（地球探测与信息技术专业论文）基于嵌入式linux的信息家电网络控制平台技术研究.pdf

桂林工学院硕士学位论文 摘要 信息家电是计算机技术、通讯和电子技术相结合的信息时代的产物，是互 联网的广泛应用和传统家电结合的必然结果。3 c ( c o m p u t e r 、c o n m l u n i e a t i o r l 、 c o n s u m e r ) 合一的趋势己经形成，智能家居网络得到了前所未有的发展，智能 家居网络实现的目标是将家庭中各种与信息有关的设备连接到一个家庭网络 控制平台上，进行集中或异地的监视、控制和管理。其结果必然就是将计算机 工业的中心从计算产品转移到信息产品，因此，研究与信息产品有关的关键技 术信息家电网络控制平台技术就有着相当重要的实际意义。可以说，信息 家电网络控制平台技术是当今计算机技术从体系结构、操作系统到驱动模式和 网络应用的最新成果的集成体。 本义详细论述了作者在硕士学位论文工作期间在基于信息家电网络控制平 台技术工作领域里所做的研究和实践。首先综合论述了与本文研究有关的嵌入 式系统的基本概念和论文工作的意义以及实现思路；紧接着对智能家居网络结 构进行了探讨和分析；然后主要围绕网络控制平台的硬件平台设计和软件构建 两个方面展丌讨论：硬件方面基于$ 3 c 4 5 1 0 b 微处理器设计了各功能模块电路， 详细分析了设计思路并给予了具体实现，设计思路与同类研究相比有一定的创 新性和改进，各模块设计均采用了高速低耗芯片，为了减小体积还使用c p l d 扩展了$ 3 c 4 5 1 0 b 的l c d 和键盘控制器：软件方面实现了u c l i n u x 在本平台上 的移植，特别在小型化、b o o t l o a d e r 、实时性、多进程等实现方面作了研究和 改进，然后在该基础上给出了u c l i n u x 系统下网络驱动、网络通信、串行通信 的编程方法研究和实现：最后，针对现有的工作，指出存在的不足。 作者结合本网络控制平台，取得了u c l i t l u x 的实时性能的改进、嵌入式 u c l i n u x 系统中b o o t l o a d e r 的设计模型及实现，嵌入式u c l i n u x 系统中驱动程 序和应用程序的编写等几项研究成果，和导师一起申请国家专利一项( 专利申 请号码：2 0 0 3 2 0 11 6 5 11 7 ) 。 总之，本文在信息家电网络控制平台技术研究的软硬件方面都做了大量的 研究工作，每个方面都有自己鲜明的特色，并给出了简单的测试方案，验证结 果表明完全实现了设计要求。同时经过近两年的研究发现，所取得的成果，具 有重要的实际应用价值，在工业自动化、环境工程、智能公路等领域都有广阔 的应用前景。 关键浏：信息家电网络控制平台u c l i n u xl i n u x实时性 桂林工学院硕士学位论文 a b s t r a c t i n f o r m a t i o n a p p li a n c ej s ac o m b i n a t i v er e s u lto f c o m p u t e r t e c h n 0 1 0 9 y c o m m u n i c a t jo nt e c h n o l o g ya n de e c t r o n ict e c h n o l o g yi n i n i o r m a t i o nt i m e s i ti sa i s oai n e v i t a b l er e s u l to ft h eb o a r d a p p l i c a t i o no fi n t e r n e ta n dt r a d i t i o nh o m ee l e c t r i c a la p p l i a n c e 3 c ( c o m p u t e r ，c o n m u n i c a t i o na n dc o n s u m e r ) h a sb e e nu n i t e da so n en o w ， i n t e l l i g e n th o m en e t w o r ki sv e r yf a s td e v e o p e d ，t h eo b j e c to f i n t e l l i g e n th o m er e t w o r ki st ou s eah o m en e t w o r kc o n t r o l l i n gp 1 a t f o r m t o n t e g r a t ea 1 1k i n d so fh o m ed e v i c e s b a s e do nt h ep l a t f o r m ，h o m e i n f o r m a t i o n a p p li a n t e s c a nb ec e n t r a l i yo r r e m o t e l ym o n i t o r e d ， c o n t r o l l e da n dm a n a g e d ，w h i c hw i l l1 e a dt h ef o c u so fc o m p u t e ri n d u s t r y f r o mc o m p u t a t i o np r o d u c tt oi n f o r m a t i o np r o d u c t s o ，t h es t u d yo ft h e k e yt e c h n i q u eo fi n f o r m a t i o np r o d u c t i n f o r m a t i o na p p l l a n c en e t w o r k c o n t r o l l i n gp l a t f o r mh a st h ev e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e i tc a nb es a i d t h a tt h ei n f o r m a t i o na p p l i a n c en e t w o r kc o n t r o l li n gp l a t f o r mi st h e n e w e s tr e s u i to fu s i n ga b o u tn e t w o r k ，d r i r i n gm o d e la n do p e r a t i n gs y s t e m o fc o m p u t e rt e c h n o l o g yn o w t h i st h e s i ss t a t e st h ea u t h o r sw o r ko ft h e t e c h n o l o g yo f in r o r m a t i o na p p l i a n t en e t w o r kc o n t r o l l i n gp l a t f o r mf o rn a s t e rd e g r e e f i r s t l y ，t h et h e m ss u m m a r i z e st h eb a s i cc o n c e p t so fe m b e d d e ds y s t e m ， t h es i g n i f i c a n c ea n dt h er e a l i z i n gw a yo ft h et h e s i sw o r k i m m e d i a t e l y ， t h ec o n s t r u c t i o no ft h ep r o t o c o la b o u ti n t e l l i g e n th o m en e t w o r ki s a n a l y s e d t h e n ，t h et h e s i sf o c u s e st h et w oa s p e c t sb e t w e e nt h ed e s i g n o f lh a r d w a r ea n dt h es t r u c t u r i n go fs o f t w a r e o nt h ea s p e c to fh a r d w a r e ， ad e s c r i p t i o na b o u tt h ed e s i g n i n gw a yo ff u n c t i o nm o l d so fe l e c t r i c c i r c u i tb a s e do nt h em i c r o p r o c e s s o ro fs 3 c 4 5 1 0i sg i v e ni nd e t a i l ， c o m p a r e dw it ht h es a m ek i n ds t u d y ，t h e r ei sm u c hc r e a t i v ea n di m p r o v e m e n t e a c hm o l d sd e s i g n i n ga d o p t st h eh i g hs p e e da n dl o wc o n s u m i n gc i r c u it i no r d e rt od e c r e a s et h ev o l u m e ，t h ec p l di su s e df o re x p a n d i n gt h e c o n t r o l1 e ro fl c da n dk e y b o a r do f $ 3 c 4 5 1 0 b o nt h ea s p e c t so fs o f t w a r e ， t h et h e s ish a sr e a l i z e dt h et r a n s d l a n t a t i o no fu c l i n u xo nt h ep l a t f o r m 桂林工学院硕士学位论文 s p e c i a i i v ，t h ea u t h o rw o r k si ni m p r o v i n ga b o u tm i n is c a l e ，b o o t l o a d e r ， r e a lt i m ea b i l i t ya n dm a n yt h r e a d s ，t h e no nt h eb a s i s ，r e a l i z e dw r ll 1 n g p r o g r a m a b o u tn e t w o r kd r i v i n g ，n e t w o r kc o l l l l n u n l c a t l n g a n d s e r l a l c o m m u n i c a t i n g i nt h el a s tp a r to ft h i st h e s i s ，s o m ed i s a d v a n t a g e sa r e s h o w nf o rt h ec u r r e n tw o r k u n i t i n gt h en e t w o r kc o n t r o l l i n gp l a t f o r m ，t h ea u t h o rh a sa c q u l r e d af e ws t u d yf r u i t ，f o re x a m p l e ，t h ei m p r o v e m e n t o ft h eu c l i n u xr e a lt i m e ， t h ed e s i g nm o d e la n dr e a l i z a t i o no ft h eu c l i n u xs y s t e m b o o t l o a d e ra n d t h eu s eo fu c l i n u xe t c ，a n da p p l i e dap i e c eo fp a t e n t ( a p p l i c a t i o n n u m b e r ：2 0 0 3 2 0 1 1 6 5 1 1 7 ) 。 i naw o r d ，m u c hw o r kis d o n eo nt h et w oa s p e c t so fh a r d w a r ea n d s o f t w a r eo fi n f o r m a t i o na p p l i a n c en e t w o r kc o n t r o l l i n gp l a t f o r m ，e v e r y o n eh a ss p e c i a lf e a t u r e si ni t s e f ，a n dt h et e s t l n gp r o j e c tw a sg l v e “- t h er e s u l tv e r i f i e dt h ed e s i g nf u l f i l l i n gt h ed e m a n d o fi n f o r m a t i o n a p p ll a n c en e t w o r kc o n t r o l l i n gp l a t f o r m a tt h es a m et i m e ，t h r o u g h m o r e t w ov e a r so fw o r k i n g ，i ti sf o u n dt h a tt h ef i e l di sp r o s p e c t i v ea n dl t h a s t h ei m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ei np r a c t i c e ，i t c a nb ew i d e l ya p p l i e d i nm a n yf i e l d ss u c ha si n d u s t r i a la u t o m a t i o n ，e n v t r o n m e n te n g l n e e r l n g a n di n t e ii g e n c eh i g h w a ye t c k e yw o r d s ：i n f o r m a t i o na p p l i a n c e n e t w o r kc o n t r o l l i n gp l a t f o r m u c l i n “ l i n u x r e a lt i m e 桂林工学院硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究：i ：作及取得的研 究成果。尽我所知，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，也不包含为获得桂林工学院或其它教育机构的 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 在沦文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：姿邀日期：挫岁、v 关于论文使用授权的说明 本人完全了解桂林工学院有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分 内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 签名：数导师签名：盟望日 期： 桂林7 - 学院硕士学位论文 第一章绪论 11论文中的有关概念和发展背景 1 11 嵌入式系统的基本概念和发展历史 当前随着计算机、通信和微电子学科的发展，世界已经进入了“后p c 时代”。 一般嵌入式系统的正式定义“1 为“以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件 可裁减，符合应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗的严格要求的专用系 统”。 嵌入式系统的发展经历了三个比较明显的阶段： ( 1 ) 、无操作系统的嵌入算法阶段 这一阶段的嵌入式系统是以可编程控制器的形式、以单片机为核心的系统， 同时具有与一些监测、伺服、指示设备相配合的功能。般投有明显的披称为操 作系统的支持，而是通过汇编语言编程对硬件系统进行直接控制。这一阶段的主 要特点是系统结构和功能都相对单一，针对性强，几乎没有用户接口。 f 2 ) 、简单监控式的实时操作系统阶段 这一阶段的嵌入式系统主要以嵌入式处理器为基础、以简单豁控式操作系统 为核心。系统的特点是通用性比较弱，系统开销小，效率高，系统一般配备系统 仿真器，操作系统的界面不够友好，其主要用来控制系统负载和监控应用程序的 运行。 ( 3 ) 、通用的嵌入式实时操作系统阶段 咀通用型嵌入式实时操作系统( r t o s ) 为标志的嵌入式系统。如v x w o r k s 、 p s o s 、o s 一9 、w i n d o w sc e 等就是这一阶段的典型代表。这一阶段系统的特点是 能运行在各种不同类型强大的处理器上，具备了文件和目录管理、多任务、设备 支持、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能，具有大量的丰富的应用程序接 口( a m ) d 嵌八式应用软件丰富。 未来的嵌入式系统发展趋势将朝向软硬件系统整合、s o c 设计、应用程序研 发等几个方面发展。 1 ，1 2 信息家毫“的基本概念 在嵌入式系统的领域内最有量产效益和时代特征的就是信息家电 ( i n f o r m a t i o na p p l l a n c e ，i a ) ，依据市场情报中心( m i c ) 的定义，信息家电就是 能与因特网互动，专为特定功能而设计，并且易于使用的家电产品。 能与因特网互动，专为特定功能而设计，并且易于使用的家电产品。 桂林工学院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 论文中的有关概念和发展背景 1 1 1 嵌入式系统的基本概念和发展历史 当前随着计算机、通信和微电子学科的发展，世界已经进入了“后p c 时代”。 一般嵌入式系统的正式定义为“以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件 可裁减，符合应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗的严格要求的专用系 统”。 嵌入式系统的发展经历了三个比较明显的阶段： ( 1 ) 、无操作系统的嵌入算法阶段 这一阶段的嵌入式系统是以可编程控制器的形式、以单片机为核心备勺系统， 同时具有与些监测、伺服、指示设备相配合的功能。一般没有明显的被称为操 作系统的支持，而是通过汇编语言编程对硬件系统进行直接控制。这一阶段的主 要特点是系统结构和功能都相对单一，针对性强，几乎没有用户接口。 ( 2 ) 、简单监控式的实时操作系统阶段 这一阶段的嵌入式系统主要以嵌入式处理器为基础、以简单监控式操作系统 为核心。系统的特点是通用性比较弱，系统开销小，效率高，系统一般配备系统 仿真器，操作系统的界面不够友好，其主要用来控制系统负载和监控应用程序韵 运行。 ( 3 ) 、通用的嵌入式实时操作系统阶段 以通用型嵌入式实时操作系统( r t o s ) 为标志的嵌入式系统。如v x w o r k s 、 p s o s 、0 s - 9 、w i n d o w sc e 等就是这阶段的典型代表。这一阶段系统的特点是 能运行在各种不同类型强大的处理器上，具备了文件和目录管理、多任务、设备 支持、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能，具有大量的丰富的应用程序接 口( a p d 和嵌入式应用软件车富。 未来的嵌入式系统发展趋势将朝向软硬件系统整合、s o c 设计、应用程序研 发等几个方面发展。 1 1 2 信息家电”3 的基本概念 在嵌入式系统的领域内最有量产效益和时代特征的就是信息家电 ( i n f o r m a t i o na p p l i a n c e ，i a ) ，依据市场情报中心( m i c ) 的定义，信息家电就是 能与因特网互动，专为特定功能而设计，并且易于使用的家电产品。 桂林工学院硕士学位论文 它的主要特点是数字化、智能化和网络化。信息电器如火如荼的发展和应用， 需要嵌入式系统来支持。信息电器的产品丌发离不开利用网络协议栈，离不开实 现实时性能，也离不丌提供用户友好的接口，这些都需要利用嵌入式系统进行开 发。 伴随着以计算机技术、通讯技术为主的信息技术的快速发展和互联网的广泛 应用，3 c ( c o m p u t e r ，c o m m u n i c a t i o n ，c o n s u m e r ) 合一的趋势已经形成，三者 合的产物就是信息家电。在信息家电领域里面，嵌入式软件必然成为重要成员， 嵌入式操作系统也就必然成为软件业的新热点。 1 1 3l i n u x 的历史和发展现状0 1 l i d u x 源于芬兰大学生l i n u xt o r v a l d e 的课余作品，它是一个在网上 成长起来的操作系统，它的开发都是在g p l ( g u np u b l i cl i c e n s e ) 版本控制下， 所有的源代码采用开放源代码的方式，这使得用l jn u x 作为嵌入式开发系统成为 可能。 将l i n u x 作为一个嵌入式操作系统具有许多的优点： ( 1 ) 、系统稳定、功能强大、支持多种硬件平台、应用软件多、简单易用 ljd u x 可以非常稳定地运行在许多种体系结构的处理器上。最新的l i n u x 内核支持i n t e lx 8 6 、m o t o r o l a i b mp o w e r p c 、c o m p a q ( d e c ) a 1 p h a 、i a6 4 、s 3 9 0 、 s u p e r h 等微处理器体系结构，在l i n u x 平台上的应用软件也不断得到扩充。许 多著名的商业软件都有了l i n u x 下的版本。 ( 2 ) 、使用成本低 几乎所有的商业用操作系统如m i c r o s o f t 公司的w i n d o w s 9 8 n ts e r v e r n t w o r k s t a t i o n 系列，都需要为每一个拷贝支付相当数量的费用。商用操作系统下 建立一个丌发工具链，除了要为操作系统本身付费之外，还要为组成工具链的应 用软件工具包支付大量的费用。但是l i n u x 是免费软件，只要遵守g p l ( g n u g e n e r a lp u b l i cl i c e n s e ) 的规定，就可以免费获得拷贝。l i n u x 下有同样遵循 g p l 规定的c 、c + + 、j a v a 等等一系列的软件工具开发包，从功能角度上看并不 亚于商用开发包，同时可以极大的降低开发成本。这点优势是其它商用操作系统 无法比拟的。 ( 3 ) 、文档完善 l i n u x 有非常多的文档支持，从为初学者准备的各种教程到非常详细的联机 帮助文档。l i n u x 是互联网充分发展的产物，许多关于l i n u x 的文档都可以在 i n t e r n e t 上找到和下载。l i n u xd o c u m e n tp r o j e c t 是为l i n u x 提供系统化的文 桂林工学院硕士学位论文 档支持的项目，在世界上许多程序员和用户的帮助下，它已经收集了非常详细的 系统文档和使用文档。 ( d ) 、强大的网络功能 l i n u x 操作系统最突出的是网络部分，基本上所有的网络协议和网络接口都 可以在l i n u x 上找到，l i n u x 内核比标准的u n i x 更加高效地处理网络协议，系 统的网络吞吐性能非常好，这也是为什么l i n u x 在网络服务器市场上占据越来越 大市场份额的一个原因。 鉴于l i n u x 具有以上优点，越来越多的嵌入式系统开发人员把它用于在嵌入 式设备中。 1 14 嵌入式l i f l u x 的历史和现状 由于嵌入式操作系统的特殊要求，更加上l i n u x 的卓越特点，为l i f l u x 在嵌 入式系统中的发展提供了广阔的舞台。由于l i n u x 的高度灵活性，程序员可以容 易的根据应用领域的特点对它进行定制开发，以满足实际需要，l i n u x 固有的多 任务、高效、稳定的系统特征，使l i i i u x 成为嵌入式操作系统中的宠儿，目前， 国外不少大学、研究机构和知名公司都加入了嵌入式l i n u x 的开发工作，较成熟 的嵌入式l i n u x 产品不断涌现，如：r t l i f l u x 、e m b e d i x 、u c l i n o x 等，下面作 简要的介绍”1 。 ( 1 ) 、r t l i n u x 这是由美国新墨西哥理工学院开发的基于标准l i n u x 的嵌入式操作系统，到 目前为止，r t l i n u x 已成功应用于航天飞机的空间数据采集、科学仪器测控等 领域，r t l i n u x 的开发者并没有针对实时操作系统的特性重写l i n u ) ( 的内核， 而是提供了一个精巧的实时内核，并把标准l i n u x 核心作为实时核心的一个进 程，同用户的实时进程一起调度，它的好处是充分利用了l i n u x 下现有的丰富软 件资源。这部分在本论文的u c l i n u x 的实时性实现中给予具体详述。 ( 2 ) 、e m b e d i x 它是由嵌入式l i n u x 行业主要厂商之一l i n e o 推出的，是根据嵌入式应用系 统的特点重新设计的l i n u x 的发行版本，系统需要最小8 m 的内存，3 m 的r o m 。 e m b e d i x 基于l i n u x 2 2 核，t 3 , ，成功移植到了i n t e r lx 8 6 和p o w e r p c 处理器系列 上。 ( 3 ) 、x l i n u x x l i n u x 是由美国网虎公司推出的，主要开发者就是c i t t 病毒的作者台 湾的天才少年陈盈豪，x l i f l u x 核心采用了“超字元集”专利技术，号称是世界 桂林工学院硕士学位论文 上最小的嵌入式l i i i l ，x 系统，它不仅可能与标准字符集相容，还涵盖了1 2 个国 家地区的字符集，因此，x 1i n u x 在推广l i n u x 的国际应用方面有独特的优势。 ( 4 ) 、p o c k e t i x p o c k e t i x 致力于国产嵌入式l i f l u x 操作系统和应用软件开发的一州博利思 软件公司推出的。它基于标准的l i n o x 内核，支持标准的以太网t c p i p 协议， 支持标准的xw i n d o w s ，带中文支持，提供桌面和窗口管理功能，带w e b 浏览器 和文件管理器，p o c k e t i x 适应个人p d a 、w a p 手机等智能信息产品。 ( 5 ) 、红旗嵌入式l i n u x 这是红旗公司推出的，也是国内做的比较好的嵌入式l i n u x ，该操作系统重 点支持p j a v a ，系统目标一方面是小型化，另一方面重用l in u x 的驱动和其它 模块。由于有中科院计算所的强大科研力量做后盾，该操作系统有望发展为功能 完善、稳定、可靠的国产嵌入式操作系统平台。 至于其它的操作系统如u c l i n u x 是专门用于微型控制领域的嵌入式l i n u x 操作系统，它已经被成功地移植到很多平台上，在论文中将详细探讨该嵌入式 l i n l i x 的核心组成，关键技术和应用程序开发等，在此不详述。 1 2 论文工作的目的和意义 桂林工学院电子与计算机系2 0 0 2 年承担了广西区科技攻关项羁“基于信息 家电的嵌入式实时操作系统的研究”( 批文：桂科攻0 2 3 5 0 1 4 2 ) 。本论文主要完 成该项目中信息家电网络控制平台方面的硬件设计和嵌入式l in u x 操作系统一 - - u c l i n u x 的实时性能提高、b o o t l o a d e r 的设计与实现、小型化实现与驱动程序、 网络通信以及串行通信等编程研究和实现。此外，本硕士论文研究荣幸获2 0 0 3 年桂林工学院大学生科技立项专项资助。 该控制平台以适合家庭应用环境的多功能集成为方向，主要实现支持 i n t e r n e t 功能( 现阶段先实现t c p i p 协议，将来实现更多的协议，特剐是无线 协议，使家中设备实现良好的i n t e r n e t 共享) 和具有丰富的用户界面和图形功 能( 另个研究生的毕业设计课题) 。 家电上网和进行远程控制将家庭代入了开放、互连的“社会化”中，数字化 和网络化是家庭发展的明显趋势，我国的“十五”信息规划把智能小区作为重要 的发展领域，家庭网络是信息化社会和信息化城市的重要标志，也是最基本的单 兀。 可以说，信息家电网络控制平台技术是当今计算机技术从体系结构、操作系 统到驱动模式和网络应用的最新成果的集成体。 4 桂林工学院硕士学位论文 本论文紧紧结合广西区科技攻关项目，系统总结了在实际研发过程中硬件平 台设计和操作系统开发方面取得的成果，具有一定的学术价值和实用价值，此外， 论文的社会效益也很明显。 1 。3 论文工作的思路和实现步骤 “基于嵌入式l i n u x 的信息家电网络控靠4 平台技术的研究”的论文体系结构 可以用如下图所示： 欤 件 圉1 1信息家电网络控制平台体系结构 本论文按照该体系结构，先构建硬件开发平台，利用a r m 7 的微处理器 $ 3 c 4 5 1 0 b 以及相关的外设元件设计了适合信息家电上网的控制平台，然后对 u c l i n u x 操作系统进行了实时性能的改造，主要是借鉴了r t l i n u x 的经验，成功 增加了u c l i n u x 的实时性能在改造完的u c l i n u x 的内核的基磷上进行应用程序 的开发。 本论文共分8 章：第一章绪论概述了论文研究内容的概念、历史和发展现状， 论文的研究背景和意义，以及论文的整体思路；第二章综述了智能家居网络协议； 第三章和第四章主要论述了信息家电网络控制平台的硬件设计，主要介绍了 $ 3 c 4 5 j 0 8 以及相关的外设电路的设计思路和具体实现；第五章主要是该网络控 制平台的软件构建，主要是u c l i n u x 的介绍、小型化的实现、b o a c l o a d e r 的编 写、实时性能的设计和验证以及多进程的调度实现等；第六章重点介绍了改造后 的u c l ir l k l x 的内核移植和开发环境的整台；第七章介绍了本控制平台网络驱动与 通信程序和串口驱动与通信程序的编程研究及实现以及测试方案的综合调试等 问题，最后，第八章对论文进行了总结并提出了展望。 桂林工学院硕士学位论文 第二章家庭网络的规范和标准综述 2 1家庭网络的体系结构 完善的家庭网络系统应由以下三个部分构成：高速a ，v 网络、数据通信网 和低速控制网络：三种网络通过一个网络控制平台互连，每一子网可以使用不同 的物理媒体和通信协议，网络控制平台兼容所有的通信协议，彳；同子网的设备可 以和其它子网的设备交互通信，从而实现家庭的网络化智能控制。 2 2家庭网络的分层结构及各分层协议1 ： 参照o s l ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 的网络模式，我把欲实现上述功 能的家庭网络分为如下四层模式( 见图2 1 ) ，其中，中间件层是家庭网络技术 发展的关键。相应的家庭网络的协议标准可以分为三种：底层协议规范( 1 、2 层) 、中间件层( 3 层) 协议规范和用户层( 4 层) 协议规范。其中，用户层还没 有任何企业规范和标准，随着信息化家电的不断普及，系统的用户规范化设计势 在必行。现有的网络的协议规范可分为两类：底层协议和中j 、日j 件层协议。底层 协议主要包括：x 一1 0 、c e b u s 、l o n w o r k s 、b 1 u e t o o t h 、h o m e r f 、i e e e l 3 9 3 等： 中间件层协议包括：h p n p 、h o m e a p l 、j i n i 等，下面分别简要介绍。 4 崩户层( u 1 ，u s e r1i n t e r f a c e ) 3 中间件层( m i ，m i d d l e w a r ei n t e r a c e ) 2底层协议层( p i 。p r o t o c o li n t e r f a c e ) 物理媒体层( m i ，m e d i ai n t e r f a c e ) 图2 i 家庭网络四层模型图 ( 1 ) 、x 1 0 x 1 0 是对电子设备进行远程控制的通信协议，适用于x l o 发送器和接收器 之间的通信，在家用电器的自动化控制中已得到广泛的应用，虽然它仅是一个企 业规范，但已成为一个控制标准。其优点是：以家庭内普遍存在的电力线路为通 信媒体，因此不需重新布线，投入较少。x 一1 0 不足点是发送器和接收器之间只 能传送一些简单的命令，许多设备间只能进行单项通信，没有反馈机制，因此控 制方案不很完善。此外，该协议还有通信媒体单一、传输效率低，开放性、兼容 性差等缺陷。 ( 2 ) 、c e b u s c e b u s 标准是消费类电子产品总线( c o n s u m e re l e c t r o n i c sb u s ) 的缩写， 为了解决x 一1 0 技术上的不足美国电子工业协会( e i a ) 于1 9 8 4 年4 月开始组织 桂林工学院硕士学位论文 开发新的家居网络标准，于1 9 9 2 年正式推出，命名为c e b u s ( c o n s u m e r e 】e c t r o n i cb u s ) ，并定为i s 一6 0 e i a 一6 0 0 标准。c e b u s 网络节点结构遵守i s o o s i 开放系统互连模型，协议栈为四层结构，分别是物理层( p h y s i c a l ) 、数据链路 层( d a t al i n k ) 、网络层( n e t w o r k ) 和应用层( a p p l i c a t i o n ) 。c e b u s 是一个 较完整的开放系统，它定义了几乎所有传送媒体( m e d i u m ) 中信号的传输标准， 并要求控制信号在所有的媒体中都要以相同的传送速度( 1 0 k b p s ) 传送，从而有 效地避免信号传输中可能出现的”瓶颈”问题，任何符合c e b u s 标准的电器产品都 可以直接互连及通信。c e b u s 的抗干扰能力比x l o 强，控制功能亦十分丰富。 但由于c e b u s 接口技术比较复杂，价钱亦非常昂贵，因此用户相对较少。 ( 3 ) 、l o n w o r k s l o n w o r k s 是由美国e c h e l o n 公司于1 9 9 0 年1 2 月开发成功的全分布式智能 控制网络技术。l o n w o r k s 最基本的部件是同时具有通信与控制功能的n e u r o n 芯 片，该芯片内置三个微处理器，并将操作系统、运作时间数据库以及通信协议等 都固化在芯片之内。l o n w o r k s 被e i a 的集成家庭系统技术委员会( i n t e g r a t e d h o m es y s t e m st e c h n i c a lc o m m i t t e e ) 定为家庭网络( h o m e n e t w o r k i n g ) 的标准， 编号为e i a i s 一7 0 9 。l o n w o r k s 技术是通用的总线，在工业控制系统中可同时应 用在s e n s o rb u s 、d e v i c eb u s 、f i e l db u s 等任何一层总线中。l o n w o r k s 技术 是采用神经元芯片( n e u r o nc h i p ) 技术，在i s o 的o s i 七层协议上实现的网络控 制技术。l o n w o r k s 协议遵循i s o 定义的开放系统互连( o s i ) 模型，并提供了o s i 参考模型所定义的全部七层服务。 ( 4 ) 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术“。 所谓蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术，实际上是一种短距离无线电技术，属于一种短 距离、低成本的无线连接技术，是种能够实现语音和数据无线传输的开放性方 案。其实际应用范围可以拓展到各种家电产品、消费电子产品和汽车等信息家电， 使得不同厂家生产的数字信息设备在近距离内不用电缆就可以很方便地连接起 来，实现相互操作与数据共享。 蓝牙技术的最终目的就是要建立一个全球统一的无线连接标准，使得不同厂 家生产的数字信息设备在近距离内不用电缆就可以很方便地连接起来，实现相互 操作与数据共享。信息家电的应用是建立在家庭网络基础上的，家庭网络是信息 社会的基本单元，在整个家庭与i n t e m e t 相连之前，家庭内部所有的信息设备应 当首先相互之间连成网络。显然，连接家庭网络的最理想的技术就是无线通信技 术，而蓝牙技术无疑会促进信息家电和家庭网络的快速发展。 7 桂林工学院硕士学位论文 ( 5 ) 、h o m e r f 无线标准 本协议旨存家庭范围内，使计算机与其它电子设备之间实现无线通信的开放 性工业标准。h o m e r f 工作组已为在家庭范围内实现语音和数据的无线通信制订 出一个规范，这就是共享无线访问协议( s w a p ) 。作为无线技术方案，它代替了 需要铺设昂贵传输线的有线家庭网络，使用这种技术能降低语音数据成本。使用 开放的2 4 g h z 频段。采用跳频扩频( f h s s ) 技术，跳频速率为5 0 跳秒，共有 7 5 个带宽为1 m h z 的跳频信道。在新的h o m e r f2 x 标准中，采用了w b f h ( w i d eb a n d f r e q u e n c yh o p p i n g ，宽带跳频) 技术来增加跳频带宽，由原来的1 m h z 跳频信道 增加到3 m h z 、5 m h z ，跳频的速率也增加到7 5 跳秒，数据峰值达到1 0 m b p s 。 ( 6 ) 、i e e e l 3 9 4 ” i e e e l 3 9 4 的前身即f i r e w i r e ，于1 9 9 5 年获得美国电机电子工程师协会认 可成为正式新标准。i e e e l 3 9 4 、f i r e w i f e 和i l i n k 其实指的都是这个标准。 i e e e l 3 9 4 标准具有多项优点： 支持热拔插和即插即用，提供了点对点的传输功能，使其不一定需要通过 电脑就可以进行设备间的数据传输，只要有任何一个新的设备加入，该设各便会 自动取得一个识别号( i d ) ，而非传统的地址； 在传输方式上，它同时可支持同步与异步传输模式； i e e e l 3 9 4 规格支持1 0 0m b p s ，2 0 0m b p s 和4 0 0 m b p s 的数据传输率： i e e e l 3 9 4 是横跨p c 及家电产品平台的一种通用界面，适用于大多数需要 高速数据传输的产品，如高速外置式硬盘、c d r o m 、d v d r o m 、扫描仪、打印机、 数码相机、摄影机等； ( 7 ) 、u p n p 协议“” 即插即用技术一通用即插即用( 简称u p n p ) 。u p n p 是实现智能设备端到端网 络连接的结构。它是一种架构在t c p i p 和h t t p 技术之上的、分布式、开放的网 络结构，以使得在联网的设备间传递控制和数据。u p n p 技术实现了控制点、设 备和服务之间通讯的支持，并且设备和相关服务的使用x m l 定义并且公布出来。 使用u p n p ，设备可以动态加入网络，自动获得一个i p 地址，向其它设备公布它 的能力或者获知其它设备的存在和服务，所有这些过程都是自动完成的，此后设 备能够彼此直接通讯。u p n p 不需要设备驱动程序，因此使用u p n p 建立的网络是 介质无关的。同时u p n p 使用标准的t c p i p 和网络协议，保持了网络媒体的不可 知性，使它能够无缝的融入现有网络。对于设备的描述，使用h t m l 表单表述设 备控制界面。它既允许设备供应商提供基于浏览器的用户界面和编程控制接口， 桂林工学院硕士学位论文 也允许开发人员定制自己的设各界面。 ( 8 ) 、j i n i j i n i 的目的是将成组的设备和软件构件联合成一个单一、动态的分布式系 统。j i n i 基于j a v a 语言，是一种面向服务( 包括硬件资源和软件资源) 的中间件 技术，运行于t c p i p 协议之上，跨平台运行，独立于底层操作系统和通信技术， 设备间可相互查询、理解所具备的功能，家庭网络无需人工参与，网络设置可自 动完成。所以j i n i 非常适用于家庭网络环境，目前s o n y 、p h i l i p s 等很多厂商 都申请了j i n i 的许可证，j i n i 的应用呈现一片欣欣向荣的景象。 ( 9 ) 、h p n p ( h o m ep l u ga n dp l a y ) h p n p 是一种互操作规范，是c a l ( e i a 一7 2 1 ) 语言的实现规范，该规范与以 上介绍的几个底层控制网络标准和规范不同，它独立于网络的下层技术和协议， 运行于多种网络协议之上。规范使用了e i a 一6 0 0c e b u s 标准的面向对象的通用应 用语言( c a l ) 和对象相关模型。只要在产品中嵌入了h p n p 技术，来自不同厂家 的产品可以在同一网络上相互通信，实现即插即用功能。 h p n p 规定了详细的家庭网络系统及相关产品的行为特征集合，它使得系统 根据家庭里的实际状态而执行相应的预定方案。h p n p 规范可以实现与i p 网络的 连接，也可以运行于i e e e l 3 9 4 网