摘 要： 用不同芯片PLC2214、S3C2410、S3C4510B设计的三种家庭网关" title="家庭网关">家庭网关方案，并对它们实现无线组网所采用的蓝牙、Zigbee、红外线技术进行了比较分析。
    关键词： 家庭网关  PLC2214芯片  S3C2410芯片  S3C4510B芯片  超宽带

    随着信息化的普及和数字化技术的飞速发展，计算机、通信、消费类电子3C进一步融合，人们在居住环境的舒适、安全、便捷等方面对住宅提出了更高的要求，越来越多的家庭要求建立家庭网络" title="家庭网络">家庭网络。所谓家庭网络，是指在家庭范围内将计算机、电话机、各种智能终端、家电、安防和照明系统等相互连接，组成一个家庭内部的网络，并与广域网相连，在家庭内部以及家庭与公网之间提供多种服务的一种新的组网和应用技术。而家庭网关在家庭网络中起着至关重要的作用，是连接公网和家庭网络的关键。据Ovuw预计，2008年全球家庭网络化的数量将达到1.21亿户；家庭网络设备将形成171亿美元的市场规模。2008年后，亚洲的家庭网络将快速发展，有望成为市场的领先者。另据Gartner的研究与预测，到2010年全球家庭网络市场可达1 062亿美元。
1 无线家庭网关设计方案的比较分析
    传统的家庭电器都是有线连接的，而且很难构成网络，没有统一的管理，给用户造成不便。随着无线通信技术的发展，家庭内部各种电器（如：防盗报警装置、三表、灯光控制、家电控制等）将逐步趋向于采用无线技术实现各种设备的联网。以下就目前主要采用的三种无线家庭组网的实现方案进行比较分析。
1.1 基于PLC2214的无线家庭网关的设计方案
    PLC2214是PHILIPS公司生产的一种高性价比的ARM7TMI芯片。PLC2214芯片是基于实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-SCPU微控制器，带有256KB的高速片内Flash存储器、片内128位宽度的存储器接口及加速器结构可实现高达60MHz的操作频率。LPC2214在片内集成了16KB的SRAM，并提供了丰富的接口资源，包括2个UART异步串行口、1个高速I2C接口、2个SPI接口及112个GPIO口。以PLC2214为核心组成的无线家庭网关系统结构如图1所示。

    方案可利用有线键盘和液晶显示器在本地实现对家庭网络中各个节点的参数进行设置。远程控制和远程监控可基于电话网络和基于互联网方式。采用互联网方式是通过Web技术完成远程监控和控制服务，即用户在Web页面上可以查看家庭内部网络各种设备的状态，并可以改变其状态。家庭内部网络连接采用蓝牙技术，蓝牙射频收发模块采用爱立信公司的ROK101008模块，控制家庭网内具备蓝牙标准接口的家庭用具。
    网关采用嵌入式实时操作系统μCOS-Ⅱ，它是一种占先式多任务操作系统，可固化、可裁剪、移植性好并具有良好的可靠性和稳定性。由于μCOS-Ⅱ操作系统本身不带TCP/IP协议栈，因此在操作系统上需移植IP协议，所以采用了μCOS-Ⅱ+LWIP实现家庭网络的通信。软件结构分为三层，内层是μCOS-Ⅱ内核，承担任务管理、内存管理和时间管理功能；应用程序主要完成数据处理和请求内核服务功能；中间件层移植和编写部分通信协议及底层接口芯片的驱动程序。
    优点：既可利用Internet网也可利用PSTN网来控制家庭网络中的设备；家庭内部组网采用蓝牙技术，蓝牙技术具有灵活、安全、低成本、小功耗等特点，覆盖范围在10～100m之间，工作在免执照频段。
    缺点：采用Internet和PSTN控制方式不如GPRS等无线控制方式灵活便利，且蓝牙模块价格高于Zigbee模块，能耗和时延均高于Zigbee。蓝牙数据传输速率" title="传输速率">传输速率最大可达1Mbps，虽然高于Zigbee，但仍然无法满足高清晰度电视和数字摄像机等产品的要求。
1.2 基于S3C2410的无线家庭网关的设计方案
    S3C2410芯片是SamSung公司的基于ARM920T内核的RISC微处理器器，内部结构较复杂，提供的可扩展功能模块较多。主要有：工作时钟最高可达203MHz；独立的16KB指令Caches和16KB数据Caches；MMU虚存管理单元；LCD控制器；系统管理单元；3个UART；4个DMA通道；4个PWM定时器；I/O口；RTC(实时实钟)；8个10bitADC；8个10-bitADC与触摸屏接口；I²C总线接口；I²S数字音频总线接口；USB主机；USB设备；SD/MMC卡控制器；2通道SPI和PLL数字锁相环组成。采用S3C2410微处理器与GPRS模块和Zigbee射频通信模块可构成无线家庭网关，其系统结构如图2所示。

    方案以S3C2410芯片为核心，外围可扩展一系列功能模块，GPRS模块采用SiemensI公司的TC35终端，通过串口与CPU相连，从而实现与Internet的连接。外部网络可通过Web方式访问家庭网络，查询和控制家庭内部网。Zigbee射频收发模块采用Chipcon AS公司的CC2240芯片，控制家庭网内具备Zigbee标准接口的设备，在家电控制器上加载Zigbee无线模块，这些设备就成为家庭分布式网络的节点。
    S3C2410集成了内存管理单元，可以嵌入多种主流操作系统。此系统中，家庭网关采用免费嵌入式Linux操作系统，软件体系结构主要由BootLoader、嵌入式OS以及用户程序三层构成。BootLoader选用U-boot，它初始化硬件系统，设置内核参数并启动内核；嵌入式OS选用了μcLinux，它是精简的Linux核，具备Linux的主要功能，是应用程序运行的平台；应用程序工作于μcLinux操作系统之上，控制GPRS模块完成网络接入等功能。
    优点：网关采用GPRS无线接入Internet网络，家庭内部组网采用Zigbee无线通信标准，使网关全部实现无线通信方式，可以避免家庭布线的繁琐，方便了网关在家庭中的布置，同时使这种网关不仅能够应用于家庭，也能应用在车载等移动系统。其次，以Zigbee技术作为家庭网络的组网节点，且Zigbee的覆盖范围可达10～75m，并具有通信安全可靠、低能耗" title="低能耗">低能耗、低成本、协议实现简单、免收专利费、工作频段为免执照频段等特点。Zigbee技术的低能耗（2节5号电池可使用半年至2年）和极低的时延是蓝牙无线技术所不能比拟的，价格也只有蓝牙的一半。再次，嵌入式操作系统采用免费的Linux操作系统，降低了整机成本。
    缺点：Zigbee技术的传输速率最大只有250kbps，无法满足传输速率要求较高的高清晰度电视和数字摄像机等家电产品的要求。
1.3 基于S3C4510B的无线家庭网关的设计方案
    S3C4510B CPU是SamSung公司的基于ARM7IDMI核、具有精简指令系统的32位高速微处理器，它具备8KB指令数据复用caches；1个主I2C总线控制器；2个通用DMA；18个通用I/O口；2路4线UART口，其中1个支持IrDA1.0，可用于红外通讯；6个MEMORYBANKS，用于管理外部存储器；另外可扩展4 BANK DARM和4 BANK的I/O设备；2通道带有双DMA传送方式的HDLC口；1个10M/100M自适应以太网控制器。以S3C4510B为核心组成的无线家庭网关系统结构如图3所示。

    软件系统结构分为硬件驱动层、μcLinux内核、应用程序层。其中硬件驱动层包括驱动无线通信模块、串口、以太网、ROMFS文件系统等；μcLinux内核提供进程控制、文件系统管理、中断和中断处理、系统初始化、各种系统调用等；通过内核的调用实现任何需要的应用服务，如：串口通信程序、基于以太网的家庭信息远程查询和远程控制程序等。
    优点：基于S3C4510B的无线家庭网关采用了无线通信技术，并且无线通信控制方式多样，能随时随地通过浏览器网页对家电进行远程控制，家庭网关能够将接收到的控制命令转为红外线发射出去，在不改动原家电的情况下能实现远程控制。
    缺点：由于红外线不具有穿透性，并有发射角度的限值，而且红外线只能支持点对点的视距传输，传输速率低。因此，红外线在家庭网络的应用十分有限。
    综上所述，这3种无线家庭网关方案，各有其特点。红外线技术成本最低，但由于自身的局限性，不适合家庭网络的无线联接；蓝牙和Zigbee技术虽可用于家庭网络的无线联接，但其传输速率太低，只能满足数字家庭网络中家庭控制的功能，无法满足数字家庭中高清晰度电视及数字摄像机等信息类家电数据传输的要求。
2 基于UWB技术实现家庭网络的无线联接
    以上介绍的三种无线家庭网络都属于传统的窄带无线解决方案，均无法满足家庭网络需要处理和传输的视频、音频及大容量多媒体文件的要求，即无法满足数字家庭中数据传输的需要。以高清晰度电视信号为例，一路高清晰电视信号不压缩的情况下流量可达270Mbps，采用目前较常用的MPEG-2压缩技术，一路高清晰电视信号需要25Mbps的带宽，如需传送画中画信号（二路）就需要50Mbps的带宽。音频信号同样需要较大的带宽，例如DVD-AUDIO或SACD是高品质的音频信号，其采样频率高达192kHz，并具有7.1声道，如采用精度为8位，需要12Mbps的带宽，如采用精度为10位，需要16Mbps的带宽。所以数字家庭网络需要非常高速的接口技术，100Mbps应该是基本要求。同时还必需满足低成本、低能耗的要求，目前能达到此要求的无线接入方式仅有UWB（超宽带" title="超宽带">超宽带）技术。
    UWB是一种新兴的高速近距离的无线通信技术，特别适合无线家庭网络。UWB与传统无线通信技术不同，它是一种无载波通信技术，即不采用载波而是利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。按照FCC的规定，从3.1GHz到10.6GHz之间的7.5GHz带宽频率为UWB所使用的频率范围。同时，UWB的传输速率高，目前第一代UWB产品已经可以达到100Mbps。例如，2005年6月飞思卡尔半导体和中国海尔共同推出了全球首款采用UWB技术的液晶电视，该产品采用XS110UWB芯片组，可以在20m的距离内以114Mbps的速度传送MPEG-2文件流。另外UWB还具有低成本、低能耗（一般不超过200μW，是移动电话的1/100，蓝牙的1/20左右）、不易产生干扰、多径分辨能力强等特点。但UWB技术的不足之处在于占用的带宽很宽，尽管发射的平均功率很低，但是脉冲持续时间很短，瞬时功率峰值可能会很大，且缺少确定的技术标准。但这些并不影响UWB的开发和使用。2006年，已经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芯片解决方案。同时，很多芯片公司均宣布在2007年推出符合WiMedia认证的UWB芯片。另据联合商业情报公司在《关于UWB的预测和潜在市场应用的报告》中指出，2007年全球配备UWB的电子设备和芯片的生产量将达到4510万套，当年的收益将达到13.9亿美元。因此，有理由相信在UWB强有力的技术保证下，UWB技术在家庭无线网络中将有广阔的应用前景。
    未来的世界是数字的世界，未来的家庭将是数字的家庭，因此数字家庭网络系统具有广阔的市场应用与发展前景，并向着集成化、智能化、模块化和规模化方向发展。相信不久的将来，家庭网关采用GPRS、PDA等无线接入互联网的方案会逐步取代有线接入方案；同时，迅速发展的UWB技术在家庭网络的无线联接上也将有非常广阔的应用前景，UWB技术将使数字家庭网络由家庭控制网络向家庭数据网络发展。
参考文献
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