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计算机应用第３０卷

庭内部网络与Ｉｎｔｅｍｅｔ的通信。

Ｚｉｇｂｅｅ

Ｙ

Ｚｉｇｂｅｅ

Ｙ

ｌｚｉ曲ｅｅ终端ｌｌｚｉｇｂｅｅ终端ｌ

图１系统结构

系统处理基本流程如下：系统内部由Ｚｉｇｂｅｅ星型网络组成，家中电器开关状态和传感器的控制信息在网络中自由传输，经由协调器（Ｚｉｇｂｅｅ模块）传送至Ｗｅｂ服务器的网关，再由网关通过Ｗｉ—Ｆｉ经无线路由连接到外部以太网，用户可以通过远程用户界面端了解家中电器状态；家庭网关可以通过无线网络对远程用户的控制命令作出判断和响应，从而开启或关闭家中的电器。

２网关硬件平台设计

网关硬件电路主要由控制器模块（￥３Ｃ２４４０Ａ）、存储单元（６４

ＭＢＳＤＲＡＭ、６４ＭＢＮａｎｄ

Ｆｌａｓｈ和２

ＭＢＮｏｒ

Ｆｌａｓｈ）、通信

模块（Ｚｉｇｂｅｅ模块和ｗｉ—Ｆｉ模块）和显示模块（ＬＣＤ）等组成，其硬件电路结构框图如图２所示。

ＡＲＭ９芯片

（￥３Ｃ２４４０Ａ）

墨霉

ｌ！！垒鱼ｌ

墨露

图２系统硬件电路

２．１控制器模块

控制器是整个嵌入式家庭网关的核心，用来对Ｚｉｇｂｅｅ通信模块进行相应配置并接收Ｚｉｇｂｅｅ终端节点的数据，利用Ｗｉ—Ｆｉ协议将网关通过Ｗｉ—Ｆｉ模块连接到Ｉｎｔｅｍｅｔ网络。为了能达到高性能、低功耗的目的，设计的嵌入式网关采用以ＡＲＭ９２０Ｔ为核心的３２位的ＲＩＳＣ微处理器￥３Ｃ２４４０Ａ作为主控制器，该处理器集成了ＬＣＤ控制器、ＵＳＢＨｏｓｔ、ＮＡＮＤ控制器、ＢＵＳ控制器、中断控制、功率控制、存储控制、ＵＡＲＴ、ＳＨ和ＧＨＯ等丰富的外围资源。１ｏ，通过外扩存储器、串口、ＵＳＢ接口和ＪＴＡＧ调试接口等构成硬件平台。

２．２

Ｚｉｇｂｅｅ组网模块

在智能家居系统中，采用Ｚｉｇｂｅｅ无线通信技术将智能家

电设备组成星形网络。星形网络是一个辐射状的结构，网络命令和数据都是通过协调器传输，终端设备之问通信也是通过协调器转发，终端设备不是通信的起点就是通信的终点。Ｚｉｇｂｅｅ扩展模块在家庭网关中作为网络协调器，可以是通信的起点或终点，负责各子传感器节点的通信管理、动态组网与数据传输。Ｚｉｇｂｅｅ终端节点包括家庭内部网络中的门磁开关、红外对射探测器、玻璃破碎探测器、火灾探测器以及烟感和燃气泄露探测器等。

Ｚｉｇｂｅｅ模块采用ＪＥＮＮＩＣ公司的ＪＮ５１３９，这是业界第一款与ＩＥＥＥ８０２．１５．４兼容的低功耗、低成本无线控制模块。２ｏ。该模块与￥３Ｃ２４４０Ａ中的ＵＡＲＴｌ相连，￥３Ｃ２４４０Ａ中有三个通用异步串行接口，ＵＡＲＴ０是ＲＳ２３２接口，用来连接Ｐｃ机，ＵＡＲＴｌ和ＵＡＲＴ２是ｒＩＴｌｌＬ接口。这里使用ＵＡＲＴ０来连接，设置相应波特率后实现数据传输。其通信接口电路如图３所示，只需连接ＴＸＤ０和ＲＸＤ０两根信号线即可实现两者的数据传输通信。

万方数据

图３

ＪＮ５１３９的通信接口电路

２．３

Ｗｉ—Ｆｉ通信模块

该模块用来实现家庭网关与Ｉｎｔｅｍｅｔ连接。ｗｉ—Ｆｉ模块

采用威盛的ＶＴ６６５６芯片实现数据的远程传输，ＶＴ６６５６芯片内嵌ＴＣＰ／ＩＰ协议栈，降低了设计的难度，同时大大提高了主控制器处理其他数据的能力。ＶＴ６６５６与￥３Ｃ２４４０Ａ的连接非常简单，二者可以通过标准的ＵＳＢ接口直接相连。ＶＴ６６５６芯片的主要特性：５４Ｍｂｐｓ标准８０２．１ｌｇ无线Ｉｎｔｅｒｎｅｔ访问，比基于８０２．１１ｂ协议快５倍；采用ＵＳＢ２．０最高比ＵＳＢ１．１快４０倍；新的天线技术支持更远距离的无线访问；支持所有标准８０２．１ｌｇ和８０２．１ｌｂ无线路由器及接入点；支持６４／１２８／１５２位ＷＥＰ加密；支持ＷＰＡ／ＷＰＡ２、ＷＰＡ—ＰＳＫ／ＷＰＡ２一ＰＳＫ等高级加密与安全机制。

３软件平台设计

软件平台采用一种开放源码的Ｌｉｎｕｘ操作系统，便于在其基础上完成各项相关应用程序的开发。软件主要涉及到操作系统的裁剪与编译、驱动程序编写和系统主程序编写。３．１家庭网关软件体系结构

家庭网关采用模块化设计方案，如图４所示由硬件驱动层、操作系统层、网络协议层和应用程序层组成。硬件驱动层描述网关节点中Ｚｉｇｂｅｅ模块和ｗｉ—Ｆｉ模块的驱动；操作系统层移植了ＡＲＭＬｉｎｕｘ实时操作系统内核；网络协议层移植了Ｚｉｇｂｅｅ和ｗｉ—Ｆｉ协议栈，实现Ｚｉｇｂｅｅ和ｗｉ—Ｆｉ协议双向转换；应用程序层在Ｌｉｎｕｘ内核上移植嵌入式Ｗｅｂ服务器软件

Ｂｏａ。

应用程序层嵌入式ｗｅｂ服务器Ｂｏａ

网络协议层ｚｉ曲ｅｅ协议栈ｌＷｉ—Ｆｉ协议栈

操作系统层硬件驱动层

ｚｉｇｂｅｅ模块ｌＷｉ．Ｆｉ模块

图４家庭网关结构

网关中的网络协议层主要完成从Ｗｉ—Ｆｉ和Ｚｉｇｂｅｅ协议的相互转换工作。对于从Ｚｉｇｂｅｅ设备发送到ｗｉ—Ｆｉ的数据，在网关需要经过以下处理步骤：Ｚｉｇｂｅｅ设备接收到数据一去掉物理层Ｚｉｇｂｅｅ分组一去掉ＭＡＣ层Ｚｉｇｂｅｅ分组一添加ＭＡＣ头的Ｗｉ—Ｆｉ分组＿＋添加物理层头的Ｗｉ—Ｆｉ分组＿＋ｗｉ—Ｆｉ处理或发送。ｗｉ—Ｆｉ接收数据到发送给Ｚｉｇｂｅｅ设备的过程如下：ｗｉ—Ｆｉ接收到数据＿＋去掉物理层Ｗｉ—Ｆｉ分组一去掉ＭＡＣ层ｗｉ—Ｆｉ分组一添加ＭＡＣ头的Ｚｉｇｂｅｅ分组＿＋添加物理层头的Ｚｉｇｂｅｅ分组一－Ｚｉｇｂｅｅ处理或发送。Ｗｉ—Ｆｉ－－Ｚｉｇｂｅｅ通信协议模型如图５所示。

网络应用层

ＩＰＩＰＩ—＋Ｉ数据链路层

ＬＬＣ

ＬＬＣ拳墨一

Ｉ 叫ＬＬＣ

Ｗｉ—ＦｉＭＡＣＺｉｇｂｅｅ

ＭＡＣｌ －—叫ＺｉｇｂｅｅＭＡ

Ｗｉ—ＦｉＰＨＹ

ＺｉｇｂｅｅＰＨＹ

Ｉ叫ｚｉｇｂｅｅ

ＰＨＹ

图５Ｚｉｇｂｅｅ／Ｗｉ－Ｆｉ网关的通信协议模型

３．２

Ｚｉｇｂｅｅ组网软件设计

家庭网关集成了Ｚｉｇｂｅｅ网络协调器和嵌入式Ｗｅｂ服务