??? 摘 要： 用不同芯片PLC2214、S3C2410、S3C4510B設計的三種家庭網關" title="家庭網關">家庭網關方案，并對它們實現無線組網所采用的藍牙、Zigbee、紅外線技術進行了比較分析。
????關鍵詞： 家庭網關? PLC2214芯片? S3C2410芯片? S3C4510B芯片? 超寬帶
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??? 隨著信息化的普及和數字化技術的飛速發展，計算機、通信、消費類電子3C進一步融合，人們在居住環境的舒適、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絡" title="家庭網絡">家庭網絡。所謂家庭網絡，是指在家庭范圍內將計算機、電話機、各種智能終端、家電、安防和照明系統等相互連接，組成一個家庭內部的網絡，并與廣域網相連，在家庭內部以及家庭與公網之間提供多種服務的一種新的組網和應用技術。而家庭網關在家庭網絡中起著至關重要的作用，是連接公網和家庭網絡的關鍵。據Ovuw預計，2008年全球家庭網絡化的數量將達到1.21億戶；家庭網絡設備將形成171億美元的市場規模。2008年后，亞洲的家庭網絡將快速發展，有望成為市場的領先者。另據Gartner的研究與預測，到2010年全球家庭網絡市場可達1 062億美元。
1 無線家庭網關設計方案的比較分析
??? 傳統的家庭電器都是有線連接的，而且很難構成網絡，沒有統一的管理，給用戶造成不便。隨著無線通信技術的發展，家庭內部各種電器（如：防盜報警裝置、三表、燈光控制、家電控制等）將逐步趨向于采用無線技術實現各種設備的聯網。以下就目前主要采用的三種無線家庭組網的實現方案進行比較分析。
1.1 基于PLC2214的無線家庭網關的設計方案
??? PLC2214是PHILIPS公司生產的一種高性價比的ARM7TMI芯片。PLC2214芯片是基于實時仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-SCPU微控制器，帶有256KB的高速片內Flash存儲器、片內128位寬度的存儲器接口及加速器結構可實現高達60MHz的操作頻率。LPC2214在片內集成了16KB的SRAM，并提供了豐富的接口資源，包括2個UART異步串行口、1個高速I2C接口、2個SPI接口及112個GPIO口。以PLC2214為核心組成的無線家庭網關系統結構如圖1所示。
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??? 方案可利用有線鍵盤和液晶顯示器在本地實現對家庭網絡中各個節點的參數進行設置。遠程控制和遠程監控可基于電話網絡和基于互聯網方式。采用互聯網方式是通過Web技術完成遠程監控和控制服務，即用戶在Web頁面上可以查看家庭內部網絡各種設備的狀態，并可以改變其狀態。家庭內部網絡連接采用藍牙技術，藍牙射頻收發模塊采用愛立信公司的ROK101008模塊，控制家庭網內具備藍牙標準接口的家庭用具。
??? 網關采用嵌入式實時操作系統μCOS-Ⅱ，它是一種占先式多任務操作系統，可固化、可裁剪、移植性好并具有良好的可靠性和穩定性。由于μCOS-Ⅱ操作系統本身不帶TCP/IP協議棧，因此在操作系統上需移植IP協議，所以采用了μCOS-Ⅱ+LWIP實現家庭網絡的通信。軟件結構分為三層，內層是μCOS-Ⅱ內核，承擔任務管理、內存管理和時間管理功能；應用程序主要完成數據處理和請求內核服務功能；中間件層移植和編寫部分通信協議及底層接口芯片的驅動程序。
??? 優點：既可利用Internet網也可利用PSTN網來控制家庭網絡中的設備；家庭內部組網采用藍牙技術，藍牙技術具有靈活、安全、低成本、小功耗等特點，覆蓋范圍在10～100m之間，工作在免執照頻段。
??? 缺點：采用Internet和PSTN控制方式不如GPRS等無線控制方式靈活便利，且藍牙模塊價格高于Zigbee模塊，能耗和時延均高于Zigbee。藍牙數據傳輸速率" title="傳輸速率">傳輸速率最大可達1Mbps，雖然高于Zigbee，但仍然無法滿足高清晰度電視和數字攝像機等產品的要求。
1.2 基于S3C2410的無線家庭網關的設計方案
??? S3C2410芯片是SamSung公司的基于ARM920T內核的RISC微處理器器，內部結構較復雜，提供的可擴展功能模塊較多。主要有：工作時鐘最高可達203MHz；獨立的16KB指令Caches和16KB數據Caches；MMU虛存管理單元；LCD控制器；系統管理單元；3個UART；4個DMA通道；4個PWM定時器；I/O口；RTC(實時實鐘)；8個10bitADC；8個10-bitADC與觸摸屏接口；I2C總線接口；I2S數字音頻總線接口；USB主機；USB設備；SD/MMC卡控制器；2通道SPI和PLL數字鎖相環組成。采用S3C2410微處理器與GPRS模塊和Zigbee射頻通信模塊可構成無線家庭網關，其系統結構如圖2所示。
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??? 方案以S3C2410芯片為核心，外圍可擴展一系列功能模塊，GPRS模塊采用SiemensI公司的TC35終端，通過串口與CPU相連，從而實現與Internet的連接。外部網絡可通過Web方式訪問家庭網絡，查詢和控制家庭內部網。Zigbee射頻收發模塊采用Chipcon AS公司的CC2240芯片，控制家庭網內具備Zigbee標準接口的設備，在家電控制器上加載Zigbee無線模塊，這些設備就成為家庭分布式網絡的節點。
??? S3C2410集成了內存管理單元，可以嵌入多種主流操作系統。此系統中，家庭網關采用免費嵌入式Linux操作系統，軟件體系結構主要由BootLoader、嵌入式OS以及用戶程序三層構成。BootLoader選用U-boot，它初始化硬件系統，設置內核參數并啟動內核；嵌入式OS選用了μcLinux，它是精簡的Linux核，具備Linux的主要功能，是應用程序運行的平臺；應用程序工作于μcLinux操作系統之上，控制GPRS模塊完成網絡接入等功能。
??? 優點：網關采用GPRS無線接入Internet網絡，家庭內部組網采用Zigbee無線通信標準，使網關全部實現無線通信方式，可以避免家庭布線的繁瑣，方便了網關在家庭中的布置，同時使這種網關不僅能夠應用于家庭，也能應用在車載等移動系統。其次，以Zigbee技術作為家庭網絡的組網節點，且Zigbee的覆蓋范圍可達10～75m，并具有通信安全可靠、低能耗" title="低能耗">低能耗、低成本、協議實現簡單、免收專利費、工作頻段為免執照頻段等特點。Zigbee技術的低能耗（2節5號電池可使用半年至2年）和極低的時延是藍牙無線技術所不能比擬的，價格也只有藍牙的一半。再次，嵌入式操作系統采用免費的Linux操作系統，降低了整機成本。
??? 缺點：Zigbee技術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字攝像機等家電產品的要求。
1.3 基于S3C4510B的無線家庭網關的設計方案
??? S3C4510B CPU是SamSung公司的基于ARM7IDMI核、具有精簡指令系統的32位高速微處理器，它具備8KB指令數據復用caches；1個主I2C總線控制器；2個通用DMA；18個通用I/O口；2路4線UART口，其中1個支持IrDA1.0，可用于紅外通訊；6個MEMORYBANKS，用于管理外部存儲器；另外可擴展4 BANK DARM和4 BANK的I/O設備；2通道帶有雙DMA傳送方式的HDLC口；1個10M/100M自適應以太網控制器。以S3C4510B為核心組成的無線家庭網關系統結構如圖3所示。
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??? 該家庭網關可在本地用鍵盤和LCD顯示器進行狀態的設置和查詢。在外可采用與Internet和PSTN相連，對內采用nRF401無線通信模塊和BA5302紅外接收模塊與具有自學習功能的紅外發射模塊來實現和家電的無線通信，從而實現通過Internet上的計算機或PSTN上的電話機對家庭內部信息進行遠程監控。
??? 軟件系統結構分為硬件驅動層、μcLinux內核、應用程序層。其中硬件驅動層包括驅動無線通信模塊、串口、以太網、ROMFS文件系統等；μcLinux內核提供進程控制、文件系統管理、中斷和中斷處理、系統初始化、各種系統調用等；通過內核的調用實現任何需要的應用服務，如：串口通信程序、基于以太網的家庭信息遠程查詢和遠程控制程序等。
??? 優點：基于S3C4510B的無線家庭網關采用了無線通信技術，并且無線通信控制方式多樣，能隨時隨地通過瀏覽器網頁對家電進行遠程控制，家庭網關能夠將接收到的控制命令轉為紅外線發射出去，在不改動原家電的情況下能實現遠程控制。
??? 缺點：由于紅外線不具有穿透性，并有發射角度的限值，而且紅外線只能支持點對點的視距傳輸，傳輸速率低。因此，紅外線在家庭網絡的應用十分有限。
??? 綜上所述，這3種無線家庭網關方案，各有其特點。紅外線技術成本最低，但由于自身的局限性，不適合家庭網絡的無線聯接；藍牙和Zigbee技術雖可用于家庭網絡的無線聯接，但其傳輸速率太低，只能滿足數字家庭網絡中家庭控制的功能，無法滿足數字家庭中高清晰度電視及數字攝像機等信息類家電數據傳輸的要求。
2 基于UWB技術實現家庭網絡的無線聯接
??? 以上介紹的三種無線家庭網絡都屬于傳統的窄帶無線解決方案，均無法滿足家庭網絡需要處理和傳輸的視頻、音頻及大容量多媒體文件的要求，即無法滿足數字家庭中數據傳輸的需要。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270Mbps，采用目前較常用的MPEG-2壓縮技術，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是高品質的音頻信號，其采樣頻率高達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。所以數字家庭網絡需要非常高速的接口技術，100Mbps應該是基本要求。同時還必需滿足低成本、低能耗的要求，目前能達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。
??? UWB是一種新興的高速近距離的無線通信技術，特別適合無線家庭網絡。UWB與傳統無線通信技術不同，它是一種無載波通信技術，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據，因此其所占的頻譜范圍很寬。按照FCC的規定，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，UWB的傳輸速率高，目前第一代UWB產品已經可以達到100Mbps。例如，2005年6月飛思卡爾半導體和中國海爾共同推出了全球首款采用UWB技術的液晶電視，該產品采用XS110UWB芯片組，可以在20m的距離內以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，是移動電話的1/100，藍牙的1/20左右）、不易產生干擾、多徑分辨能力強等特點。但UWB技術的不足之處在于占用的帶寬很寬，盡管發射的平均功率很低，但是脈沖持續時間很短，瞬時功率峰值可能會很大，且缺少確定的技術標準。但這些并不影響UWB的開發和使用。2006年，已經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，很多芯片公司均宣布在2007年推出符合WiMedia認證的UWB芯片。另據聯合商業情報公司在《關于UWB的預測和潛在市場應用的報告》中指出，2007年全球配備UWB的電子設備和芯片的生產量將達到4510萬套，當年的收益將達到13.9億美元。因此，有理由相信在UWB強有力的技術保證下，UWB技術在家庭無線網絡中將有廣闊的應用前景。
??? 未來的世界是數字的世界，未來的家庭將是數字的家庭，因此數字家庭網絡系統具有廣闊的市場應用與發展前景，并向著集成化、智能化、模塊化和規模化方向發展。相信不久的將來，家庭網關采用GPRS、PDA等無線接入互聯網的方案會逐步取代有線接入方案；同時，迅速發展的UWB技術在家庭網絡的無線聯接上也將有非常廣闊的應用前景，UWB技術將使數字家庭網絡由家庭控制網絡向家庭數據網絡發展。
參考文獻
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