【文章內(nèi)容簡介】 一方面，由于網(wǎng)關同處于兩個網(wǎng)絡中，這時可以把這兩個網(wǎng)絡互聯(lián)組成的網(wǎng)絡看成一個無線大網(wǎng)，以現(xiàn)有的GPRS和WLAN的融合方案融合WPAN和蜂窩網(wǎng)。 WPAN與WLAN融合的協(xié)議棧模型從理論上看，WiFi和ZigBee網(wǎng)絡融合可從網(wǎng)絡層或MAC層進行融合。因此在實驗中我們采用的是從網(wǎng)絡層融合。在網(wǎng)絡層實現(xiàn)ZigBee/WiFi互連的協(xié)議棧結構如圖28所示圖28 ZigBee/WiFi互連的協(xié)議棧結構 基于異構網(wǎng)絡融合的嵌入式網(wǎng)關總體設計在本次課題提出的融合WPAN和WLAN的異構網(wǎng)絡融合方案中，網(wǎng)關是關鍵設備，主要功能就是無線接入、組網(wǎng)、路由和協(xié)議轉(zhuǎn)換等。該網(wǎng)關既是WPAN的接入點，也是WLAN的接入點。它既要運行Zigbee協(xié)議?？紤]到網(wǎng)關的復雜性和功能的多樣性，我們采用嵌入式設備來構建該網(wǎng)關設備。網(wǎng)關的原理框圖如圖29所示，分為兩大模塊：終端接入接口模塊、網(wǎng)關控制模塊，各模塊可通過無線鏈路與其各自設備實現(xiàn)通信。圖29 基于異構網(wǎng)絡融合的接入網(wǎng)關原理框圖在終端接入接口中，由于需要融合Zigbee所構成的WPAN和IEEE ，必須提供兩種終端接入的方式，即Zigbee和IEEE 。（1）IEEE ，從功能上來說具有AP的功能。，串口的傳輸速率有限。（2）Zigbee接入點負責Zigbee WPAN的組網(wǎng)和網(wǎng)絡中設備的接入，通常Zigbee組成的WPAN用于低速率的數(shù)據(jù)傳輸，Zigbee模塊可通過串口與網(wǎng)關控制模塊連接。網(wǎng)關控制模塊為核心部分，完成各種協(xié)議間的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，同時需要監(jiān)控和協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各接口之間的工作，這需要性能較為強大的嵌入式微處理器。外網(wǎng)控制模塊中，可以提供Internet的接入方式。第三章 基于Zigbee與WiFi融合的嵌入式網(wǎng)關軟硬件平臺的設計與實現(xiàn)前一章提出了WPAN和WLAN融合的異構網(wǎng)絡融合方案，并設計了其中的關鍵設備嵌入式網(wǎng)關的總體方案。本章詳細的闡述了嵌入式網(wǎng)關軟硬件平臺的設計與實現(xiàn)。由于網(wǎng)關需要高性能的嵌入式微處理器，因此選用三星公司的ARM11內(nèi)核的處理器S3C6410作為網(wǎng)關硬件平臺的核心；同時考慮到嵌入式Linux在網(wǎng)絡方面的優(yōu)良性能，選用嵌入式Linux作為網(wǎng)關的軟件平臺。 嵌入式網(wǎng)關硬件平臺的設計與實現(xiàn) 網(wǎng)關硬件平臺的總體設計圖31 嵌入式網(wǎng)關的硬件系統(tǒng)框圖嵌入式網(wǎng)關的硬件系統(tǒng)框圖如圖31所示。整個網(wǎng)關分為終端接入接口模塊、嵌入式網(wǎng)關控制模塊和外網(wǎng)接口模塊三部分。網(wǎng)關控制模塊是整個網(wǎng)關的核心，用于運行所有應用程序和驅(qū)動程序。由于系統(tǒng)的所有應用程序和驅(qū)動程序均運行在此平臺上，要求處理器具有較強的處理能力，這里選用HHARM6410開發(fā)套件來構建網(wǎng)關平臺。 HHARM6410開發(fā)套件 HHARM6410 是華恒科技推出的用于高端手持設備、微型智能控制設備的開發(fā)套件。采用三星公司的ARM11 內(nèi)核的處理器S3C6410/S3C6410。該款套件核心板的尺寸僅相當于一個48mm*67mm 的方塊的大小。如圖32所示圖32 HHS3C6410R2硬件開發(fā)板 HHARM6410 套件由核心板和底板（外設板或稱基本板）組成，核心板上集成三星S3C6410 處理器，128MB 的DDR 內(nèi)存以及1GB 的NANDFLASH，同時預留了256K NORFLASH。為應用研發(fā)提供了充足的空間。核心板和底板配合即構成一個最小的完整應用系統(tǒng)。系統(tǒng)具有體積小、耗電低、處理能力強等特點，能夠裝載和運行嵌入式Linux 操作系統(tǒng)。我們可以在這個系統(tǒng)平臺上進行自主軟件開發(fā)。1．S3C6410 微處理器的主要特性有：s （1）ARM11 嵌入式處理器內(nèi)核，主頻可達667MHz；176。 （2）擴展總線最大頻率133MHz；176。 （3）32 位數(shù)據(jù)總線和32 位外部地址總線 ；176。 （4）存儲控制器(八個存儲體) 包含SROM、 SRAM 控制器,NAND 控制器 ；復位時引導芯片選擇(8 比特、16 比特存儲或NAND 可供選擇) ；176。 （5）多達64 個中斷源的中斷控制器 ；176。 （6）四個DMA 控制器，每個DMA 控制器有8 個 通道；（支持外設DMA）176。 176。 （7）兩個USB host 口,一個USB device 口。176。 2． HHARM6410 開發(fā)套件硬件主要結構包括：176。176。（1）Sumsung S3C6410 處理器176。 （2）1Gbytes 8 位 NAND FLASH176。176。（3）2X64Mbytes 16 位DDRRAM176。176。（4）兩個四線RS232 接口176。176。（5）一個 10M/100M 自適應以太網(wǎng)接口176。176。（6）兩個USB(一個host,一個device)接口 （7）還有WIFI 模塊實現(xiàn)無線通訊功能等其他組件 嵌入式網(wǎng)關軟件平臺的設計系統(tǒng)軟件平臺需要實現(xiàn)下述的基本功能：（1）數(shù)據(jù)包的收發(fā)；（2）數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)；（3）收發(fā)裝置的配置與實現(xiàn)?？紤]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)的軟件是不可想象的，因此必須引入嵌入式操作系統(tǒng)，本設計中采用了嵌入式Linux操作系統(tǒng)，并在此基礎之上進行設備驅(qū)動與應用軟件的開發(fā)。整個系統(tǒng)的軟件框圖如圖33所示。圖33 網(wǎng)關軟件系統(tǒng)框圖從圖33中可以看出系統(tǒng)軟件分為三層，第一層即最底層是嵌入式Linux中的一些驅(qū)動程序，主要有WiFi模塊的驅(qū)動程序，串口驅(qū)動程序，以太網(wǎng)口驅(qū)動程序等；第二層即中間層為嵌入式Linux操作系統(tǒng)中的文件系統(tǒng)等，它支持TCP/IP等多種協(xié)議棧。最上層為應用層，包括了Zigbee模塊的應用程序等。 嵌入式操作系統(tǒng)HHARM6410 是一臺采用S3C6410 處理器、提供RS232 接口，安裝有嵌入式Linux 操作系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)平臺，其功用相當于一臺裝有Linux，裝有串口的PC 機。對于HHARM6410，它提供的所有軟件（操作系統(tǒng)和應用軟件）都固化在板上FLASH 里面，就相當于PC 機的硬盤。FLASH 上的內(nèi)容，包括Bootloader 都可通過燒寫工具來更新升級。用戶可以在HHARM6410 平臺上開發(fā)應用程序或更改其上的操作系統(tǒng)的工作方式（因為操作系統(tǒng)是開放源代碼的），和在PC 上開發(fā)應用唯一的不同之處在于它要采用一種交叉編譯的開發(fā)模式，即為HHARM6410 開發(fā)驅(qū)動及應用時，把相關代碼的編輯、編譯等工作寄宿到一臺PC 機上去完成，PC 機上編譯后的二進制代碼想辦法放到開發(fā)板上去執(zhí)行的方式，而不是在開發(fā)板上去編輯、編譯相關程序。隨著微處理器的產(chǎn)生，價格低廉、結構小巧的CPU 和外設連接提供了穩(wěn)定可靠的硬件架構，那么限制嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸就突出表現(xiàn)在軟件方面。盡管從八十年代末開始，陸續(xù)出現(xiàn)了一些嵌入式操作系統(tǒng)，比較著名的有Vxwork、pSOS、Neculeus 和Windows CE。但這些專用操作系統(tǒng)都是商業(yè)化產(chǎn)品，其高昂的價格使許多對成本要求比較嚴格的公司或個人望而卻步；而且，源代碼的封閉性也大大提高開發(fā)難度和限制了開發(fā)者的積極性。另外，結合國內(nèi)實情，當前國家對自主操作系統(tǒng)的大力支持，也為源碼開放的Linux 的推廣提供了廣闊的發(fā)展前景。還有，對上層應用開發(fā)者而言，嵌入式系統(tǒng)需要的是一套高度簡練、界面友善、質(zhì)量可靠、應用廣泛、易開發(fā)、多任務，并且價格低廉的操作系統(tǒng)。我們可以預見，在不久的將來，嵌入式設備會無處不在。因為Linux 的開放性， Linux 非常適合多數(shù)Internet 設備。Linux 可以支持不同的設備，支持不同的配置。Linux 對廠商不偏不倚而且成本極低，能夠很快成為用于各種設備的操作系統(tǒng)。如今，業(yè)界已經(jīng)達成共識：即嵌入式Linux 是大勢所趨，其巨大的市場潛力與無限商機必然會進一步吸引眾多的廠商進入這一領域。嵌入式操作系統(tǒng)主要有Palm OS，Windows CE，EPOC，LinuxCE，QNX，ECOS，高端嵌入式系統(tǒng)要求許多高級的功能，如圖形用戶界面和網(wǎng)絡支持。很多高端RTOS 供應商已經(jīng)提供了這些功能，但其價格也很高，一般人難以接受。微軟的Windows CE 也有此類功能，卻不具備大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)要求的實時性能，而且難以移植。作為一個便宜、成熟并且提供高端嵌入式系統(tǒng)所必須特性的操作系統(tǒng)，嵌入式Linux 操作系統(tǒng)以價格低廉、功能強大又易于移植而正在被廣泛采用，成為新興的力量，所以，眾多商家紛紛轉(zhuǎn)向了嵌入式Linux。Linux 為嵌入操作系統(tǒng)提供了一個極有吸引力的選擇，它是個和Unix 相似、以核心為基礎的、完全內(nèi)存保護、多用戶、多任務的操作系統(tǒng)。支持廣泛的計算機硬件,包括X86，Alpha，Sparc，MIPS，PPC，ARM， 等現(xiàn)有的大部分芯片。軟件源碼全部公開，任何人可以修改并在GPL 協(xié)議（GNU GeneralPublic License)下發(fā)行,這樣，開發(fā)人員可以對操作系統(tǒng)進行定制，再也不必擔心像Microsoft Windows操作系統(tǒng)中“后門”的威脅。同時由于有GPL 的控制,大家開發(fā)的東西又大都相互兼容，不會走向分裂之路。Linux 用戶遇到問題時可以通過Internet 向網(wǎng)上成千上萬的Linux 開發(fā)者請教,這使最困難的問題也有辦法解決。Linux 帶有Unix 用戶熟悉的完善的開發(fā)工具，幾乎所有的Unix 系統(tǒng)的應用軟件都已移植到了Linux 上。Linux 還提供了強大的網(wǎng)絡功能，有多種基于X Window 的窗口管理器可供選擇，其強大的GNU 工具鏈可以很容易得到，不但成熟完善、而且使用方便。嵌入式系統(tǒng)選擇Linux 的原因有：（1）可應用于多種硬件平臺。Linux 已經(jīng)被移植到多種硬件平臺，這對受開銷、時間限制的研究與開發(fā)項目是很有吸引力的。原型可以在標準平臺上開發(fā)然后移植到具體的硬件上，加快了軟件與硬件的開發(fā)過程。（2）Linux 可以隨意地配置不需要任何的許可證或商家的合作關系。它是免費的，源代碼可以得到。（3）微內(nèi)核直接提供網(wǎng)絡支持，而不必象其他操作系統(tǒng)要外掛TCP/IP 協(xié)議包。（4）Linux 的高度模塊化使添加部件非常容易。（5）Linux 在臺式機上的成功，也保證了Linux 在嵌入式系統(tǒng)中的輝煌前景。 基于嵌入式Linux的軟件開發(fā)基于嵌入式Linux的軟件開發(fā)采用一種交叉編譯調(diào)試的方式。宿主機上安裝RedHat Linux操作系統(tǒng)，并且配置好網(wǎng)絡，需支持TFTP服務(為下載燒寫所用)和NFS(為交叉開發(fā)時mount所用)；目標硬件板用于運行操作系統(tǒng)和系統(tǒng)應用軟件，而目標板所用到的操作系統(tǒng)的內(nèi)核編譯、應用程序的開發(fā)和調(diào)試則需要通過宿主PC機來完成。雙方之間一般通過串口、并口或以太網(wǎng)接口建立連接關系。引入交叉編譯的原因是由于一般目標系統(tǒng)的資源比較有限，需要有強大的PC機為它完成大部分的調(diào)試編譯任務。(1)開發(fā)工具 使用GNU開發(fā)套件，GNU開發(fā)套件作為通用的Linux開放套件，包括一系列的開發(fā)調(diào)試工具。主要組件有： gcc：GNU 才編譯器，可以做成交叉編譯的形式，即在宿主機上開發(fā)編譯目標板上可運行的二進制文件，目前g常常已經(jīng)可以支持多種平臺的宿主機目標板組合。 binutils：一些輔助工具，包括objdump(可以反編譯二進制文件)，as(匯編編譯器)，Id(鏈接器)等等。gdb：調(diào)試器，可使用多種交叉調(diào)試方式，gdbbdm(背景調(diào)試工具)，gdbserver(使用以太網(wǎng)絡調(diào)試)。在實際開發(fā)過程中，我們使用打印串口的調(diào)試方法。ARMLinux的默認終端是串口，內(nèi)核在啟動時所有的信息都打印到串口終端(使用printk函數(shù)打印)mini，同時也可以通過串口終端與系統(tǒng)交互。Bootloader：初始化以太網(wǎng)和串口，實現(xiàn)tftp客戶端協(xié)議，支持從tftp SERVER下載到RAM，燒寫FLASH及運行。(2)應用程序的開發(fā)模式應用程序的開發(fā)有兩種模式：(a)先在宿主機(PC Linux環(huán)境)上調(diào)試通過，然后移植到目標板上。在這種方式下，可以使用宿主機上的gdb進行調(diào)試，編譯速度也較快(不必每次都編譯整個ARMLinux系統(tǒng))。對于大型復雜的應用是有幫助的。關于移植工作，主要要考慮兩點：一是由于目標扳的glibc庫與PC標準的libc庫是有所不同的，所以往往會出現(xiàn)函數(shù)未定義的情況，這就需要自己定義了。二是需要改動Makefile以適應目標板。(b)直接在目標板上進行開發(fā)的模式，即將宿主機和目標板通過串口相連，在宿主機運行minieom作為目標板的顯示終端，在目標板上調(diào)試應用程序。(3)RAM版軟件調(diào)試如果在調(diào)試應用程序時，每次都燒寫FLASH，既慢又影響FLASH壽命。ARMLinux支持RAM版本內(nèi)核，即將內(nèi)核編譯成RAM中運行的方式，然后將二進制映像下載到開發(fā)板的SDRAM中指定的位置，從其代碼段第一句開始執(zhí)行，內(nèi)核就可以運行起來，就像在FLASH上一樣，只不過程序存儲在SDRAM中，斷電或復位后就丟失了。這大大方便了用戶的調(diào)試，又可以延長FLASH的壽命。(4)使用make管理項目當使用GNU中的編譯語言gcc編程開發(fā)應用時，需要使用make管理項目。make管理項目把命令行保存到Makefile文件中，簡化了編譯工作。make管理項目在數(shù)據(jù)庫中維護了當前開發(fā)工程中各個文件的依賴關系，在編譯前就可以確定是否能找到所需文件。make程序可以判斷程序修改的情況，根據(jù)Makefile文件對要維護的程序模塊進行重新編譯和鏈接，以此來保證程序的更新。Makefile是一個數(shù)據(jù)庫文件，它以文本形式存儲，其中包含的規(guī)則指明了make命令怎樣編譯文件以及編譯何種文件。Makefile中一般包含以下內(nèi)容：(a)需要由make工具創(chuàng)建的項目，通常是目標文件和可執(zhí)行文件；(b)要創(chuàng)建的項目依賴于哪些文件：(c)創(chuàng)建每個項目時需要運行的命令。Makefile文件的編寫