【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 一方面，由于網(wǎng)關(guān)同處于兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，這時(shí)可以把這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)組成的網(wǎng)絡(luò)看成一個(gè)無(wú)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(luò)融合可從網(wǎng)絡(luò)層或MAC層進(jìn)行融合。因此在實(shí)驗(yàn)中我們采用的是從網(wǎng)絡(luò)層融合。在網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)ZigBee/WiFi互連的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖28所示圖28 ZigBee/WiFi互連的協(xié)議棧結(jié)構(gòu) 基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的嵌入式網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計(jì)在本次課題提出的融合WPAN和WLAN的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合方案中，網(wǎng)關(guān)是關(guān)鍵設(shè)備，主要功能就是無(wú)線接入、組網(wǎng)、路由和協(xié)議轉(zhuǎn)換等。該網(wǎng)關(guān)既是WPAN的接入點(diǎn)，也是WLAN的接入點(diǎn)。它既要運(yùn)行Zigbee協(xié)議?？紤]到網(wǎng)關(guān)的復(fù)雜性和功能的多樣性，我們采用嵌入式設(shè)備來(lái)構(gòu)建該網(wǎng)關(guān)設(shè)備。網(wǎng)關(guān)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(guān)控制模塊，各模塊可通過(guò)無(wú)線鏈路與其各自設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信。圖29 基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的接入網(wǎng)關(guān)原理框圖在終端接入接口中，由于需要融合Zigbee所構(gòu)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(lái)說(shuō)具有AP的功能。，串口的傳輸速率有限。（2）Zigbee接入點(diǎn)負(fù)責(zé)Zigbee WPAN的組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)中設(shè)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(guò)串口與網(wǎng)關(guān)控制模塊連接。網(wǎng)關(guān)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(shí)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(qiáng)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(guān)軟硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)前一章提出了WPAN和WLAN融合的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合方案，并設(shè)計(jì)了其中的關(guān)鍵設(shè)備嵌入式網(wǎng)關(guān)的總體方案。本章詳細(xì)的闡述了嵌入式網(wǎng)關(guān)軟硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。由于網(wǎng)關(guān)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(guān)硬件平臺(tái)的核心；同時(shí)考慮到嵌入式Linux在網(wǎng)絡(luò)方面的優(yōu)良性能，選用嵌入式Linux作為網(wǎng)關(guān)的軟件平臺(tái)。 嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)圖31 嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件系統(tǒng)框圖嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件系統(tǒng)框圖如圖31所示。整個(gè)網(wǎng)關(guān)分為終端接入接口模塊、嵌入式網(wǎng)關(guān)控制模塊和外網(wǎng)接口模塊三部分。網(wǎng)關(guān)控制模塊是整個(gè)網(wǎng)關(guān)的核心，用于運(yùn)行所有應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序。由于系統(tǒng)的所有應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序均運(yùn)行在此平臺(tái)上，要求處理器具有較強(qiáng)的處理能力，這里選用HHARM6410開(kāi)發(fā)套件來(lái)構(gòu)建網(wǎng)關(guān)平臺(tái)。 HHARM6410開(kāi)發(fā)套件 HHARM6410 是華恒科技推出的用于高端手持設(shè)備、微型智能控制設(shè)備的開(kāi)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(dāng)于一個(gè)48mm*67mm 的方塊的大小。如圖32所示圖32 HHS3C6410R2硬件開(kāi)發(fā)板 HHARM6410 套件由核心板和底板（外設(shè)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(shí)預(yù)留了256K NORFLASH。為應(yīng)用研發(fā)提供了充足的空間。核心板和底板配合即構(gòu)成一個(gè)最小的完整應(yīng)用系統(tǒng)。系統(tǒng)具有體積小、耗電低、處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠裝載和運(yùn)行嵌入式Linux 操作系統(tǒng)。我們可以在這個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)上進(jìn)行自主軟件開(kāi)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(dá)667MHz；176。 （2）擴(kuò)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(chǔ)控制器(八個(gè)存儲(chǔ)體) 包含SROM、 SRAM 控制器,NAND 控制器 ；復(fù)位時(shí)引導(dǎo)芯片選擇(8 比特、16 比特存儲(chǔ)或NAND 可供選擇) ；176。 （5）多達(dá)64 個(gè)中斷源的中斷控制器 ；176。 （6）四個(gè)DMA 控制器，每個(gè)DMA 控制器有8 個(gè) 通道；（支持外設(shè)DMA）176。 176。 （7）兩個(gè)USB host 口,一個(gè)USB device 口。176。 2． HHARM6410 開(kāi)發(fā)套件硬件主要結(jié)構(gòu)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(gè)四線RS232 接口176。176。（5）一個(gè) 10M/100M 自適應(yīng)以太網(wǎng)接口176。176。（6）兩個(gè)USB(一個(gè)host,一個(gè)device)接口 （7）還有WIFI 模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線通訊功能等其他組件 嵌入式網(wǎng)關(guān)軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件平臺(tái)需要實(shí)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(shí)現(xiàn)。考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜性，在沒(méi)有操作系統(tǒng)的平臺(tái)上運(yùn)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(shè)計(jì)中采用了嵌入式Linux操作系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行設(shè)備驅(qū)動(dòng)與應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)。整個(gè)系統(tǒng)的軟件框圖如圖33所示。圖33 網(wǎng)關(guān)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(dòng)程序，主要有WiFi模塊的驅(qū)動(dòng)程序，串口驅(qū)動(dòng)程序，以太網(wǎng)口驅(qū)動(dòng)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(yīng)用層，包括了Zigbee模塊的應(yīng)用程序等。 嵌入式操作系統(tǒng)HHARM6410 是一臺(tái)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(kāi)發(fā)平臺(tái)，其功用相當(dāng)于一臺(tái)裝有Linux，裝有串口的PC 機(jī)。對(duì)于HHARM6410，它提供的所有軟件（操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件）都固化在板上FLASH 里面，就相當(dāng)于PC 機(jī)的硬盤(pán)。FLASH 上的內(nèi)容，包括Bootloader 都可通過(guò)燒寫(xiě)工具來(lái)更新升級(jí)。用戶可以在HHARM6410 平臺(tái)上開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序或更改其上的操作系統(tǒng)的工作方式（因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)是開(kāi)放源代碼的），和在PC 上開(kāi)發(fā)應(yīng)用唯一的不同之處在于它要采用一種交叉編譯的開(kāi)發(fā)模式，即為HHARM6410 開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)及應(yīng)用時(shí)，把相關(guān)代碼的編輯、編譯等工作寄宿到一臺(tái)PC 機(jī)上去完成，PC 機(jī)上編譯后的二進(jìn)制代碼想辦法放到開(kāi)發(fā)板上去執(zhí)行的方式，而不是在開(kāi)發(fā)板上去編輯、編譯相關(guān)程序。隨著微處理器的產(chǎn)生，價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)小巧的CPU 和外設(shè)連接提供了穩(wěn)定可靠的硬件架構(gòu)，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(kāi)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(jià)格使許多對(duì)成本要求比較嚴(yán)格的公司或個(gè)人望而卻步；而且，源代碼的封閉性也大大提高開(kāi)發(fā)難度和限制了開(kāi)發(fā)者的積極性。另外，結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)情，當(dāng)前國(guó)家對(duì)自主操作系統(tǒng)的大力支持，也為源碼開(kāi)放的Linux 的推廣提供了廣闊的發(fā)展前景。還有，對(duì)上層應(yīng)用開(kāi)發(fā)者而言，嵌入式系統(tǒng)需要的是一套高度簡(jiǎn)練、界面友善、質(zhì)量可靠、應(yīng)用廣泛、易開(kāi)發(fā)、多任務(wù)，并且價(jià)格低廉的操作系統(tǒng)。我們可以預(yù)見(jiàn)，在不久的將來(lái)，嵌入式設(shè)備會(huì)無(wú)處不在。因?yàn)長(zhǎng)inux 的開(kāi)放性， Linux 非常適合多數(shù)Internet 設(shè)備。Linux 可以支持不同的設(shè)備，支持不同的配置。Linux 對(duì)廠商不偏不倚而且成本極低，能夠很快成為用于各種設(shè)備的操作系統(tǒng)。如今，業(yè)界已經(jīng)達(dá)成共識(shí)：即嵌入式Linux 是大勢(shì)所趨，其巨大的市場(chǎng)潛力與無(wú)限商機(jī)必然會(huì)進(jìn)一步吸引眾多的廠商進(jìn)入這一領(lǐng)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(jí)的功能，如圖形用戶界面和網(wǎng)絡(luò)支持。很多高端RTOS 供應(yīng)商已經(jīng)提供了這些功能，但其價(jià)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(shí)時(shí)性能，而且難以移植。作為一個(gè)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(jià)格低廉、功能強(qiáng)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(gè)極有吸引力的選擇，它是個(gè)和Unix 相似、以核心為基礎(chǔ)的、完全內(nèi)存保護(hù)、多用戶、多任務(wù)的操作系統(tǒng)。支持廣泛的計(jì)算機(jī)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(kāi)，任何人可以修改并在GPL 協(xié)議（GNU GeneralPublic License)下發(fā)行,這樣，開(kāi)發(fā)人員可以對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行定制，再也不必?fù)?dān)心像Microsoft Windows操作系統(tǒng)中“后門(mén)”的威脅。同時(shí)由于有GPL 的控制,大家開(kāi)發(fā)的東西又大都相互兼容，不會(huì)走向分裂之路。Linux 用戶遇到問(wèn)題時(shí)可以通過(guò)Internet 向網(wǎng)上成千上萬(wàn)的Linux 開(kāi)發(fā)者請(qǐng)教,這使最困難的問(wèn)題也有辦法解決。Linux 帶有Unix 用戶熟悉的完善的開(kāi)發(fā)工具，幾乎所有的Unix 系統(tǒng)的應(yīng)用軟件都已移植到了Linux 上。Linux 還提供了強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，有多種基于X Window 的窗口管理器可供選擇，其強(qiáng)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(yīng)用于多種硬件平臺(tái)。Linux 已經(jīng)被移植到多種硬件平臺(tái)，這對(duì)受開(kāi)銷、時(shí)間限制的研究與開(kāi)發(fā)項(xiàng)目是很有吸引力的。原型可以在標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)然后移植到具體的硬件上，加快了軟件與硬件的開(kāi)發(fā)過(guò)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(guān)系。它是免費(fèi)的，源代碼可以得到。（3）微內(nèi)核直接提供網(wǎng)絡(luò)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(tái)式機(jī)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(kāi)發(fā)基于嵌入式Linux的軟件開(kāi)發(fā)采用一種交叉編譯調(diào)試的方式。宿主機(jī)上安裝RedHat Linux操作系統(tǒng)，并且配置好網(wǎng)絡(luò)，需支持TFTP服務(wù)(為下載燒寫(xiě)所用)和NFS(為交叉開(kāi)發(fā)時(shí)mount所用)；目標(biāo)硬件板用于運(yùn)行操作系統(tǒng)和系統(tǒng)應(yīng)用軟件，而目標(biāo)板所用到的操作系統(tǒng)的內(nèi)核編譯、應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)和調(diào)試則需要通過(guò)宿主PC機(jī)來(lái)完成。雙方之間一般通過(guò)串口、并口或以太網(wǎng)接口建立連接關(guān)系。引入交叉編譯的原因是由于一般目標(biāo)系統(tǒng)的資源比較有限，需要有強(qiáng)大的PC機(jī)為它完成大部分的調(diào)試編譯任務(wù)。(1)開(kāi)發(fā)工具 使用GNU開(kāi)發(fā)套件，GNU開(kāi)發(fā)套件作為通用的Linux開(kāi)放套件，包括一系列的開(kāi)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(jī)上開(kāi)發(fā)編譯目標(biāo)板上可運(yùn)行的二進(jìn)制文件，目前g常常已經(jīng)可以支持多種平臺(tái)的宿主機(jī)目標(biāo)板組合。 binutils：一些輔助工具，包括objdump(可以反編譯二進(jìn)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(luò)調(diào)試)。在實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中，我們使用打印串口的調(diào)試方法。ARMLinux的默認(rèn)終端是串口，內(nèi)核在啟動(dòng)時(shí)所有的信息都打印到串口終端(使用printk函數(shù)打印)mini，同時(shí)也可以通過(guò)串口終端與系統(tǒng)交互。Bootloader：初始化以太網(wǎng)和串口，實(shí)現(xiàn)tftp客戶端協(xié)議，支持從tftp SERVER下載到RAM，燒寫(xiě)FLASH及運(yùn)行。(2)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)模式應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)有兩種模式：(a)先在宿主機(jī)(PC Linux環(huán)境)上調(diào)試通過(guò)，然后移植到目標(biāo)板上。在這種方式下，可以使用宿主機(jī)上的gdb進(jìn)行調(diào)試，編譯速度也較快(不必每次都編譯整個(gè)ARMLinux系統(tǒng))。對(duì)于大型復(fù)雜的應(yīng)用是有幫助的。關(guān)于移植工作，主要要考慮兩點(diǎn)：一是由于目標(biāo)扳的glibc庫(kù)與PC標(biāo)準(zhǔn)的libc庫(kù)是有所不同的，所以往往會(huì)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(dòng)Makefile以適應(yīng)目標(biāo)板。(b)直接在目標(biāo)板上進(jìn)行開(kāi)發(fā)的模式，即將宿主機(jī)和目標(biāo)板通過(guò)串口相連，在宿主機(jī)運(yùn)行minieom作為目標(biāo)板的顯示終端，在目標(biāo)板上調(diào)試應(yīng)用程序。(3)RAM版軟件調(diào)試如果在調(diào)試應(yīng)用程序時(shí)，每次都燒寫(xiě)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(yùn)行的方式，然后將二進(jìn)制映像下載到開(kāi)發(fā)板的SDRAM中指定的位置，從其代碼段第一句開(kāi)始執(zhí)行，內(nèi)核就可以運(yùn)行起來(lái)，就像在FLASH上一樣，只不過(guò)程序存儲(chǔ)在SDRAM中，斷電或復(fù)位后就丟失了。這大大方便了用戶的調(diào)試，又可以延長(zhǎng)FLASH的壽命。(4)使用make管理項(xiàng)目當(dāng)使用GNU中的編譯語(yǔ)言gcc編程開(kāi)發(fā)應(yīng)用時(shí)，需要使用make管理項(xiàng)目。make管理項(xiàng)目把命令行保存到Makefile文件中，簡(jiǎn)化了編譯工作。make管理項(xiàng)目在數(shù)據(jù)庫(kù)中維護(hù)了當(dāng)前開(kāi)發(fā)工程中各個(gè)文件的依賴關(guān)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(duì)要維護(hù)的程序模塊進(jìn)行重新編譯和鏈接，以此來(lái)保證程序的更新。Makefile是一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)文件，它以文本形式存儲(chǔ)，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(xiàng)目，通常是目標(biāo)文件和可執(zhí)行文件；(b)要?jiǎng)?chuàng)建的項(xiàng)目依賴于哪些文件：(c)創(chuàng)建每個(gè)項(xiàng)目時(shí)需要運(yùn)行的命令。Makefile文件的編寫(xiě)