智能家居无线嵌入式网关硬件平台的设计与实现_徐景.docx

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1、分类号 _ 学 611810200671422 學 幸 如 1 0 4 8 7 專 f辦在次 f 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 学位申请人：徐景 学科专业：信号与信息处理 指 导 教 师 ：汪 小 燕 教 授 答辩日期 ： 2008年 6月 2日 A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirement for the Degree of Master of Engineering Design and Implementation of the Hardware Platform of an Emb

2、edded Wireless Smart Home Gateway Candidate Jing Xu Major Signal and Information Processing Supervisor Prof. Wang Xiaoyan Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074, P. R. China June, 2008 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

3、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。 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。 本论文属于 保密 ，在 _ 年解密后适用本授权书。 不保密 CI。 (请在以上方框内打 “ V” ） 学位论文作者签名 : 指导教师签名 : 摘要 智能

4、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。 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

5、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；

6、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 I ABSTRACT Smart home is a home network with diversification of forms of structure which come out in order to meet modem family life, which consists of smart home gateway, lig

7、hting 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 rap

8、id 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. The thesis proposes a specific program to realize a wireless embedded smart home

9、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

10、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

11、 to bluetooth module and GSM module. The ethernet module adopts the Ethernet control chip DM9000A which is 10/100M self-adaptive. System functional verification demonstrates that the minimum system can successfully run the downloaded program, store the program after power off and support online debu

12、gging, 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 deve

13、lopment easy. Key words: Smart home; smart home gateway; wireless communication; embedded system; s3c2410 ii 目录 m . I ABSTRACT . II 1绪论 1.1智能家居系统简介 . (1) 1.2智能家居网关的发展与研究现状 . (2) 1.3本课题研究的意义 . (3) 1.4本课题研究的内容和主要工作 . (4) 2系统整体设计 2.1智能家居网络的结构与应用场景 . (6) 2.2智能家居网关整体设计 . (7) 2.3 本章小结 . (11) 3最小核心系统设计与实现

14、3.1主处理器模块设计 . (13) 3.2 SDRAM 的选择 . (18) 3.3 NAND FLASH 模块设计 . (19) 3.4系统调试 . (24) 3.5本章小结 . (27) 4串口扩展模块设计与实现 4.1串口扩展芯片选择 . (28) 4.2串口扩展模块具体实现 . (29) 4.3串口扩展模块功能验证程序设计与实现 . (34) III 4.4 本章小结 . (38) 5网络接口模块设计与实现 5.1 网络接口芯片选择 . (39) 5.2 以太网模块具体实现 . (40) 5.3以太网模块功能验证程序设计与实现 . (44) 5.4 本章小结 . (56) 6 全 文

15、 总 结 与 展 望 6.1 全文总结 . (57) 6.2 展望 . (57) 致谢 . (59) 参考文献 . (60) 附录 1 DM9000A相关寄存器 . (63) IV 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。 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 7

16、0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 E

17、thernet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

18、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 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

19、作 ，无线家庭网络可与 PSTN和以太网进行无缝连接。 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

20、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。 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 1()。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所示早期的 PC架构的智能家居网关出现于 中国智

21、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 .

22、软件开发方面， 2 系统可以根据自身的硬件资源定制相应的实时操作系统，最大限度的利用硬件资源 . 嵌入式系统软件多采用分层设计，利于维护和升级，大大的体统了代码的利用率，缩短 了开发周期。因为嵌入式技术是伴随着 INTERNET而生的，所以它具有更加卓越的网 络性能，可以增加更多的网络应用 13。 表 1-1智能家居网关设计的三个发展阶段 方案 处理 能力 操作系统 应用软件 实用性 功 耗 系统稳定性 以 PC作为整个家庭 强 PC操作系统 应用程序 仅 仅 停 留 高 很差，易受病 智能控制系统的服 (WINDOW 在 概 念 阶 毒攻击，不能 务器，加上一些外围 S,LINUX 等） 段

23、 长时间稳定 围的扩展设备组成 工作 智能家居系统 以一片或多片单片 弱 无 直接对硬 适 合 比 较 低 主要采用数 机作为核心处理单 件编程， 简 单 的 应 模混合的电 元，加上一些智能节 代码重用 用，扩展性 路设计，相对 点组成的智能家居 率低 不强 复杂，稳定性 系统 不强 以基于嵌入式系统 强 嵌入式系统 与硬件无 适 合 比 较 低 采用数字电 的智能家居网关为 (EMBEDD 关，代码 复 杂 的 应 路设计，结构 核心组建智能家居 ED linux , 重用率高 用，扩展性 简单，稳定性 网络系统 VXWORKS 强 强 等） 1.3本课题研究的意义 智能家居系统是现代 3

24、C技术与传统家居系统相结合的产物，是家居信息化未来 发展的方向，是人类社会住宅建设发展的必然趋势，更是智能建筑的一个重要的组 成部分。智能家居的设计目标是 “ 将家庭中各种与信息相关的通信设备，家用电器和 家庭保安装置通过家庭总线系统技术 (HBs HomeBussystem)连接到一个家居智能化 系统上进行集中的或异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与 3 住宅环境的和谐与协调 ” 。 智能家居系统的实现，将会由过去的单一设备控制发展为家居设备的集中控制 以及远程控制 ;由过去的家居内部安全控制发展到家居远程实时监控 ;将为人们的家 居生活提供舒适的环境，满足人类对生活日益提

25、高的要求，实现全人性化的自动控 制功能。 虽然各国都在努力研制适合于本国国情的智能家居系统，但是由于智能家居设 备的多样性、设计成本过高、接口与通信协议标准不统一、平台开发个性化不足等 原因，目前普及性不强，要使智能家居真正进入每个家庭，必须设计出一种经济、 实惠、方便操作的系统。 目前国外有多种智能家居系统，但是存在价格 过高，技术壁垒较多，不太适合 绝大部分国内的需求 ;并且国内的被控家居智能化程度较低等原因，都不太适合大众 市场，开发符合国内需求的智能家居系统无论对提高人们的生活质量，还是中国智 能家居市场的发展，以及研究智能家居网络都是十分具有战略意义的。 本课题将结合嵌入式技术、以太

26、网技术、无线通信技术设计并实现一个既可以 通过无线实现对家庭内部的各种设备进行控制，又可以通过以太网和 GSM网进行远 程控制的智能家居网关。这种智能家居控制系统成本低廉，具有大众化、通用性强、 普及率高等特点，可以使普通家庭的生活更加轻松、 安逸。 1.4本课题研究的内容和主要工作 本课题的主要研究内容是嵌入式无线智能家居网关硬件电路的设计与实现，以 及系统的相关调试。系统以 SAMSUNG公司的 S3C2410主处理器为核心，外接 SDRAM， NANDFLASH,构建一个最小核心系统。主控芯片通过串口扩展芯片扩展 出两个全功能串口分别外接 GSM模块和蓝牙模块，以蓝牙方式连接内部智能家居

27、网 络，以 GSM方式连接外部无线网络。主控芯片还通过 10M/100M以太网控制芯片 DM9000A接入因特网，实现远程访问及控制。系统的难点在于串口扩展模块和以太 网模块的硬件电路的设计与调试。 本论文的主要工作如下： (1) 系统整体设计。介绍了智能家居网络的整体结构，通过对网关职能与性能需求 的分析，确定智能家居网关的整体结构与设计。 4 (2) 最小核心系统的设计与实现。介绍了最小核心系统的具体设计与实现，包括主 处理器， SDRAM， NANDFLASH模块的设计，以及系统的调试环境。 (3) 串口扩展模块的设计与实现。介绍了串口扩展模块的具体设计与调试，包括串 口扩展芯片的选择、

28、模块硬件电路的实现、芯片相关寄存器的说明以及模块具体的 调试程序说明。 (4) 以太网模块的设计与实现。介绍了以太网模块的具体设计与调试，包括以太网 络控制芯片的选择、模块硬件电路的实现、芯片相关寄存器的说明以及模块具体的 调试程序说明。 (5) 系统总结 :对系统设计进行总结，并介绍之后系统的改进方向。 5 2系统整体设计 2.1智能家居网络的结构与应用场景 智能家居网络通常包括智能家居网关、信息家电、照明系统、仪表设备、安防 系统。智能家居网关以一种或多种通信方式与其它四个部分连接，交互信息，对它 们进行统一控制管理。此外，智能家居网关还接入外部网络，使家庭成员能够远程 实时控制管理智能家

29、居网络系统。照明系统用来控制家庭内部的各种灯的开关，智 能家居网关对它进行统一管理，协调家庭内部各种灯的通断，快捷方便的改变家庭 的灯光效果。例如，家庭成员还可以根据自己的心情或者特定的环境，选择智能家 居网关预设的灯光效果 14。信息家电是智能家居网络的重要组成和支持部分，代表 着家居智能化的发展方向。通过统一的家电联网接口，将网络家电与智能家居网关 相连，组成网络家电系统，实现家用电器的远程监控、故障远程诊断等 功能 15。仪 表设备包括电表，水表，煤气表等，通过智能家居网关，家庭用电、用水、用气量 等可以实时方便的发送给相关部门，解决了入户抄表的低效率 16。家庭安防，是智 能家居网络的

30、首要组成部分。例如当家庭智能终端处于布防状态时，红外探头探测 到家中有人走动，就会自动报警，通过蜂鸣器和语音实现本地报警；同时，报警信 息报到物业管理中心，还可以自动拨号到主人的手机或电话上 17。 图 2-1是一个典型的智能家居网络系统。 6 图 2-1智能家居网络总体结构 2.2智能家居网关整体设计 2.2.1智能家居网关功能与性能要求分析 首先，智能家居网关需要以一种或者多种通信方式与照明系统，家用电器，仪表 设备，安防系统连接。通信方式主要分为无线和有线两种，相对于有线通信，无线 通信省去了布线的麻烦，而且可以方便的加入和删除网络节点，甚至改变网络的拓 扑结构而不需要重新布线。但是早期

31、无线通信技术的发展远远滞后于有线通信技术， 其技术成熟度，系统性能，普及性远远不及有线通信，因此造成无线通信系统成本 远高于有线通信系统。出于成本和性能的考虑，早期的智能家居网络的通信方式主 7 要以有线为主。随着微电子技术和无线通信技术的高速发展，无线通信方式性能不 断提高的同时，其价格也在飞速下降，已经开始逐渐渗透普及到各行各业，因其先 天的优势，开始在 很多应用场合取代有线通信方式，例如在智能家居网络系统中。 智能家居网络的通信范围通常在 200米以内，且短距离无线通信系统与长距离无线 通信系统相比成本低，能耗少，体积小，因此智能家居内部网络的构建主要以短距 离无线通信为主。 时下主流的

32、短距离无线通信技术主要有蓝牙、 UWB、 HOMERF、 ZIGBEE和 802.11 为主 18.蓝牙的无线传输距离一般为 10m 100m左右，发射功率大约为 lmw100mw(20db)， 传输速率理论上可以达到每信道 IMbit/s， 实际应用中的有效值 只能达到每信道 721Kbit/s,其应用相当广泛 .FCC (美国联邦通信委员会）规定 UWB 系统工作在 3.1 GHz 10.6 GHz频段，总辐射功率仅有 0.55mw,覆盖半径小，传输速 率是蓝牙的几百倍，有效通信距离在 l m左右 19。HOMERF工作频段是 2.4GHz， 传 输功率 100mw(20db)， 适用范围

33、 50米 2Q。 ZIGBEE工作在 2.4GHZ、 915MHZ、 868MHZ, 分别提供 250kbps、 40kbps和 20kbps的传输速率 ,传输距离界于 10-100米之间 ,一般为 30 米，其功耗很低 ,一节五号电池 能支持它工作 3到 12个月 21.802.11又称WIFI,包括 802.11a、 802.11b,802.11c三种规范 ,802.11b可提供 llMb/s、 5.5Mb/s、 2Mb/s、IMb/s 多 种速率，覆盖范围为 80米至 100米 ;802.11g是 802.11b的一个扩展，同 802.11b 样 , 802.11 也使用了 2.4 0出

34、频率，覆盖范围也相同， 802.11 在 2.40112频段使用正 交频分复用 (OFDM)调制技术，使数据传输速率最高可以达到 54 Mbps; 802.11a则使 用的是 5.8 GHz频率，最高能够以 54Mbps的速度传递数据，但覆盖范围仅有 30米左 右 .其发射功率一般在500mw(20db)之上 p2l综上所述 ,UWB无论在传输速率和功耗上 都有巨大的优势 ,ZIGBEE有能耗低的优势，但就其应用以及技术的成熟度而言 ,远远落 后于 HOMERF、 蓝牙、 802.11,它们要占据主流的市场，还需要经过一个过渡阶段。和 蓝牙相比 ,HOMERF传输距离和传输速率都差不多 ,但功

35、耗缺远大于蓝牙，而且时下 HOMERF的发展远没有蓝牙快 ,正逐渐被蓝牙所完全替代。 802.11虽然传输速率很远 高于蓝牙 ,但是功耗太大，而且要实现高速的数据传输对主控芯片的性能要求也大大 提高。智能家居网络中大部分的设备都只需要少量的数据传输 .综合以上各种短距离 无线通信技术的优缺点和智能家居网关系统自身的需求考虑，智能家居网关系统的 无线通信方式选用蓝牙。 单一独立的智能家居网络极大限制了自身的应用，需要通过智能家居网关接入到 8 外部网络中，方便信息的共享和家庭成员的对家庭内部设备远程管理。本智能家居 网关外接一个以太网控制器，将网关接入因特网，为了能支持高速的突发数据转移 或者突

36、发的大访问量，需选取支持 100M的以太网控制芯片 23。 为了能随时随地的对智能家居网络进行远程访问管理，系统还外接一个 GSM模 块，用户通过手机向它发送短信对它进行远程访问管理，智能家居网关检测到不安 全因素时也可以通过 GSM模块拨打用户手机示警 24。 智能家居网关需要保存各种与家庭相关的数据，如各种家用电器的用电情况，维 修记录等信息，家庭各个成员的相关信息等。每个家庭成员可能都需要一定的存储 空间来存储自己的一些私人 数据，还需要一定的存储空间用作临时存储区。目前在 嵌入式系统中应用最广泛的存储设备有以下四种：硬盘， CF卡， MMC卡，以及 SD 卡。硬盘是目前常用设备中容量最

37、大的，单硬盘容量能达到 120G以上 ;单位容量的 价格也最低。缺点是功耗大、工作环境不能剧烈振动、体积大、有噪音，存在机械 结构、寻道速度慢等。 CF卡是最早出现的闪存设备， CF卡通过 50针接口提供了完 整的 PCMCIA-ATA功能且通过 ATA/ATAPI-4协议兼容 TruelDE. CF卡容量在存储 卡里最大，单卡能达到 8GB， 相应的体积也是存储卡里最大的 25。 MMC卡号称业 界最小的存储卡，只有 32*24*1.4mm.重量 1.5g .MMC卡被设计成一种低成本存储平 台和通信介质，它的接口非常简单，只有 7针。而且 MMC卡接口更类似于 SPI总 线，同一接口允许最

38、多 30张 MMC卡并联 26。 SD的含义是 “ 安全数据 (Secure Digital)。 其最大的特征是拥有完善的知识产权保护机制，被广泛应用于视频音频播放设备中。 SD卡向下兼容 MMC卡的格式，因此应用很广泛 27。 CF卡的接口信号比较复杂， 一般需要在主控芯片中集 成 PCMCIA接口控制器或外接专门的 ISA转 PCMCIA接口 芯片，成本太高。广泛应用的 MMC存储卡容量最大只有 256MB， 容量太小。一般 SD 卡的容量也只有 2G.综合以上分析，系统拟采用硬盘作为系统的主要存储介质， SD 卡、 U盘作为即插即用附加存储设备。 为了能对智能家居内部设备进行方便的管理，

39、智能家居网关需要提供友好方便的 人机接口。时下嵌入式系统中应用最为广泛的输入设备以矩阵键盘和触摸屏为主。 智能家居网关还负责保障家庭安全。在检测到不安全因素时，发出相应的报警信 号。本网关系统外接一个音频模块，以声 音的形式发出报警信号。当系统探测到非 法闯入的时候，智能家居网关需要能记录犯罪证据，并存储证据。本智能家居网关 外接一个摄像头和一个麦克，记录非法闯入时的画面和声音 28。 9 2.2.2网关硬件平台整体结构 如上一节所述，网关需要内接智能家居内部网络，外接 INTERNET， GSM网络 , 并提供足够的存储空间，输入输出控制台，本地音频报警。网关硬件平台的整体结 构如图 2-2

40、所示。 图 2-2智能家居网关系统整体框图 网关硬件平台主要由主处理器模块，蓝牙模块，串口扩展模块， GSM模块， 以太网模块， IDE接口模块， USB主接口模块 ， NAND FLASH模块， USB从接口模 块， SD卡模块，音 频模块，输入模块，输出模块， JTAG模块，串口调试模块 ， USB 从接口模块组成。其中，蓝牙模块用来连接内部智能家居网络； GSM模块用来外接 GSM网络；以太网模块用来连入 INTERNET; IDE接口模块用来接 IDE硬盘 ， USB 主接口用来接即插即用 USB设备，如 U盘、 USB摄像头等， SD卡模块用来外接 SD 10 卡， NAND FLA

41、SH模块为系统提供 FLASH存储空间； USB从接口模块传输速率远 大于串口和 JTAG接口，可以用来下载大容量的固件程序或数据；串口模块用作系统 辅助调试； JTAG模块用来下载小容量的固件程序以及在线调试；输入模块和输出模 块用作系统控制台，提供人机接口。 其中，主处理器模块， SDRAM， NANDFLASH模块， JTAG接口模块组成了系 统的最小核心系统，支持程序的下载，调试，运行。 JTAG接口模块是程序下载，调 试接口。 SDRAM为程序的运行提供足够的可读写空间。 NANDFLASH模块掉电保 存固件程序。最小核心系统是系统的控制核心，是保证整个系统正常工作的基础， 直接决定

42、了整个系统的功能和性能。本系统中，主控制芯片选择以 ARM920T为核 的 S3C2410,其集成了专门的 SDRAM控制器，最大能外接两片 128MB的 SDRAM， 本系统中综合程序运行空间的需求分析，选择了两片容量分别为 32MB的 SDRAM 芯片 K4S561632H,能够为系统提供 64MB的可读写空间，此外芯片还提供专门的 NAND FLASH控制器，能方便的 NAND FLASH芯片，综合固件程序存储空间的需 求分析，系统选了容量为 128MB的 HYNIX公司的 NAND FLASH芯片 HY27UF081G2M。 本系统中，蓝牙模块和 GSM模块通过串口控制，需要主控制器提

43、供两个全功能 串口，主控芯片 S3C2410不直接提供全功能串口，需要通过一个串口扩展模块扩展 出两个高速全功能串口。扩展出的串口输出速率需要高于蓝牙模块和 GSM模块支持 的最高串口传输速率，这样才能充分利用蓝牙模块和 GSM模块的传输性能。串口扩 展模块外接蓝牙模块和 GSM模块，其性能直接影响蓝牙模块和 GSM模块的数据传 输性能，进而影响系统智能家居内部网络和 GSM网络传输的性能。 以太网模块将网关接入到因特网上，方便用户的远程控制管理，其数 据传输量 大，且要能支持高速的突发数据转移或者突发的大访问量。主控芯片的工作频率最 高能达 200MHZ,总线位宽最高达 32位，完全能支持

44、100Mbps的以太网数据传输。 因此系统选择了 10/100M自适应以太网控制芯片 DM9000A。 最小核心系统，串口扩展模块，以太网模块是本系统的核心所在，是系统设计 的重点，本文后面三个章节分别重点说明了每一个模块的具体设计与实现。 2.3本章小结 本章重点说明智能家居网关整体结构设计，首先介绍了一个典型的应用型智 能家居网 络的整体结构，分析确定智能家居网关的具体职能。然后通过对智能家居 网关功能和性能要求的具体分析，确定智能家居网关硬件平台的整体结构。 12 3最小核心系统设计与实现 一般最小核心系统需要能够为下载程序提供存储空间和运行空间并支持系统在 线调试，包括主处理器，调试下载接口，程序存储空间，数据存储空间 29。本系统 中最小核心系统包括主控制器模块， SDRAM, NANDFLASH模块， JTAG接口四部 分。其中主控制器模块是系统的控制核心， NANDFLASH提供程序固件存储空间， 掉电保存固件程序， SDRAM为程序提供可读可写运行空间，数据掉电丢失 。 JTAG 接口是调试下载接口。 3.1主处理器模块设计 3.1.1主处理