（光学工程专业论文）基于linux的智能家居关键技术研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 住宅智能化是人类住宅的一场新的革命。近年在我国，控制技术和信息技术 正在由智能大厦走进家庭。然而，智能家居的实现必然涉及到多种控制系统的集 成，多年来不同控制设备厂商之间采用不同的标准是阻碍智能家居发展的最大障 碍。同时在智能家居领域还缺乏相应的国家标准和通用的解决方案。为此，人们 正在努力探索和研究适合中国国情的智能家居系统。 本文首先简单介绍了智能家居的概况和发展趋势，分析了智能家居系统的原 理及相关技术，着重对智能家居系统关键技术进行分析与研究，提出了一种智能 家居系统的实现方案，重点研究并设计了智能家居系统中智能家庭信息中心、 b a c n e t 总线控制器、三表网关接口。 智能家庭信息中心是智能家庭的管理和控制中心，为了提高系统的可靠性和 网络访问能力，在系统设计中实现了嵌入式w 曲服务器，同时设计h t t p 服务器 通过环境变量与c g i 程序进行通信，满足了用户动态访问嵌入式w e b 服务器。针 对b a c n e t 协议的特点，对各种探测器和联动装置进行描述和程序设计，实现了各 设备通过b a c n c t 总线控制器的相互连接。将三表网关与家庭信息中心总控制模块 的通信方式设计为队列操作模式，有效保证了智能家居系统信息传输的可靠性和 稳定性。 在基于l i n u x 和s 3 c 2 4 1 0 的a r m 嵌入式系统开发板上实现了系统的初步功 能，并对设备参数管理功能、远程控制功能、三表抄送功能分别做了功能测试。 测试结果表明本系统达到了设计目标，基本满足了人们的应用需求。 最后，对论文完成的主要工作进行了总结，并就今后研究工作的方向和内容 提出了作者的想法和建议。 关键词：智能家居，b a c n e t ，l i n u x ，嵌入式系统，c g i 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t s m a r th o u s ei sar e v o l u t i o no fh u m a nr e s i d e n c e i nr e c e n ty e a r s ，e s p e c i a l l yi n c h i n a ，a u t o m a t i c & i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi sc o m i n gi n t oh o u s ef r o mt h ei n t e l l i g e n t b u i l d i n g h o w e v e r , t h er e a l i z a t i o no fi n t e l l i g e n th o m em u s tt o u c ht h ei n t e g r a t i o no f m a n yc o n t r o ls y s t e m s i nt h e s ey e a r s ，n e a r u ye v e r yp r o d u c e , a d o p t sd i f f e r e n tp r o t o c o li s t h eb i g g e s to b s t a c l et h a tc o u n t e r a c tt h ed e v e l o p m e n to f i n t e l l i g e n t i z e dh o u s e t l l i sp a p e ri nb r i e fi n t r o d u c e dg e n e r a ls i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n df o rs m a r t h o u s ef i r s t ，a n a l y z e dp r i n c i p l ea n dr e l a t e dt e c h n i q u eo ft h es m a r th o u s e ，a n a l y z ea n d d e s i g nt h es m a r th o u s e , t h e ng i v eo u tt h ep r o j e c to f t h es m a r th o u s e t h ek e yt e c h n i q u e o ft h es m a r th o u s ei s ：h o m ei n f o n n a t i o nc e n t e r ；, b a c n c tb u sc o n t r o l l e r ；, n l r a p p e a r a n c eg a t e w a y n l es m a r th o m ei n f o r m a t i o nc e n t e ri st h em a n a g e m e n ta n dc o n t r 0 1c e n t e ro ft h e h o m ei n f o r m a t i o n f o rr a i s et h ec r e d i b i l i t yo f s y s t e m ，i tc a r r i e do u tab u i l t - i nw e bs e r v e r i nt h es y s t e mt h ed e s i g n f o rs a t i s f yac u s t o m e rad y n a m i cs t a t eo fv i s i tab u i l t - i nw e b s a t v e f , t h eh r i ps e r v e rc h a n g e st om e a s u r et oc a r r yo nc o r r e s p o n d e n c ew i mc g i p r o c e d u r et h r o u g ha ne n v i r o n m e n t a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fb a c n c t a g r e e m e n t , t h i st e x tt ov a r i o u sl o c a t o rw i t ha l l i e dm o v e dd e v i c et oc a r r yo na b s t r a c t , v a r i o u se q u i p m e n t sc o n n e c t sw i t he a c ho t h e rt h r o u g ht h eb a c n c tt o t a ll i n ec o n t r o l l e r l a t e ro n ，c a r r i e do u tt h ei n i t i a lf u n c t i o no fs y s t e mi nt h ea r mb u i l t i ns y s t e m d e v e l o p m e n tp l a n ko ft h el i n u xa n dt h es 3 c 2 4 1 0 a n dd i dat e s to f t h ee q u i p m e n t s m a n a g e sf u n c t i o na n dt h el o n gr a n g ec o n t r o l sf u n c t i o na n d t h r e ea p p e a r a n c ef u n c t i o u s a tl a s t , c a n j e do ns u m m a r yt ot h et h e s i sf i n i s h e dm a i nw o r k , a n dp u tf o r w a r dt h e a u t h o r sv i e w p o i n ta n ds u g g e s t i o no f s t u d i e dd i r e c t i o na n dc o n t e n t so f w o r kt oa i l c r t i m e k e yw o r d s ：s m a r th o u s e ，b a c n c t ，l i n u x ，e m b e ds y s t e m ，c o m m o ng a t e w a yi n t e r f a c e i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：徐豹汉锹 签字日期：少唧1 年6 月午日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：绦 级仅、 导师签名： 驾嘲 签字日期：御7 年 月；j 日签字日期：丑叼7 年占月牛日 重庆大学硕士学位论文l 绪论 1 绪论 1 1 智能家居问题的提出及研究意义 1 1 。1 智能家居问题的提出 随着人们生活水平以及世界科技水平的不断提高，家用电器这种昔日的奢侈 品已经成为现在的普及性消费品，进入千千万万老百姓的家庭。智能能家居最早 是在上世纪8 0 年代兴起于日本和欧美，并在9 0 年代进入我国，经过十几年的 发展，特别是随着我国的住宅产业化发展而迅速发展起来。然而，家庭内日益增 多的家用电器和家居设备在减轻人们家务负担以及丰富了人们娱乐生活的同时， 也带来了家电操作繁琐以及难以科学管理等问题。事实上，这些问题早就已经引 起了一些发达国家的研究人员的注意。自上世纪的70 年代起，美国、英国、法 国、日本等国家的科学家与工程师就开始研究如何以一种统一的标准将家电等设 备组成一个网络，使网络内部的各种设备能够在一个安全、高效以及稳定的环境 下进行工作，智能家居这个概念就是从这时诞生的。智能家居是将计算机技术、 数字化技术以及信息技术应用于传统家居设备而产生的新一代家居环境哺1 。由智 能家电等组成的，具有与外部网络( 局域网、互联网等) 相互通信能力的网络系 统就是智能家居。 二十一世纪是高速变革的信息时代，社会的信息化唤起了人们对住宅智能化 及家庭智能化的要求，智能住宅己成为中国房地产市场的主流。计算机行业和家 电行业、电信行业、安防监控行业的互相渗透、互相融合，使信息时代直接勾勒 于家居生活己成为现实。建设部要求根据不同消费者的需要，推动家居数字化、 建筑智能化技术及产品的发展，到2 0 1 0 年全国大中城市中6 0 的住宅要实现智 能化，由此可见中国智能家居市场潜力巨大。 1 1 2 智能家居研究的意义 我国正面临着一个能源极其匮乏的形势，住宅的节能化必然会成为一个我国 人民和政府追求的目标，这些都给智能家居的发展提供了很大的市场空间和机遇。 随着社会的发展，人们认识到信息、时间、生命的重要性，对生活质量要求的也 越来越高，人们的生存意识己不再是简单地活着，而是更加丰富多彩地生活。在 有限的生命里运用现代科技使自己生活得更充实、更有意义是现代人的共同愿望。 随着经济收入的增加，财富的积累，家居的自动化已是每一户家庭所关注的大事。 由于我国的居住模式和发达国家存在很大的差别，我国人口众多，城市多以密集 型住宅为主，这造成了国内外在智能家居的发展和技术上存在了很大的差别。国 内智能化更多的注重于整个小区智能化的建设。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 家用电器以及各种设备，自进入普通大众家庭的那天起，就担负起完成繁 琐家务，丰富人们娱乐生活以及为人们提供舒适生活环境等任务盱1 。随着社会和 科学技术的发展，各种家用设备的功能越来越丰富，为人们提供的服务越来越多， 人们对家用设备的依赖性也越来越强。每当一项新技术应用于某一种家电产品， 必定引发一次对新产品购买的热潮并同时加速旧产品的淘汰。可以预见，科技含 量的高低与否，将是决定家电能否在市场立足的关键因素之一，以往那种劳动密 集型的家电企业生产模式将会在新时代里被知识密集型的企业生产模式所取代。 本课题开发的是中一个基于l i n u x 和b a c n c t 的智能家庭信息中心，因此本 课题对于推进我国智能家居的发展以及建立我国智能家居的标准有开拓性的意 义，并且对于b a c n e t 在我国的推广起了积极的作用。本课题实现了b a c n e t 与其 他不同控制协议的互相通信，证明了b a c n e t 作为智能家居的标准的可行性。 1 2 国内外研究现状 “智能家电网络”是“智能家居”的一部分。国际上对智能家居网络( 总线) 的研 究起源于2 0 世纪7 0 年代，主要集中在发达国家，如美国、日本以及欧洲的德国、 英国和法国。其中比较重要的有下述几个系统：美国的x - 1 0 、c e b u s ( c o n s u m e r e l e c t r o n i cb u s ) 、l o n w o r k s ；日本的h b s ( h o m eb u ss y s t e m ) ：欧洲的e i b ( e u r o p e a ni n s t a l l a t i o nb u s ) 和e h s ( e u r o p e a nh o m es y s t e m ) 等。微软在几十年 前就提出数字化生活的构想，即所有电器构成一个网络，可以由p c 机智能控制， 并且通过互联网络实现远程控制。人类对新型控制手段的探索从未停止前进的脚 步，无非也是想使得家用电器的操作变得更为人性化。 国外的许多大公司旱己进入到该领域中，如微软公司投资一家i t r a n 公司，专 业从事智能家居开发设计；m m 公司与建筑商合作，为用户提供装备有先进的安 防系统的智能化住宅。美国联邦政府和m m 、a t & t 等大型i t 企业，联合投资 4 0 0 0 亿美元，为全国5 0 0 万个小区和9 0 0 0 万个家庭提供全面的小区和家庭的 安全防护和信息服务。在国内外关于智能家居系统相关的示范工程和研究就有： m m 的网络化家居和梦幻空间( d r e a ms p a c e ) t 程；h o n e y w e l l 的家庭自动化工程； c i s c o 的网络社区工程；m o t o r o l a 的智能家居工程；i n v a a s y s 的网络化家居工程； m i t 的智能厨房研究项目；亚利桑那大学的w a v e s 和1 2 s e e 项目；中美科龙 智控联合中心( 中科院、广东科龙和美国亚利桑那大学) 的智能家居项目；北京 恒生新创的智能家居系统工程等。 在我国，智能化住宅和智能化家居虽然起步比较晚，但发展速度很快。8 0 年 代，我国居住条件非常困难，根本谈不上智能化的问题。8 0 年代初所建成的住宅， 其电器设计内容仅在：普通楼房的户内外照明，高层住宅增加高层供水的生活水 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 泵控制系统及消防泵控制系统；用户电量的计量和收费，采用房管部门或住户轮 流抄表收费的方式：生活用水的计量则主要是按户或按入口数收费；弱电系统也 是从8 0 年代开始才陆续设置电话配线和公用电视天线系统。8 0 年代末9 0 年代初， 我国家庭基本实现电器化，住宅内的弱电系统有所增加，如对讲系统等。到了9 0 年 代末，电脑、有线电视、机顶盒、移动通信等数字化通信产品开始走进家庭。国 内的一些著名家电制造商，如海尔、tcl 、联想等已经开始了对信息家电或网 络家电的研究，并且成功开发了不少“概念式”的产品。综观这些“概念产品”，有的 是直接利用国外已经开发出的智能家庭网络总线标准，有的则是直接把以太网模 式应用于智能家电网络中c 9 1 3 本文研究的目的和研究内容 、 1 3 1 本文研究的目的 智能家居虽然有非常光明的前景，但是在现阶段却受制于生产成本过高、市 场需求小、标准不统一等问题，发展速度缓慢。因此，要使智能家居产品能够真 正进入普通家庭，在老百姓中得到普及以发挥其应有的作用，必须走一条循序渐 进的道路。要从价格合理的产品做起，慢慢地培养起一个市场空间，最终实现理 想中智能家居的发展目标。目前，由于在家居行业内还没有一种获得所有企业认 同，而且投入成本低的标准，各个品牌所推出的所谓的智能家电都是不能互相兼 容的。所以，要组建一个智能家居系统，必须购买同一品牌的所有产品，如果单 单购买一件智能家电，又很难发挥出其应有的功能，会造成浪费。针对以上问题， 本文将提出一种通用性强、生产成本低、具有良好市场发展前景的解决方案。 1 3 2 本文研究的主要内容 本文研究的主要内容有： 采用嵌入式l i n u x 和华恒s c 2 4 1 0 的嵌入式c p u 为开发平台，构建一个智 能家庭信息中心，内置嵌入式w e b 服务器。实现网络层功能及以l i n u xd e v i c e d r i v e r ( l d d ) 的方式放入内核空间的编程，实现动态加载的方式运行的功能。实 现网络层对应用层提供编程接口，把应用层放入用户空间。 嵌入式w e b 服务器的构建。为了提高整个系统的可操作性和网络访问能 力，在系统中设计实现了嵌入式w e b 服务器。并对服务器的容量，运行速度，移 植性能和功能支持进行分析和设计。为了满足客户与服务器进行交互性的活动， 因此需要编写相应的c g i 程序。整个系统都是建立在c c 抖语言的基础上，因 此选择c c + + 语言作为开发语言。 基于b a c n c t 的总线控制器的开发。实现b a c n c t 的总线控制器通过 b a c n c t b i p 链路层协议，由以太网，把智能家庭信息中心、分布在各个房间中或 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 周边的智能子系统连接起来。实现b a c n e t 协议中的标准对象对各种触发探测器 和联动触发装置进行抽象，集成时，将各种探测器、联动触发置和安防控制器上 的b a c n c t 标准对象一一映射起来。 三表抄送网关的设计。由于在家庭智能控制中心作为一个家庭设备控制系 统，而三表抄送又是现在智能家居不可缺少的一部分，所以三表抄送是家庭智能 中心必须实现的功能。三表抄送需要利用脉冲电路与网络技术将家中的电表、水 表与气表的读数传到网络上而实现其读数的远程抄送，这将改变以前人工抄送的 种种弊病，大大减少了物业管理的工作量。 1 4 本章小结 本章先介绍了智能家居的发展历史以及智能家居概念的定义和内容，在介绍 了课题背景后又接着从国内外研究现状和本文的研究目的开始论述。最后提出本 课题研究主要内容。 4 重庆大学硕士学位论文2 智能家居系统原理及相关技术 2 智能家居系统原理及相关技术 2 1 嵌入式系统技术 随着信息技术的发展和数字化产品的普及，i n t e m e t 得到了广泛深入的应用： 从消费电器到工业设备，从民用产品到军用器材，嵌入式被应用到手持通信设备、 国防军事、消费电子和自动化控制等各个领域。嵌入式系统的广泛应用前景和发 展潜力使其成为2 l 世纪的应用热点之一，嵌入式系统通常是面向特定应用的。 然而，嵌入式系统本身不仅与一般的p c 上的应用系统不同，而且针对不同的具 体环境而设计的嵌入式应用之间的差别也很大e 8 。 2 1 1 嵌入式系统概念 嵌入式系统般指非p c 系统，它以应用为中心、以计算机技术为基础，软 硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、体积、功耗严格要求的专用计算机 系统。它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器微处理器、存储器及外设器件 和i o 端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件( 要求实时和多任务操 作) 和应用程序。应用程序控制着系统的运行，而操作系统控制着应用程序编程 与硬件的交互作用。这种系统具有软件代码小，高度智能化，响应速度快等特点， 特别适合于要求实时的和多任务的体系。与普通的计算机系统一样，嵌入式系统 也是一种软硬件混合系统，整个系统是由硬件和软件两大部分组成。前者是整个 系统的物理基础，它提供软件运行平台和通信( 包括人一机交互) 接口，后者实 际控制系统的运行。硬件部分又包括嵌入式处理器、外围设备和外围电路三个部 分；软件部分分为嵌入式操作系统和嵌入式应用软件两个层次，如下图所示： 图2 1 嵌入式系统结构 f i g2 1e m b e ds y s t e ms t r u c t u r e 重庆大学硕士学位论文2 智能家居系统原理及相关技术 2 1 2 嵌入式操作系统 嵌入式计算机的操作系统称为嵌入式操作系统。许多简单的嵌入系统，比如 单片机控制系统，并不需要嵌入式操作系统。但是，随着嵌入式系统复杂性的增 加，需要对复杂的嵌入式软件系统进行合理的控制，因此，嵌入式操作系统显得 起来越重要。嵌入式操作系统有如下特点 1 0 j 实时性。嵌入式系统通常有实时性要求，因此嵌入式操作系统往往又是实时 操作系统。早期的嵌入式系统几乎都是用于控制目的，从而或多或少都有些实时 要求，所以从前嵌入式操作系统实际上就是实时操作系统嵌入式家用视频服务器 的研究与实现的代名词。 系统可剪裁。由于嵌入式系统的资源限制，所采用的操作系统应该有极强的 针对性。因此，嵌入式操作系统功能要能够配置，够用即可。轻量型网络支持。 随着网络时代的到来，更多的嵌入式设备需要连接上网。因此，需要在嵌入式操 作系统中提供必要的轻量型协议栈支持。 功能可扩展。由于新型嵌入式设备的功能多样化，要求嵌入式操作系统除提 供基本的内核支持外，还需提供越来越多的可扩展功能模块( 含用户扩展) ，如功 耗控制、动态加载、嵌入式文件系统、嵌入式g u i 系统和嵌入式数据库系统等。 操作系统是硬件与用户之间的一层系统软件，负责管理整个系统，同时将硬 件细节与用户隔离开来，为用户提供一个更容易理解和进行程序设计的接口。操 作系统的质量以它的体系结构为基础，确保系统的性能、可靠性、灵活性、可移 植性和可扩展性等达到人们的要求。同时定义了硬件与软件的界限、操作系统内 部各构件( 基本内核、文件、g u i 、浏览器等) 的组织关系以及系统与用户的接口。 一个典型的嵌入式操作系统结构如下图所示： 应用软件系统 应用程序接口a p i 电源文件内存t c 腑f r ph 珊 o s 内核数据库 设备驱动程序接口 图2 2 嵌入式操作系统结构图 f i g2 2 e m b e do p e r a t es y s t e ms u x i c t u i 6 重庆大学硕士学位论文 2 智能家居系统原理及相关技术 2 1 3l i n u x 和嵌入式l i n u x l i n u x 操作系统是一种开放源码，可裁剪内核，运行于个人计算机和工作站上 的类u n i x 操作系统。它最初是由一名芬兰学生l i n u x t o r v a l d s 开发的，后来成 立了一个由他领导的内核开发小组对l i n u x 内核进行了完善。这使l i n u x 在短期内 就成为了一个稳定成熟的操作系统，在x 8 6 ，a l p h a ，s p a r e ，m i p s ，p p c 。m o t o r o l a , n e c ，a r m 等硬件平台上运行稳定高效。作为一种成熟，稳定并在短时间内得到 广泛应用的开源操作系统3 。 l i n u x 用于嵌入式： 由于l i n u x 具有开放性，可以支持不同的设备，支持不同的配置，而且成本 极低，是一种可以运行于各种硬件平台的操作系统，因此l i n u x 进入嵌入式领域 已是大势所趋，其巨大的市场潜力与酝酿中的无限商机吸引了众多的厂商进入这 一领域。l i n u x 用于嵌入式系统，有它自身的一些优点。由于其源代码公开，人们 可以任意修改，以满足自己的应用，并且查错也很容易。遵从g p l ，无须为每例 应用交纳许可证费。有大量的应用软件可用。其中大部分都遵从g p l ，是开放源 代码和免费的。可以稍加修改后应用于用户自己的系统。有大量的免费的优秀的 开发工具，且都遵从g p l ，是开放源代码的。有庞大的开发人员群体。无需专门 的人才，只要懂u n i x l i n u x 和c 语言即可。随着l i n u x 在中国的普及，这类人 才越来越多。所以软件的开发和维护成本很低。优秀的网络功能，这在i n t e r n e t 时 代尤其重要。稳定，这是l i n u x 本身具备的一个很大优点。内核精悍，运行所需 资源少，十分适合嵌入式应用。支持的硬件数量庞大。嵌入式l i n u x 和普通l i n u x 并无本质区别，p c 上用到的硬件嵌入式l i n u x 几乎都支持。而且各种硬件的驱动 程序源代码都可以得到，为用户编写自己专有硬件的驱动程序带来很大方便。 嵌入式l i n u x 的组成： 一个小型的嵌入式l i n u x 系统只需要下面三个基本元素：系统引导程序：用 于完成机器加电后的系统定位引导；l i n u x 微内核：由内存管理、进程管理和事务 处理等构成，为嵌入式应用提供一个软件环境，为应用程序完成基本的底层资源 管理工作；初始化进程：完成基本的初始化。如果要让它能干点什么且继续保持 小型化，还得加上：硬件驱动程序：提供所需功能的一个或更多应用程序。一个 文件系统( 也许在r o m 或r a m 中) ，t c p 口网络堆栈。 2 1 4 嵌入式w 曲服务器 在智能家居系统中的家庭信息中心的设备中，需要提供一个用户界面来进行 w e b 界面的远程配置与远程控制，如：策略修改，查询日志，远程控制引等。 特别对于智能设备程序来说，它必须能够通过w e b 服务器让用户远程控制家电和 其他设备。所以挑选一个性能优良的的w e b 服务器对于整个系统的设计和维护都 重庆大学硕士学位论文2 智能家居系统原理及相关技术 有很重要的作用。由于p c n b c 的局限性( 如不支持j a v a ) ，同时考虑到嵌入式l i n u x 轻便的需求特点，采用支持服务器端脚本如c g i 的w e b 服务器来提供这样一个 机制，然后在其基础上编写h t m l 文件和c g i 脚本实现具体需求。在开放源代 码世界中，有许多各具特色的w e b s e r v e r ，可以拿来使用或研究。各个w e b s e r v e r 特 点不同，有的注重速度，有的注重功能全，有的注重尺寸小，有的适合于大流量， 有的适合于小流量，有的只支持静态页面，有的支持c g i ，有的支持j s p 、s e r v l c t 。 下面列出几种l i n u x 下的w e b 服务器软件的特点。 s h h t t p d ：s h - h t t p d 是一种基于s h c n 脚本的w e bs e r v e r ，支持g e t 和h e a d 方法，和一个c g i1 1 接口。它实际上不快也不安全，但是确实很小。w e bs e r v e r 程序和它的配置文件总共只有大约9 ，0 0 0 字节。 b o a ：b o a 是一个单任务的h t t ps e r v e r 。不象传统的w e bs e r v e r ，它不为每 个进入的连接( 开辟进程) f o r k ，也不为处理多个连接创建多进程。它是单进程的 处理每个正在进行的h t t p 连接，只为c g i 程序( 必须是单独的进程) 开辟新 的进程，自动产生目录，自动进行文件压缩。b o a 的主要设计目的是速度和安全性。 t h t t p d ：t h t t p d 是一个简单，小型，可移植，快速和安全的h t t ps e r v e r 。它仅 实现h r r p 1 1 最少的必要的特性。它不进行f b r l 【，并且对内存分配非常小心。 它在大多数类u n i x 操作系统上“干净”的编译。在典型应用中，它差不多和最好 的全功能服务器( a p a c h e ，n c s a ，n e t s c a p e ) 一样快。在极端的负载下，它更快。 它竭尽全力保护主机避免被攻击和闯入。它还有一个极端有用但其他服务器还没 有的特性：基于u r l - t r a f i i c 的节流。另外，它还支持p v 6 ，无需补丁。 m i n i：m 陆是一个小的h t t p 。它的性能不是非常好，但_ h t t p dh 仕p d s e r v e r 是十分适合于低或中等通信量的站点。它实现了一个h t t ps e r v e r 的所有基本的 特性。包括：g e t 、h e a d 和p o s t 方法，c g i ，基本身份验证，禁止“”目录 窥探的安全机制，普通m i m e 类型，t r a i l i n g - s l a s h 重定向，i n d e x h t m l ，i n d e x h u n ， i n d e x c g i ，目录清单，多主机虚拟主机，标准日志，自定义e r r o r 页面，还可以配 置成实行s s l h t t p s 和口v 6 。 m i c r oh t t p d ：m i c r o 是一个非常小的基于的h r r p。它由_httipd u n i x s e r v e r i n e t d 启动，意味着它的性能低下。但是对于低通信量的站点来说，它是适合的。 它实现了一个h 订ps e r v e r 的所有基本的特性。包括：禁止“。”目录窥探的安全机 制，普通m i m e 类型，t r a i l i 日i g - s l a s h 重定向，i n d e x h t r n l ，目录清单。 a w k _ h t t p d ：a w k h t t p d 由a w k 写成的h t t p d 。这是一个“有趣的 w e b 服 务器。 伍t l p d ：n 坩p d 支持h r r p0 9 ，1 0 和基本的1 1 支持。它支持f t p ( r f c9 5 9 ， 没有 p a s s i v e 模式) ，支持虚拟的f t p i r r p 服务器( 同时支持分立的m 地址和 重庆大学硕士学位论文2 智能家居系统原理及相关技术 主机名) ，支持c g i 脚本。 d h t t l x l1 0 2 a - 8 ：最小的安全w e bs e r v e l ，不支持e g i - b i n 。 q e w s ：q e w s 是q u i o t i x 公司的嵌入式w e b $ 1 翻 v e l ，是世界上第一个模块 化的w e b s e r v e r 。需要购买它的s d k 。 j e t t yj a v ah t l 甲s e r v e r ：j e t t y 是一个1 0 0 的j a v ah t t ps e r v e r 和s e r v l e t 容 器。 k h t t p d ：k h t t p d 和其它w e b 服务器的不同之处在于其是作为内核的一部 分运行在l i n u x 的内核中( 可以看成是一个设备驱动) 。k h t r p d 仅仅处理静态( 基 于静态文件的) 的w e b 页面，而将所有的对于非静态内容的请求传递给正常的运行 于用户空间的w e b 服务器来处理，如a p a c h e 、z e u s 等，而这些运行在用户空间 的w 曲服务器并不需要任何修改。 2 1 5 c g i 技术 c g i 是c o m m o ng a t ei n t e r g a e e 的缩写 2 1 1 0 在物理上，c g i 是一段程序，它 运行在s e r v e r 上，提供同客户端h t m l 页面的接口。这样说大概还不好理解。那 么我们看一些本系统中用到c g i 的实际例子：用户可以登陆家庭信息中心h i c 的w e b 服务页面，然后通过w e b 界面设置家庭的家电和灯光以及其他设备，整 个过程如下：先由用户在客户端选择想要控制或者浏览的项目，然后选择想要控 制的对象。用户设置完成以后按下页面上确定的按钮( 到目前为止工作都在客户 端) ，浏览器把这些信息传送到服务器的c g i 目录下特定的c g i 程序中，于是c g i 程序在服务器上按照用户的要求控制用户刚才配置的那些设备。然后c 百程序给 客户端发送一个信息，表示请求的任务已经结束。此时用户在浏览器里将看到“操 作成功”的字样。如果在c 西执行过程中超时，那么用户在浏览器里将看到“操作 不成功”的字样。 c g i 程序一般完成w e b 网页中表单f r o m ) 数据的处理、数据库查询和实现与 传统应用系统的集成等工作。c g i 程序可以用任何程序设计语言编写，如s h e l l 脚本语言、p e r l 、f o r t r a n 、p a s c a l 、c 语言等。但是用c 语言编写的c g i 程序 具有执行速度快、安全性高( 因为c 语言程序是编译执行且不可被修改) 等特点。 c g i 接口标准包括标准输入、环境变量、标准输出三部分。 标准输入 c g i 程序像其他可执行程序一样，可通过标准输入( s t d i l l ) 从w e b 服务器得到 输入信息，如f o r m 中的数据，这就是所谓的向c g i 程序传递数据的p o s t 方 法。这意味着在操作系统命令行状态可执行c g i 程序，对c g i 程序进行调试。 p o s t 方法是常用的方法，本文将以此方法为例，分析c g i 程序设计的方法、过程 和技巧。 9 重庆大学硕士学位论文 2 智能家居系统原理及相关技术 环境变量 操作系统提供了许多环境变量，它们定义了程序的执行环境，应用程序可以存 取它们。wc b 服务器和c g i 接口又另外设置了自己的一些环境交量，用来向 c g i 程序传递一些重要的参数。c g i 的g e t 方法还通过环境变量 q u e r y - s t r i n g 向c g i 程序传递f o r m 中的数据。 标准输出 c g i 程序通过标准输出( s t d o u t ) 将输出信息传送给w e b 服务器。传送给 w e b 服务器的信息可以用各种格式，通常是以纯文本或者h t m l 文本的形式，这样 我们就可以在命令行状态调试c g i 程序，并且得到它们的输出。c g i 技术在我们 开发的h i c 项目中有着不容忽视的作用，因为我们必须利用c g i 技术实现h i c 中的远程控制功能。客户远程登陆h i c 中的w e b ，并且发请求给w e b 页面，这 时候w e b 如何把客户的请求传给h i c 总控模块就必须依靠c g i 技术，也就是 我们通常提到的动态网页的技术。 2 2 嵌入式应用开发 嵌入式应用软件的开发必须将硬件、软件、人力资源等元素集成起来，并进 行适当的组合以实现目标应用对功能和性能的需求。在嵌入式软件的开发过程中， 实时性能常常与功能一样重要。这就使嵌入式软件开发关注的方面更广泛，要求 的精度更高。 2 2 1 嵌入式应用软件开发流程 嵌入式应用软件的开发流程与通用软件的开发流程大同小异，但开发所使 用的设计方法有一定的差异。整个开发流程可分为需求分析、设计阶段、生成代 码阶段和固化阶段阻7 1 。如下图所示： 图2 3 嵌入式软件开发流程 f i g2 3e m b e ds o i t w a r ed e v e l o p sp r o c e s s l o 重庆大学硕士学位论文 2 智能家居系统原理及相关技术 需求分析阶段 嵌入式开发需求分析阶段与普通软件开发的需求分析阶段差异不大，主要包 括对问题的识别和分析、制订规格说明文档和需求评审三个方面的内容。 问题的识别和分析：对用户提出的问题进行抽象识别用以产生功能需求、性 能需求、环境需求、可行性需求和成本需求等用户需求。嵌入式应用软件的性能 需求中对实时性通常有更严格的要求。而对于用户界面和系统升级的需求相对较 少，甚至有些应用场合根本不需要进行人机的交互，软件可按预定的程序一直运 行下去。 制订规格说明文档：经过对问题的识别，产生了系统各方面的需求。通过对 规格的说明，文档得以清晰、准确地描述。这些说明文档包括需求规格说明书和 初级的用户手册等。 需求评审：需求评审作为系统进行下一阶段前最后需求分析复查手段，在需 求分析的最后阶段对各项需求进行评估，以保证软件需求的质量。需求评审的内 容包括正确性、无歧义性、安全性、一致性、可理解性、可修改性、可追踪性等 多个方面。 设计阶段 系统的设计阶段包括系统设计、任务设计和任务的详细设计。 系统设计和任务设计：嵌入式应用软件是通过并发的任务来运作的，应用软 件开发的系统设计将系统划分为多个并发执行的任务，各个任务允许并发执行， 通过相互间通信建立联系。嵌入式软件开发中引入了d a r t s ( d e s i g n a n d a n a l y s i s o f r e a l t i m es y s t e m s ) 的设计方法。d a r t s 设计方法是结构化分析结构化设计的 扩展。它给出划分任务的方法，并提供定义任务间接口的机制。d a r t s 设计方法 分为数据流分析、划分任务、定义任务间接口几个步骤。 任务的详细设计：任务的详细设计的主要工作是确定每个任务的结构。画出 每个任务的数据流图，使用结构化设计方法，从数据流图导出任务的模块结构图， 并定义各模块的接口。然后进行每个模块的详细设计，给出每个模块的程序流程 图。 生成代码阶段 生成代码阶段需要完成的工作包括编码、交叉编译和链接、交叉调试和测试 等。 编码：作好模块的详细设计之后，就要进行代码的编写工作。代码的编写是 严格按照设计文档进行的，因此，规范化的设计文档有助于缩短代码的开发时间。 交叉编译和链接：代码编写完成之后，就要进行代码的编译和链接，以生成 执行代码。由于目标机和宿主机的c p u 通常是不相同的，因此，宿主机通常要 重庆大学硕士学位论文 2 智能家居系统原理及相关技术 能够支持交叉编译。编译链接生成两种类型的可执行文件：调试用的可执行文件 和固化的可执行文件。 交叉调试：嵌入式软件开发的调试方法不同于通用软件。通用软件开发中的 调试器和被调试程序往往运行在同一台机器上，作为操作系统上的两个进程，调 试进程通过操作系统提供的调试接口控制被调试进程。嵌入式软件开发通常采用 交叉调试方法，调试器运行于宿主机，而被调试程序则运行在目标机上。 测试：与通用软件开发的测试一样，嵌入式软件开发过程中的调试也分为单 元测试和系统集成测试两部分。 固化阶段 固化的工作是把开发完成的软件代码写入到目标环境的非易失性的存储设备 中，以保证每一次都能正确无误地运行。固化用的可执行代码不同于调试用的可 执行代码，它屏蔽了调试信息。固化代码中必须要包含启动模块，以支持硬件启 动和初始化。把代码固化到目标环境中之后，还要进行运行测试，以保证程序的 正确无误。到这里，嵌入式应用软件的开发就基本完成了。 2 2 2 嵌入式系统的硬件j 次件协同设计技术 传统的嵌入式系统设计方法如图2 4 所示，硬件和软件分为两个独立的部分， 由硬件工程师和软件工程师按照拟定的设计流程分别完成 1 7 3 。这种设计方法只能 改善硬件软件各自的性能，而有限的设计空间不可能对系统做出较好的性能综合 优化。 图2 4 传统的嵌入式系统设计方法 f i g2 4t r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o do f e m b e ds y s t e m 虽然在系统设计的初始阶段考虑了软硬件的接口问题，但由于软硬件分别开 发，各自部分的修改和缺陷很容易导致系统集成出现错误。由于设计方法的限制， 这些错误不但难于定位，而且更重要的是，对它们的修改往往会涉及整个软件结 构或硬件配置的改动。显然，这是灾难性的。 重庆大学硕士学位论文 2 智能家居系统原理及相关技术 一个典型的硬件软件协同设计过程如图2 5 所示。首先，应用独立于任何硬 件和软件的功能性规格方法对系统进行描述，采用的方法包括有限态自动机 ( f s m ) 、统一化的规格语言( c s p 、v h d l ) 或其他基于图形的表示工具，其作 用是对硬件软件统一表示，便于功能的划分和综合：然后，在此基础上对硬件软 件进行划分，即对硬软件的功能模块进行分配。但是，这种功能分配不是随意的， 而是从系统功能要求和限制条件出发，依据算法进行的。完成硬件软件功能划分 之后，需要对划分结果做出评估。方法之一是性能评估，另一种方法是对硬件、 软件综合之后的系统依据指令级评价参数做出评估。如果评估结果不满足要求， 说明划分方案选择不合理，需要重新划分硬软件模块，以上过程重复直到系统获 得一个满意的硬件软件实现为止。 图2 5 硬件墩件协同设计过程 f i g2 5h a r d _ w a r e ，s o r w 黜d e s i g n 班o c c s s 软硬件协同设计过程可归纳为： 需求分析； 软硬件协同设计； 软硬件实现； 软硬件协同测试和验证。 这种方法的特点是在协同设计( c o d e s i g n ) 、协同测试( c o t e s t ) 和协同验证 ( c o v e r i f i c a t i o n ) 上，充分考虑了软硬件的关系，并在设计的每个层次上给以测 试验证，使得尽早发现和解决问题，避免灾难性错误的出现。 2 3 智能家居总线协议 智能家居总线在一定区域内的设备或仪表与控制室内的自动控制装置或