摘要：設計一種新型的基于ZigBee技術的智能無線網關控制系統(tǒng)，以S3C2410為平臺，采用Linux操作系統(tǒng)，實現智能家庭網關與終端設備的無線連接；重點研究了該系統(tǒng)的組成、系統(tǒng)的軟硬件設計，以及利用ZigBee技術實現對終端設備的控制。
關鍵詞：家庭網關；無線；ZigBee；Linux操作系統(tǒng)

引言
    隨著網絡技術和現代通信技術的發(fā)展，家庭網絡化已經成為家庭現代化的趨勢。家庭網絡可視為一種分布式網絡，通過無線家庭網關實現對普通家電終端的遠程控制是未來的發(fā)展趨勢，岡此無線家庭網關是整個家庭網絡的核心，它主要實現網絡接入、遠程控制以及無線連接家庭內部異構子網等功能。其中無線網關控制技術是一個需要解決的關鍵問題。
    目前無線控制技術主要有IrDA、ZigBee、無線USB、藍牙、Z-Wave。在以上技術中，IrDA技術最具有成本優(yōu)勢且協(xié)議簡單，但傳輸方向單一，不能組網。WirelessUSB的成本較高，主要用于傳輸高速多媒體數據，不適合智能家庭的控制應用。藍牙技術主要用于傳輸語音，如果將其應用在智能家庭網關控制，將帶來傳輸距離受限和控制協(xié)議復雜等問題。Z-Wave是從ZigBee標準中精簡而來，但該技術目前尚不支持全球通用的2．4 GHz頻段。ZigBee技術在傳輸距離、可靠性以及組網能力方面都極具優(yōu)勢，本文利用ZigBee技術對智能無線家庭網關控制技術進行研究。

1 無線智能家庭網關控制技術的結構設計
1．1 家庭網關組網技術的選擇
    ZigBee技術是一種新興的遠距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術。ZigBee技術的低數據速率特點，適合于承載數據流量較小和QoS的要求不高的業(yè)務，因此，ZigBee技術是最適合智能家居系統(tǒng)的組網技術。對于智能家居系統(tǒng)來說，該網絡自身是一個動態(tài)系統(tǒng)，不斷與外界環(huán)境相互影響，網絡中傳輸的數據量不大，網絡節(jié)點多，要求低功耗，因此家庭無線網關利用ZigBee技術，其拓撲結構采用星型結構組網。
1．2 家庭網關的無線組網設計
    基于ZigBee技術的家庭網關系統(tǒng)結構框圖如圖1所示，家庭網關和若干個無線通信ZigBee節(jié)點模塊組成星形結構的家庭傳輸網絡。家庭網關是網絡協(xié)調器，它主導網絡的建立，監(jiān)督網絡的正常運行，配置存儲空間，實現網絡初始化、數據采集、設備控制等功能。另外，它配置16位本地地址給設備以節(jié)省帶寬。其他的無線通信ZigBee模塊只能與家庭網關之間進行通信，實現狀態(tài)采集、查詢響應、設備控制等。智能家庭網關是一個智能的嵌入式網絡系統(tǒng)，包括硬件和軟件兩部分。

1．3 智能家庭網關硬件結構設計方案
    硬件部分需要提供多種多樣的網絡接口類型與控制接口，主要由主控制器、GPRS模塊和ZigBee射頻通信模塊3部分組成，其結構框圖如圖2所示。

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    主控制器CPU控制各種各樣的接口，包括以太網接口、USB接口、ADSL接口、WLAN接口等。主控制器采用三星公司的ARM9微處理器S3C24-10X，它具有外圍擴展功能模塊，能夠實現高速處理。GPRS模塊采用Siemens公司的TC35終端，通過串口與CPU相連，實現與Internet。的連接。ZigBee射頻收發(fā)模塊采用Chipcon AS公司的CC2420芯片．控制家庭網內具備ZigBee標準接口的家用電器。在家電控制器上加載ZigBee無線通信模塊成為家庭分布式網絡的終端設備。

2 無線智能家庭網關控制技術的實現
    在選定了家庭網關的硬件平臺后，家庭網關便有了自己的物理載體，但僅僅是硬件部分，并不能實現家庭網關所應具有的功能，還需要有建立在硬件平臺之上的軟件控制系統(tǒng)。
2．1 智能家庭網關系統(tǒng)的選用
    家庭網關采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)進行開發(fā)，包括與硬件相關的底層驅動軟件、系統(tǒng)內核、設備驅動接口、通信協(xié)議、圖形界面等。操作系統(tǒng)主要實現以下功能：
    ①建立交叉編譯環(huán)境。
    ②引導裝載程序(Bootloader)，能實現系統(tǒng)的快速引導，提供瞬間開機功能；負責將Linux內核加載到內存，并將控制權交給內核初始化程序。
    ③Linux內核(kernel)的移植與裁減。Linux內核采用模塊化的組織結構，通過增減內核模塊的方式來增減系統(tǒng)的功能，正確合理地設置內核的功能模塊，只編譯系統(tǒng)所需功能的代碼，以獲得更高的運行速度。
    ④裝載文件系統(tǒng)(file system)。嵌入式系統(tǒng)一般不具備硬盤等大容量存儲體，而用Flash為主存儲器，其文件系統(tǒng)也具有特殊性。
    ⑤開發(fā)圖形用戶界面(GUI)。
    ⑥選擇上層應用程序(applieation)。
2．2 智能家庭網關軟件結構的設計
    智能家庭網關采用分層軟件設計結構，如圖3所示。在整個軟件框架中，位于底層的是各類硬件驅動程序，通過嵌人式Linux操作系統(tǒng)實現底層硬件設備的驅動與管理。嵌入式Linux操作系統(tǒng)之上是針對設計需要而移植的TCP／IP協(xié)議與ZigBee通信協(xié)議。協(xié)議層之上為應用程序層，其中包括Web、CGI程序與嵌入式用戶圖形系統(tǒng)QT和一些其他的嵌入式應用程序。其中嵌入式web服務器，提供了全中文的Web管理界面，用于家庭網關的遠程訪問和管理，QT是基于本地LCD的一個強大的圖形界面系統(tǒng)，實現在家庭內部通過ZigBee對家電終端的訪問和控制。

2．3 ZigBee通信控制的實現
    (1)智能家庭網關與終端設備通信連接的建立
    在家庭網關硬件平臺的ZigBee適配器與終端設備之間建立的無線通信連接，是基于無線替代有線而建立的無線信道連接，它與實際的串行連接并沒有太大的差別。這樣，在Linux下利用先前移植的ZigBee工具包，完成家庭網關硬件平臺上無線適配器與終端設備之間的配對與連接后，就可以以操作設備文件的方式對這條無線信道的串行連接進行操作，在本地實現對終端設備的通信和控制。主要包括兩個方面的內容：一個是網關發(fā)送的控制指令要通過ZigBee發(fā)送到終端設備，另一個是終端設備反饋給家庭網關的狀態(tài)數據也要通過ZigBee的方式發(fā)送給家庭網關。通信過程的結構框圖如圖4所示。

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     按照需求編寫相應通信控制程序、編譯并下載到目標系統(tǒng)。這些程序要遵循通信協(xié)議。
    (2)通信連接過程的部分實現代碼

3 總結
    本文利用ZigBee技術，以S3C2410為平臺，采用Linux操作系統(tǒng)，對無線智能家庭網關與設備終端之間控制技術進行分析，并對硬件結構和軟件實現進行了設計。該智能家庭無線網絡控制系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好，實時性強，控制距離遠，協(xié)議簡單等特點，克服了目前家庭網關的一些缺點。