0 引言
    智能家居系統(tǒng)是為適應現代化家庭生活而形成的一個形式多樣化的網絡系統(tǒng)。它是現代3C技術(計算機技術，通信技術，控制技術)與傳統(tǒng)家居系統(tǒng)相結合的產物，是家居信息化未來的發(fā)展方向。智能家居網絡通常包括智能家居網關，外部網，安防設備等。智能家居網關與其他4個部分連接，交互信息，對它們進行統(tǒng)一的管理。此外，智能家居網關還接入外部網絡，使用戶能夠遠程實時控制管理家庭內部網絡。
    在本文中，智能家居網絡是指應用于家庭環(huán)境的無線傳感器網絡。在家庭中，部署各種傳感器，例如紅外傳感器，煙霧傳感器，RFID門磁傳感器來監(jiān)測家庭的一些環(huán)境信息，這些傳感器通過自組織方式就構建了智能家居網絡。所以本文設計的智能家居網關主要是實現WSN網絡與Internet以及GSM網的互連。顯然，智能家居網關是整個家庭網絡的核心，主要實現Internet網，GSM網的接入，遠程控制，以及實現協(xié)議轉換連接家庭內部異構網絡的功能。目前基于PC方案的家庭網關不僅成本高，而且要求計算機一直處于開機狀態(tài)，因此，對于普通的用戶，家庭網關應采用廉價的嵌入式CPU，若單是采用8位或者16位的單片機，由于速度慢且資源有限，不能實現復雜的控制，效果不理想。
    因此，以ARM920T核處理器S3C2440為主處理器，家庭內部通過JENNIC 5139射頻模塊自組織無線網絡。GSM模塊選用Wavecom GSM模塊。此外，本文用Qt設計了用戶可操作的觸摸屏界面。

1 網關需求分析
    網關系統(tǒng)的主要功能是在現場及遠程終端監(jiān)控家庭各個傳感器的工作狀態(tài)，并在異常時報警。各個傳感器將各自采集的信息，經過JEN-NIC射頻模塊的無線傳輸，傳送到網關系統(tǒng)上，通過嵌入式微處理器操作系統(tǒng)，將信息通過有線或者無線方式傳送到遠程終端上或者用戶手機上。網關部署如圖1所示。

    本文要實現的目標有以下3個：
    (1)實現用戶在任何時間，任何地點通過遠程無線的方式對家庭內的環(huán)境信息查詢；
    (2)對家庭內部的環(huán)境信息進行實時監(jiān)控，當其中某一項參數超過一定指標時，以遠程無線方式通知用戶，發(fā)送報警信息；
    (3)監(jiān)聽遠程終端的連接請求，當有遠程Socket連接時網關發(fā)送數據。

2 網關總體設計
    現階段大部分的家庭網關聯網方式主要為有線接入，本文提出了一種基于ARM處理器和GSM網絡，以linux為操作系統(tǒng)的家庭網關無線接入方案，目的是能通過手機短信或者遠程終端對控制節(jié)點進行遠程控制。并使用JENNIC無線射頻模塊實現家庭內部子網采集數據的無線傳輸。
    網關系統(tǒng)的總體結構圖可以簡化為硬件層和軟件層。硬件層由高性能的微處理器和多個功能模塊組成。軟件層由嵌入式操作系統(tǒng)以及應用軟件構成，其具體結構如圖2所示。

3 家庭網關硬件設計
    本次網關設計的硬件層主要采用嵌入式的ARM9開發(fā)平臺。嵌入式ARM處理器具有體積小，功耗低，成本低，性能高等特點，是十分優(yōu)秀的RISC處理器。其中三星公司的S3C2440是一款優(yōu)秀的ARM9核心處理器，具有400 MHz的主頻，內部集成多個功能模塊，支持NAND-flash啟動等特點，是目前市場上最常見的嵌入式處理器芯片。因此，本系統(tǒng)擬采用S3C2440處理器為核心處理器。
    考慮主控制器擴展出來的串行接口數量有線，程序的調試，燒寫，傳感器節(jié)點等都需要串行接口。所以，選擇了AU9254這款USB PUB芯片來實現USB串行口的擴展。以太網控制器和配合擴展的RJ 45接口主要用于與Internet網絡互聯。射頻收發(fā)模塊和GSM無線模塊擬采用標準的串口集成到網關上。人機接口打算使用LCD觸摸屏，可以方便地觀察節(jié)點的配置以及檢測環(huán)境的變化。JTAG接口將引導加載程序燒寫在網關中。具體的硬件架構圖如圖3所示。

4 家庭網關軟件設計
4．1 構建網關嵌入式Linux操作系統(tǒng)
    網關系統(tǒng)硬件平臺與功能應用之間，需要專門的負責管理存儲器分配，中斷處理以及任務調度等功能的軟件模塊，這就是嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)是用來支持嵌入式應用的系統(tǒng)的軟件，包括硬件相關的底層驅動，系統(tǒng)內核，通信協(xié)議，圖形用戶界面等。
    本文的網關系統(tǒng)是面向WSN和Internet，GSM互聯的通信應用，主要完成異構網絡之間的通信和控制，因此需要選擇實時的操作系統(tǒng)。在眾多的嵌入式實時操作系統(tǒng)中，從開發(fā)成本，軟件支持和代碼開放的角度考慮，本文將采用Linux操作系統(tǒng)作為網關的系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。
4．2 建立交叉編譯環(huán)境
    交叉編譯就是在一個平臺上生成另一個平臺上可以執(zhí)行的代碼。這里的平臺包括體系結構和操作系統(tǒng)。同一體系結構上可以運行不同操作系統(tǒng)。同樣，同一個操作系統(tǒng)也可以在不同的體系結構上運行。
    本文是在裝有Ubuntu 9．10(基于X86架構的Linux操作系統(tǒng))的PC機上為網關系統(tǒng)建立了基于ARM9的交叉編譯環(huán)境。建立之后，就可以在PC機上對將在網關系統(tǒng)上運行的應用程序進行編譯，從而生成可以在網關系統(tǒng)上運行的可執(zhí)行代碼，最后下到網關系統(tǒng)上。這也就是目前嵌入式程序開發(fā)的宿主機／目標機(HOST／TARGET)模式。
    Linux交叉編譯環(huán)境的內容，主要分為4個部分：GCC編譯器(C語言編譯器)，二進制工具包(Binutils)，標準C庫(Glibc)和Linux內核頭文件。Glibc和GCC都有很多版本，需要根據實際需要選擇合適的版本。
4．3 網關應用程序設計
    本次網關系統(tǒng)的應用軟件架構圖4所示。其主要功能是依據傳感器配置文件，分類解析WSN中的數據，為用戶提供Socket數據服務和XML-RPC遠程調用服務。其工作流程是：網關程序啟動以后，從XML文件夾中解析所有的傳感器配置文件；監(jiān)聽串口數據，利用傳感器配置文件解析數據生成XML數據流；創(chuàng)建Socket服務器，等待客戶端數據請求，提供XML格式的Socket服務；創(chuàng)建XML-Socket遠程調用服務器，完成用戶的XML請求。

    程序設計思路如圖5所示：網關程序啟動，完成參數初始化，解析XML文件夾下的所有傳感器配置文件，創(chuàng)建3個類的實例。4個任務隊列。Serialcomm類創(chuàng)建兩條線程用讀串口和寫串口，這樣可以保證數據的實時性。基于同樣的道理，XMLParser類和XMLComm類也是雙線程并行工作。這樣就組成了從WSN和Internet的上行通道(圖5中的虛線表示)，以及Internet到WSN的下行通道(圖5中的粗線表示)。
4．4 人機接口模塊的設計
    人機接口使用的是項目中使用的觸摸屏是240×320 TFT彩屏LCD。該模塊主要設計以下4個菜單供用戶操作：文件菜單，查詢菜單，報警菜單和管理菜單。這部分的設計使用Qt設計。Qt是一個跨平臺的C++圖形用戶界面庫，由挪威TrollTech公司開發(fā)，目前包括Qt／X11、基于Framebuffer的Qt／Embedded、快速開發(fā)工具Qt Designer以及國際化工具Qt Linguist等。Qt的良好封裝機制使其模塊化程度非常高，可重用性較好，對于用戶來說非常的方便。Qt API和開發(fā)工具對所有支持平臺都是一致的，從而可以進行獨立于平臺的程序開發(fā)和配置。它使得跨平臺軟件編程直觀、簡易和方便。
    本文所有的可視化界面都是通過Qt自帶的工具Qt designer設計，它是一個可視化的界面設計工具，對于其每個組件內部的關系通過編寫代碼來實現。
     網關登陸界面主要用于用戶登陸信息的輸入，包括用戶名和密碼。用戶正確輸入用戶名和密碼之后，就可以進入網關的主界面，如圖6所示，可以看到，這里有4個菜單，當點擊每一個菜單分別進入相應的功能界面，例如點擊文件菜單，可進入配置文件的編輯界面。在此界面上可以修改網關系統(tǒng)的配置文件。這個界面具有一般文件界面的所有功能。這幾個界面都比較簡單，比較容易實現。在此重點介紹監(jiān)控界面的設計。

    監(jiān)控界面是該系統(tǒng)用戶界面的主要部分。它主要是查看目前家里的環(huán)境信息。和這相關的文件有query．ui，ui_query．h，query．h，query．cpp等，其中query．ui是Qt Designer設計的主界面函數，如圖7所示。Ui_query．h是moc編譯器產生的函數。本文中需要的函數一般都在query．h，query.cpp中得到體現和實現，主要包括信息的查詢，這里既可以查看一段時間內家庭內的環(huán)境信息，也可以輸入查詢日期，查詢某天的數據信息。根據需求，設計的主要實現函數為：
   

    這些槽函數是根據按鈕要實現的具體功能而設計的。具體實現在query．cpp中。
    通過這部分的設計，實現了網關的人機界面部分?？梢詫νㄟ^此網關系統(tǒng)對家庭信息進行查詢。
4．5 報警功能
    該網關的報警功能主要是網關主控制器通過操作串口來操作GSM模塊，使用AT指令來完成。在該網關中，報警功能實現當家庭網絡中的信息超過某一閾值時，發(fā)送報警信息。

5 結語
    本文立足于WSN和Internet，GSM異構互聯研究，針對WSN與Internet，GSM互聯的網絡接入要求，完成了基于ARM9的家庭網關系統(tǒng)的研究與設計。從硬件平臺上來說，提供了豐富的接口以便不同網絡的接入，從軟件平臺來說，實現了用戶對家庭網關的訪問，通過用戶可操作的人機界面來對家庭內的環(huán)境信息進行查詢。當家庭內某一項環(huán)境信息超標時，通過使用AT指令控制GSM模塊來向用戶發(fā)送報警短信。