專利名稱：一種基于異構網絡融合的嵌入式家庭網關綜合服務平臺的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及嵌入式系統(tǒng)及數字家庭網絡技術領域，尤其是涉及一種基于異構網絡 融合的嵌入式家庭網關綜合服務平臺。
背景技術：
隨著消費類電子產品的性價比日益提高，以及3C (Computer，Communicationand Consumer Electrics)技術的不斷融合，數字化家庭成為信息基礎設施的一個重要組成部 分，其中，數字家庭網絡就是一項關鍵技術。在數字家庭網絡中，按功能可將其分為家庭娛樂、家庭通信和家庭控制三類。在家 庭娛樂業(yè)務中，以媒體內容共享為主要特征，用戶使用不同的終端設備訪問家庭內部不同 存儲設備上的媒體內容；在家庭通信類業(yè)務中，隨著家庭網絡接入帶寬的增加，即時通訊、 可視電話和視訊會議也將逐漸走進家庭；在家庭控制類業(yè)務中，基本業(yè)務包括安防、監(jiān)控、 家電控制等，為家庭網絡用戶提供了一個安全、舒適的生活環(huán)境。目前，家居安全與監(jiān)控，可 實現(xiàn)各種安全信息的探測與報警；家電控制，可實現(xiàn)對電燈、空調、冰箱、電視等家用電器進 行遠程控制；家居管理，可實現(xiàn)遠程三表(水、電、煤氣)傳送收費；家庭醫(yī)療、保健和監(jiān)護， 可實現(xiàn)遠程醫(yī)療和監(jiān)護。另外，隨著泛在網絡(Ubiquitous Network)概念的提出和發(fā)展， 家庭網絡已成為多業(yè)務融合的綜合基礎平臺。為了避免家庭中的信息家電和智能家居設備孤立地實現(xiàn)控制或與Internet信息 交換功能的局面，采用異構網絡的融合技術將具有多方面的優(yōu)勢融合可以擴大網絡的覆 蓋范圍，使得網絡具有更強的可擴展性；融合可以充分利用現(xiàn)有的網絡資源，降低運營成 本，增強競爭力；融合可以向不同用戶提供各種不同服務，更好地滿足未來網絡用戶多樣性 的需求；融合可以提高網絡的可靠性、抗攻擊能力等。具體來講，網絡融合是采用通用的、開 放的技術實現(xiàn)不同網絡或網元的集成，其中不同的網絡或網元涉及到接入網融合、核心網 融合、終端融合、業(yè)務融合和運維融合等。考慮到未來家庭內部將會有多個信息設備同時連入互聯(lián)網，為降低家庭用戶管理 和維護的復雜性，一般不可能為每個信息設備都提供一個互聯(lián)網出口，而且在目前還沒有 一種主導聯(lián)網解決方案的情況下，為了解決各種信息設備之間的互聯(lián)、互操作性以及相應 的QoS等問題，在考慮家庭網絡的組成時，應該設置一個具有綜合服務功能的家庭網關。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于設計一種基于異構網絡融合的嵌入式家庭網關綜合服務平臺， 即一種具有綜合服務功能的家庭網關，從而數字家庭網絡就能夠通過數字家庭網關將公共 網絡的功能和應用延伸到家庭，構筑有線或無線環(huán)境，連接各種信息終端(如家電、PC等)， 實現(xiàn)家庭中多部計算、控制、監(jiān)控和通信設備連接與集成，提供自動控制與遠程管理等功 能，達到信息在家庭內部網絡的共享及與外部公網的充分流通和共享。本發(fā)明包括如下技術特征 種基于異構網絡融合的嵌入式家庭網關綜合服務平臺，其特征在于包括硬件層、內核軟件層和應用軟件層；所述內核軟件包括操作系統(tǒng)和板級 支持包；所述板級支持包實現(xiàn)與硬件相關的操作；所述應用軟件層調用內核軟件提供的接 口函數實現(xiàn)終端系統(tǒng)所需的各項應用功能；所述硬件層包括主控模塊以及分別與主控模塊 相連接的音視頻編解碼模塊、模擬線路信令處理單元、無線網卡模塊、Zigbee模塊和以太網 接口模塊。更進一步的，所述主控模塊為最小系統(tǒng)控制模塊，所述主控模塊包括中央處理單 元，與中央處理單元連接的外圍接口電路單元以及同步動態(tài)隨機存儲器和FLASH存儲器。所述外圍接口電路單元包括PCI接口、數據總線接口、USB接口、串口和網絡交換 控制器；所述音視頻解碼模塊通過PCI接口與中央處理單元相連；模擬線路信令處理單元 與主控模塊中的數據總線相連；無線網卡模塊通過USB接口與網關相連；Zigbee收發(fā)模塊 通過串口與網關相連；以太網接口模塊則連接主控模塊中的網絡交換控制器。更進一步的，所述板級支持包包括USB無線網卡驅動程序、Zigbee的串口驅動程 序和以太網卡驅動程序。所述操作系統(tǒng)為嵌入式Linux操作系統(tǒng)。所述應用軟件層包括無線網卡配置程序、Zigbee通信模塊應用程序、系統(tǒng)參數設 置程序以及圖形界面系統(tǒng)QT程序設計程序。本發(fā)明在對數字家庭網絡的聯(lián)網和接入技術進行分析的基礎上，整合當前各種異 構網絡技術，設計方案包括硬件層、內核軟件層和應用軟件層；所述內核軟件包括操作系統(tǒng) 和板級支持包；所述板級支持包實現(xiàn)與硬件相關的操作；所述應用軟件層調用內核軟件提 供的接口函數實現(xiàn)終端系統(tǒng)所需的各項應用功能；所述硬件層包括主控模塊以及分別與主 控模塊相連接的音視頻編解碼模塊、模擬線路信令處理單元、無線網卡模塊、Zigbee模塊和 以太網接口模塊。在嵌入式系統(tǒng)及數字家庭網絡技術領域通過整合當前各種異構網絡技 術，實現(xiàn)一種嵌入式家庭網關的綜合服務平臺，旨在研制一種具有開放、性價比高、運行穩(wěn) 定、安全可靠、功耗低的嵌入式家庭網關產品。
圖1是本發(fā)明嵌入式家庭網關的系統(tǒng)設計框架示意圖；圖2是本發(fā)明嵌入式家庭網關平臺硬件架構示意圖；圖3是本發(fā)明嵌入式家庭網關平臺軟件結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明進一步說明。圖1是本發(fā)明嵌入式家庭網關的系統(tǒng)設計框架示意圖本發(fā)明的網關總體設計分為三層，包括硬件層、內核軟件層與應用軟件層。硬件 層主要包括主控模塊、音視頻編解碼模塊、模擬線路信令處理單元、802. Ilb無線網卡模塊、 Zigbee收發(fā)模塊以及以太網接口模塊。軟件層位于硬件之上，分為內核軟件層與應用軟件 層兩個部分。內核軟件包括操作系統(tǒng)和板級支持包(BSP)。BSP實現(xiàn)與硬件相關的一些操 作，如硬件上電初試化、硬件驅動程序等，使操作系統(tǒng)軟件與底層硬件隔離開。應用軟件則 調用內核軟件提供的接口函數實現(xiàn)終端系統(tǒng)所需的各項應用功能。
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異構網絡的融合主要包括無線局域網和無線個域網等多種無線網絡的融合，以及 無線網絡與Internet的融合。其中無線網絡的融合又涉及核心網的融合、接入網的融合、 終端的融合以及最終業(yè)務的融合。無線網絡融合的目的是采用同一個核心網，要求在采用軟交換和IP分組技術的 下一代網絡(Next Generation Network, NGN)的基礎上進行網絡的融合，建立一個全開 放的、基于統(tǒng)一協(xié)議的分組網絡。在接入網融合方面，由于WLAN和WPAN基于不同的業(yè)務 模型設計空中接口，所以各個系統(tǒng)的物理層調制解調技術和介質訪問層的接入技術完全不 同。融合網絡的接入網必須支持不同網絡的空中接口標準，并考慮接入網間的相互干擾等 問題。無線網絡與Internet的融合要求最終融合的網絡為高速、寬帶、可支持多媒體業(yè)務 并適合于所有移動運行環(huán)境的移動Internet網絡，該領域的融合是目前推進速度最快的。圖2是本發(fā)明嵌入式家庭網關平臺的硬件架構示意圖。在設計嵌入式網關的硬件平臺時，采用最小系統(tǒng)(CPU+SDRAM+FLASH)加底板(外 圍接口電路)的方案，有利于使用不同層次的應用，針對不同的應用只要增刪底板上的功 能即可，同時也方便了系統(tǒng)硬件的調試。其中，主控模塊對系統(tǒng)各個部件進行控制、協(xié)調；音視頻解碼模塊通過PCI接口與 CPU相連；模擬線路信令處理單元與主控模塊中的數據總線相連；802. Ilb無線網卡模塊通 過USB接口與網關相連；Zigbee收發(fā)模塊通過串口與網關相連；以太網接口模塊則連接主 控模塊中的網絡交換控制器，該網絡接口模塊擁有兩個MAC，通過PHY片擴展成4LAN/WAN的 以太網RJ45接口。嵌入式家庭網關平臺的硬件架構具體說明如下主控模塊目前Infineon公司專門為SOHO應用而開發(fā)設計的一款MIPS架構的嵌 入式處理器ADM5120，具有RAM、N0R/NAND Flash、UART、USB、以太網等接口，特別是基于異構 網融合的情況下，可以滿足家庭和小型企業(yè)各種應用要求，具有靈活性和擴展性好的特點， 能夠很好地起到對整個系統(tǒng)各個部件進行控制、協(xié)調的作用。因此，我們設計的嵌入式家庭 網關的主控模塊將采用該處理器。音視頻編解碼模塊采用基于VWeb VW2010芯片的視頻卡，通過PCI接口與CPU相 連，支持單通道的語音視頻編解碼，可以選擇MPEG 1/2/4等多種編解碼方式。視頻卡具有 視頻/音頻的輸入輸出，S-Video與TV Tunner的輸入等外部模擬接口，用來連接各種音視 頻家電的模擬信號。模擬線路信令處理單元采用Infineon VoIP專用的DSP芯片，支持4通道的語音 和傳真數據通道，可以檢測模擬電話和PSTN的用戶信令，PSTN與SLIC芯片除了實現(xiàn)普通 接口電路基本的B0RSCHT功能外，還提供了 DTMF/鈴音產生等功能，并可以利用對片內寄存 器進行編程靈活實現(xiàn)各種設計方案。802. Ilb無線網卡模塊Infineon公司的ADM5120處理器內自帶有USBH0ST， 因此，在外圍電路中只需要簡單的USB設備接口電路。無線網卡的選擇取決于兩方面的 因素傳輸速率和Linux的支持。目前應用較多的無線局域網協(xié)議包括IEEE802. 11a、 IEEE802. lib禾Π ΙΕΕΕ802. llg。傳輸速率分別為54Mbps、IlMbps和54Mbps，都能較好的滿足 中高速率的數據傳輸。但IEEE802. Ila產品的通用性不強，Linux對IEEE802. Ilg產品的 支持還比較弱，因此，我們最終選定了 IEEE802. Ilb作為系統(tǒng)的無線網卡模塊。
Zigbee收發(fā)模塊通過串口與硬件平臺相連接，完成Zigbee的無線收發(fā)及組網功 能。Zigbee模塊選用Jermic公司的JN5121Zigbee模塊。該模塊集成了 32位RISC處理器 核、2.4G IEEE802. 15. 4 收發(fā)電路、64KB R0M、96KB RAM、128KBFLASH。同時，Jennie 公司提 供了完整的Zigbee協(xié)議棧及iZAP-5121-SDK軟件開發(fā)套件，使得應用程序開發(fā)變得相對簡以太網接口模塊以太網絡接口電路利用ADM5120內嵌的5個10/100BaseTX的以 太網控制器，分別用作LAN接口和WAN接口，可為用戶提供數據業(yè)務的以太網接入。WAN接 口和LAN接口都是網絡接口，WAN接口連接外部公網，LAN接口可根據用戶需要連接內部私 有局域網。圖3是本發(fā)明嵌入式家庭網關平臺的軟件結構示意圖。1)嵌入式家庭網關軟件平臺的設計系統(tǒng)軟件平臺主要實現(xiàn)下述的基本功能(1)數據包的收發(fā)；(2)數據包的轉發(fā)； (3)收發(fā)裝置的配置與實現(xiàn)；(4)為了便于維護和管理，還要進行管理軟件的開發(fā)；(5)為了 使客戶端能夠通過瀏覽器與在嵌入式家庭網關上運行的Http Server相連，配置家庭網關 的有關參數，要加入一定的參數設置模塊。考慮到系統(tǒng)的復雜性，在沒有操作系統(tǒng)的平臺上 運行系統(tǒng)的軟件是不可能的，因此必須引入嵌入式操作系統(tǒng)，本發(fā)明中采用了嵌入式Linux 操作系統(tǒng)，并在此基礎之上進行設備驅動與應用軟件的開發(fā)。整個系統(tǒng)的軟件框圖如圖3所示系統(tǒng)軟件分為三層，第一層即最底層是嵌入式 Linux中的一些驅動程序，主要有USB無線網卡驅動程序、Zigbee的串口驅動程序和以太網 卡驅動程序等；中間層為嵌入式Linux操作系統(tǒng)中的文件系統(tǒng)等，它支持Ramdisk、JFFS等 文件系統(tǒng)和TCP/IP等多種協(xié)議；最上層為應用層，包括了無線網卡配置程序、Zigbee通信 模塊應用程序、系統(tǒng)參數設置程序以及圖形界面系統(tǒng)QT程序設計等應用程序。2)嵌入式家庭網關軟件平臺的實現(xiàn)本發(fā)明軟件平臺的實現(xiàn)主要需要完成以下的工作(1)交叉編譯環(huán)境的建立；(2) 引導加載程序Bootloader的實現(xiàn)；(3)嵌入式Linux內核的移植與下載；(4)文件系統(tǒng)的建
立。；交叉編譯環(huán)境的建立該部分的工作分6個步驟完成，分別為建立編譯的目 錄并下載源文件、補丁；內核文件的設置；建立二進制工具(binutils)；建立初始編譯器 (bootstrap gcc)；建立c鏈接庫(glibc)；建立全套編譯器(full gcc)。引導加載程序Bootloader 該部分把操作系統(tǒng)和硬件平臺銜接在一起，跟硬件體 系密切相關，是嵌入式系統(tǒng)中的重要部分。這段程序完成硬件的初始化和建立內存空間的 映射圖等重要工作，為內核的啟動創(chuàng)建正確的環(huán)境，并最終啟動內核。本系統(tǒng)采用U-Boot-L 0. 0，它的啟動過程主要分stage 1和Stage2兩個階段， stagel用匯編語言編寫，stage2用C語言編寫。U-Boot在系統(tǒng)硬件平臺移植的過程中，需要修改U-Boot-L 0.0的部分源碼，分 別為更改網口驅動程序；添加Intel Flash驅動及命令；添加xdownload命令；以及加入 Linux參數傳遞函數及Linux引導代碼。因本發(fā)明采用的CPU為MIPS架構的ADM5120，所以關于CPU的移植只需關注cpu/ mips文件夾。在這里，我們主要修改Start. S和config. mk文件。
嵌入式Linux內核的移植首先下載Linux內核的源碼及ADM5120的補丁，在打補 丁后對根目錄中的Makefile進行修改。文件系統(tǒng)的建立具備了操作系統(tǒng)的內核，接下來就要在嵌入式平臺上運行操作 系統(tǒng)需要的文件系統(tǒng)，文件系統(tǒng)最后將以映像的形式放到Flash中的特定位置，以便系統(tǒng) 的內核能夠找到并將其掛入系統(tǒng)根目錄。Ramdisk為嵌入式Linux下的文件系統(tǒng)，本質上為 虛擬的硬盤空間，本軟件平臺就采用Ramdisk來構建文件系統(tǒng)，目錄分布為/dev系統(tǒng)設備 文件目錄；/etc系統(tǒng)配置文件；/sbin重要的系統(tǒng)程序；/bin基本應用程序；/lib共享函數 庫；/mnt裝載其他磁盤節(jié)點；/usr用戶的應用程序。3)嵌入式家庭網關的軟件功能模塊劃分無線網卡配置程序支持USB驅動的無線網卡驅動有Atmel USB WLAN驅動程序 和ZyDas WLAN驅動程序，由于ZD1211能夠成功在嵌入式系統(tǒng)中運行的基礎上，同時支持 Ad-Hoc和AP模式，因此系統(tǒng)采用ZD1211作為接入點無線網卡模塊。ZD1211支持Wireless Extensions,因此可采用相應的Wireless Tools對其進行配置。Zigbee通信模塊因為Linux操作系統(tǒng)內核已經集成了 TCP/IP協(xié)議，因此Zigbee 網關通信程序利用socket接口把網關收到的Zigbee無線傳感器數據上傳到遠程數據服務 器端。Zigbee網關通信程序主要涉及Linux Socket程序設計、Linux多線程程序設計和一 套網關通信協(xié)議封裝。系統(tǒng)參數配置模塊客戶端通過瀏覽器與在嵌入式家庭網關上運行的 HttpServer相連，配置家庭網關的有關參數，如DHCP、包過濾等。圖形界面系統(tǒng)QT程序設計模塊在進行應用程序開發(fā)之前，先在PC機上建立Qt/ Embedded開發(fā)環(huán)境。準備軟件安裝包tmake工具安裝包、Qt/Embedded安裝包、Qt的Xll 版安裝包。QT作為一種基于C++的跨平臺⑶I系統(tǒng)，能夠提供給用戶構造圖形用戶界面的 強大功能。為了滿足用戶構造復雜圖形界面系統(tǒng)的需求，QT提供了豐富的多線程編程支持。
權利要求
一種基于異構網絡融合的嵌入式家庭網關綜合服務平臺，其特征在于包括硬件層、內核軟件層和應用軟件層；所述內核軟件包括操作系統(tǒng)和板級支持包；所述板級支持包實現(xiàn)與硬件相關的操作；所述應用軟件層調用內核軟件提供的接口函數實現(xiàn)終端系統(tǒng)所需的各項應用功能；所述硬件層包括主控模塊以及分別與主控模塊相連接的音視頻編解碼模塊、模擬線路信令處理單元、無線網卡模塊、Zigbee模塊和以太網接口模塊。
2.根據權利要求1所述的基于異構網絡融合的嵌入式家庭網關綜合服務平臺，其特征 在于所述主控模塊為最小系統(tǒng)控制模塊，所述主控模塊包括中央處理單元，與中央處理單 元連接的外圍接口電路單元以及同步動態(tài)隨機存儲器和Flash存儲器。
3.根據權利要求2所述的基于異構網絡融合的嵌入式家庭網關綜合服務平臺，其特征 在于所述外圍接口電路單元包括PCI接口、數據總線接口、USB接口、串口和網絡交換控制 器；所述音視頻解碼模塊通過PCI接口與中央處理單元相連；模擬線路信令處理單元與主 控模塊中的數據總線相連；無線網卡模塊通過USB接口與網關相連；Zigbee收發(fā)模塊通過 串口與網關相連；以太網接口模塊則連接主控模塊中的網絡交換控制器。
4.根據權利要求1所述的基于異構網絡融合的嵌入式家庭網關綜合服務平臺，其特征 在于所述板級支持包包括USB無線網卡驅動程序、Zigbee的串口驅動程序和以太網卡驅動 程序。
5.根據權利要求4所述的基于異構網絡融合的嵌入式家庭網關綜合服務平臺，其特征 在于所述操作系統(tǒng)為嵌入式Linux操作系統(tǒng)。
6.根據權利要求5所述的基于異構網絡融合的嵌入式家庭網關綜合服務平臺，其特征 在于應用軟件層包括無線網卡配置程序、Zigbee通信模塊應用程序、系統(tǒng)參數設置程序以 及圖形界面系統(tǒng)QT程序設計程序。
全文摘要
本發(fā)明屬于嵌入式系統(tǒng)及數字家庭網絡技術領域，尤其是涉及一種基于異構網絡融合的嵌入式家庭網關綜合服務平臺。具體包括硬件層、內核軟件層和應用軟件層；所述內核軟件包括操作系統(tǒng)和板級支持包；所述板級支持包實現(xiàn)與硬件相關的操作；所述應用軟件層調用內核軟件提供的接口函數實現(xiàn)終端系統(tǒng)所需的各項應用功能；所述硬件層包括主控模塊以及分別與主控模塊相連接的音視頻編解碼模塊、模擬線路信令處理單元、無線網卡模塊、Zigbee模塊和以太網接口模塊。是一種具有開放、性價比高、運行穩(wěn)定、安全可靠、功耗低的嵌入式家庭網關產品。
文檔編號H04L12/66GK101902375SQ20101022413
公開日2010年12月1日 申請日期2010年7月9日 優(yōu)先權日2010年7月9日
發(fā)明者劉治, 孫曉璐, 章云 申請人:廣東工業(yè)大學