嵌入式智能家居物联网网的关系统的设计.doc
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嵌入式智能家居物联网网的关系统的设计
摘 要:物联网网关在智能家居系统中具有十分重要的意义。文中设计了一种嵌入式家庭物联网网关系统,该系统在嵌入式Linux操作系统、IPv4和IPv6网络协议的基础上,采用ARM微处理器S3C2410、EM310射频模块和DM9000A模块实现了家庭内部网络信息处理平台。该平台利用现有的网络设施、射频模块以及网络接口模块,通过无线或有线链路实现家庭内部感知网络的互联互通。所设计的系统不仅具有体积小、成本低、功耗小的优点,还具有实时性好和安全性高的特点,适合应用于家庭物联网中。
关键词:物联网网关;智能家居;嵌入式系统;网络协议
中图分类号:TP316.2 文献标识码:A 文章编号:2095-1302(2016)08-0-03
0 引 言
物联网(Internet of Things,IoT)技术一直被视为互联网的应用扩展,它利用射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描仪等信息传感设备与互联网连接起来进行信息交换,实现智能识别、定位、跟踪、监控和管理[1]。物联网的概念于1999年提出,而物联网网关更是一个新的名词,在未来的物联网时代将会扮演非常重要的角色,它将成为连接感知网络与传统通信网络的纽带[2]。
智能家居系统是物联网的一种重要应用。智能家居系统又称为智能家庭局域网,是以住宅为平台,兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化,集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。国外经济发达的国家和地区(美国、加拿大、欧洲、澳大利亚等)较早提出了智能家居系统的概念和方案,世界上第一幢智能建筑于1984年在美国State of Connecticut出现[3]。然而,国内家庭网络[4]尚处于萌芽状态,但数字家庭网络的蓬勃发展势必给家庭网关带来巨大的市场。目前,家庭网关的实现主要有PC机与嵌入式系统两种,与PC机相比,嵌入式系统具有体积小、成本低、可靠性高、稳定性好及功耗低等优点,更符合家庭网关的性能要求,因此,目前家庭网关的设计主要采用嵌入式系统。
本文基于物联网网关在家居系统的信息化、智能化的重要作用及嵌入式系统的众多优点,采用ARM9微处理器S3C2410、EM310射频模块、DM9000A网络模块及嵌入式Linux系统软硬件平台,实现物联网网关的设计及其在家庭网络中的应用。
1 系统框架及功能模块概述
嵌入式家庭物联网网关系统可以划分为应用管理层、网络协议层和感知接入层,实现物联网应用于家庭网络系统中可全面感知、可靠传递、智能处理的功能需求。系统框架架构图如图1所示。各层功能如下:
(1)应用管理层通过最为熟知的Web浏览器实现对整个系统的监控和管理;
(2)网络协议层中内嵌有IPv4、IPv6等完整的网络协议簇,并基于其搭建了动态主机设置协议(Dynamic Host Configuration Protocol,DHCP)服务器、Web服务器等功能健全的服务器;
(3)感知接入层利用系统中的网络接口模块及射频模块方便实现广域网的接入及家庭内部感知网络通过有线或无线的方式互联互通。
嵌入式家庭物联网网关系统功能模块可以划分为无线通信模块、无线通信模块接口、网络接口模块、信息处理模块和界面管理模块。系统的基本工作过程为:当嵌入式家庭物联网网关系统启动后,信息处理模块自动启动,通过无线通信模块接口控制启动无线通信模块(射频模块)接入广域网网络及家庭无线通信设备,然后等待界面管理模块设置系统配置参数,或者以系统默认配置参数将家庭内部感知网络设备桥接互联,或路由接入广域网。
在嵌入式家庭物联网网关系统中,无线通信模块将由无线方式接入广域网络,同时接受信息处理模块转发过来的家庭内部感知网络设备数据,此外该模块还是家庭内部感知网络中无线设备的连接接口;信息处理模块是嵌入式家庭物联网网关系统的大脑,上电自动启动,控制周围模块的安全启动。信息处理模块是整个系统的核心,同时接受来自外网信息及内网设备的数据,完成最核心的功能,内网到外网及外网到内网数据的路由转发;界面管理模块允许用户通过Web页面对设备的某些配置(网络接口模块IP、网关、子网掩码、所搭建服务器参数、无线通信模块连接状态等)进行修改和管理,以适应用户自己的使用习惯。
2 系统设计与实现
2.1 硬件设计
嵌入式家庭物联网网关系统是以S3C2410微处理器[5]、DM9000A以太网模块和EM310射频模块为核心的硬件平台,系统硬件整体结构如图2所示。其中,S3C2410是一个具有内存管理单元,支持实时控制的ARM9微处理器,是整个系统设计的CPU,负责对周围电路模块的控制,并且要承载整个嵌入式最小系统;
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