CN101902375A - 一种基于异构网络融合的嵌入式家庭网关综合服务平台 - Google Patents

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本发明属于嵌入式系统及数字家庭网络技术领域，尤其是涉及一种基于异构网络融合的嵌入式家庭网关综合服务平台。具体包括硬件层、内核软件层和应用软件层；所述内核软件包括操作系统和板级支持包；所述板级支持包实现与硬件相关的操作；所述应用软件层调用内核软件提供的接口函数实现终端系统所需的各项应用功能；所述硬件层包括主控模块以及分别与主控模块相连接的音视频编解码模块、模拟线路信令处理单元、无线网卡模块、Zigbee模块和以太网接口模块。是一种具有开放、性价比高、运行稳定、安全可靠、功耗低的嵌入式家庭网关产品。

Description

一种基于异构网络融合的嵌入式家庭网关综合服务平台
技术领域
本发明涉及嵌入式系统及数字家庭网络技术领域，尤其是涉及一种基于异构网络融合的嵌入式家庭网关综合服务平台。
背景技术
随着消费类电子产品的性价比日益提高，以及3C(Computer，Communicationand Consumer Electrics)技术的不断融合，数字化家庭成为信息基础设施的一个重要组成部分，其中，数字家庭网络就是一项关键技术。
在数字家庭网络中，按功能可将其分为家庭娱乐、家庭通信和家庭控制三类。在家庭娱乐业务中，以媒体内容共享为主要特征，用户使用不同的终端设备访问家庭内部不同存储设备上的媒体内容；在家庭通信类业务中，随着家庭网络接入带宽的增加，即时通讯、可视电话和视讯会议也将逐渐走进家庭；在家庭控制类业务中，基本业务包括安防、监控、家电控制等，为家庭网络用户提供了一个安全、舒适的生活环境。目前，家居安全与监控，可实现各种安全信息的探测与报警；家电控制，可实现对电灯、空调、冰箱、电视等家用电器进行远程控制；家居管理，可实现远程三表(水、电、煤气)传送收费；家庭医疗、保健和监护，可实现远程医疗和监护。另外，随着泛在网络(Ubiquitous Network)概念的提出和发展，家庭网络已成为多业务融合的综合基础平台。
为了避免家庭中的信息家电和智能家居设备孤立地实现控制或与Internet信息交换功能的局面，采用异构网络的融合技术将具有多方面的优势：融合可以扩大网络的覆盖范围，使得网络具有更强的可扩展性；融合可以充分利用现有的网络资源，降低运营成本，增强竞争力；融合可以向不同用户提供各种不同服务，更好地满足未来网络用户多样性的需求；融合可以提高网络的可靠性、抗攻击能力等。具体来讲，网络融合是采用通用的、开放的技术实现不同网络或网元的集成，其中不同的网络或网元涉及到接入网融合、核心网融合、终端融合、业务融合和运维融合等。
考虑到未来家庭内部将会有多个信息设备同时连入互联网，为降低家庭用户管理和维护的复杂性，一般不可能为每个信息设备都提供一个互联网出口，而且在目前还没有一种主导联网解决方案的情况下，为了解决各种信息设备之间的互联、互操作性以及相应的QoS等问题，在考虑家庭网络的组成时，应该设置一个具有综合服务功能的家庭网关。
发明内容
本发明的目的在于设计一种基于异构网络融合的嵌入式家庭网关综合服务平台，即一种具有综合服务功能的家庭网关，从而数字家庭网络就能够通过数字家庭网关将公共网络的功能和应用延伸到家庭，构筑有线或无线环境，连接各种信息终端(如家电、PC等)，实现家庭中多部计算、控制、监控和通信设备连接与集成，提供自动控制与远程管理等功能，达到信息在家庭内部网络的共享及与外部公网的充分流通和共享。
本发明包括如下技术特征：一种基于异构网络融合的嵌入式家庭网关综合服务平台，其特征在于包括硬件层、内核软件层和应用软件层；所述内核软件包括操作系统和板级支持包；所述板级支持包实现与硬件相关的操作；所述应用软件层调用内核软件提供的接口函数实现终端系统所需的各项应用功能；所述硬件层包括主控模块以及分别与主控模块相连接的音视频编解码模块、模拟线路信令处理单元、无线网卡模块、Zigbee模块和以太网接口模块。
更进一步的，所述主控模块为最小系统控制模块，所述主控模块包括中央处理单元，与中央处理单元连接的外围接口电路单元以及同步动态随机存储器和FLASH存储器。
所述外围接口电路单元包括PCI接口、数据总线接口、USB接口、串口和网络交换控制器；所述音视频解码模块通过PCI接口与中央处理单元相连；模拟线路信令处理单元与主控模块中的数据总线相连；无线网卡模块通过USB接口与网关相连；Zigbee收发模块通过串口与网关相连；以太网接口模块则连接主控模块中的网络交换控制器。
更进一步的，所述板级支持包包括USB无线网卡驱动程序、Zigbee的串口驱动程序和以太网卡驱动程序。
所述操作系统为嵌入式Linux操作系统。
所述应用软件层包括无线网卡配置程序、Zigbee通信模块应用程序、系统参数设置程序以及图形界面系统QT程序设计程序。
本发明在对数字家庭网络的联网和接入技术进行分析的基础上，整合当前各种异构网络技术，设计方案包括硬件层、内核软件层和应用软件层；所述内核软件包括操作系统和板级支持包；所述板级支持包实现与硬件相关的操作；所述应用软件层调用内核软件提供的接口函数实现终端系统所需的各项应用功能；所述硬件层包括主控模块以及分别与主控模块相连接的音视频编解码模块、模拟线路信令处理单元、无线网卡模块、Zigbee模块和以太网接口模块。在嵌入式系统及数字家庭网络技术领域通过整合当前各种异构网络技术，实现一种嵌入式家庭网关的综合服务平台，旨在研制一种具有开放、性价比高、运行稳定、安全可靠、功耗低的嵌入式家庭网关产品。
附图说明
图1是本发明嵌入式家庭网关的系统设计框架示意图；
图2是本发明嵌入式家庭网关平台硬件架构示意图；
图3是本发明嵌入式家庭网关平台软件结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是本发明嵌入式家庭网关的系统设计框架示意图
本发明的网关总体设计分为三层，包括硬件层、内核软件层与应用软件层。硬件层主要包括主控模块、音视频编解码模块、模拟线路信令处理单元、802.11b无线网卡模块、Zigbee收发模块以及以太网接口模块。软件层位于硬件之上，分为内核软件层与应用软件层两个部分。内核软件包括操作系统和板级支持包(BSP)。BSP实现与硬件相关的一些操作，如硬件上电初试化、硬件驱动程序等，使操作系统软件与底层硬件隔离开。应用软件则调用内核软件提供的接口函数实现终端系统所需的各项应用功能。
异构网络的融合主要包括无线局域网和无线个域网等多种无线网络的融合，以及无线网络与Internet的融合。其中无线网络的融合又涉及核心网的融合、接入网的融合、终端的融合以及最终业务的融合。
无线网络融合的目的是采用同一个核心网，要求在采用软交换和IP分组技术的下一代网络(Next Generation Network，NGN)的基础上进行网络的融合，建立一个全开放的、基于统一协议的分组网络。在接入网融合方面，由于WLAN和WPAN基于不同的业务模型设计空中接口，所以各个系统的物理层调制解调技术和介质访问层的接入技术完全不同。融合网络的接入网必须支持不同网络的空中接口标准，并考虑接入网间的相互干扰等问题。无线网络与Internet的融合要求最终融合的网络为高速、宽带、可支持多媒体业务并适合于所有移动运行环境的移动Internet网络，该领域的融合是目前推进速度最快的。
图2是本发明嵌入式家庭网关平台的硬件架构示意图。
在设计嵌入式网关的硬件平台时，采用最小系统(CPU+SDRAM+FLASH)加底板(外围接口电路)的方案，有利于使用不同层次的应用，针对不同的应用只要增删底板上的功能即可，同时也方便了系统硬件的调试。
其中，主控模块对系统各个部件进行控制、协调；音视频解码模块通过PCI接口与CPU相连；模拟线路信令处理单元与主控模块中的数据总线相连；802.11b无线网卡模块通过USB接口与网关相连；Zigbee收发模块通过串口与网关相连；以太网接口模块则连接主控模块中的网络交换控制器，该网络接口模块拥有两个MAC，通过PHY片扩展成4LAN/WAN的以太网RJ45接口。
嵌入式家庭网关平台的硬件架构具体说明如下：
主控模块：目前Infineon公司专门为SOHO应用而开发设计的一款MIPS架构的嵌入式处理器ADM5120，具有RAM、NOR/NAND Flash、UART、USB、以太网等接口，特别是基于异构网融合的情况下，可以满足家庭和小型企业各种应用要求，具有灵活性和扩展性好的特点，能够很好地起到对整个系统各个部件进行控制、协调的作用。因此，我们设计的嵌入式家庭网关的主控模块将采用该处理器。
音视频编解码模块：采用基于VWeb VW2010芯片的视频卡，通过PCI接口与CPU相连，支持单通道的语音视频编解码，可以选择MPEG 1/2/4等多种编解码方式。视频卡具有视频/音频的输入输出，S-Video与TV Tunner的输入等外部模拟接口，用来连接各种音视频家电的模拟信号。
模拟线路信令处理单元：采用Infineon VoIP专用的DSP芯片，支持4通道的语音和传真数据通道，可以检测模拟电话和PSTN的用户信令，PSTN与SLIC芯片除了实现普通接口电路基本的BORSCHT功能外，还提供了DTMF/铃音产生等功能，并可以利用对片内寄存器进行编程灵活实现各种设计方案。
802.11b无线网卡模块：Infineon公司的ADM5120处理器内自带有USBHOST，因此，在外围电路中只需要简单的USB设备接口电路。无线网卡的选择取决于两方面的因素：传输速率和Linux的支持。目前应用较多的无线局域网协议包括IEEE802.11a、IEEE802.11b和IEEE802.11g。传输速率分别为54Mbps、11Mbps和54Mbps，都能较好的满足中高速率的数据传输。但IEEE802.11a产品的通用性不强，Linux对IEEE802.11g产品的支持还比较弱，因此，我们最终选定了IEEE802.11b作为系统的无线网卡模块。
Zigbee收发模块：通过串口与硬件平台相连接，完成Zigbee的无线收发及组网功能。Zigbee模块选用Jennic公司的JN5121Zigbee模块。该模块集成了32位RISC处理器核、2.4G IEEE802.15.4收发电路、64KB ROM、96KB RAM、128KBFLASH。同时，Jennic公司提供了完整的Zigbee协议栈及iZAP-5121-SDK软件开发套件，使得应用程序开发变得相对简单。
以太网接口模块：以太网络接口电路利用ADM5120内嵌的5个10/100BaseTX的以太网控制器，分别用作LAN接口和WAN接口，可为用户提供数据业务的以太网接入。WAN接口和LAN接口都是网络接口，WAN接口连接外部公网，LAN接口可根据用户需要连接内部私有局域网。
图3是本发明嵌入式家庭网关平台的软件结构示意图。
1)嵌入式家庭网关软件平台的设计
系统软件平台主要实现下述的基本功能：(1)数据包的收发；(2)数据包的转发；(3)收发装置的配置与实现；(4)为了便于维护和管理，还要进行管理软件的开发；(5)为了使客户端能够通过浏览器与在嵌入式家庭网关上运行的Http Server相连，配置家庭网关的有关参数，要加入一定的参数设置模块。考虑到系统的复杂性，在没有操作系统的平台上运行系统的软件是不可能的，因此必须引入嵌入式操作系统，本发明中采用了嵌入式Linux操作系统，并在此基础之上进行设备驱动与应用软件的开发。
整个系统的软件框图如图3所示：系统软件分为三层，第一层即最底层是嵌入式Linux中的一些驱动程序，主要有USB无线网卡驱动程序、Zigbee的串口驱动程序和以太网卡驱动程序等；中间层为嵌入式Linux操作系统中的文件系统等，它支持Ramdisk、JFFS等文件系统和TCP/IP等多种协议；最上层为应用层，包括了无线网卡配置程序、Zigbee通信模块应用程序、系统参数设置程序以及图形界面系统QT程序设计等应用程序。
2)嵌入式家庭网关软件平台的实现
本发明软件平台的实现主要需要完成以下的工作：(1)交叉编译环境的建立；(2)引导加载程序Bootloader的实现；(3)嵌入式Linux内核的移植与下载；(4)文件系统的建立。；
交叉编译环境的建立：该部分的工作分6个步骤完成，分别为：建立编译的目录并下载源文件、补丁；内核文件的设置；建立二进制工具(binutils)；建立初始编译器(bootstrap gcc)；建立c链接库(glibc)；建立全套编译器(full gcc)。
引导加载程序Bootloader：该部分把操作系统和硬件平台衔接在一起，跟硬件体系密切相关，是嵌入式系统中的重要部分。这段程序完成硬件的初始化和建立内存空间的映射图等重要工作，为内核的启动创建正确的环境，并最终启动内核。
本系统采用U-Boot-1.0.0，它的启动过程主要分stage1和stage2两个阶段，stage1用汇编语言编写，stage2用C语言编写。
U-Boot在系统硬件平台移植的过程中，需要修改U-Boot-1.0.0的部分源码，分别为：更改网口驱动程序；添加Intel Flash驱动及命令；添加xdownload命令；以及加入Linux参数传递函数及Linux引导代码。
因本发明采用的CPU为MIPS架构的ADM5120，所以关于CPU的移植只需关注cpu/mips文件夹。在这里，我们主要修改Start.S和config.mk文件。
嵌入式Linux内核的移植：首先下载Linux内核的源码及ADM5120的补丁，在打补丁后对根目录中的Makefile进行修改。
文件系统的建立：具备了操作系统的内核，接下来就要在嵌入式平台上运行操作系统需要的文件系统，文件系统最后将以映像的形式放到Flash中的特定位置，以便系统的内核能够找到并将其挂入系统根目录。Ramdisk为嵌入式Linux下的文件系统，本质上为虚拟的硬盘空间，本软件平台就采用Ramdisk来构建文件系统，目录分布为：/dev系统设备文件目录；/etc系统配置文件；/sbin重要的系统程序；/bin基本应用程序；/lib共享函数库；/mnt装载其他磁盘节点；/usr用户的应用程序。
3)嵌入式家庭网关的软件功能模块划分
无线网卡配置程序：支持USB驱动的无线网卡驱动有Atmel USB WLAN驱动程序和ZyDas WLAN驱动程序，由于ZD1211能够成功在嵌入式系统中运行的基础上，同时支持Ad-Hoc和AP模式，因此系统采用ZD1211作为接入点无线网卡模块。ZD1211支持Wireless Extensions，因此可采用相应的Wireless Tools对其进行配置。
Zigbee通信模块：因为Linux操作系统内核已经集成了TCP/IP协议，因此Zigbee网关通信程序利用socket接口把网关收到的Zigbee无线传感器数据上传到远程数据服务器端。Zigbee网关通信程序主要涉及Linux Socket程序设计、Linux多线程程序设计和一套网关通信协议封装。
系统参数配置模块：客户端通过浏览器与在嵌入式家庭网关上运行的HttpServer相连，配置家庭网关的有关参数，如DHCP、包过滤等。
图形界面系统QT程序设计模块：在进行应用程序开发之前，先在PC机上建立Qt/Embedded开发环境。准备软件安装包：tmake工具安装包、Qt/Embedded安装包、Qt的X11版安装包。QT作为一种基于C++的跨平台GUI系统，能够提供给用户构造图形用户界面的强大功能。为了满足用户构造复杂图形界面系统的需求，QT提供了丰富的多线程编程支持。

Claims (6)

1.一种基于异构网络融合的嵌入式家庭网关综合服务平台，其特征在于包括硬件层、内核软件层和应用软件层；所述内核软件包括操作系统和板级支持包；所述板级支持包实现与硬件相关的操作；所述应用软件层调用内核软件提供的接口函数实现终端系统所需的各项应用功能；所述硬件层包括主控模块以及分别与主控模块相连接的音视频编解码模块、模拟线路信令处理单元、无线网卡模块、Zigbee模块和以太网接口模块。
2.根据权利要求1所述的基于异构网络融合的嵌入式家庭网关综合服务平台，其特征在于所述主控模块为最小系统控制模块，所述主控模块包括中央处理单元，与中央处理单元连接的外围接口电路单元以及同步动态随机存储器和Flash存储器。
3.根据权利要求2所述的基于异构网络融合的嵌入式家庭网关综合服务平台，其特征在于所述外围接口电路单元包括PCI接口、数据总线接口、USB接口、串口和网络交换控制器；所述音视频解码模块通过PCI接口与中央处理单元相连；模拟线路信令处理单元与主控模块中的数据总线相连；无线网卡模块通过USB接口与网关相连；Zigbee收发模块通过串口与网关相连；以太网接口模块则连接主控模块中的网络交换控制器。
4.根据权利要求1所述的基于异构网络融合的嵌入式家庭网关综合服务平台，其特征在于所述板级支持包包括USB无线网卡驱动程序、Zigbee的串口驱动程序和以太网卡驱动程序。
5.根据权利要求4所述的基于异构网络融合的嵌入式家庭网关综合服务平台，其特征在于所述操作系统为嵌入式Linux操作系统。
6.根据权利要求5所述的基于异构网络融合的嵌入式家庭网关综合服务平台，其特征在于应用软件层包括无线网卡配置程序、Zigbee通信模块应用程序、系统参数设置程序以及图形界面系统QT程序设计程序。
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