基于Zigbee協(xié)議的OSGi無(wú)線(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)設計

摘要：設計基于OSGi標準和Zigbee無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議的分布式家庭網(wǎng)關(guān).首先提出基于Zigbee家庭網(wǎng)絡(luò )的無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)方案 同時(shí)提出無(wú)線(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)的硬件實(shí)現方案，并給出基于OSGI標準的軟件開(kāi)發(fā)的步驟。最后分析了家庭網(wǎng)關(guān)的實(shí)際應用。

1 引言
隨著(zhù)internet的普及和數字家庭的深人人心.消費電子、計算機、通信3c一體化趨勢日益明顯，家庭網(wǎng)絡(luò )化已經(jīng)成為家庭現代化的潮流。家庭網(wǎng)絡(luò )可看作當作一種分布式網(wǎng)絡(luò )，普通家電通過(guò)嵌入網(wǎng)絡(luò )接口和能實(shí)現本地控制的I/O口，成了網(wǎng)絡(luò )用具(Internet Personal Appliances)，通過(guò)家庭網(wǎng)關(guān)實(shí)現網(wǎng)絡(luò )用具的遠程控制.采用基于IEEE802.15.4標準的Zigbee協(xié)議，真正實(shí)現寬帶網(wǎng)絡(luò )家庭的最后一公尺延伸，使家庭組網(wǎng)更加便捷。

2 家庭網(wǎng)絡(luò )總體設計
2.1家庭網(wǎng)絡(luò )的結構
圖1是家庭網(wǎng)絡(luò )的總體結構。其中家庭網(wǎng)關(guān)是家庭網(wǎng)絡(luò )的核心，是連接家庭中彼此孤立分散的子網(wǎng)或網(wǎng)絡(luò )用具、實(shí)現信息的交互和共享，并將家庭內網(wǎng)和外部網(wǎng)連接，實(shí)現內外網(wǎng)絡(luò )互通和鑒權的設備。

實(shí)現家庭內部組網(wǎng)方面，本系統采用Zigbee無(wú)線(xiàn)通信標準。網(wǎng)關(guān)采用GPRS無(wú)線(xiàn)方式連接外部網(wǎng)絡(luò )，同時(shí)預留RJ45接口。網(wǎng)關(guān)全部采用無(wú)線(xiàn)通信方式，可以避免家庭布線(xiàn)的繁瑣，方便了網(wǎng)關(guān)在家庭中的布置，同時(shí)使這種網(wǎng)關(guān)不僅能夠應用于家庭，也能應用在車(chē)載等移動(dòng)系統。

2.2 Zigbee協(xié)議概述
Zigbee是基于802.15.4標準開(kāi)發(fā)的關(guān)于組網(wǎng)、安全和應用軟件方面的技術(shù)標準。Zigbee協(xié)議包括高層應用規范(profile)、匯聚層、網(wǎng)絡(luò )層、數據鏈路層和物理層。其中數據鏈路層和物理層標準由IEEE802.15.4負責制定，網(wǎng)絡(luò )層以上由Zigbee聯(lián)盟制定。
Zigbee技術(shù)一開(kāi)始就是被設計用來(lái)構建包括恒溫裝置、安全裝置、家用電表等小型設備的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。作為家庭網(wǎng)絡(luò )的組網(wǎng)節點(diǎn)，覆蓋范圍在10m～75m，具有低功耗特性，同時(shí)協(xié)議實(shí)現簡(jiǎn)單且免收專(zhuān)利費，工作頻段為免執照頻段等。Zigbee技術(shù)的這些特點(diǎn)彌補了低成本、低功耗和低速率無(wú)線(xiàn)通信市場(chǎng)的空缺，豐富和便捷的應用為家庭網(wǎng)絡(luò )化提供了很好的實(shí)現手段。值得一提的是，低能耗和極低的時(shí)延是藍牙等無(wú)線(xiàn)技術(shù)所不能比擬的。

2.3 網(wǎng)絡(luò )用具
對于網(wǎng)絡(luò )用具，目前還沒(méi)有統一的標準，IETF草案中按功能把它分成胖網(wǎng)絡(luò )用具(fat IPA)和瘦網(wǎng)絡(luò )用具(thin IPA)。功能較復雜的胖網(wǎng)絡(luò )用具定義為：IPA=[network interface][application control][I/O control]，即具備網(wǎng)絡(luò )接口和本地系統控制的I/O端口，同時(shí)具備嵌入式應用程序的家用設備.如網(wǎng)絡(luò )冰箱、網(wǎng)絡(luò )空調、家庭多媒體系統等需要實(shí)現復雜控制功能；如燈、門(mén)等實(shí)現相對簡(jiǎn)單的控制功能，需網(wǎng)絡(luò )接口和I/O控制端口.屬于瘦網(wǎng)絡(luò )用具。網(wǎng)絡(luò )用具和普通家用設備的區別主要在于有沒(méi)有網(wǎng)絡(luò )接口.能否實(shí)現網(wǎng)絡(luò )控制。

3 家庭網(wǎng)關(guān)的設計
設計家庭網(wǎng)關(guān)是本系統的關(guān)鍵。特別地.作為家庭網(wǎng)絡(luò )建設的核心.家庭網(wǎng)關(guān)的設計思路已經(jīng)提了不少.本節將主要從j個(gè)方面作一些探討。
3.1基于OSGi的分布式網(wǎng)關(guān)模型
開(kāi)放服務(wù)網(wǎng)關(guān)起始(OSGi)是OSGi組織制定的一個(gè)面向網(wǎng)絡(luò )開(kāi)放服務(wù)的規范(specification).基于這個(gè)規范開(kāi)發(fā)的OSGi框架(Framework)可以部署在嵌入式設備中.框架是具有管理服務(wù)和升級服務(wù)等功能的網(wǎng)關(guān)設備軟件平臺。它的實(shí)現是以java技術(shù)為基礎.具備了java平臺獨立等各種優(yōu)點(diǎn)，可以獨立于不同的制造商.通過(guò)API整合不同的標準.具有跨平臺和良好的兼容性，為實(shí)現不同通信技術(shù)并存和支持多種設備互連奠定基礎。本系統網(wǎng)關(guān)系統構架設計部署如下圖2：

OSGi框架是OSGi服務(wù)平臺的核心.是通過(guò)java類(lèi)和java API實(shí)現的一些功能集，它負責實(shí)現各種服務(wù)集(bundles)的實(shí)時(shí)部署、管理和維護工作.通過(guò)對服務(wù)集的控制來(lái)實(shí)現網(wǎng)關(guān)的各種功能。服務(wù)集是服務(wù)的實(shí)現載體，OSGi框架和其它所有的功能都是以服務(wù)集的方式通過(guò)java類(lèi)和API實(shí)現。通過(guò)UPnP(Universal Plug and Play)技術(shù)可使網(wǎng)絡(luò )用具的部署變得非常方便。當網(wǎng)絡(luò )用具和家庭網(wǎng)關(guān)在物理層連接后，OSGi框架的設備管理器就會(huì )檢測到設備服務(wù)注冊，然后借助驅動(dòng)定位器和驅動(dòng)選擇器從網(wǎng)絡(luò )或本地下載能跟設備匹配的驅動(dòng)程序。這樣.當用戶(hù)想在家里添置網(wǎng)絡(luò )設備時(shí)，無(wú)需手動(dòng)安裝驅動(dòng)程序就可以實(shí)現設備的“網(wǎng)絡(luò )即插即用”把家庭網(wǎng)絡(luò )設計成分布式，具有很多優(yōu)勢.外部網(wǎng)絡(luò )只要訪(fǎng)問(wèn)家庭網(wǎng)關(guān)，就可以透明地訪(fǎng)問(wèn)不帶IP的家庭網(wǎng)絡(luò )用具，同時(shí)也解決了家庭網(wǎng)絡(luò )用具之問(wèn)互操作性問(wèn)題。

3.2網(wǎng)關(guān)硬件實(shí)現方案
無(wú)線(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)由微控制器、GPRS模塊和Zigbee射頻通信模塊三部分組成.硬件模塊連接如下圖3。

控制器采用三星公司的ARM9微處理器S3C2410X為主CPU.它是Samsung公司推出的基于A(yíng)RM9TDMI核.精簡(jiǎn)指令系統的16/32位高速微處理器。以S3C2410X為核心.外圍擴展一系列功能模塊，GPRS模塊采用Siemens公司的TC35終端，通過(guò)串口與CPU相連.實(shí)現與internet連接。外部網(wǎng)絡(luò )可以通過(guò)web方式訪(fǎng)問(wèn)家庭網(wǎng)絡(luò ).查詢(xún)和控制家庭內部網(wǎng)，同時(shí)也通過(guò)RJ45網(wǎng)絡(luò )有線(xiàn)連接外網(wǎng)：Zigbee射頻收發(fā)模塊采用Chipcon AS公司的CC2420芯片.控制家庭網(wǎng)內具備Zigbee標準接口的家庭用具。在家電控制器上加載Zigbee無(wú)線(xiàn)模塊.通過(guò)UPnP技術(shù).網(wǎng)絡(luò )用具就成為家庭分布式網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)節點(diǎn)。

3.3軟件平臺軟件開(kāi)發(fā)步驟
S3C2410X集成了內存管理單元.可以嵌入多種主流操作系統。在這個(gè)系統中.家庭網(wǎng)關(guān)采用免費的嵌入式Linux操作系統。Linux源代碼的開(kāi)放性對程序開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)很容易實(shí)現系統的裁減和再開(kāi)發(fā).也方便java技術(shù)的移植，可以大大地提高系統開(kāi)發(fā)的效率。
系統開(kāi)發(fā)和部署如下：
(1)在主機上安裝Linux嵌入式編譯和開(kāi)發(fā)環(huán)境.如安裝交叉編譯工具鏈.采用eclipse作為IDE;
(2)下載CDC及其profile.本系統采用Personal Profile;同時(shí)下載OSGi Framework.本系統選用基于OSGi R3的Oscar框架;
(3)裁減Linux嵌入式操作系統.并修改相應的配置文件.交叉編譯Linux的內核和組件.生成操作系統鏡像文件.通過(guò)bootloader把鏡像文件下載到目標系統中;
(4)在PC上交叉編譯CVM和OSGi Framework，然后通過(guò)ftp把編譯文件移植到目標板；
(5)按照需求編寫(xiě)相應的bundle服務(wù)應用程序、圖形用戶(hù)管理程序等.編譯并下載到目標系統。
當然.根據具體的應用還可以添加一些服務(wù)程序?？傮w來(lái)說(shuō).嵌入式系統的裁減移植和bundle的實(shí)現是重點(diǎn)和難點(diǎn).在開(kāi)發(fā)過(guò)程當中需要仔細的調試和分析測試。下面介紹一下http bundle的部分偽代碼實(shí)現：
package org.osgi.service.http；
import javax.servlet.http.HttpServletRequest；
import javax.servlet.http.HttpServletResponse
……
//定義HttpContext接口，servlet和資源通過(guò)這個(gè)接口進(jìn)行注冊
public abstract interface HttpContext{
public abstract boolean handleSecurity(HttpServletRequest
request，HttpServletResponse response)
throws IOException；
//定義接口方法和屬性等
}
//定義HttpService，其它bundle的資源和servlet
都是通過(guò)這個(gè)接口被動(dòng)態(tài)注冊和加載到OSGi
public abstract interface HttpService{
//定義servlet和資源注冊處理方法和屬性
……
}
在開(kāi)發(fā)完成后，還應該對系統總體進(jìn)行規劃，去除不必要的程序模塊，對硬件進(jìn)行制板封裝。

4 應用前景
家庭網(wǎng)關(guān)的應用將是大量的.它可以應用于家庭網(wǎng)、樓宇自動(dòng)化、車(chē)載系統、小型辦公室等，具有布置美觀(guān)方便，無(wú)須專(zhuān)業(yè)人員維護等優(yōu)點(diǎn)，必將在未來(lái)社會(huì )信息化進(jìn)程中發(fā)揮獨特的作用。有調查研究表明，一個(gè)家庭擁有幾臺電腦將會(huì )普遍存在，這樣家庭網(wǎng)關(guān)將發(fā)揮不可替代的作用，家庭網(wǎng)關(guān)式的Internet的家庭寬帶接人和家庭設備共享將成為主流。另外，家庭網(wǎng)關(guān)在車(chē)載系統等方面的應用前景也廣闊的，它可以應用于車(chē)載導航、監控、多媒體等，例如BMW 公司的X5系列汽車(chē)采用OSGi實(shí)現了導航，MP3音樂(lè )下載等各種功能，駕駛者可透過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)與PDA結合，可以享受上網(wǎng)瀏覽或是接收郵件等服務(wù)。

5 結束語(yǔ)
采用Zigbee協(xié)議組建無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )具有很大的優(yōu)勢，利用CC2420芯片開(kāi)發(fā)短距離射頻傳輸模塊成本低、功耗小，并配合基于Java技術(shù)的OSGi框架，使網(wǎng)絡(luò )用具對家庭網(wǎng)絡(luò )即插即用，同時(shí)家庭外部網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)內部網(wǎng)絡(luò )具有透明性。