一種嵌入式無線智能家居網關系統的設計方案

　　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，是十分優秀的RISC處理器。其中三星公司的S3C2440是一款優秀的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，可以方便地觀察節點的配置以及檢測環境的變化。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

　　網關系統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。嵌入式操作系統是用來支持嵌入式應用的系統的軟件，包括硬件相關的底層驅動，系統內核，通信協議，圖形用戶界面等。

　　本文的網關系統是面向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。在眾多的嵌入式實時操作系統中，從開發成本，軟件支持和代碼開放的角度考慮，本文將采用Linux操作系統作為網關的系統的操作系統。

　　4.2 建立交叉編譯環境

　　交叉編譯就是在一個平臺上生成另一個平臺上可以執行的代碼。這里的平臺包括體系結構和操作系統。同一體系結構上可以運行不同操作系統。同樣，同一個操作系統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）的PC機上為網關系統建立了基于ARM9的交叉編譯環境。建立之后，就可以在PC機上對將在網關系統上運行的應用程序進行編譯，從而生成可以在網關系統上運行的可執行代碼，最后下到網關系統上。這也就是目前嵌入式程序開發的宿主機／目標機（HOST／TARGET）模式。

　　Linux交叉編譯環境的內容，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。