基于藍(lán)牙的智能家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（1.泰州市科技信息中心；

2.泰州市高新技術(shù)創(chuàng)業(yè)服務(wù)中心，江蘇泰州225300）

智能家庭網(wǎng)絡(luò)是信息時(shí)代帶給人們的又一個(gè)高科技產(chǎn)物，它利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將家庭內(nèi)各種智能設(shè)備連網(wǎng)，通過(guò)家庭網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部信息與家庭外部信息的交換[1-2]。因此家庭網(wǎng)關(guān)是整個(gè)智能家庭網(wǎng)路的核心，通過(guò)家庭網(wǎng)關(guān)才能實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部多種智能設(shè)備之間的聯(lián)網(wǎng)，以及從家庭內(nèi)部到外部網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，因此設(shè)計(jì)性?xún)r(jià)比高的家庭網(wǎng)關(guān)是實(shí)現(xiàn)智能家庭網(wǎng)路的關(guān)鍵。本文以ARM內(nèi)核的處理器AT91RM9200為核心，結(jié)合藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)硬件平臺(tái)，以具有強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)功能的嵌入式操作系統(tǒng)μClinux為基礎(chǔ)，構(gòu)建家庭網(wǎng)關(guān)的軟件平臺(tái)，設(shè)計(jì)出一種實(shí)用的家庭網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家電電器的集中管理和遠(yuǎn)程控制。

1 家庭網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)家庭網(wǎng)關(guān)的功能要求，本系統(tǒng)的硬件平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由以下五個(gè)模塊組成：ARM920T內(nèi)核的微處理器為核心的主控模塊、針對(duì)Internet接入的以太網(wǎng)模塊、存儲(chǔ)模塊、基于串口的藍(lán)牙模塊、公共電話網(wǎng)接口模塊。

微控制器選用 atmel的 AT91RM9200，AT91RM9200是基于ARM920T核的高性能、低功耗32位處理器，時(shí)鐘頻率最高可達(dá)180MHz，片內(nèi)集成了非常豐富的外圍功能模塊，非常適用于對(duì)功耗和成本有嚴(yán)格要求的嵌入式控制等方面的應(yīng)用。考慮到設(shè)計(jì)周期和開(kāi)發(fā)成本，系統(tǒng)直接選用恒頤公司的開(kāi)發(fā)板H9200C-II。H9200C-II是基于AT91RM9200的最小系統(tǒng)板，超微型緊湊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(70mm×45mm)；板載 8M NOR FLASH、64M NAND FLASH、32M SDRAM；電路板間聯(lián)結(jié)器采用100針*2的雙排插針，連接可靠，抗震性強(qiáng)；多層板的布線工藝，穩(wěn)定可靠。

AT91RM9200內(nèi)部集成一個(gè)10M/100M的以太網(wǎng)控制器(MAC)，具有MII和RMII兩種網(wǎng)絡(luò)接口，可以工作在半雙工或全雙工模式，控制器支持IEEE802.3 CSMA/CD協(xié)議，在主機(jī)與物理層(PHY)間以IEEE802.3u數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。雖然AT91RM9200內(nèi)部沒(méi)有提供物理層(PHY)，但可以通過(guò)具有相同接口的以太網(wǎng)PHY芯片接入以太網(wǎng)，在本設(shè)計(jì)中使用具有MII接口的DM9161實(shí)現(xiàn)AT91RM9200和物理層的連接[3]。DM9161是一款10/100M自適應(yīng)的以太網(wǎng)收發(fā)器，支持雙絞線自適應(yīng)，功耗低，集成度高，只要少量的外圍元件芯片就可以工作。AT91RM9200與DM916l接口連接如圖2所示。

藍(lán)牙模塊選用BT100-2型藍(lán)牙模塊，BT100-2采用BlueCore4 External藍(lán)牙芯片，完全遵循藍(lán)牙系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和音頻連接。采用USB或UART主設(shè)備接口，最高支持3Mbps的數(shù)據(jù)速率。音頻接口支持PCM協(xié)議，模塊和設(shè)備固件完全兼容藍(lán)牙規(guī)范V2.0。BT100-2模塊由于具有標(biāo)準(zhǔn)的串行口接口，因此和AT91RM9200可以直接通過(guò)串行口進(jìn)行通信。當(dāng)微控制器AT91RM9200需要和其它家電設(shè)備通信時(shí)，只需按照規(guī)定數(shù)據(jù)幀格式將數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給BT100-2藍(lán)牙模塊，然后由BT100-2模塊中根據(jù)數(shù)據(jù)幀中的目的藍(lán)牙地址，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥康乃{(lán)牙模塊。

為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程電話控制，本設(shè)計(jì)提供了公共電話網(wǎng)接口模塊。模塊由專(zhuān)用電話集成電路TEA1062和MT8880組成，TEA1062用來(lái)為T(mén)TS語(yǔ)音和撥號(hào)音的輸出提供單獨(dú)的輸出口，MT8880用來(lái)完成DTMF信號(hào)、撥號(hào)音、忙音等信號(hào)的檢測(cè)。語(yǔ)音操作提示采用單芯片TTS處理器SD178A，采用真人發(fā)音為樣本，輸出的語(yǔ)音真實(shí)、自然、可將漢字及ASCⅡ碼轉(zhuǎn)換為語(yǔ)音輸出。SD178A可直接與AT91RM9200相連，如圖3所示，圖中RYD、SCLK和SDI用于與主控制器進(jìn)行串行通信。

2 家庭網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

智能家庭網(wǎng)關(guān)是一個(gè)典型的嵌入式設(shè)備，因此選用開(kāi)源的μClinux作為操作系統(tǒng)。μClinux是一種高度優(yōu)化的、代碼緊湊的嵌入式Linux版本，一款模塊化的、可移植性強(qiáng)、易于配置的嵌入式操作系統(tǒng)，同時(shí)又具有Linux系統(tǒng)的高可靠性、網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大、源碼開(kāi)放等特點(diǎn)[4-5]。μClinux通過(guò)裁剪和定制，編譯后的目標(biāo)文件只有在幾百KB，因此完全可以移植到AT91RM9200中。

家庭網(wǎng)關(guān)的軟件框架結(jié)構(gòu)由三層組成，最底層由各類(lèi)接口模塊的驅(qū)動(dòng)程序，由μClinux操作系統(tǒng)進(jìn)行管理。中間層由web服務(wù)器以及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議構(gòu)成，最頂層是整個(gè)家庭網(wǎng)關(guān)的控制系統(tǒng)軟件，由各個(gè)模塊的應(yīng)用程序組成，各個(gè)模塊的應(yīng)用程序?qū)τ布目刂剖峭ㄟ^(guò)驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

2.1 驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

家庭網(wǎng)關(guān)主要包含有藍(lán)牙模塊，PSTN模塊、以太網(wǎng)物理層芯片三個(gè)接口電路，針對(duì)這三個(gè)接口電路分別編寫(xiě)了以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)、電話網(wǎng)接口驅(qū)動(dòng)、藍(lán)牙模塊驅(qū)動(dòng)等驅(qū)動(dòng)程序，分別提供對(duì)其相應(yīng)硬件的操作。

對(duì)于μClinux操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，所有的設(shè)備都以文件的形式管理，所以對(duì)設(shè)備的操作和對(duì)μClinux系統(tǒng)中的文件操作是一樣的。只需為相應(yīng)的設(shè)備編寫(xiě)幾個(gè)基本函數(shù)并向VFS注冊(cè)即可，一般都是在現(xiàn)成的驅(qū)動(dòng)程序基礎(chǔ)上針對(duì)特殊的硬件設(shè)備作相應(yīng)的改動(dòng)。

藍(lán)牙模塊、TTS語(yǔ)音芯片和AT91RM9200采用串口連接，直接修改嵌入式Linux內(nèi)核的串口驅(qū)動(dòng)程序。AT91RM9200共有5個(gè)串口。在μClinux內(nèi)核源代碼文件at91rm9200kd.h中，有個(gè)宏定義，表明了AT91RM9200的串口與內(nèi)核中的串口驅(qū)動(dòng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)家庭網(wǎng)關(guān)的使用需要以及硬件的連接關(guān)系，對(duì)宏定義進(jìn)行修改，就可以對(duì)實(shí)際硬件的串口進(jìn)行操作。

以太網(wǎng)接口模塊中使用DM9161和AT91RM9200連接，因此驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)就是針對(duì)DM9161的驅(qū)動(dòng)。DM9161具有MII接口，在μClinux內(nèi)核編譯時(shí)選擇μClinux下對(duì)于DM9161的驅(qū)動(dòng)代碼，編譯生成的目標(biāo)文件中就包含了以太網(wǎng)接口的驅(qū)動(dòng)程序，使用時(shí)只需在上層應(yīng)用程序調(diào)用Socket等μClinux的系統(tǒng)調(diào)用即可。

μClinux沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的電話網(wǎng)接口驅(qū)動(dòng)，因此本設(shè)計(jì)為電話網(wǎng)專(zhuān)門(mén)編寫(xiě)了相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序。考慮到是為上層電話控制應(yīng)用程序提供硬件操作的，驅(qū)動(dòng)程序采用字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)。根據(jù)電話網(wǎng)控制模塊需要完成功能的分析，驅(qū)動(dòng)模塊包括振鈴中斷檢測(cè)引腳、自動(dòng)摘掛機(jī)引腳、電話音檢測(cè)引腳、寄存器讀寫(xiě)引腳、發(fā)音串口引腳、發(fā)音完成引腳等6個(gè)字符設(shè)備，如圖4所示。這樣在上層應(yīng)用程序中需要使用這些設(shè)備之前，只要使用open函數(shù)打開(kāi)相關(guān)的字符設(shè)備即可。

AT91RM9200通過(guò)MT8880與電話網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，因此電話網(wǎng)控制模塊的驅(qū)動(dòng)程序需要包含有對(duì)MT8880內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)的操作程序，MT8880內(nèi)部有數(shù)據(jù)和狀態(tài)寄存器，對(duì)這2個(gè)寄存器的判斷在驅(qū)動(dòng)函數(shù)通過(guò)變量count來(lái)區(qū)分是控制操作還是數(shù)據(jù)操作。具體的讀寫(xiě)函數(shù)流程圖見(jiàn)圖5、6。

2.2 應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)

家庭網(wǎng)關(guān)的控制系統(tǒng)軟件程序按照接口模塊的不同進(jìn)行劃分，由三個(gè)模塊化的程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)應(yīng)三個(gè)接口模塊的功能，三個(gè)模塊的應(yīng)用程序由主控模塊進(jìn)行控制。Internet控制模塊通過(guò)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)基于Web的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能。PSTN控制模塊通過(guò)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)電話的遠(yuǎn)程控制服務(wù)功能，并對(duì)家庭內(nèi)的報(bào)警信息自動(dòng)進(jìn)行電話報(bào)警。而B(niǎo)luetooth控制模塊通過(guò)驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)在家庭網(wǎng)關(guān)和家庭內(nèi)具有藍(lán)牙接口的電器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，發(fā)送和接收來(lái)自Internet控制模塊和PSTN控制模塊的藍(lán)牙數(shù)據(jù)。考慮到實(shí)時(shí)性，為防止三個(gè)控制模塊在運(yùn)行時(shí)發(fā)生沖突，設(shè)計(jì)了主控模塊用來(lái)對(duì)三個(gè)接口模塊的應(yīng)用程序進(jìn)行調(diào)度管理，以及應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)傳遞。主控模塊的流程圖如圖7所示。

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于藍(lán)牙技術(shù)的無(wú)線智能家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)外部電話網(wǎng)絡(luò)(PSTN網(wǎng))對(duì)家用電器的遠(yuǎn)程控制，整個(gè)系統(tǒng)采用藍(lán)牙無(wú)線通信，很好地克服了有線方式連線繁瑣、安裝復(fù)雜和維護(hù)困難等缺點(diǎn)，具有很好的通用性，滿(mǎn)足了人們對(duì)家庭自動(dòng)化和智能化的需求。

[1]施榮,徐平平.藍(lán)牙技術(shù)在電力抄表中的應(yīng)用[J].移動(dòng)通信.2004,28(1):1-6.

[2]ChristosDouligeris.IntelligentHomeSystems[J].IEEECommu nieationsMagazine.1993,31(10):52-61.

[3]李永祥,周書(shū)民,王卡風(fēng),王子新,楊志剛.基于 LPC2366與DM9161嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2010,(29):86-88.

[4]董國(guó).uClinux的分析與移植[D].上海:華東師范大學(xué),2004.

[5]馬啟杰.基于AT91RM9200的ARM-Linux移植[D].成都:電子科技大學(xué),2007.