智能家居无线嵌入式网关硬件平台的设计与实现
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Key words: Smart home; smart home gateway; wireless communication; embedded system; s3c2410
II
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。
华中科技大学 硕士学位论文 智能家居无线嵌入式网关硬件平台的设计与实现 姓名：徐景 申请学位级别：硕士 专业：信号与信息处理 指导教师：汪小燕
20080602
华中科技大学硕士学位论文
摘要
智能家居系统通常是由智能家居网关、信息家电、照明系统、仪表设备、安防系 统等多种类型的设备构成的一个复杂的网络系统。智能家居网关是智能家居的核心， 它不仅负责智能家居中各种不同类型终端设备间的通信，而且还要完成对各种设备 的集中控制、Internet 接入以及远程监控等功能。随着嵌入式技术和无线通信技术的 高速发展,智能家居网关逐渐开始采用嵌入式系统作为硬件平台,并采用无线的方式 组建智能家居网络，其具体设计与实现已成为研究和开发的热点。
1.1 智能家居系统简介
国外的智能家居系统的发展开始于20世纪70年代中期，当时大量采用电子技术 的家用电器面世，带来了 “住宅电子化”。80年代中期至90年代，将家用电器、安防 报警和通讯设备集成，形成了商用的智能家庭控制设备，从而带来了“住宅自动化” 时代[2]。21世纪，由于通讯和信息技术的发展，人们提出了“住宅信息时代”，智能家 居网关技术和网络技术成为开发的重点，面向开放式应用的智能家居系统已成为研 究和开发的热点[3]。
智能家居网络是指在家庭内部通过一定的传输介质(如电力线、双绞线、同轴电 缆、无线电、红外等)将各种电气设备和电气子系统连接起来，采用统一的通信协议， 对内实现资源控制，对外能通过网关与外部网(如Ethernet等)互连进行信息交换的网 络系统[4]。
目前智能家居网络互连主要有三种方式[5]。第一种方式是对住宅进行重新布线， 特别是新的住宅，可根据业主对智能住宅的不同要求，进行系统的网络设计。国际 上这种比较有影响的有线互连方式主要有美国的X-10,CEBus(Consume Electronic Bus)和Lonwork;日本的HBS(Home Bus System);欧洲的EIB(European Installation Bus) 和EHS(European Home System).第二种方式是使用原有家庭内部网络，在原有网络的 基础上增加数据传输功能，例如通过电话线在家庭计算机之间实现文件、打印机和 Internet接入的共享;利用家庭内的电力线传输数据，控制灯光等家庭设备[6]。第三种 方式是建立智能家居网络的最理想技术，“无线通信技术”，通过使用安装了蓝牙、 HomeRF等芯片的固定或移动家用电器或通讯设备，以家庭为范围构建智能家居网 络，在此基础上实现家庭的智能化[7]。采用无线通信技术的智能家居网络除了具有智
本论文属于
保密? ，在_____年解密后适用本授权书。
不保密? 。
（请在以上方框内打“v”）
学位论文作者签名：
日期： 年 月 日
指导教师签名：
日期： 年 月
华中科技大学硕士学位论文
1绪论
智能家居是为适应现代化家庭生活而形成的一个形式多样化的网络系统，它是 由智能家居网关、信息家电、照明系统、仪表设备、安防系统等多种类型的设备构 成的一个复杂的网络系统[1]。它是信息时代带给人们的又一个高科技产物。它借助现 有的计算机网络技术，将家庭内各种家电和设备连网，通过网络为人们提供各种丰 富、多样化、个性化、方便、舒适、安全和高效的服务。
基于以上背景，本文提出了一种嵌入式无线智能家居网关硬件平台的具体设计 与实现方案。网关以 ARM920T 核处理器 S3C2410 为主处理器，通过蓝牙组建智能 家居内部网络，通过以太网模块和 GSM 模块接入外部网络。本文首先介绍了网关系 统的整体设计，接着依次重点说明了其中最小核心系统、串口扩展模块、网络接口 模块的设计与实现，并具体说明了各个模块的功能验证程序设计与实现。其中最小 核心系统包括主处理器模块、SDRAM 模块、NAND FLASH 模块。串口扩展模块以 串口扩展芯片 TL16C752B 为主，扩展出两个高速全功能串口，外接 GSM 模块和蓝 牙模块。网络接口模块选择了 10/100M 自适应以太网控制芯片 DM9000A，连接 INTERNET。
系统功能验证表明最小核心系统能够成功下载运行固件程序，能掉电保存固件 程序，支持在线调试功能；串口扩展模块扩展出来的全功能串口能够正常收发串口 数据；网络接口模块能成功发送并接收 IP 数据包。该硬件平台各种功能齐全，为智 能家居网关的上层开发提供了便利的开发环境。
关键字：智能家居; 智能家居网关; 无线通信; 嵌入式系统; S3C2410
智能家居网络为低速的控制网，主要实现对信息家电、照明系统、仪表设备、 安防系统等自动控制和统一管理。智能家居网络的主要特点就是多元信息处理，包 括各类信息的采集、加工、管理、存储、交互等[8]。因此有必要建立一个功能强大的 信息处理平台。在智能家居网络中，家居网关担当了信息处理平台的角色。它一方 面完成智能家居内部网络设备之间信息交换和共享，以及同外部通信网络之间的数 据交换功能;另一方面负责对家庭中各个信息家电的管理和控制。各个信息家电也可 通过家居网关与外部网络相连，从而实现信息的交互和共享。正是由于家居网关在 智能家居网络的中的地位，使得对家居网关的研究成为IT业界的热点之一。随着嵌 入式技术和无线通信技术的高速发展,智能家居网关逐渐开始走向嵌入式,并采用无 线的方式组建智能家居网络[9]。
学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
1
华中科技大学硕士学位论文
能家居网络所有应有的信息和资源共享的优越性外，还支持高质量的语音和数据传 输。这为无线智能家居网络的应用开辟了新市场。近期无线智能家居网络将支持信 息家电、远程抄表、安防等功能。随着网线网络技术的日益成熟，更多的网络环境 将能够协同工作，无线家庭网络可与PSTN和以太网进行无缝连接。
Iห้องสมุดไป่ตู้
华中科技大学硕士学位论文
ABSTRACT
Smart home is a home network with diversification of forms of struc ture which come out in order to meet modern family life, which consists of smart home gateway, lighting system, networked appliances, and measurement instruments. Home gateway is the core of the smart home which in charge of coordination of the communications between different home terminal devices, the centralized control of appliances, Internet access, Remote Monitoring and so on. With the rapid development of embedded wireless technology and communication technology,smart home Gateway gradually turn to adopt embedded system as the hardware platform and wireless communication to form the smart home network.
1.2 智能家居网关的发展与研究现状
作为智能家居网络中的一个非常关键的部分，智能家居网关的研究一直非常活跃 [10]。智能家居网关主要具备两个主要功能:1.作为所有外部接入网连接到智能家居内 部网络，同时将智能家居内部网络连接到外部的一种物理接口;2. 对信息家电、照明 系统、仪表设备、安防系统等家庭内部设备自动控制和统一管理平台。 智能家居网 关主要经历了三个发展阶段，如表1-1所示[11]。早期的PC架构的智能家居网关出现于 中国智能家居的萌芽阶段，基本上停留在向使用者展示智能家居的概念，实用性不 强，属于第一阶段。目前很多国内外智能家居厂商研制的基于单片机架构的智能控 制系统在实用性、易用性和专业性方面有了很大程度上的提高，属于第二阶段。而 基于嵌入式系统的家居智能系统在国内才刚刚出现，随着嵌入式技术更加厂泛的应 用，随着成本的逐步降低，中国的智能家居最终将走向嵌入式[12]。与PC机相比,系统 的设计更加有针对性质,省去不必要的硬件资源,根据需要加入更加合适的硬件资源, 能最大限度的利用硬件资源。与单片机构架的系统相比,系统的处理能力大大增强,性 能更加优越,可以外接的功能设备也更多,能提供的功能服务更加齐全.软件开发方面,
System functional verification demonstrates that the minimum system can successfully run the downloaded program, store the program after power off and support online debugging, the serial ports devired by expansion can successfully transmit and receive serial data, and the Ethernet module can successfully transmit and receive IP packets.The hardware platform implemented provides full functions for upper- layer development and reserches, which makes the follow-up development easy.
The thesis proposes a specific program to realize a wireless embedded smart home gateway. The gateway adopts S3C2410 as the central processor, connected to the internal home network by Bluetooth and to the external network through Ethernet and GSM module.The thesis first introduces the system struture of the gateway，then concentrate on description of the design and realization of the minimum system, serial port expansion module, Ethernet interface module. The minimum system includes central processor module, SDRAM module and NANDFLASH module.The serial port expansion module adopts the serial port expansion chip TL16C752B to derive two full- function serial ports to connect to bluetooth module and GSM module. The ethernet module adopts the Ethernet control chip DM9000A which is 10/100M self-adaptive.
II
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。
华中科技大学 硕士学位论文 智能家居无线嵌入式网关硬件平台的设计与实现 姓名：徐景 申请学位级别：硕士 专业：信号与信息处理 指导教师：汪小燕
20080602
华中科技大学硕士学位论文
摘要
智能家居系统通常是由智能家居网关、信息家电、照明系统、仪表设备、安防系 统等多种类型的设备构成的一个复杂的网络系统。智能家居网关是智能家居的核心， 它不仅负责智能家居中各种不同类型终端设备间的通信，而且还要完成对各种设备 的集中控制、Internet 接入以及远程监控等功能。随着嵌入式技术和无线通信技术的 高速发展,智能家居网关逐渐开始采用嵌入式系统作为硬件平台,并采用无线的方式 组建智能家居网络，其具体设计与实现已成为研究和开发的热点。
1.1 智能家居系统简介
国外的智能家居系统的发展开始于20世纪70年代中期，当时大量采用电子技术 的家用电器面世，带来了 “住宅电子化”。80年代中期至90年代，将家用电器、安防 报警和通讯设备集成，形成了商用的智能家庭控制设备，从而带来了“住宅自动化” 时代[2]。21世纪，由于通讯和信息技术的发展，人们提出了“住宅信息时代”，智能家 居网关技术和网络技术成为开发的重点，面向开放式应用的智能家居系统已成为研 究和开发的热点[3]。
智能家居网络是指在家庭内部通过一定的传输介质(如电力线、双绞线、同轴电 缆、无线电、红外等)将各种电气设备和电气子系统连接起来，采用统一的通信协议， 对内实现资源控制，对外能通过网关与外部网(如Ethernet等)互连进行信息交换的网 络系统[4]。
目前智能家居网络互连主要有三种方式[5]。第一种方式是对住宅进行重新布线， 特别是新的住宅，可根据业主对智能住宅的不同要求，进行系统的网络设计。国际 上这种比较有影响的有线互连方式主要有美国的X-10,CEBus(Consume Electronic Bus)和Lonwork;日本的HBS(Home Bus System);欧洲的EIB(European Installation Bus) 和EHS(European Home System).第二种方式是使用原有家庭内部网络，在原有网络的 基础上增加数据传输功能，例如通过电话线在家庭计算机之间实现文件、打印机和 Internet接入的共享;利用家庭内的电力线传输数据，控制灯光等家庭设备[6]。第三种 方式是建立智能家居网络的最理想技术，“无线通信技术”，通过使用安装了蓝牙、 HomeRF等芯片的固定或移动家用电器或通讯设备，以家庭为范围构建智能家居网 络，在此基础上实现家庭的智能化[7]。采用无线通信技术的智能家居网络除了具有智
本论文属于
保密? ，在_____年解密后适用本授权书。
不保密? 。
（请在以上方框内打“v”）
学位论文作者签名：
日期： 年 月 日
指导教师签名：
日期： 年 月
华中科技大学硕士学位论文
1绪论
智能家居是为适应现代化家庭生活而形成的一个形式多样化的网络系统，它是 由智能家居网关、信息家电、照明系统、仪表设备、安防系统等多种类型的设备构 成的一个复杂的网络系统[1]。它是信息时代带给人们的又一个高科技产物。它借助现 有的计算机网络技术，将家庭内各种家电和设备连网，通过网络为人们提供各种丰 富、多样化、个性化、方便、舒适、安全和高效的服务。
基于以上背景，本文提出了一种嵌入式无线智能家居网关硬件平台的具体设计 与实现方案。网关以 ARM920T 核处理器 S3C2410 为主处理器，通过蓝牙组建智能 家居内部网络，通过以太网模块和 GSM 模块接入外部网络。本文首先介绍了网关系 统的整体设计，接着依次重点说明了其中最小核心系统、串口扩展模块、网络接口 模块的设计与实现，并具体说明了各个模块的功能验证程序设计与实现。其中最小 核心系统包括主处理器模块、SDRAM 模块、NAND FLASH 模块。串口扩展模块以 串口扩展芯片 TL16C752B 为主，扩展出两个高速全功能串口，外接 GSM 模块和蓝 牙模块。网络接口模块选择了 10/100M 自适应以太网控制芯片 DM9000A，连接 INTERNET。
系统功能验证表明最小核心系统能够成功下载运行固件程序，能掉电保存固件 程序，支持在线调试功能；串口扩展模块扩展出来的全功能串口能够正常收发串口 数据；网络接口模块能成功发送并接收 IP 数据包。该硬件平台各种功能齐全，为智 能家居网关的上层开发提供了便利的开发环境。
关键字：智能家居; 智能家居网关; 无线通信; 嵌入式系统; S3C2410
智能家居网络为低速的控制网，主要实现对信息家电、照明系统、仪表设备、 安防系统等自动控制和统一管理。智能家居网络的主要特点就是多元信息处理，包 括各类信息的采集、加工、管理、存储、交互等[8]。因此有必要建立一个功能强大的 信息处理平台。在智能家居网络中，家居网关担当了信息处理平台的角色。它一方 面完成智能家居内部网络设备之间信息交换和共享，以及同外部通信网络之间的数 据交换功能;另一方面负责对家庭中各个信息家电的管理和控制。各个信息家电也可 通过家居网关与外部网络相连，从而实现信息的交互和共享。正是由于家居网关在 智能家居网络的中的地位，使得对家居网关的研究成为IT业界的热点之一。随着嵌 入式技术和无线通信技术的高速发展,智能家居网关逐渐开始走向嵌入式,并采用无 线的方式组建智能家居网络[9]。
学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
1
华中科技大学硕士学位论文
能家居网络所有应有的信息和资源共享的优越性外，还支持高质量的语音和数据传 输。这为无线智能家居网络的应用开辟了新市场。近期无线智能家居网络将支持信 息家电、远程抄表、安防等功能。随着网线网络技术的日益成熟，更多的网络环境 将能够协同工作，无线家庭网络可与PSTN和以太网进行无缝连接。
Iห้องสมุดไป่ตู้
华中科技大学硕士学位论文
ABSTRACT
Smart home is a home network with diversification of forms of struc ture which come out in order to meet modern family life, which consists of smart home gateway, lighting system, networked appliances, and measurement instruments. Home gateway is the core of the smart home which in charge of coordination of the communications between different home terminal devices, the centralized control of appliances, Internet access, Remote Monitoring and so on. With the rapid development of embedded wireless technology and communication technology,smart home Gateway gradually turn to adopt embedded system as the hardware platform and wireless communication to form the smart home network.
1.2 智能家居网关的发展与研究现状
作为智能家居网络中的一个非常关键的部分，智能家居网关的研究一直非常活跃 [10]。智能家居网关主要具备两个主要功能:1.作为所有外部接入网连接到智能家居内 部网络，同时将智能家居内部网络连接到外部的一种物理接口;2. 对信息家电、照明 系统、仪表设备、安防系统等家庭内部设备自动控制和统一管理平台。 智能家居网 关主要经历了三个发展阶段，如表1-1所示[11]。早期的PC架构的智能家居网关出现于 中国智能家居的萌芽阶段，基本上停留在向使用者展示智能家居的概念，实用性不 强，属于第一阶段。目前很多国内外智能家居厂商研制的基于单片机架构的智能控 制系统在实用性、易用性和专业性方面有了很大程度上的提高，属于第二阶段。而 基于嵌入式系统的家居智能系统在国内才刚刚出现，随着嵌入式技术更加厂泛的应 用，随着成本的逐步降低，中国的智能家居最终将走向嵌入式[12]。与PC机相比,系统 的设计更加有针对性质,省去不必要的硬件资源,根据需要加入更加合适的硬件资源, 能最大限度的利用硬件资源。与单片机构架的系统相比,系统的处理能力大大增强,性 能更加优越,可以外接的功能设备也更多,能提供的功能服务更加齐全.软件开发方面,
System functional verification demonstrates that the minimum system can successfully run the downloaded program, store the program after power off and support online debugging, the serial ports devired by expansion can successfully transmit and receive serial data, and the Ethernet module can successfully transmit and receive IP packets.The hardware platform implemented provides full functions for upper- layer development and reserches, which makes the follow-up development easy.
The thesis proposes a specific program to realize a wireless embedded smart home gateway. The gateway adopts S3C2410 as the central processor, connected to the internal home network by Bluetooth and to the external network through Ethernet and GSM module.The thesis first introduces the system struture of the gateway，then concentrate on description of the design and realization of the minimum system, serial port expansion module, Ethernet interface module. The minimum system includes central processor module, SDRAM module and NANDFLASH module.The serial port expansion module adopts the serial port expansion chip TL16C752B to derive two full- function serial ports to connect to bluetooth module and GSM module. The ethernet module adopts the Ethernet control chip DM9000A which is 10/100M self-adaptive.