CN201887794U - 一种物联网关 - Google Patents

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罗海勇
张全
朱珍民
何哲
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Abstract

本实用新型提供一种物联网关，包括：嵌入式主板，其特征在于，所述嵌入式主板包括1个以太网接口模块，1个UART控制器和至少2个USB接口，所述UART控制器用于通过UART串口连接ZigBee模块，2个USB接口分别用于通过USB接口连接WiFi模块和蓝牙模块；所述物联网关还包括UPnP/IGRS设备虚拟模块，用于把非IP蓝牙设备和ZigBee设备虚拟成UPnP设备或IGRS设备；所述物联网关还包括虚拟UPnP代理服务器与虚拟IGRS代理服务器。本实用新型能够实现IGRS与UPnP设备间的互操作；能够实现基于IP协议的设备与基于非IP协议的设备间的互操作；能够实现非IP协议的异构设备间的互连、互操作；能够实现对各种泛在设备采集信息的融合。

Description

一种物联网关
技术领域
本实用新型涉及网络通信技术领域，具体地说，本实用新型涉及一种支持多种无线接口和多种互连互操作协议的网关。
背景技术
伴随电子及计算机技术的不断发展，各种泛在设备日益普及，用户对资源无缝操作的需求日益迫切。从手机到车载导航设备，从数字电视到智能家电，信息技术不断融入人们的日常生活。为了实现人们在任何时间、任何地点都可获得想要的服务这一“普适计算”目标，计算机、通讯和消费类电子设备的融合迫在眉睫，由此需要解决各种异构网络共存、异构网络设备的互联互操作，以及各种信息终端的信息共享和服务协作等问题，而它们均离不开物联网关的支持。
物联网关不仅需要在硬件上具有多种网络接入接口，以适配现有泛在设备网络接口的多样性，实现有线和无线、窄带和宽带的有机融合，而且还需要在软件上支持资源共享和各种信息终端间的互操作。近年来出现的OSGi、Echonet、HAVi、IGRS、iTopHome和UPnP等家庭网络协议，在解决异构网络设备之间的互操作方面进行了有益尝试。但是，上述协议只能实现遵从同一种网络协议的数字家庭设备间的互操作，而不能支持遵循多种网络协议的网络设备与家用电器之间的互发现、互操作、资源共享和服务共享。例如：目前IGRS协议与UPnP协议在国内数字家庭网络中应用较为广泛，它们均基于TCP/IP协议，但二者之间不能直接进行互操作。此外，这两种协议也不支持基于非IP协议的ZigBee设备、蓝牙设备。因此，当前迫切需要一种能够解决基于IP协议的IGRS设备与UPnP设备间的互操作，以及基于IP协议的设备与基于非IP协议设备间的互操作问题的解决方案。
实用新型内容
因此，本实用新型的目的是提供一种能够实现IGRS设备与UPnP设备间的互连、互操作，以及基于IP协议设备与基于非IP协议设备间的互连、互操作的物联网关。
为实现上述目的，本实用新型提供了一种物联网关，包括：嵌入式主板和安装在主板上的CPU，其特征在于，所述嵌入式主板包括1个以太网接口模块，1个UART控制器和至少2个USB接口，所述UART控制器用于通过UART串口连接ZigBee模块，2个USB接口分别用于通过USB接口连接WiFi模块和蓝牙模块。
其中，所述物联网关还包括UPnP/IGRS设备虚拟模块，用于把非IP蓝牙设备和ZigBee设备等虚拟成UPnP设备或IGRS设备；所述物联网关还包括虚拟UPnP代理服务器与虚拟IGRS代理服务器。
与现有技术相比，本实用新型具有下列技术效果：
1、本实用新型能够实现IGRS设备与UPnP设备间的互操作；
2、本实用新型能够实现基于IP协议的设备与基于非IP协议的设备间的互操作；
3、本实用新型能够实现非IP协议的异构设备间的互连、互操作；
4、本实用新型能够实现对各种泛在设备采集信息的融合。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本实用新型的实施例，其中：
图1是本实用新型一个实施例的物联网关的硬件结构示意图；
图2是本实用新型一个实施例的物联网关网络拓扑图。
具体实施方式
实施例1
根据本发明的实施例1，提供了一种物联网关，该物联网关包括：***电源、主板、CPU、内存、南桥、以太网接口模块、ZigBee模块、WiFi模块和蓝牙模块等。本实施例中采用的CPU是以国产龙芯2F处理器。其中，CPU、内存、南桥均安装在主板上，以太网接口模块、ZigBee模块、WiFi模块和蓝牙模块分别通过相应接口与主板连接，***电源用于供电。
下面简要介绍本实施例的物联网关的各个组成部分。
(1)电源***
电源***为+5VDC直流适配器，它作为外部电源，为主板提供统一的+5V输入。
(2)嵌入式主板
主板包括待机电路和***复位电路，***复位电路包括开关机电路和复位电路两部分。主板上电后，只是待机电路在工作，按下电源开关按钮后产生开机信号，这时***开始正常工作；长按开机按钮5秒，***又回到待机状态。***正常工作时，可以使用复位按钮，即按下复位按钮，实现手动复位。所述***即指物联网关。
(3)CPU和内存
本实施例采用高性能、低功耗的龙芯2F处理器，该处理器集成了高性能的64位的龙芯CPU核、DDR2内存控制器、PCI/PIC-X总线控制器等。主板上的DDR2插槽最大支持1GB内存。DDR2插槽中***内存。CPU则安装在所述主板上。
(4)南桥
主板上还安装有南桥。本实施例的南桥采用AMD5536南桥芯片，该芯片集成了1个IDE总线控制器、1个USB2.0总线控制器、1个LPC总线控制器、1个UART控制器、1个RTC控制器、标准40针的IDE硬盘接口，众多接口可方便网关实现多种功能扩展。
(5)以太网接口模块
本实施例采用RTL8110SC千兆网控制芯片作为以太网控制器作为太网接口模块，它集成了媒体接入控制器(MAC)和物理接口收发器(PHY)，提供一个10/100/1000M自适应的以太网接口。这样与网关相连的各种设备可以轻松接入Internet，Internet上的用户也能便捷地与网关相连的设备进行交互。
(6)WiFi模块
本实施例利用网关主板上提供的USB接口连接WiFi模块，支持集成有WiFi的笔记本、打印机、智能手机等设备的接入，省去有线部署的烦恼，实现移动办公。本实施例中采用环隆电气(USI)的WiFi模块WM-G-MR-09，它能够完成各种TCP/IP设备的接入。
(7)ZigBee模块
本实施例采用应用较为广泛、由Jennic公司开发的JN5139-Z01-M01R1模块作为ZigBee模块。该模块一方面使用RS232电平的UART接口与网关主板进行通信，另一方面接收其它ZigBee节点以单跳或多跳路由方式发送来的信息，同时把网关的控制信息传输到ZigBee设备，对这些设备进行操作。
(8)蓝牙模块
本实施例的蓝牙模块同样使用USB接口接入网关主板，支持蓝牙手机、蓝牙打印机等设备的接入。集成有蓝牙模块的笔记本可以轻松接入网关，进行互操作。带有蓝牙功能的手机可以用作中央遥控器对家里的设备进行管理。本实施例中采用以CSR公司41B143A05U芯片为基础的蓝牙模块，实现各种蓝牙设备的接入。
在上述物联网关实施方案中，在硬件上使用USB、UART等多种接口，外接WiFi、蓝牙、ZigBee等无线模块，实现多种异构无线网络设备的接入。进一步地，基于上述硬件设备，该物联网关把非IP蓝牙设备和ZigBee设备虚拟成UPnP设备或IGRS设备，实现非IP设备与UPnP/IGRS设备之间的互操作；虚拟UPnP代理服务器与IGRS代理服务器，实现UPnP设备与IGRS设备间的互操作。
实施例2
根据本发明的实施例2，提供了一种物联网关，参考图1，该物联网关包括：电源***、CPU、嵌入式主板、SDRAM存储***、FLASH存储***、串口、USB接口、LCD接口、以太网络接口、音频接口、JTAG接口、WiFi、Zigbee和蓝牙模块。本实施例中，中央处理器是三星公司生产的S3C2440ARM处理器。其中，CPU、SDRAM存储***、FLASH存储***均安装在嵌入式主板上，嵌入式主板上还设置有串口、USB接口、LCD接口、以太网络接口、音频接口、JTAG接口；ZigBee模块、WiFi模块和蓝牙模块分别通过相应接口与主板连接，***电源用于供电。
下面简要介绍本实施例的物联网关的各个组成部分。
(1)电源***
电源***直接使用外接的5V电源，通过降压芯片产生整个***所需要的三种电压：3.3V、1.8V、1.25V。
(2)嵌入式主板
嵌入式主板上面支持多种外部接口，SDRAM、FLASH存储***、串口、USB接口、下载程序和调试用的JTAG接口、以太网接口、LCD接口还有音频接口等。其上还安装复位***。复位***采用专业的复位芯片MAX811实现CPU所需要的低电平复位。
(3)CPU
本实施例采用三星公司的16/32位RISC微处理器S3C2440AL作为控制器核心。S3C2440AL的一大特点是其核心处理器(CPU)采用16/32位ARM920T的RISC微处理器。arm920T实现了MMU、AMBA BUS和Harvard高速缓冲体系结构。***资源和***接口丰富，包括电源管理器、外部存储器控制器、4通道DMA、3通道UART、8路10位ADC和GPIO等。
(4)SDRAM存储***
使用了两片外接的32M bytes总共64M bytes的SDRAM芯片(型号为：HY57V561620FTP/MT48LC16M16A2)，一般称之为内存，它们并接在一起形成32-bit的总线数据宽度，这样可以增加访问的速度。
(5)FLASH存储***
***有两种Flash，一种是Nor Flash，型号为SST39VF1601，大小为2Mbyte；另一种是Nand Flash，型号为K9F1G08，大小为128M。S3C2440支持这两种Flash启动***，通过拨动开关，就可以选择从NOR还是从NAND启动***。
(6)串口
S3C2440本身总共有3个串口UART0、1、2，其中UART0，1可组合为一个全功能的串口，在大部分的应用中，我们只用到3个简单的串口功能，即通常所说的发送(TXD)和接收(RXD)，它们分别对应板上的CON1、CON2、CON3，这3个接口都是从CPU直接引出的，是TTL电平。为了与Zigbee模块连接，其中UART0做了RS232电平转换。
(7)USB接口
该方案具有两种USB接口，一个是USB Host，它和普通PC的USB接口是一样的，可以接USB无线网卡、USB摄像头、USB键盘、USB鼠标、优盘等常见的USB外设，另外一种是USB Slave，一般使用它来下载程序到目标板。作为USB Host接口去蓝牙和WiFi模块连接。
(8)LCD接口
LCD接口是一个41Pin 0.5mm间距的座，其中包含了常见LCD所用的大部分控制信号(行场扫描、时钟和使能等)，和完整的RGB数据信号。
(9)以大网络接口
采用了DM9000网卡芯片，它可以自适应10/100M网络，RJ45连接头内已经包含了耦合线圈，因此不必另接网络变压器，使用普通的网线即可连接网关至Internet。
(10)音频接口
S3C2440内置I2S总线接口，可直接外接8/16比特的立体声CODEC，本方案采用基于I2S总线的UDA1341芯片实现音频解码***。
(11)JTAG接口
电路板生产出来时，里面是没有任何程序的，这时一般通过JTAG接口烧写第一个程序，就是Bootloader，借助Bootloader可以使用USB口下载更加复杂的***程序等，除此之外，JTAG接口在开发中最常见的用途是单步调试。
本实施例采用的WiFi、Zigbee、Bluetooth模块与实施例1相同，这里不再赘述。
本实施例的物联网关的硬件结构如图1所示，其中1是嵌入式主板，2是Flash ROM，本实施例中其容量512KB，用于***BIOS存储，3是音频解码器，本实施例采用ALC2032.1声道AC’97音频解码器，用于扩展外接音箱和麦克，4是DDR2内存，5是红外接口，用于扩展红外遥控器，6是VGA输出接口和LCD输出接口，用于扩展外接显示设备，7是IDE硬盘接口，本实施例采用Ultra DMA33/66/100IDE硬盘接口，8是以太网接口模块，9是UART串口，该UART串口为RS232接口，用来外接ZigBee模块，10是USB2.0接口，用于外接蓝牙模块，11也是USB2.0接口，用于外接WiFi模块。
在上述物联网关实施方案中，在硬件上使用USB、UART等多种接口，外接WiFi、蓝牙、ZigBee等无线模块，实现多种异构无线网络设备的接入。进一步地，基于上述硬件设备，该物联网关把非IP蓝牙设备和ZigBee设备虚拟成UPnP设备或IGRS设备，实现非IP设备与UPnP/IGRS设备之间的互操作；虚拟UPnP代理服务器与IGRS代理服务器，实现UPnP设备与IGRS设备间的互操作。
本实用新型网关在硬件上支持多种网络接入方式，可把异构网络设备和家电接入到家庭网络中，在物理上实现了互联互通。然后在对ZigBee、Bluetooth、UPnP、IGRS等协议的寻址、发现、描述、控制、安全层进行分析的基础上，通过设计统一的软件接口，对支持这四种协议的设备进行信息融合。网关硬件设计选择国产龙芯2F微处理器或者S3C2440ARM处理器作为中央处理器，负责整个网关的总控、协议转换及处理操作。该网关采用嵌入式Linux操作***，受处理器、存储等硬件资源限制，在不减少内核对设备特性支持的基础上，对内核进行了裁减及优化，并开发了WiFi、Bluetooth、ZigBee、Flash、网卡等设备驱动程序。
上述实施例的物联网关的工作流程如下：
当网关上电之后，ZigBee协调器开始搜索周围的ZigBee设备，开始建立网络。如果有新的设备加入网络，或者加入网络的设备有变化它都可以感知到，并且把感知到的信息报告给网关。网关把这些ZigBee设备虚拟成UPnP设备和IGRS设备，从而让支持UPnP与IGRS协议的设备都能够感知到ZigBee设备的存在，并且可以获取其服务。
网关USB接口外接一个CSR蓝牙模块，网关通过该模块搜索周围的蓝牙设备，并且获取蓝牙设备提供的服务。当获取到相应的设备和服务信息后，网关把这些设备虚拟成UPnP设备和IGRS设备，让其它支持UPnP和IGRS协议的设备感知并且获取这些服务。
基于TCP/IP协议的UPnP设备和IGRS设备，通过WiFi接入网关之后相互虚拟成对方的设备就可以实现媒体服务共享和互操作。
所有与网关相连的IGRS、UPnP、ZigBee、Bluetooth设备都可通过网关发布到Internet上去，用户可以通过Internet随时随地访问这些设备。
以下结合图2和几个应用场景来进一步描述上述实施例的物联网关的具体应用：
1、ZigBee设备与其它设备的互操作
目前不少居民小区都已铺设了宽带以太网，小区内使用IEEE802.3以太网通讯协议；家庭内构建的无线网络使用ZigBee协议；家庭内部无线通讯网络以家庭网关为中心，通过网关的ZigBee模块与室内的各子节点进行通讯，可以方便地实现以太网与ZigBee网络的无缝连接。通过网关，用户不仅可以随时了解室内水、电、气的使用情况，而且还可以对室内电器、照明等进行本地或远程控制。通过网关，ZigBee设备可以虚拟成UPnP设备或IGRS设备，这样通过一个UPnP控制点或者IGRS控制点，可以查询ZigBee设备使用情况。
2、蓝牙设备与其它设备的互操作
目前办公室及家庭环境中已有各种各样的蓝牙设备，如蓝牙打印机、蓝牙扫描仪、蓝牙投影仪、蓝牙手机等，使用家庭网关设备，可以轻松地把手机拍摄的照片传送给蓝牙投影仪进行高清晰度显示，或者发送给打印机进行打印。当笔记本电脑上没有安装蓝牙模块，要想利用蓝牙打印机打印文档，或者让蓝牙投影仪进行显示时，只要笔记本支持UPnP协议，并通过WiFi网络连接到网关(本物联网关已把蓝牙投影仪和蓝牙打印机虚拟成了UPnP设备)，笔记本电脑就可以轻松地使用这些资源了。当使用蓝牙手机查询室内水、电、气的使用情况，或者控制室内的灯光、窗帘时，只需要在这些设备上安装ZigBee控制模块，并通过网关虚拟成UPnP设备，蓝牙手机就可以通过物联网关，像中央遥控器一样，对这些设备进行实时查询及控制。
3、UPnP和IGRS设备间的互操作
UPnP设备通过网关共享了电影或者图片等多媒体文件，让IGRS电视进行播放，IGRS电视和UPnP设备通过WiFi连接到网关，网关会把UPnP设备转换成相应的“IGRS设备”。网关就是一个代理，允许IGRS控制点与UPnP服务或者UPnP控制点与IGRS服务自由融合。通过网关，IGRS和UPnP设备可进行交互，其原因是网关虚拟了两类设备，即UPnP代理服务器与IGRS代理服务器。UPnP代理服务器由IGRS设备转换而来，UPnP控制点可感知其存在，并通过它访问控制远程的IGRS服务；IGRS代理服务器由UPnP设备转换而来，IGRS控制点可感知其存在，并通过它访问控制远程的UPnP服务。IGRS/UPnP客户端向网关上的IGRS/UPnP代理服务器发送服务请求，网关上的UPnP/IGRS控制点将服务请求转发给实际的UPnP/IGRS设备，UPnP/IGRS设备响应服务请求，IGRS/UPnP代理服务器将UPnP/IGRS设备对服务请求的响应返回给IGRS/UPnP客户端。通过网关代理，设备可以间接与远程异构设备提供的服务进行通信，但并不知道是通过网关代理实现的，在设备看来，它是直接与远程的同类型设备进行通行的，由此可屏蔽UPnP网络与IGRS网络各自具体的服务操作细节，实现两种技术的融合。
最后，上述的实施例仅用来说明本实用新型，它不应该理解为是对本实用新型的保护范围进行任何限制。而且，本领域的技术人员可以明白，在不脱离本实用新型精神和原理下，对上述实施例所进行的各种等效变化、变型以及在文中没有描述的各种改进均在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种物联网关，包括：嵌入式主板和安装在主板上的CPU，其特征在于，所述嵌入式主板包括1个以太网接口模块，1个UART控制器和至少2个USB接口，所述UART控制器用于通过UART串口连接ZigBee模块，2个USB接口分别用于通过USB接口连接WiFi模块和蓝牙模块。
2.根据权利要求1所述的物联网关，其特征在于，所述CPU是龙芯2F处理器或S3C2440ARM处理器。
3.根据权利要求1所述的物联网关，其特征在于，所述UART串口为RS232接口。
4.根据权利要求1所述的物联网关，其特征在于，所述USB接口是USB2.0接口。
5.根据权利要求1所述的物联网关，其特征在于，所述物联网关还包括与所述嵌入式主板连接的用于物联网关***BIOS存储的Flash ROM。
6.根据权利要求1所述的物联网关，其特征在于，所述物联网关还包括与所述嵌入式主板连接的DDR2内存。
7.根据权利要求1所述的物联网关，其特征在于，所述物联网关还包括与所述嵌入式主板连接的VGA输出接口和LCD输出接口。
8.根据权利要求1所述的物联网关，其特征在于，所述物联网关还包括与所述嵌入式主板连接的红外接口。
9.根据权利要求1所述的物联网关，其特征在于，所述物联网关还包括与所述嵌入式主板连接的硬盘。
10.根据权利要求1所述的物联网关，其特征在于，所述物联网关还包括UPnP/IGRS设备虚拟模块，用于把非IP蓝牙设备和ZigBee设备虚拟成UPnP设备或IGRS设备；所述物联网关还包括虚拟UPnP代理服务器与虚拟IGRS代理服务器。
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