠程實時控制管理家庭內部網絡,。
在本文中，智能家居網絡是指應用于家庭環(huán)境的無線傳感器網絡,。在家庭中,，部署各種傳感器，例如紅外傳感器,，煙霧傳感器,，RFID門磁傳感器來監(jiān)測家庭的一些環(huán)境信息，這些傳感器通過自組織方式就構建了智能家居網絡,。所以本文設計的智能家居網關主要是實現WSN網絡與Internet以及GSM網的互連,。顯然，智能家居網關是整個家庭網絡的核心,，主要實現Internet網,，GSM網的接入,，遠程控制，以及實現協議轉換連接家庭內部異構網絡的功能,。目前基于PC方案的家庭網關不僅成本高,，而且要求計算機一直處于開機狀態(tài)，因此,，對于普通的用戶,，家庭網關應采用廉價的嵌入式CPU,，若單是采用8位或者16位的單片機,，由于速度慢且資源有限，不能實現復雜的控制,，效果不理想,。
因此，以ARM920T核處理器S3C2440為主處理器,，家庭內部通過JENNIC 5139射頻模塊自組織無線網絡,。GSM模塊選用Wavecom GSM模塊。此外,，本文用Qt設計了用戶可操作的觸摸屏界面,。
1 網關需求分析
網關系統(tǒng)的主要功能是在現場及遠程終端監(jiān)控家庭各個傳感器的工作狀態(tài)，并在異常時報警,。各個傳感器將各自采集的信息,，經過JEN-NIC射頻模塊的無線傳輸，傳送到網關系統(tǒng)上,，通過嵌入式微處理器操作系統(tǒng),，將信息通過有線或者無線方式傳送到遠程終端上或者用戶手機上。網關部署如圖1所示,。
圖1 網關部署結構圖
本文要實現的目標有以下3個：
?。?）實現用戶在任何時間，任何地點通過遠程無線的方式對家庭內的環(huán)境信息查詢,；
?。?）對家庭內部的環(huán)境信息進行實時監(jiān)控，當其中某一項參數超過一定指標時,，以遠程無線方式通知用戶,，發(fā)送報警信息；
?。?）*遠程終端的連接請求,，當有遠程Socket連接時網關發(fā)送數據。
2 網關總體設計
現階段大部分的家庭網關聯網方式主要為有線接入,，本文提出了一種基于ARM處理器和GSM網絡,，以linux為操作系統(tǒng)的家庭網關無線接入方案,，目的是能通過手機短信或者遠程終端對控制節(jié)點進行遠程控制。并使用JENNIC無線射頻模塊實現家庭內部子網采集數據的無線傳輸,。
網關系統(tǒng)的總體結構圖可以簡化為硬件層和軟件層,。硬件層由高性能的微處理器和多個功能模塊組成。軟件層由嵌入式操作系統(tǒng)以及應用軟件構成,，其具體結構如圖2所示,。
圖2 網關總體架構
3 家庭網關硬件設計
本次網關設計的硬件層主要采用嵌入式的ARM9開發(fā)平臺。嵌入式ARM處理器具有體積小,，功耗低,，成本低，性能高等特點,，是十分優(yōu)秀的RISC處理器,。其中三星公司的S3C2440是一款優(yōu)秀的ARM9核心處理器，具有400 MHz的主頻,，內部集成多個功能模塊,，支持NAND-flash啟動等特點，是目前市場上最常見的嵌入式處理器芯片,。因此,，本系統(tǒng)擬采用S3C2440處理器為核心處理器。
考慮主控制器擴展出來的串行接口數量有線,，程序的調試,，燒寫，傳感器節(jié)點等都需要串行接口,。所以,，選擇了AU9254這款USB PUB芯片來實現USB串行口的擴展。以太網控制器和配合擴展的RJ 45接口主要用于與Internet網絡互聯,。射頻收發(fā)模塊和GSM無線模塊擬采用標準的串口集成到網關上,。人機接口打算使用LCD觸摸屏，可以方便地觀察節(jié)點的配置以及檢測環(huán)境的變化,。JTAG接口將引導加載程序燒寫在網關中,。具體的硬件架構圖如圖3所示。
圖3 網關硬件架構圖
4 家庭網關軟件設計
4.1 構建網關嵌入式Linux操作系統(tǒng)
網關系統(tǒng)硬件平臺與功能應用之間,，需要專門的負責管理存儲器分配,，中斷處理以及任務調度等功能的軟件模塊，這就是嵌入式操作系統(tǒng),。嵌入式操作系統(tǒng)是用來支持嵌入式應用的系統(tǒng)的軟件,，包括硬件相關的底層驅動，系統(tǒng)內核，通信協議,，圖形用戶界面等,。
本文的網關系統(tǒng)是面向WSN和Internet，GSM互聯的通信應用,，主要完成異構網絡之間的通信和控制,，因此需要選擇實時的操作系統(tǒng)。在眾多的嵌入式實時操作系統(tǒng)中,，從開發(fā)成本,，軟件支持和代碼開放的角度考慮，本文將采用Linux操作系統(tǒng)作為網關的系統(tǒng)的操作系統(tǒng),。
4.2 建立交叉編譯環(huán)境
交叉編譯就是在一個平臺上生成另一個平臺上可以執(zhí)行的代碼,。這里的平臺包括體系結構和操作系統(tǒng)。同一體系結構上可以運行不同操作系統(tǒng),。同樣,，同一個操作系統(tǒng)也可以在不同的體系結構上運行,。
本文是在裝有Ubuntu 9.10（基于X86架構的Linux操作系統(tǒng)）的PC機上為網關系統(tǒng)建立了基于ARM9的交叉編譯環(huán)境,。建立之后，就可以在PC機上對將在網關系統(tǒng)上運行的應用程序進行編譯,，從而生成可以在網關系統(tǒng)上運行的可執(zhí)行代碼,，最后下到網關系統(tǒng)上。這也就是目前嵌入式程序開發(fā)的宿主機／目標機（HOST／TARGET）模式,。
Linux交叉編譯環(huán)境的內容,，主要分為4個部分：GCC編譯器（C語言編譯器），二進制工具包（Binutils）,，標準C庫（Glibc）和Linux內核頭文件,。Glibc和GCC都有很多版本，需要根據實際需要選擇合適的版本,。
4.3 網關應用程序設計
本次網關系統(tǒng)的應用軟件架構圖4所示,。其主要功能是依據傳感器配置文件，分類解析WSN中的數據,，為用戶提供Socket數據服務和XML-RPC遠程調用服務,。其工作流程是：網關程序啟動以后，從XML文件夾中解析所有的傳感器配置文件,；*串口數據,，利用傳感器配置文件解析數據生成XML數據流；創(chuàng)建Socket服務器,，等待客戶端數據請求,，提供XML格式的Socket服務；創(chuàng)建XML-Socket遠程調用服務器，完成用戶的XML請求,。
圖4 網關系統(tǒng)的軟件架構
程序設計思路如圖5所示：網關程序啟動,，完成參數初始化，解析XML文件夾下的所有傳感器配置文件,，創(chuàng)建3個類的實例,。4個任務隊列。Serialcomm類創(chuàng)建兩條線程用讀串口和寫串口,，這樣可以保證數據的實時性,。基于同樣的道理,，XMLParser類和XMLComm類也是雙線程并行工作,。這樣就組成了從WSN和Internet的上行通道（圖5中的虛線表示），以及Internet到WSN的下行通道（圖5中的粗線表示）,。
圖5 網關應用設計思路圖
4.4 人機接口模塊的設計
人機接口使用的是項目中使用的觸摸屏是240×320 TFT彩屏LCD,。該模塊主要設計以下4個菜單供用戶操作：文件菜單，查詢菜單,，報警菜單和管理菜單,。這部分的設計使用Qt設計。Qt是一個跨平臺的C++圖形用戶界面庫,，由挪威TrollTech公司開發(fā),，目前包括Qt／X11、基于Framebuffer的Qt／Embedded,、快速開發(fā)工具Qt Designer以及國際化工具Qt Linguist等,。Qt的良好封裝機制使其模塊化程度非常高，可重用性較好,，對于用戶來說非常的方便,。Qt API和開發(fā)工具對所有支持平臺都是一致的，從而可以進行獨立于平臺的程序開發(fā)和配置,。它使得跨平臺軟件編程直觀,、簡易和方便。
本文所有的可視化界面都是通過Qt自帶的工具Qt designer設計,，它是一個可視化的界面設計工具,，對于其每個組件內部的關系通過編寫代碼來實現。
網關登陸界面主要用于用戶登陸信息的輸入,，包括用戶名和密碼,。用戶正確輸入用戶名和密碼之后，就可以進入網關的主界面,，如圖6所示,，可以看到,，這里有4個菜單，當點擊每一個菜單分別進入相應的功能界面,，例如點擊文件菜單,，可進入配置文件的編輯界面。在此界面上可以修改網關系統(tǒng)的配置文件,。這個界面具有一般文件界面的所有功能,。這幾個界面都比較簡單，比較容易實現,。在此重點介紹監(jiān)控界面的設計,。
圖6 網關主界面
監(jiān)控界面是該系統(tǒng)用戶界面的主要部分。它主要是查看目前家里的環(huán)境信息,。和這相關的文件有query.ui,，ui_query.h，query.h,，query.cpp等,，其中query.ui是Qt Designer設計的主界面函數，如圖7所示,。Ui_query.h是moc編譯器產生的函數,。本文中需要的函數一般都在query.h，query.cpp中得到體現和實現,，主要包括信息的查詢,，這里既可以查看一段時間內家庭內的環(huán)境信息，也可以輸入查詢日期,，查詢某天的數據信息。根據需求,，設計的主要實現函數為：
圖7 網關的查詢界面
這些槽函數是根據按鈕要實現的具體功能而設計的,。具體實現在query.cpp中,。
通過這部分的設計,，實現了網關的人機界面部分,?？梢詫νㄟ^此網關系統(tǒng)對家庭信息進行查詢,。
4.5 報警功能
該網關的報警功能主要是網關主控制器通過操作串口來操作GSM模塊,，使用AT指令來完成,。在該網關中,，報警功能實現當家庭網絡中的信息超過某一閾值時,，發(fā)送報警信息,。
5 結語
本文立足于WSN和Internet，GSM異構互聯研究,，針對WSN與Internet,，GSM互聯的網絡接入要求，完成了基于ARM9的家庭網關系統(tǒng)的研究與設計。從硬件平臺上來說,，提供了豐富的接口以便不同網絡的接入,，從軟件平臺來說，實現了用戶對家庭網關的訪問,，通過用戶可操作的人機界面來對家庭內的環(huán)境信息進行查詢,。當家庭內某一項環(huán)境信息超標時，通過使用AT指令控制GSM模塊來向用戶發(fā)送報警短信,。