??? 摘 要： 用不同芯片PLC2214、S3C2410、S3C4510B設(shè)計(jì)的三種家庭網(wǎng)關(guān)" title="家庭網(wǎng)關(guān)">家庭網(wǎng)關(guān)方案，并對它們實(shí)現(xiàn)無線組網(wǎng)所采用的藍(lán)牙、Zigbee、紅外線技術(shù)進(jìn)行了比較分析。
????關(guān)鍵詞： 家庭網(wǎng)關(guān)? PLC2214芯片? S3C2410芯片? S3C4510B芯片? 超寬帶

?

??? 隨著信息化的普及和數(shù)字化技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)、通信、消費(fèi)類電子3C進(jìn)一步融合，人們在居住環(huán)境的舒適、安全、便捷等方面對住宅提出了更高的要求，越來越多的家庭要求建立家庭網(wǎng)絡(luò)" title="家庭網(wǎng)絡(luò)">家庭網(wǎng)絡(luò)。所謂家庭網(wǎng)絡(luò)，是指在家庭范圍內(nèi)將計(jì)算機(jī)、電話機(jī)、各種智能終端、家電、安防和照明系統(tǒng)等相互連接，組成一個(gè)家庭內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)，并與廣域網(wǎng)相連，在家庭內(nèi)部以及家庭與公網(wǎng)之間提供多種服務(wù)的一種新的組網(wǎng)和應(yīng)用技術(shù)。而家庭網(wǎng)關(guān)在家庭網(wǎng)絡(luò)中起著至關(guān)重要的作用，是連接公網(wǎng)和家庭網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。據(jù)Ovuw預(yù)計(jì)，2008年全球家庭網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)量將達(dá)到1.21億戶；家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將形成171億美元的市場規(guī)模。2008年后，亞洲的家庭網(wǎng)絡(luò)將快速發(fā)展，有望成為市場的領(lǐng)先者。另據(jù)Gartner的研究與預(yù)測，到2010年全球家庭網(wǎng)絡(luò)市場可達(dá)1 062億美元。
1 無線家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方案的比較分析
??? 傳統(tǒng)的家庭電器都是有線連接的，而且很難構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，沒有統(tǒng)一的管理，給用戶造成不便。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，家庭內(nèi)部各種電器（如：防盜報(bào)警裝置、三表、燈光控制、家電控制等）將逐步趨向于采用無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)。以下就目前主要采用的三種無線家庭組網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行比較分析。
1.1 基于PLC2214的無線家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)方案
??? PLC2214是PHILIPS公司生產(chǎn)的一種高性價(jià)比的ARM7TMI芯片。PLC2214芯片是基于實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-SCPU微控制器，帶有256KB的高速片內(nèi)Flash存儲器、片內(nèi)128位寬度的存儲器接口及加速器結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)高達(dá)60MHz的操作頻率。LPC2214在片內(nèi)集成了16KB的SRAM，并提供了豐富的接口資源，包括2個(gè)UART異步串行口、1個(gè)高速I2C接口、2個(gè)SPI接口及112個(gè)GPIO口。以PLC2214為核心組成的無線家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

?

?

??? 方案可利用有線鍵盤和液晶顯示器在本地實(shí)現(xiàn)對家庭網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控可基于電話網(wǎng)絡(luò)和基于互聯(lián)網(wǎng)方式。采用互聯(lián)網(wǎng)方式是通過Web技術(shù)完成遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制服務(wù)，即用戶在Web頁面上可以查看家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)各種設(shè)備的狀態(tài)，并可以改變其狀態(tài)。家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)連接采用藍(lán)牙技術(shù)，藍(lán)牙射頻收發(fā)模塊采用愛立信公司的ROK101008模塊，控制家庭網(wǎng)內(nèi)具備藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)接口的家庭用具。
??? 網(wǎng)關(guān)采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μCOS-Ⅱ，它是一種占先式多任務(wù)操作系統(tǒng)，可固化、可裁剪、移植性好并具有良好的可靠性和穩(wěn)定性。由于μCOS-Ⅱ操作系統(tǒng)本身不帶TCP/IP協(xié)議棧，因此在操作系統(tǒng)上需移植IP協(xié)議，所以采用了μCOS-Ⅱ+LWIP實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)的通信。軟件結(jié)構(gòu)分為三層，內(nèi)層是μCOS-Ⅱ內(nèi)核，承擔(dān)任務(wù)管理、內(nèi)存管理和時(shí)間管理功能；應(yīng)用程序主要完成數(shù)據(jù)處理和請求內(nèi)核服務(wù)功能；中間件層移植和編寫部分通信協(xié)議及底層接口芯片的驅(qū)動(dòng)程序。
??? 優(yōu)點(diǎn)：既可利用Internet網(wǎng)也可利用PSTN網(wǎng)來控制家庭網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備；家庭內(nèi)部組網(wǎng)采用藍(lán)牙技術(shù)，藍(lán)牙技術(shù)具有靈活、安全、低成本、小功耗等特點(diǎn)，覆蓋范圍在10～100m之間，工作在免執(zhí)照頻段。
??? 缺點(diǎn)：采用Internet和PSTN控制方式不如GPRS等無線控制方式靈活便利，且藍(lán)牙模塊價(jià)格高于Zigbee模塊，能耗和時(shí)延均高于Zigbee。藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸速率" title="傳輸速率">傳輸速率最大可達(dá)1Mbps，雖然高于Zigbee，但仍然無法滿足高清晰度電視和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等產(chǎn)品的要求。
1.2 基于S3C2410的無線家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)方案
??? S3C2410芯片是SamSung公司的基于ARM920T內(nèi)核的RISC微處理器器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，提供的可擴(kuò)展功能模塊較多。主要有：工作時(shí)鐘最高可達(dá)203MHz；獨(dú)立的16KB指令Caches和16KB數(shù)據(jù)Caches；MMU虛存管理單元；LCD控制器；系統(tǒng)管理單元；3個(gè)UART；4個(gè)DMA通道；4個(gè)PWM定時(shí)器；I/O口；RTC(實(shí)時(shí)實(shí)鐘)；8個(gè)10bitADC；8個(gè)10-bitADC與觸摸屏接口；I²C總線接口；I²S數(shù)字音頻總線接口；USB主機(jī)；USB設(shè)備；SD/MMC卡控制器；2通道SPI和PLL數(shù)字鎖相環(huán)組成。采用S3C2410微處理器與GPRS模塊和Zigbee射頻通信模塊可構(gòu)成無線家庭網(wǎng)關(guān)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

?

?

??? 方案以S3C2410芯片為核心，外圍可擴(kuò)展一系列功能模塊，GPRS模塊采用SiemensI公司的TC35終端，通過串口與CPU相連，從而實(shí)現(xiàn)與Internet的連接。外部網(wǎng)絡(luò)可通過Web方式訪問家庭網(wǎng)絡(luò)，查詢和控制家庭內(nèi)部網(wǎng)。Zigbee射頻收發(fā)模塊采用Chipcon AS公司的CC2240芯片，控制家庭網(wǎng)內(nèi)具備Zigbee標(biāo)準(zhǔn)接口的設(shè)備，在家電控制器上加載Zigbee無線模塊，這些設(shè)備就成為家庭分布式網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)。
??? S3C2410集成了內(nèi)存管理單元，可以嵌入多種主流操作系統(tǒng)。此系統(tǒng)中，家庭網(wǎng)關(guān)采用免費(fèi)嵌入式Linux操作系統(tǒng)，軟件體系結(jié)構(gòu)主要由BootLoader、嵌入式OS以及用戶程序三層構(gòu)成。BootLoader選用U-boot，它初始化硬件系統(tǒng)，設(shè)置內(nèi)核參數(shù)并啟動(dòng)內(nèi)核；嵌入式OS選用了μcLinux，它是精簡的Linux核，具備Linux的主要功能，是應(yīng)用程序運(yùn)行的平臺；應(yīng)用程序工作于μcLinux操作系統(tǒng)之上，控制GPRS模塊完成網(wǎng)絡(luò)接入等功能。
??? 優(yōu)點(diǎn)：網(wǎng)關(guān)采用GPRS無線接入Internet網(wǎng)絡(luò)，家庭內(nèi)部組網(wǎng)采用Zigbee無線通信標(biāo)準(zhǔn)，使網(wǎng)關(guān)全部實(shí)現(xiàn)無線通信方式，可以避免家庭布線的繁瑣，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(yīng)用于家庭，也能應(yīng)用在車載等移動(dòng)系統(tǒng)。其次，以Zigbee技術(shù)作為家庭網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，且Zigbee的覆蓋范圍可達(dá)10～75m，并具有通信安全可靠、低能耗" title="低能耗">低能耗、低成本、協(xié)議實(shí)現(xiàn)簡單、免收專利費(fèi)、工作頻段為免執(zhí)照頻段等特點(diǎn)。Zigbee技術(shù)的低能耗（2節(jié)5號電池可使用半年至2年）和極低的時(shí)延是藍(lán)牙無線技術(shù)所不能比擬的，價(jià)格也只有藍(lán)牙的一半。再次，嵌入式操作系統(tǒng)采用免費(fèi)的Linux操作系統(tǒng)，降低了整機(jī)成本。
??? 缺點(diǎn)：Zigbee技術(shù)的傳輸速率最大只有250kbps，無法滿足傳輸速率要求較高的高清晰度電視和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等家電產(chǎn)品的要求。
1.3 基于S3C4510B的無線家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)方案
??? S3C4510B CPU是SamSung公司的基于ARM7IDMI核、具有精簡指令系統(tǒng)的32位高速微處理器，它具備8KB指令數(shù)據(jù)復(fù)用caches；1個(gè)主I2C總線控制器；2個(gè)通用DMA；18個(gè)通用I/O口；2路4線UART口，其中1個(gè)支持IrDA1.0，可用于紅外通訊；6個(gè)MEMORYBANKS，用于管理外部存儲器；另外可擴(kuò)展4 BANK DARM和4 BANK的I/O設(shè)備；2通道帶有雙DMA傳送方式的HDLC口；1個(gè)10M/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)控制器。以S3C4510B為核心組成的無線家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

?

??? 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為硬件驅(qū)動(dòng)層、μcLinux內(nèi)核、應(yīng)用程序?qū)?。其中硬件?qū)動(dòng)層包括驅(qū)動(dòng)無線通信模塊、串口、以太網(wǎng)、ROMFS文件系統(tǒng)等；μcLinux內(nèi)核提供進(jìn)程控制、文件系統(tǒng)管理、中斷和中斷處理、系統(tǒng)初始化、各種系統(tǒng)調(diào)用等；通過內(nèi)核的調(diào)用實(shí)現(xiàn)任何需要的應(yīng)用服務(wù)，如：串口通信程序、基于以太網(wǎng)的家庭信息遠(yuǎn)程查詢和遠(yuǎn)程控制程序等。
??? 優(yōu)點(diǎn)：基于S3C4510B的無線家庭網(wǎng)關(guān)采用了無線通信技術(shù)，并且無線通信控制方式多樣，能隨時(shí)隨地通過瀏覽器網(wǎng)頁對家電進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，家庭網(wǎng)關(guān)能夠?qū)⒔邮盏降目刂泼钷D(zhuǎn)為紅外線發(fā)射出去，在不改動(dòng)原家電的情況下能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。
??? 缺點(diǎn)：由于紅外線不具有穿透性，并有發(fā)射角度的限值，而且紅外線只能支持點(diǎn)對點(diǎn)的視距傳輸，傳輸速率低。因此，紅外線在家庭網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用十分有限。
??? 綜上所述，這3種無線家庭網(wǎng)關(guān)方案，各有其特點(diǎn)。紅外線技術(shù)成本最低，但由于自身的局限性，不適合家庭網(wǎng)絡(luò)的無線聯(lián)接；藍(lán)牙和Zigbee技術(shù)雖可用于家庭網(wǎng)絡(luò)的無線聯(lián)接，但其傳輸速率太低，只能滿足數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)中家庭控制的功能，無法滿足數(shù)字家庭中高清晰度電視及數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等信息類家電數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?BR>2 基于UWB技術(shù)實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)的無線聯(lián)接
??? 以上介紹的三種無線家庭網(wǎng)絡(luò)都屬于傳統(tǒng)的窄帶無線解決方案，均無法滿足家庭網(wǎng)絡(luò)需要處理和傳輸?shù)囊曨l、音頻及大容量多媒體文件的要求，即無法滿足數(shù)字家庭中數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?。以高清晰度電視信號為例，一路高清晰電視信號不壓縮的情況下流量可達(dá)270Mbps，采用目前較常用的MPEG-2壓縮技術(shù)，一路高清晰電視信號需要25Mbps的帶寬，如需傳送畫中畫信號（二路）就需要50Mbps的帶寬。音頻信號同樣需要較大的帶寬，例如DVD-AUDIO或SACD是高品質(zhì)的音頻信號，其采樣頻率高達(dá)192kHz，并具有7.1聲道，如采用精度為8位，需要12Mbps的帶寬，如采用精度為10位，需要16Mbps的帶寬。所以數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)需要非常高速的接口技術(shù)，100Mbps應(yīng)該是基本要求。同時(shí)還必需滿足低成本、低能耗的要求，目前能達(dá)到此要求的無線接入方式僅有UWB（超寬帶" title="超寬帶">超寬帶）技術(shù)。
??? UWB是一種新興的高速近距離的無線通信技術(shù)，特別適合無線家庭網(wǎng)絡(luò)。UWB與傳統(tǒng)無線通信技術(shù)不同，它是一種無載波通信技術(shù)，即不采用載波而是利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，因此其所占的頻譜范圍很寬。按照FCC的規(guī)定，從3.1GHz到10.6GHz之間的7.5GHz帶寬頻率為UWB所使用的頻率范圍。同時(shí)，UWB的傳輸速率高，目前第一代UWB產(chǎn)品已經(jīng)可以達(dá)到100Mbps。例如，2005年6月飛思卡爾半導(dǎo)體和中國海爾共同推出了全球首款采用UWB技術(shù)的液晶電視，該產(chǎn)品采用XS110UWB芯片組，可以在20m的距離內(nèi)以114Mbps的速度傳送MPEG-2文件流。另外UWB還具有低成本、低能耗（一般不超過200μW，是移動(dòng)電話的1/100，藍(lán)牙的1/20左右）、不易產(chǎn)生干擾、多徑分辨能力強(qiáng)等特點(diǎn)。但UWB技術(shù)的不足之處在于占用的帶寬很寬，盡管發(fā)射的平均功率很低，但是脈沖持續(xù)時(shí)間很短，瞬時(shí)功率峰值可能會很大，且缺少確定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。但這些并不影響UWB的開發(fā)和使用。2006年，已經(jīng)有多家公司可以提供UWB芯片，例如Alereon、Artimi、Staccato、Wisair、Intel等均有各自的UWB芯片解決方案。同時(shí)，很多芯片公司均宣布在2007年推出符合WiMedia認(rèn)證的UWB芯片。另據(jù)聯(lián)合商業(yè)情報(bào)公司在《關(guān)于UWB的預(yù)測和潛在市場應(yīng)用的報(bào)告》中指出，2007年全球配備UWB的電子設(shè)備和芯片的生產(chǎn)量將達(dá)到4510萬套，當(dāng)年的收益將達(dá)到13.9億美元。因此，有理由相信在UWB強(qiáng)有力的技術(shù)保證下，UWB技術(shù)在家庭無線網(wǎng)絡(luò)中將有廣闊的應(yīng)用前景。
??? 未來的世界是數(shù)字的世界，未來的家庭將是數(shù)字的家庭，因此數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有廣闊的市場應(yīng)用與發(fā)展前景，并向著集成化、智能化、模塊化和規(guī)模化方向發(fā)展。相信不久的將來，家庭網(wǎng)關(guān)采用GPRS、PDA等無線接入互聯(lián)網(wǎng)的方案會逐步取代有線接入方案；同時(shí)，迅速發(fā)展的UWB技術(shù)在家庭網(wǎng)絡(luò)的無線聯(lián)接上也將有非常廣闊的應(yīng)用前景，UWB技術(shù)將使數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)由家庭控制網(wǎng)絡(luò)向家庭數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
[1] 劉潔，張曉虎.基于ARM-μclinux的無線家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2006，(1)：91-94.
[2] 林勇.基于LPC2214的家庭智能終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2006，(3)：66-69.
[3] 宋凱.基于GPRS的嵌入式internet接入平臺的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006，(8-2)：246-248.
[4] 耿鵬.超寬帶無線通信解決方案的分析與比較[J].電視技術(shù)，2006，(2)：58-60.
[5] Di BENEDETTO MG，GIANCOLA G，葛利嘉譯.超寬帶無線電基礎(chǔ)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.