泛在设备互联关键技术研究与实现

论文摘要

随着计算机的普及和通信技术的发展,各种智能化、信息化的消费电子产品不断涌现,这些电子产品给人们带来了舒适、便利、高效的生活,但是由于生产这些电子产品的厂家或者组织提出的标准繁多而不统一,这给设备之间的资源共享和协同服务以及系统集成带来了困难。怎样使得这些设备方便人们生活的同时,打破异构网络带来的信息壁垒,实现这些泛在设备高效互联是一个亟待解决的问题。目前在数字家庭网络领域,已经有一些协议能够实现各种设备的无缝连接和相互操作。具有代表性的有UPnP、IGRS、Echonet、HAVi、iTopHome和OSGi等。其中微软的UPnP协议与国内的IGRS协议已经逐步成为两大主流协议。那么如何实现这两类设备之间的互操作、互发现、资源共享、和协调服务也是一个值得探讨的问题。上面提到的这些协议标准大都的面向支持TCP/IP协议的设备,然而在很多情况下我们的需求并不需要太高的传输速度、而需要一种快捷方便、更省电的设备。在这种需求的驱动下,Zigbee、Bluetooth等这样的非IP无线设备得到了广泛应用。怎么实现IP设备和非IP设备之间的无缝操作又是一个新的问题。为解决上面的几个问题,需要一个支持多种协议的桥接器来实现。硬件方面,桥接器要具有多种接入能力,用户可以通过各种接入技术接入到网络,可以自由选择采用无线或有线接入手段;软件方面,桥接器要支持多种协议,并且要实现这些协议之间的转换,最终设计一个统一的接口,有效的实现不同网络终端的信息共享和服务协作。从上述需求出发,本文设计一个支持多种网络接入方式的桥接器硬件,可以把各种网络设备和家电接入到家庭网络中来,在物理上实现了互联互通。然后从软件上对UPnP、IGRS、Zigbee、Bluetooth等协议的融合机制做了分析,提出了设计一个统一接口的思想,通过这个接口可以方便地实现这些协议的融合,这些接口是建立在这几种协议之间的转换基础之上的。本文着重介绍了Zigbee和UPnP之间协议转换,其他协议之间的转换由别人完成。首先对Zigbee和UPnP协议进行了详细的分析。开发了Zigbee设备程序和协调器程序,完成了Zigbee网络的构建。在Zigbee网络中协调器把网络中其他设备的信息汇聚到一起,通过串口统一发给了硬件桥。系统把从串口收到Zigbee网络设备信息虚拟成UPnP设备,从而实现了这两种协议的融合,本文最后搭建测试环境,用两个Zigbee设备,一个作为灯设备,另外一个作为温湿度传感器设备。这两个设备都与协调器通信,把设备信息反馈到桥。UPnP控制点通过桥可以实现灯亮灭的控制以及传感器数据的查询,进一步对协议转换效率和系统性能做了评价。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究内容
• 1.3 本文的组织结构
• 第2章 桥接器总体设计
• 2.1 相关协议简介
• 2.1.1 UPnP 协议
• 2.1.2 IGRS 协议
• 2.1.3 Bluetooth 协议
• 2.1.4 Zigbee 协议
• 2.2 多协议融合方法
• 2.2.1 多协议融合的的运作流程
• 2.2.2 多协议融合实现机制
• 2.3 多协议桥接器总体设计
• 2.4 本章小结
• 第3章 桥接器软硬件系统设计
• 3.1 桥接器硬件总体设计
• 3.2 桥接器的硬件设计
• 3.2.1 电源电路设计
• 3.2.2 存储器电路设计
• 3.2.3 串口及USB 接口电路设计
• 3.2.4 以太网接口电路设计
• 3.2.5 JTAG 接口电路设计
• 3.2.6 Zigbee 模块电路设计
• 3.3 操作系统的移植
• 3.3.1 嵌入式Linux 及其内核简介
• 3.3.2 Bootloader 的移植
• 3.3.3 Linux 操作系统的移植
• 3.4 本章小结
• 第4章 Zigbee 与UPnP 互操作的实现
• 4.1 Zigbee 网络程序设计
• 4.1.1 Zigbee 网络程序流程
• 4.1.2 协调器节点程序设计
• 4.1.3 Zigbee 传感器节点程序设计
• 4.1.4 Zigbee 灯设备程序设计
• 4.2 Zigbee 与UPnP 互联
• 4.2.1 UPnP-Zigbee 桥的架构
• 4.2.2 UPnP 与Zigbee 设备描述映射
• 4.3 本章小结
• 第5章 系统实验与结果分析
• 5.1 系统验证环境
• 5.2 实验过程和结果
• 5.2.1 功能验证
• 5.2.2 效率验证
• 5.2.3 集成测试验证
• 5.3 本章小结
• 第6章 总结及展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 未来工作
• 参考文献
• 致谢
• 附录（攻读硕士学位期间参与的科研项目和研究成果）