基于嵌入式的无线家庭网关设计

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 1.22MB 56 页 15积分
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摘 要
家庭网关是智能家居系统中的核心设备，也是智能家居领域研究的一个重要
点，它作为连接家庭网络和外部网络的枢纽，实现了家庭网络和外部网络的信息
数据交换，在整个的智能家居系统中起着至关重要的作用。本论文通过对家庭网
关的研究，设计实现了一种基于 ZigBee 星型家庭网络的家庭网关。
家庭网络的组建与家庭网关的设计有着紧密的联系，家庭网关的设计依赖于
家庭网络的组建方案。在家庭网络的组建上，业界还没有统一的规范，利用各种
技术的组网方案均有研究。作为小范围内设备通信的无线联网技术，ZigBee 这种
无线通信技术具有近距离、低功耗、低复杂度、低成本的特点。在家庭智能化、
工业领域、医疗等方面，ZigBee 技术与传感器技术得到了广泛应用。
在家庭网络方面，本文对 ZigBee 网络的组建和利用 ZigBee 协议栈进行应用开
发进行阐述，提出了采用 ZigBee 星型网络组建无线家庭网络的方案，并组建实施，
实验测试中，网络运行基本稳定，网络节点可以与网关平台进行数据传输，为网
关测试提供了条件。
在网关平台的构建方面，根据 ZigBee 星型家庭网络的特点和网关的功能应用
需求，确定了网关系统的总体设计方案。考虑到家庭网关的复杂性和扩展性，选
取一种合适的操作系统是必要的，嵌入式 Linux 操作系统具有内核健壮稳定，网络
通信效率高的特点，在本设计中采用了嵌入式 Linux 系统作为网关平台的操作系
统。介绍了嵌入式 Linux 操作系统在 ARM9 平台上的构建过程，在此基础上移植
嵌入式数据库，研究了 Web Server 和通用网关程序 CGI，设计家庭网络管理平台
的各个模块，最终实现了一种 ZigBee 无线家庭网关，测试过程中，网关系统运行
情况良好，实现了通过家庭网关对家庭网络内的节点设备的远程控制。
关键词：家庭网关 家庭网络 ZigBee 嵌入式系统 Linux
ABSTRACT
In smart home system, home gateway is the core device and people spend much
energy in researching it in this field. as a hub, it connect home network and external
network, realizing the information and data exchange and it is the most important role in
smart home system. This paper designs and realizes a new kind of home gateway after
researching it.
There is a close relation between home gateway and home network, the design of
home gateway depends on that of home network. In the field of the construction of
home network, there is no uniform standard about using which technology to construct
home network, many sorts of technologies constructing home network are being studied.
As the latest wireless communication technology with a small range, it has
characteristic like close distance, low power consumption, low complexity, low cost. It
has been widely used in the smart home, industrial field, medical, etc.
In the home network, the paper introduces the features of the ZigBee technology,
ZigBee standard, then show how to build ZigBee network and use ZigBee protocol
stack for developing application, proposes and implements a kind of ZigBee network
with a type of star as wireless home network, it simulates the real ZigBee home network,
it is the basis of testing the home gateway platform, the test results show that the
network is basically stable.
In the construction of gateway platform, According to the chararcteristics of
ZigBee home network and the functionality of gateway, the design scheme of whole
system is determined. Considering the complexity and the expansibility of residential
gateway, it is necessary to select a suitable operating system. Linux has main
characteristics of vigorous kernel and outstanding network performance, so the
embedded Linux system is adopted. The relevant technology of embedded system
development is studied. transplant Linux operating systems and embedded database to
ARM9 development board. Studies the Web Server and uses universal CGI to design
program. Combining related technology of embedded system, finally a ARM-based
ZigBee wireless home gateway is constructed, test results show that the gateway
systems is in good condition, realizes remote control of the device in home network.
Key Words: Home gateway, Home network, ZigBee，Embedded system
Linux
I
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...............................................................................................................1
§1.1 课题研究背景 ..................................................................................................1
§1.2 课题研究现状 ..................................................................................................2
§1.3 课题研究内容与论文结构 ..............................................................................3
第二章 网关系统方案设计 .............................................................................................5
§2.1 智能家居网络系统 ..........................................................................................5
§2.2 家庭网关概述 ..................................................................................................5
§2.3 家庭网关设计要求 ..........................................................................................6
§2.4 家庭网关总体设计方案 ..................................................................................7
§2.4.1 系统原理及方案 .................................................................................7
§2.4.2 主要模块的选取 .................................................................................8
§2.5 系统功能设计 ................................................................................................11
第三章 网关系统平台构建 ...........................................................................................13
§3.1 选择嵌入式 OS ............................................................................................. 13
§3.2 建立开发环境 ................................................................................................14
§3.3 Bootloader 移植 ..............................................................................................16
§3.4 内核裁剪移植 ................................................................................................17
§3.5 文件系统构建 ................................................................................................19
§3.5 S3C2410 与CC2530 通信 ............................................................................. 22
§3.5.1 通信协议 .............................................................................................22
§3.5.2 通信过程的实现 .................................................................................23
第四章 家庭内网络设计 ...............................................................................................26
§4.1 ZigBee 协议 ....................................................................................................26
§4.2 ZigBee 网络设备 ............................................................................................28
§4.3 ZigBee 网络拓扑结构 ....................................................................................28
§4.4 家庭内网的实现 ............................................................................................30
§4.5 协议栈应用解析 ............................................................................................32
§4.6 终端节点数据采集实现 ................................................................................35
第五章 远程控制实现 ...................................................................................................39
II
§5.1 嵌入式 Web Server 构建 ................................................................................39
§5.2 嵌入式数据库移植 .........................................................................................41
§5.3 远程监控实现 .................................................................................................43
第六章 总结与展望 .......................................................................................................49
§6.1 全文总结 .........................................................................................................49
§6.2 研究展望 ........................................................................................................49
参考文献 .........................................................................................................................51
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................53
致 谢 .............................................................................................................................54
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题研究背景
电子家庭（Electronic Home）、数字家园（Digital Family）、家庭自动化（Home
Automation）、智能化家庭（Intelligent Home）这众多的名词都是人们对未来家居
生活的称谓。国内比较流行的称谓是智能家居（Smart Home）。这说明科学技术的
发展正在改变着人们的居家生活习惯。特别是计算机、通信、控制技术的发展，
使得人们以前的各种想象可能成为现实。也许你身在外地出差，想查看一下家里
的情况，那么很简单，打开网络，登录到你的家庭控制页面，查看家中的当前状
况，各种家电设备是否异常。这只是一个例子，还有很多的应用。让你无论在哪
里，好像家就在身边。也许这就是智能家居带给人们的便利吧。
那么究竟什么是智能家居呢？目前来看智能家居通常是这样的，它是利用电
脑、网络和综合布线技术，通过管理平台实现与家居生活有关的子系统之间以及
子系统与外部系统的融合。也就是说，第一要建立一个家庭内部网络，通过家庭
网络来传递数据信息，对家庭内部的家电设备进行监控。这个家庭网络可能包含
多个子网络。第二通过某个平台连接到外部网络。只有与外部网络连接，才能和
外部进行数据信息交换，进而实现人们对家电设备的远程监控。从而使人们的家
居生活环境更加的舒适、安全、高效、便利、健康、节能、环保。
在智能家居的系统设计中有两个主要问题：家庭内部网络的组建和家庭网关
的设计。
家庭内部网络的主要功能是实现各种信息家电之间的数据信息传输交换，它
将外部网络传入的数据传输到相应的家电上去，同时把家庭网络内部设备的信息
数据传输到外部网络。家庭内部网络的组建主要分为有线方式和无线方式。有线
方式主要是电子载波的 X-10 和CEBUS、互联网的 IEEE802.3 和802.3u、电话线
的Home PNA、串行总线的 USB 和IEEE1394。无线方式主要是家庭射频技术的
HomeRF、蓝牙的 IEEE802.15、红外的 IrDA、无线局域网的 IEEE802.11a 和
IEEE802.11b[1]。
在家庭环境中，存在着各种各样的设备，各种设备的数据传输速率也各不相
同。有高速率数据传输设备，如可视电话；也有中速率数据传输设备，如冰箱、
PDA；同时还有低速率数据传输设备，如水表、电表、燃气表。家庭内部连接对
象的复杂性和数据传输速率的多样性决定了未来必将是多种家庭组网技术并存的
局面，各种家庭组网技术都将找到各自的应用领域。对于家居自动化中的低速控
基于嵌入式的 ZigBee 家庭网关设计与实现
2
制应用，带宽的要求在几十 kbps 内，且产品位置分散，不利于重新布线，因此无
线通信技术是最佳的选择。ZigBee 技术的出现为家庭内部低速控制应用提供了新
的选择。ZigBee 技术是为了满足低功耗、低成本的无线网络要求而诞生的，2000
年12 月份 IEEE 标准委员正式批准并成立了 802.15.4 工作组，它的目的是开发一
个低数据速率的标准。它使用开放频段，可以在低成本设备之间进行低数据速率
的传输，适合在一个有限的范围内进行数据通信。
家庭网关是智能家居系统的核心，它将家庭内部不同类型、结构的子网连接
在一起，使这些子网内的信息家电之间可以相互通信。在家庭外部，通过互联网
连接各种服务商，提供实时双向的宽带接入，同时，为家庭内部网络提供防护能
力，阻止外界的非法访问。可以通过信息家电(机顶盒等设备)来实现家庭网关，也
可以构建专用家庭网关。嵌入式系统的性能不断提高，成本不断降低，开发技术
越来越成熟，智能家居系统由开始时以 PC 为控制中心逐渐转向以嵌入式家庭网关
为核心，因此专用的嵌入式家庭网关发展前景更好。家庭网关的软件系统也是非
常重要的，而其中的核心是实时操作系统，对家庭网关的性能需求越来越高，它
要完成的工作也越来越多，因此选择合适的操作系统也是非常必需的。
§1.2 课题研究现状
在智能家居系统方面的研究国外起步比较早，一些经济比较发达的国家早在
80 年代中期就先后提出了各种智能家居的方案。在 1998 年亚洲家庭电器与电子消
费品国际展览会上，新加坡推出了名为“未来之家”的智能家庭系统，该系统包
括可视对讲功能、监控中心功能、安防报警功能、家电控制功能、有线电视接入、
智能布线箱、电话接入、家庭智能控制面板、宽带网接入和系统软件配置[2]；
3COM
公司与 Microsoft 合作研发了通用式家庭网络系统，该系统方便的连接家电与网络，
可以高速传输文字、语音、视听等资讯，这套产品也适合小型办公室[3]。2008 年，
三星推出的智能家居系统，它将家居环境划分为自动化控制、信息家电、安防设
备以及娱乐和信息中心这四个部分，利用机顶盒和网络将这四部分集成为一个全
面的，面向宽带互联网的家居控制网络。国内很多知名企业如海尔、联想还有很
多移动运营商也推出了针对我国国情的智能家居解决方案，发展也很迅速。
近年来，ZigBee 技术也是不断发展成熟，在智能家居领域也逐渐的得到应用。
2005 年韩国 SKTelecom 推出的新的数字智能家庭服务，其核心技术就是 ZigBee
无线技术。丹麦的 NESA 公司在欧洲实施了第一套支持 ZigBee 系统的自动抄表系
统（AMR）。这些都是依赖于国外各大 IC 厂商对 ZigBee 技术发展前景的看好。
他们纷纷推出自己的 ZigBee 解决方案，在芯片方面主要有：TI 的CC2430、CC2480、
摘要：

摘要家庭网关是智能家居系统中的核心设备，也是智能家居领域研究的一个重要点，它作为连接家庭网络和外部网络的枢纽，实现了家庭网络和外部网络的信息数据交换，在整个的智能家居系统中起着至关重要的作用。本论文通过对家庭网关的研究，设计实现了一种基于ZigBee星型家庭网络的家庭网关。家庭网络的组建与家庭网关的设计有着紧密的联系，家庭网关的设计依赖于家庭网络的组建方案。在家庭网络的组建上，业界还没有统一的规范，利用各种技术的组网方案均有研究。作为小范围内设备通信的无线联网技术，ZigBee这种无线通信技术具有近距离、低功耗、低复杂度、低成本的特点。在家庭智能化、工业领域、医疗等方面，ZigBee技术与传感...

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