基于多模傳輸協議的智能網關開發

2018-09-29 03:08:22王明偉張春梅

實驗室研究與探索 2018年8期

楊榮，王明偉，張春梅

(西安交通大學實踐教學中心，西安 710049)

0 引言

智能家居網絡[1]中，網關是其核心，系統通過智能網關實現信息的采集、智能終端的集中控制、局域網與因特網的連接、遠程控制、協同工作等功能。總體上，網關在智能家居網絡中的兩大功能為控制樞紐和無線路由：一方面負責無線智能終端信息的采集和控制；另一方面具備無線路由的功能，實現了高速率數據接入。

目前智能家居普遍使用的無線網絡標準是無線寬帶[2](Wireless Fidelity,Wi-Fi)、紫蜂協議[3](ZigBee)、藍牙[4]和1 GHz頻段以下的433 MHz[5]無線透傳，但上述各方式都存在一定的問題。WiFi傳輸速率高但能耗較大，同時也并不適合自組織網絡組網；ZigBee適用于自組織網絡，但其傳輸速率又不如WiFi；在穿透能力方面，藍牙和ZigBee的傳輸穿透能力則弱于433 MHz的傳輸。傳統的智能家居網關采用其中一種網絡協議作為其組網協議，如目前的家庭無線局域網是使用WiFi無線路由器作為網關。而智能家居網關所要控制的無線智能終端多種多樣，并遵循多種通信協議類型。如果仍使用單一的協議來組建智能家居網絡則很難發揮網絡的最大效益，也不利于智能家居網絡的拓展。有鑒于此，本文開發了一種具有多模式傳輸協議的智能家居網關，支持多種傳輸協議，并實現了局域網和因特網的無縫連接，具有很好的適應性和拓展性。

1 系統總體設計

該智能網關的設計以樹莓派板卡為核心，通過其豐富的通用輸入/輸出(General Purpose Input Output,GPIO)接口和通用串行總線(Universal Serial Bus,USB)接口，搭載WiFi網卡、ZigBee傳輸模塊、433 MHz傳輸模塊，并通過RJ45接口與因特網進行連接，從而實現智能家居網絡的組建和與因特網的連接。網絡結構和智能網關硬件設計如圖1、2所示。

圖1 智能家居網絡結構圖

圖2 多模傳輸的智能網關硬件設計圖

該智能網關功能如下：

(1)利用ZigBee協議與支持ZigBee協議的智能終端形成自組織網絡，進行數據采集和反饋控制。

(2)利用433 MHz低頻傳輸模塊實現較遠距離或不同房間內智能終端的組網。

(3)利用Wi-Fi協議實現無線訪問接入點(Access Point,AP)功能，與手機、無線機頂盒、無線IP攝像頭等設備進行通訊，實現高速率數據傳輸。

(4)實現室內自組織網絡與因特網的連接，便于遠程監控。

2 硬件設計

(1) 處理器。采用基于ARM11內核的樹莓派板卡[6]。該板卡是一款基于Linux操作系統[7]的卡片電腦，具有體積小巧(信用卡大小)、集成度高、低功耗、開源、接口豐富等特點，為多功能智能設備和一般類型應用開發提供了低價格、低功耗、高性能小型微控制器的解決方案。

(2) WiFi通信模塊。采用RTL8188CUS芯片的無線網卡，該網卡通過USB與樹莓派進行連接，并通過系統配置，實現無線熱點功能。

(3) ZigBee通信模塊。ZigBee技術作為一種結構簡單、低功耗、低數據速率、低成本和高可靠性的雙向無線網絡通信技術,使用的頻段為2.4 GHz、868 MHz(歐洲)及915 MHz(美國), 均為免執照頻段,便于實現低功耗的自組織網絡[8]。它可以嵌入各種設備中,同時支持地理定位功能。本方案采用基于CC2520芯片的ZigBee模塊[9-10]，利用樹莓派的串口進行連接，實現數據傳輸。

(4) 433 MHz通信模塊。采用HC11無線傳輸模塊。它主要由一個單片機和一個射頻收發芯片構成，其中射頻收發芯片為TI公司的CC1101。該模塊利用51單片機實現協議棧的控制程序，并通過GPIO接口與樹莓派進行通信。

(5) DHMI接口顯示模塊。為了便于人機交互，以對智能網關進行個性化設置，該智能網關搭載DHMI接口，并連接76.2 mm(3 in)觸摸顯示屏，方便對智能網關進行設置。

3 多模傳輸網關的軟件設計

采用嵌入式Linux操作系統進行開發 ,主要包括以下3個部分。

3.1 系統搭建

設計利用樹莓派搭載的Raspbian系統進行開發，該系統基于Linux內核并開源，便于進行系統開發。由于Raspbian系統針對樹莓派編譯了相應的bootloader，因此開發人員無需對bootloader進行配置。具體配置時，從官網下載最新的鏡像文件，將內存卡選擇TF32格式格式化,并用Win32DiskImager將鏡像文件燒錄到SD卡或TF卡中。將內存卡插入樹莓派內存卡槽中，即可以運行操作系統。

3.2 驅動程序開發

(1)基于傳輸控制協議(Transmission Control Protocol,TCP)的WiFi傳輸線程設計。流程如圖3所示，智能網關端線程開始時首先設置服務器的地址信息，尤其是設置提供TCP[11]連接的端口號，隨后創建TCP連接要用到的套接字(Socket)，再將Socket與端口綁定。綁定端口號后調用listen()函數監聽端口，此時線程阻塞直到有TCP客戶端發出建立連接請求。當收到建立連接請求時線程繼續執行，調用accept()函數接收連接請求建立連接，同時創建一個新的Socket和一個新的線程用以當前連接，原Socket和原線程回到listen()函數等待下一個連接請求。TCP連接的3次握手就在listen()函數和accept()函數之間完成。TCP連接建立后，網關端的線程負責接收保存并處理數據，同時當用戶通過指令觸發網關端向終端發送停止命令后，網關端線程退出[12]。

圖3 基于TCP協議的WiFi傳輸線程設計

(2)ZigBee協議傳輸線程設計。Zigbee傳輸模式的實現基于CC2520射頻收發器，但為了能更好地根據需求使用CC2520，通過直接在樹莓派編程驅動CC2520，實現數據收發功能，并在此基礎上實現載波偵聽多路訪問(Carrier Sense Multiple Access,CSMA)。網關端初始時與終端一樣，需要設置CC2520的一系列參數，隨后進入接收模式，等待接收終端發來的數據，同時等待用戶請求發送命令。當收到終端發來的數據幀，并通過循環冗余校驗(Cyclic Redundancy Check,CRC)后，網關端給終端回復確認字符(Acknowledgement，ACK)。同時回到接收數據等待發送命令模式。若用戶請求停止，網關端發送停止命令，并等待終端回復ACK，沒有收到ACK則重新發送，在多次發送都沒有收到ACK的情況下網關端提示用戶發送停止命令沒有響應，同時退出線程。具體如圖4所示。

圖4 基于ZigBee協議傳輸線程設計

(3)基于HC11模塊傳輸線程設計。如圖5所示，網關端線程運行后首先需要打開并設置UART口的波特率，默認值為9 600。隨后通過樹莓派的GPIO[13]將HC11的設置引腳拉低，進入設置模式。進入設置模式后可通過AT指令來設置HC11的信道、工作模式、波特率等。工作流程如圖5所示。

圖5 基于HC11模塊傳輸線程設計

(4)基于Linux下多線程編程。本文中多傳輸模式智能網關的軟件底層開發為一個多傳輸模式進程。該進程中主要包含3個線程：TPC、ZigBee、433 MHz。這3個線程可以共享資源，例如它們可以發送同一個緩存區中的數據，或者通過一個命令同時觸發多種傳輸模式發送同一數據，或者通過一個命令觸發多種傳輸模式發送多個數據等。因為線程的共享特性，使得同一個進程中的多個線程可共享各種資源，這些線程通過競爭方式獲得這些資源。為了防止多個線程訪問資源的不一致性，多線程編程的一個重要任務就是控制好線程的同步。例如多種傳輸模式正在使用同一接收緩存區接收數據，有數據同時到來時多個線程會同時將數據寫入同一內存，最終將導致數據錯誤和丟失。這時就需要對線程進行同步，以確保它們在訪問該變量時，可以唯一地修改該變量并使它生效。線程同步有3種常用機制：互斥鎖[14](mutex)、讀寫鎖[15](rwlock)和條件變量(cond)。在多模智能網關的軟件實現中，主要用到互斥鎖進行線程同步，具體如圖6所示。

圖6 基于Linux下多線程編程

4 系統實現效果

圖7所示為多模智能網關的原理模型機，圖中主板為樹莓派板卡。紅色線圈標注的為WiFi通信模塊，藍色線圈標注的為ZigBee模塊，采用CC2520射頻芯片。圖中,綠色線圈標注的為433 MHz通信模塊。各個模塊利用GPIO或串口與樹莓派板卡進行連接和通信。

如圖8所示，程序啟動運行后智能網關(Sink端節點)的各個線程啟動并掛起等待接收數據，同時等待用戶請求發送停止命令。智能終端(Sensor端節點)各個線程啟動并掛起等待數據產生，同時等待接收從Sink端發送來的命令。其中CC2520代表ZigBee模塊。

圖7 多模智能網關的原理模型機

圖8 智能網關程序執行后等待數據產生

圖9(a)～(c)分別為ZigBee傳輸模式、433M傳輸模式和WiFi傳輸模式的運行效果圖。每張圖的中間為Sink節點的終端界面，兩邊分別為Sensor節點的終端界面。在程序啟動后，Sensor節點程序檢測到數據產生則發送數據包，Sink節點接收到數據后立即在終端界面上將所接收到的數據包打印出來。