（控制科学与工程专业论文）eib家庭网关的研究与开发.pdf

摘要 信息技术飞速发展，社会不断进步，人们对智能化和节能家用电器的需求 日益凸现，智能家庭网络系统应运而生。智能家庭网络技术综合了操作系统、 i n t e r n e t 接入、微电子等多门学科，使家用电器构成一个协同工作和方便管 理的网络。家庭网关是智能家庭网络的关键设备，是家庭网络设备与i n t e r n e t 沟通的桥梁。本文选取在欧洲占主导地位的k n x e i b 系统作为研究对象，在 深刻剖析外部通讯机制的基础上，提出基于p c 和嵌入式的e i b 设备i n t e r n e t 接入的两种方案，并设计开发相关产品。在智能家庭网络的发展成为社会潮流 的趋势下，进行全面而具有开拓性的工作，为行业的发展积累经验，提供新的 思路和方法。 针对以上目标，本文首先结合设备服务主动化趋势阐述了家庭网关的发展 现状，并采用u m l 语言对e i b 网关建模，然后从以下几个方面对e i b 网关进 行系统的研究： 以外部消息接口和物理外部接口为重点，深刻剖析了k n x e i b 协议外部 通讯机制，提出以e h i1 和p e i1 6 为软硬件通讯协议的外部应用通讯方案， 为e i b 网关的研究与设计提供了理论基础。 开发了基于i 3 8 6 架构的e i b 网关模块，提供了k n x e i b 总线设备的远 程监控的p c 接入方案。e i b 网关在k n e i b 总线上主要是协议转换单元和 监控模块，该模块结合l i n u x 和k n x e i b 的优点，良好的网络特性和稳定性。 面向家庭应用追求稳定性高、能耗低和功能专一的特点，设计了基于 s 3 c 2 4 1 0 架构的嵌入式e i b 网关。结合a r ml i n u x2 6 内核技术，在详细 讨论u a r t 模块、中断和内存映射的基础上，设计了嵌入式e i b 设备i n t e r n e t 接入方案。 关键字：智能家庭网络系统，k n x l e i b ，外部消息接口，物理外部接口，l i n u x 设备驱动，w e b 服务器 a b s t r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n ds o c i a l p r o g r e s s ，p e o p l e sn e e d so ni n t e i i i g e n ta n de n e r g y - s a v i n gh o m e a p p l i a n c e sh a sb e c o m e m o r ea n dm o r ep r o m i n e n t i n t e l l i g e n th o m e n e t w o r ks y s t e mt e c h n o l o g y , w h i c hi se m e r g i n gt os a t i s f yt h en e e d s c o n s i s t so fo p e r a t i n gs y s t e mt e c h n o l o g y ，i n t e r n e tt e c h n o l o g ya n d m i c r o - e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y i tm a k e sh o u s e h o l da p p l i a n c e sa c o - o p e r a t e dn e t w o r k ，w h i c hi se a s yt om a n a g e s m a r th o m e g a t e w a yi st h ek e yt ot h eh o m en e t w o r k a n di sab r i d g eb e t w e e n i n t e r n e ta n dt h eh o m en e t w o r kd e v i c e s t h i sd i s s e r a t i o nt o o k k n x e i bs y s t e ma st h er e s e a r c ho b j e c t o nt h eb a s i so ft h o r o u g h a n a l y s i so fe x t e r n a lc o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m ，s o l u t i o n so f a c c e s s i n gk n x e i bb a s e do np ca n de m b e d d e de q u i p m e n ta r e d e s i g n e da n dr e a l i z e d t h ed i s s e r t a 廿o ng a v ea no v e r v i e wo ft h ed e v e l o p m e n to fh o m e g a t e w a yw i t ht h et r e n do fi n i t i a t i v ew e bs e r v i c eo nd e v i c ea n de i b g a t e w a ym o d e l i n gi nu m l t h em a i na c h i e v e m e n t sa n dc o n t e n t s i n c l u d et h ef o i l o w s ： f o c u s i n go ne x t e r n a lm e s s a g ei n t e r f a c ea n dp h y s i c a ie x t e r n a i i n t e r f a c e ，t h ee x t e r n a ic o m m u n i c a t i o n sm e c h a n i s mo fk n x e i bw a s t h o r o u g h l ya n a l y z e d a ne x t e r n a ic o m m u n i c a t i o ns o l u t i o nb a s e do n e m i1a n dp e i1 6i sp r o p o s e d w h i c hm a k e st h e o r e t i c a ip r e p a r a t i o n f o rt h ee i bg a t e w a yd e v e l o p m e n t e i bg a t e w a ym o d u l eb a s e do ni 3 8 6a r c h i t e c t u r ew a sd e v e l o p e d ： t h i sp r o v i d e dap cr e m o t ea c c e s st ok n x e t bn e t w o r kd e v i c e s i n g e n e r a l e i bg a t e w a yi sap r o t o c o it r a n s l a t i o nm o d u l ef o rk n x e i b w i t ht h ef u n c t i o no fm o n i t o r c o n t r o i w i t hk n x e i ba n dl i n u x ，t h e g a t e w a yp r o v i d e sg o o dn e t w o r kp e r f o r m a n c ea n dh i g hs t a b i l i t y e m b e d d e de i bg a t e w a yb a s e do ns 3 c 2 4 1 0a r c h i t e c t u r ec a n s a t i s f yt h en e e d so fh i g hs t a b i l i t y , i o we n e r g yc o n s u m p t i o na n d s p e c i f i c f u n c t i o nf o rh o m ec o n t r o in e t w o r kd e v i c e s w i t ht h e t e c h n o l o g yo fk e r n e i2 6 xa r ml i n u x d e t a i l e dc o m p a r i s o n so fu a r t , i n t e r r u p t s a n dm e m o r ym a p p i n gb e t w e e ni 3 8 6a n ds 3 c 2 4 1 0 a r c h i t e c t u r e s ，as o l u t i o no fi n t e r n e ta c c e s st oe i bd e v i c eb y e m b e d d e dg a t e w a yw a sd e s i g n e d k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n th o m en e t w o r ks y s t e m ，k n x e i b ，e x t e r n a l m e s s a g ei n t e r f a c e ，p h y s i c a le x t e r n a li n t e r f a c e ，l i n u xd e v i c ed r i v e r , w e bs e r v e r 1 1 课题背景 第一章绪论 1 1 1 家庭网关 家庭网关，亦称宽带路由器，通常支持a d s l 、c a b l eh o d e m 甚至电力 线上网等多种i n t e r n e t 接入方式【。 随着家庭网络与宽带接入之间的融合，家庭网关正在成为宽带时代不可或 缺的要素。它不但将实现借助宽带网络提供的多种服务，而且将在i p 电话、 视频服务以及远程监控中发挥重大作用。智能家庭网关在家庭智能化过程中扮 演着重要的角色【2 】。 1 1 1 1 产业现状 家庭网关初期的市场在北美地区。由于该地区p c 普及率较高，并且在引 入家庭网络和宽带接入方面领先于世界，2 0 0 0 年在由供货数量计算得到的市 场占有率中，北美占7 4 。但是到了2 0 0 6 年，欧洲和亚太地区家庭网关市 场开始出现增长，美国的市场占有率缩小到4 4 ，同时，作为最贴近消费者 的网络设备，家庭网关已经随着宽带接入的普及走进了国内家庭。 目前家庭网关产品是众多高科技公司重点发展的高利润产品，2 0 0 5 年全 球家庭网关的销量达到1 5 0 0 多万台。2 0 0 6 年由于中国宽带用户的急速增长 使得国内家庭网关的市场需求也增长迅速，预测到2 0 0 8 年我国将超过美国成 为全球最大的家庭网关消费国。巨大的市场需求直接刺激了众多厂商加入到生 产家庭网关的行列中，目前国内主要有普联技术、友讯网络、华为3 c o m 、腾 达、中兴等厂家生产销售家庭网关终端产品，而n 日- g e a r 、t h o m s o n 、思 科等国外厂商也力图在国内市场占据一席之地【3 1 。 1 - 1 1 2 终端设备 伴随网络技术的发展，网络系统由窄带向宽带发展，并进入家庭。新技术 新产品的日新月异，以网络化、自动化为特点的智能家居系统使家庭更为舒适、 安全、高效和节能。 从2 0 0 4 年开始，法国电信用l i v e s e r v i c e 的服务品牌开始提供家庭信息 化的服务，目前该服务已开始大规模推广，这也是法国电信领先全球的业务之 一。l i v e s e r v i c e 的实现就是通过一个叫l i v e b o x 的家庭网关设备来完成的 【4 1 。 1 浙江大学硕士学位论文 从功能而言，家庭网关终端设备应逐步扩展实现以下功能： 信息网络化：通过家庭网关，接收电子邮件、浏览网页和订阅各种电 子期刊等； 管理智能化：管理家庭内各种通讯设备，包括网络通讯协议的执行和 网络资源的分配，保证家庭网络系统的运行正常； 节能环保化：通过网络管理系统，监控家庭内各种设备的运行，提供 优化决策控制，如根据不同用电时段和峰谷电费差价，合理控制家电 的运行，以达到节能环保的目的； 居住安全化：通过安装检测报警装置实现家庭的保安、消防等需求， 通过家庭信息系统在外出时应答家庭访问者； 运行自动化：家庭内各种设备都连接到网络上，通过网关管理软件， 实现设备监测和故障诊断，一旦出现故障，家庭管理系统会给出提示， 并自动通过家庭内部的网间接口设备与相关人士通讯； 操作简单化：家庭网关的使用群体是千家万户，考虑到使用者的年龄、 职业、经历以及受教育程度等的差异，该系统应操作简单、方便、可 靠，适应不同使用人群的需要； 娱乐流畅化：高带宽的音视频点播、即时通讯、网络游戏及远程共享： 个性化、模块化：根据不同使用者的家庭环境、设备数量和类型、以 及生活方式等做相应的配置和调整，按需定制系统解决方案归j 。 与企业网络有所区别，家庭网络设备通常具有功能模块可裁剪，品牌、协 议各异，上下行数据量不对称的特征，因此，家庭网关作为家庭网络与外界通 讯的桥梁，应具备以下特点： 模块化、分布实施：系统按功能独立设计模块，安装时可以选择部分 功能模块，也可以分步骤安装，这种功能结构不仅适合小区而且同样 适合别墅安装，把家庭引入网络化环境。 设备兼容、易用性：网关具有很好的扩展性、配置的灵活性和易操作 性。用户可立足现实，满足当前的基本需求，然后再功能扩展。 兼顾大量存在的非智能家电：考虑到目前家庭里已经大量存在的非智 能家电，这种兼容性所带来的好处是明显的【2 j 。 系统集成x d s l 协议栈：下行数据量相对较大，能满足影音娱乐方面 的需要。 就能耗和稳定性角度而言，p c 是大功率设备，并且p c 家庭网关不能和企 业级服务器一样处于以“2 4x7 模式”的不间断运行状态。嵌入式家庭网关以 其低能耗、稳定性高和功能专一的特点，更适合家庭应用。 2 第一章绪论 表1 1p c 家庭网关与嵌入式网关功能对比 p c 家庭网戈嵌入五家庭网关备f l ： 悱调管理子系统 yy 应用软件实现 兼容性和扩展性定制智能家居环境y y 添加新子模块 yy内核应用软件实现 定时控制设备 yy 高级控制特性 规划和更改控制流程 yy应用软件实现 实现组合控制和条件控制 yy 简约的智能家居管理界面 yy j a v a ，o t 等跨平台环境 集中单功能或组合控制 yy 操作界面友好应用软件实现 自定义控制行为 yy 实时远程监控家居 yy t c p i p 协议栈 表1 1 从功能上对比了p c 家庭网关与嵌入式网关的区别。从开发者的角 度来看，由于某些编程语言( 如c 、j a v a ) 在各平台间良好的可移植性，在嵌入 式家庭网关上实现p c 家庭网关的功能在技术方面没有瓶颈。对于最终用户而 言，嵌入式家庭网关可能只在处理能力方面比同时代的p c 家庭网关稍弱，但 却有节能，稳定等优势。因此嵌入式家庭网关应该是家庭网关的发展方向。 现在致力于嵌入式家庭网关终端产品的主要厂家有中兴、华为、和勤、 d u n k 、t h o m s o n 等。其中t h o m s o n 等国外厂商生产的产品由于技术较 为先进，形成了从低端到高端各个系列的产品，具有较强的竞争力。虽然国内 厂商起步晚、起点低，但国内的厂商也有产品成本低、技术进步快的优势。可 以预见，今后家庭网关终端市场将会有异常激烈的竞争。家用网关性能的主要 测试有4 口交换机测试、n a t 测试和丢包率测试【l j 。 表1 2 主流家庭网关的性能测试 4 口交换机测试 n a t 吞吐量 丢包率测试 其它功能 带宽管理，优先缓定义支持 a s u sw l - 5 0 0 9 。 线速交换2 6 1 7m b p s2 小时3 7 分触发器机制，2 个u s b 接口， d e l u x e 向导 a s u s - w l5 3 0 99 7 9 m b p s1 0 h b p s1 小时4 分迄今为止体积最小 过滤功能，触发器功能，动态 d l i n kd i 一5 0 4 + 线速交换 7 4 2 m b p s 3 个小时 域名 d l i n kd i - 6 0 4 +线速交换1 0 0 m b p s通过家长监控功能，p i n g 功能 s p i 防火墙，状态检测，3 栏 n e r g e a rr p 6 1 4 v 2通过 4 3 0 5 m b p s 通过 式w e b 配置界面 t p - l i n kt l - - r 4 6 0 通过 7 7 3h b p s6 分钟 花生壳动态域名服务。 表1 2 给出了主流家庭网关的性能测试。由表可知，d l i n k 的d i 一6 0 4 + 在测试方面4 口交换机测试环节取得“线速交换”，n a t 吞吐量最高，3 小时 与5 6 小时测试均无丢包，性能上最佳。 除了成熟的家庭网关产品，也有许多厂商提供带有线无线接口的硬件开 发平台与s d k 。国内这样的厂商有华恒、利尔达、恒丰瑞科、友善之臂等， 其他厂商可借助s d k 二次开发具有特殊功能的家庭网关产品。这类网关的特 征是处理器架构比较统一，多为基于s a m s u n g 、i n t e l 、t i 等公司的处理器 平台。 3 浙江大学硕士学位论文 还有部分厂商的网关基于自身研发的s o c 。如台湾p n c s i e r r a 公司的基 于m s p 7 l x x 系列处理器的网关平台可实现高质量的i p 多媒体与v o i p 服务 传输。这些s o c 为i p t v 、v o i p 及多媒体服务提供了稳定传输和实现数字家 庭的基础。m s p 7 1 0 0 网关平台基于l i n u x2 6 内核，提供的家用网关为快速 设计高性能、多媒体、多服务、具v o i p 功能的宽带家用网关提供便利【6 j 。 1 1 1 3 家庭网络协议 家庭信息化主要采用有线和无线宽带传输技术，把所有家用电器联成一个 网络，由用户或p c 自动控制。在有线网络技术中可采用现有的a d s l 、l a n 等技术，无线宽带传输技术主要有w l a n 、u w b 、w i m a x 等。网络中各种设 备的状态都是可以调整的，只要通过权限验证，远程用户就可以从外部监视和 控制家庭网络中的电子和电器设备。这种远程监控系统的核心设备和控制中心 就是家庭网关，家庭网关是家庭信息化的关键设备f 4 】。 表1 3主流家庭网络协议对比 协议 x i ol o n t a i kc e b u sb a c n e te c h o n e td l n ak n x e i b 建立时问7 0 年代1 9 9 01 9 8 91 9 9 51 9 9 72 0 0 41 9 9 9 e i a 家庭消费产 美国韩国、口 欧洲、日a 影响范罔美国美国 奉国家标准，欧 日本北美地区 品网络通讯杯准 7 7 6 、h b e s 明杯准蕈塞 协议结构相对 独立f 制造商， 不需要配线、 简单，标准化 不需要专门芯 实现不同产品 底层采用程度高，由中 拓扑结构灵 片，并得到众多 的整合、容易现有成熟 立豹非盈利组 优势易用技术成熟活，功能完 制造商的支持； 的开发应用环 通讯协 织e i b a 产品 有完善的数据表 境、即插即用 议，功能 资质认汪，确 备 示和交换方法； 、与i n t e m e t 保e i b 协议对 产品有良好的互 完备 各生产，商的 操作性 互连 开放、公平， 畚弹 容易受到 干扰不 适合国内 价格昂 劣势 电网，寻贵，应用 结构复杂 实现技术复 实现技术复 产品成熟 址空问小 层标准不杂，效率低 杂。仅在日本 价格昂贵 、对模拟 得到应用 度不够 t 支持不 统一 蚌 总线堑，星型 以电力线 、树型或混合 为网络通 塑。总线中的 不开发具体 讯介质， 各节点地位平 定义了1 8 个对的通信技术传输媒介支 设备卣接提供o s i 参 等，不需要t象、1 2 3 个属 b l u e t o o t h 、 和协议，卜 持包括电力 技术 挂在电力考模型全部 控设备。利用性、3 5 个服务 以太网、电 要从已有或 线、同轴电 线，卜，地7 层服务 设备描述语占 、6 个性能级 力线、扩展 正在丌发中缆、无线电 址选择采 建立统一的家 别和1 3 个功能 h b s 用双绞 的规范中选 以及红外 用拨盘的 电模型，通过 组 线、红外线 取和规范， 线；支持组 绑定来实现网 发靠产品瓦 地址通讯 形式 通设h 指导 络中备节点的 由于家庭网关依托现有互联网部署，因此可以支持传统的电信业务和互联 网业务，如s o h o 、建立供家庭或小型企业使用的虚拟专网、内容传输等： 也可以进行电子商务。 家庭网关一方面实现i n t e r n e t 各种方式的接入，另一方面又与家庭网络 4 第一章绪论 通讯，实现1 p i p 协议与家庭网络专用协议的转换。家庭网络专用协议如表 1 - 3 所示【7 】 引。 其中，k n x e i b 在国内的发展势头良好，它于1 9 9 9 年进入中国，在国 家水上中心、厦门国际会展中心、浙江省人民大会堂、浙江省黄龙体育中心、 温州世纪广场、上海体育中心、上海春天花园别墅等智能建筑中得到广泛应用， 同时其国内版本h b e s 审议稿在2 0 0 6 年1 1 月已作为家庭网络推荐标准草案 提交国家标准委员会审议。 同时国内各家电产品制造商、电信制造运营商成立了闪联i g r s 、e 家佳 f l o p h o m e 等组织参与行业协议竞争。 2 0 0 3 年由信息产业部科技司批准，以联想等7 家单位共同参与的“信息 设备资源共享协同服务”( i n t e l l i g e n tg r o u p i n ga n dr e s o u r c es h a r i n g ， 简称i g r s ) 标准工作组正式成立。目前有2 1 家成员，包括中国电信、中兴、 华为等通信企业。2 0 0 5 年，闪联被信息产业部颁布为国家行业推荐标准【9 1 。 i g r s 对新的智能家居发展趋势定义为3 c ( c o n s u m e r 、c o m p u t e 和 c o m m u n i c a t i o n ) 合一。 2 0 0 4 年海尔集团牵头的i r o p h o m e 中国家庭网络联盟成立，“e 家佳” 的主要目的是将家庭内部通信、娱乐、电器控制、三表远传、安防报警等多种 业务融合在一个家庭网络平台中，实现数据交互、统一管理。2 0 0 5 年， i t o p h o m e 正式被信息产业部批准为行业推荐标准。t - i o p h o m e 比较有特色 的是它的“家庭控制子网”部分，侧重点在于实现以信息家电为主的家庭数字 化与家庭网络平台接口标准工作组所制定标准的产业化【9 】9 。 以上所述的几个协议，是在家庭网络方面使用和研究得最多的协议。除此 之外，该领域还有一些比较有名的协议，如c c s a 、h o m e p n a 、h a v i 、j i n i 、 i e e e 8 0 2 1 l 、h o m e r f 、z i g b e e 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 、u w b 等等。 1 _ 1 1 4 家庭网关产业展望 未来家庭网关的发展方向是高端、多功能和多业务，包括支持x d s l 、路 由器、w l a n 、v o i p 语音通信、h o m e p l u g 、f m 卫星收音机、无绳电话， 甚至还可充当u s b 主机，并可以支持音视频传输和多种接口标准。 今后，家庭网关可以实现远程监控等功能，实现真正意义上的家庭信息化。 这也将带动电子元器件、互联网网络设备及相关软件行业的生产、销售和部署。 但是，智能家庭网关操作平台目前还存在一些问题。首先是技术标准目前 还不完全统一；其次，宽带网运营商、接入商、增值服务商、宽带设备与宽带 应用软件生产商、物业管理商等一系列商家形成产业链尚需时日；第三，这种 网络化平台难以兼容目前家庭里日益出现的各种新型信息家电。因此，其大规 模的推广使用还需更多生产制造商和系统集成商的合作【4 】。 5 浙江大学硕士学位论文 1 1 2 设备服务主动化 在c e s2 0 0 7 上，比尔盖茨的演讲向世界描绘了消费电子的发展趋势。 未来在关注各种硬件不断升级的同时，更应关注“连接”，为用户提供完整的 连接体验。用户需要考虑的是构建一个实现各硬件互联并方便操作的全新环境 【1 1 1 。 2 0 0 5 年，以微软为代表的行业领导者提出了设备服务主动化的理念，实 现通过网络使p c 对设备进行服务发现、服务实现和服务配置的功能。i b h 、 联想等公司也正在进行设备主动化的研究和实现。微软的w s 系列协议可以解 决网络服务从网络连接到服务实现的一系列问题，特别是解决设备与 w i n d o w sv i s t a 操作系统之间的互连和服务问题。微软推出的w i n d o w s r a l l yp r o g r a m 也将在嵌入式系统和网络应用等研究领域产生很大的影响。 设各网络服务( w e bs e r v i c e so nd e v i c e ，简称w s d ) 通过网络对各种 外部设备，尤其是移动设备进行服务发现、服务实现和服务配置，主要解决有 线和无线网络设备的自动发现和设备之间进行网络服务实现的问题。它最为常 见的应用是设备与p c 的网络服务，w s d 技术在无线网络和跨网关的应用将 使设备的使用不再受空间的局限。 当前，以智能手机为代表的手持设备都可以通过网络获取信息。虽然这类 设备能借助网络与p c 直接进行通讯，但基本上只能实现c g i 等简单功能， 不能实现设备服务主动化的理念。w s d 即针对解决网络服务自动发现和网络 服务实现而提出。 传统模式下，设备通过网络直接与p c 相连，一般都先给设备分配固定的 i p 地址和端口，然后在p c 端设置套接口，主动根据i p 和端口与设备端相连， 建立网络连接并进行更深入的服务交互。但是，如果p c 不知道设备的i p 地 址和端口，就无法建立网络连接，更无法进行网络交互。 w s d 希望提供这样的模式：在上电时设备主动通知网络告知它的存在性， 在断电时通知网络其离开和服务的终止。这样p c 不用主动去连接也能得知服 务的存在。利用w s d 技术，设备实现与p c 的通信和协调工作，各种设备可 自由无冲突地加入网络，相继被p c 发现，并且用户通过p c 自由选择服务的 设备和种类【l z 】。 设备与p c 的连接过程如下所述： 1 ) p c 连接在一个局域网或互联网之内； 2 ) 当某设备加入到此网络时，给此网络广播一个h e l l o 消息，通知 网络该设备在网络中存在； 3 ) 当某设备要离开网络时，给此网络广播一个b y e 消息，通知网络 它已经离开网络； 6 第一章绪论 4 ) 当p c 要使用某设备时，必须先广播一个包含搜索类型的p r o b e 消息搜索网络； s ) 当设备收到与其类型匹配的广播消息时，就直接发送 p r o b e m a t c h 给p c ，表明它在网络中存在； 6 ) p c 给此网络广播一个r e s o l v e 消息定位该设备； 7 ) 当该设备收到此广播消息时，就直接发送r e s o l v e m a t c h 给p c ， 建立与p c 的传输通道； 8 ) 在定位并建立传输通道后，p c 和设备间即可进行下一步的数据传 输。 这里的数据可以包含多方面的信息，如设备信息的描述，包括设备名称、 设备i d 号、制造商和制造商地址等，服务信息的描述包括服务名称、服务i d 号等。 现在的w s d 主要是面向子网内的应用，包括子网内和跨路由的设备发现 和设备服务【1 3 】。随着业界对w s d 的广泛参与，w s d 将主要朝以下方向发展： 跨子网发现：网络中有1 个位于多个p c 和多个设备之间的代理，可 以统一管理设备的发现。c r o s s s u b n e td i s c o v e r y 通过发现代理实 现跨子网的网络发现。当不在同一子网的网络设备加入网络时，设备 都向发现代理发送h e l l o ；当网络设备离开网络时，设备向发现代理 发送b y e 。发现代理监听各p c 发送的p r o b e ，通知p c 服务设备的 存在与否，并定位服务，建立p c 和设备的连接。w s d 将来应设置专 用企业发现代理。 跨i n t e r n e t 发现：采用通过i n t e r n e t 直接发现和连接设备的机制， 可以解决设备( 如打印机) 由于通过p c 来连接共享而引起的共享范围 太窄的问题，这是通过基于w s - d i s c o v e r y 协议的网络服务来实现 【1 4 】。i n t e r n e t 上设备的发现和服务的转接由基于w s d i s c o v e r y 协 议的“漫游网络设备发现代理”t n r d p 和“对等网络名称解析协议” p n r p 负责。当设备和服务在i n t e r n e t 上更换区域时，漫游网络设备 发现代理会对其进行追踪。 间歇性工作状态：网络的客户端和服务端通过实现间歇性工作状态达 到减轻网络负担，减少网络堵塞和节约能源的目的【1 5 】【1 6 1 。 w e b 服务众多的成功应用和厂商的加盟，证明设备服务主动化将成为新一 代w e b 信息通信的趋势，家庭网关的功能扩展也应顺应此趋势。无论是基于 p c 的家庭网关或者嵌入式家庭网关，被动识别与主动管理家庭网络设备功能 在不同软硬件平台上的实现，能更有效的方便用户在家庭网络内或远程安全地 使用设备，建立功能更强的数字家庭。 7 浙江大学硕士学位论文 1 1 3 嵌入式操作系统 快速增长的嵌入式软件市场空间有1 0 亿美元以上。在诸多竞争对手中， l i n u x 和w i n d o w s 操作系统之闻的博弈成为了焦点。 两者在嵌入式市场中特定应用领域表现有所不同。在如智能电话、手机、 便携式媒体播放机、机顶盒和平板p c 等不用进行太多定制的标准设备中， w i n d o w sc e 会占一些先机；然而在剩下的市场中，有着无可比拟的灵活性 的l i n u x 占绝对优势【1 7 】。 用户可以通过网络或其他途径免费获得l i n u x ，并可以任意修改其源代码。 目前这是其他的操作系统所做不到的。这让来自全世界的无数程序员参与了 l i n u x 的修改、编写工作，也让l i n u x 吸收了无数程序员的精华，不断壮大。 对p o s i xt 。0 的完全兼容，使l i n u x 可以通过相应的模拟器运行常见的d o s 、 w i n d o w s 的程序。这为用户从w i n d o w s 转到l i n u x 奠定了基础。l i n u x 的 网络功能和其内核紧密相连，在这方面u n u x 要优于其他操作系统。l i n u x 采取了如读写权限控制、审计跟踪、核心授权等安全技术措施，并且l i n u x 在网络服务器的应用也体现了其出色的稳定性。 2 0 0 3 年，g a r t n e r 认为l i n u x 在亚洲的嵌入式应用领域已经占据了市场 第一的位置，同时它是嵌入式开发人员的首选。v d c 发布的2 0 0 4 年开发人 员报告显示，在最近正在进行的嵌入式项目中，l i n u x 的使用数量比微软的 w i n d o w sc e 高3 。能够压缩成本是消费类电子产品制造商选择l i n u x 的 主要原因，此外，l i n u x 在消费类电子产品中的应用改进和规范也是受青睐的 原因之一【1 8 1 。 为与l i n u x 竞争，微软降低了嵌入式w i n d o w s 的价格，并且基于 w i n d o w sc e 平台的w i n d o w sh o b i l e6 0 于2 0 0 7 年2 月发布时向用户开 放核心源代码。加上w i n d o w s 的品牌号召力，竞争力不容小觑。但是， w i n d o w s 打败l i n u x 的惟一途径是让完全免费，而这是不可能的。只要存在 l i n u x 开发人员，w i n d o w s 将永远面l 临威胁【1 9 】。 许多硬件设备的驱动程序支持不足是l i n u x 的弱点，不少硬件厂商是在推 出w i n d o w s 版本的驱动程序后才编写l i n u x 版的。但一些大硬件厂商的 l i n u x 版驱动程序一般都推出得比较及时。同时，软件支持的不足也是l i n u x 面临的问题，但随着u n u x 的发展，越来越多的软件厂商会支持l i n u x ，它应 用的范围也会越来越广l 1 8 j 。 1 2 课题意义 当家庭网络建立以后，未来家庭内部将会有多个信息设备同时联入 8 第一章绪论 i n t e m e t ，在目前i p v 4 仍占主导地位的情况下，一般不可能为每个信息设备 都分配i p 地址并提供i n t e r n e t 直接接入。 未来进入i p v 6 模式后，i p 地址资源对于设备联网将不再是瓶颈。但是鉴 于i n t e r n e t 协议簇的复杂度，为最简单的电器设备( 如只需要若干字节指令即 可控制的照明设备) 扩展i n t e r n e t 接入模块将不符合家庭网络在成本和稳定 性方面的要求。 通常在考虑家庭网络的组成时，一般采用对o s l 分层进行了适当简化的协 议处理家庭网络内部设备通讯，如k n x 7 e i b 协议：再通过支持该网络协议的 家庭网关实现i n t e r n e t 接入。家庭网关作为家庭网络的中心，使家庭中的信 息设备融入i n t e r n e t ，并通过同一个i n t e r n e t 高速管道集成监控等多种服务 【引。 网关是一个特殊的设备，对于k n x e i b 总线网络而言，它既不属于传感 器也不属于执行器，而是一个协议转换单元和监控模块。例如a b b 公司的 i g s1 1 网关实现了k n x e i b 和l a n 连接，i n s 1 i 和i n s 1 2 则实现 了k n x e i b 和i n t e m e t 的连接，均实现1 p i p 数据包与e i b 的p d u 的相 互转换。鉴于k n x e i b 协议在楼字节能、家庭自动化方面的优势，基于该协 议的嵌入式网关的研究和开发能够为总线设备的远程监控提供了良好的平台， 为建设节约型社会服务。 e i b k n x 在国内虽然不乏成功应用的案例，但稍作分析，便可看出这些 建筑都是国家工程，需巨额投资，由于其昂贵的费用，以致普通用户无法承受 其高额的成本。s i e m e n s 和a b b 的相应网关，不但价格昂贵、存在技术壁 垒，而且用户界面的设计风格还不符合中国人习惯，造成了操作歧义和不便。 为解决上述难题，亟待开发拥有自主知识产权的基于k n x e i b 协议的家庭网 关。 l - 3 论文结构 本文首先结合设备服务主动化趋势阐述了家庭网关的发展现状，然后从 k n x e i b 网关建模与k n x 协议外部通讯机制入手，详细讨论了基于i 3 8 6 平 台与a r m 平台e i b 7 e t h e r n e t 网关的设计与实现，最后对本文的研究工作进 行了总结。全文结构如下： 第一章结合设备服务主动化趋势和嵌入式操作系统阐述了家庭网关的发 展现状，展望了家庭网关的发展方向。 第二章结合e i b 网关采用u m l 建模语言讨论了面向对象的软件建模方法。 第三章详细阐述了e i b 网关串行通讯相关的k n x e i b 外部通讯机制。 第四章研究1 3 8 6 架构下e i b 网关的软硬件实现，重点论述基于u n u x 的 9 浙江大学硕士学位论文 e i b 串行设备驱动设计。 第五章结合s 3 c 2 4 1 0 处理器讨论了嵌入式e i b 网关的硬件与软件设计。 第六章对本文的研究工作进行了总结，并对e i b 网关的未来提出了展望。 l o 第二章e i b 网关建模 本章结合e i b 网关建模讨论了面向对象的软件开发方法，包含概念、表示 法、过程指导和工具等组成部分。有关面向对象建模的过程指导还没有统一的 标准；本章建模遵循的概念与表示法符合u m l 。典型的过程指导可分为基于 模型驱动的开发过程和基于活动驱动的开发过程。国内面向对象的软件系统建 模规范分为3 部分：概念与表示法、过程指导和文档规范。该规范为面向对象 的软件建模工具的研制与应用提供了依据。 2 1u 卜1 l 概述 建模工具因领域而异，但都应该具有技术框架和集成功能，为软件系统建 模提供特定层次的支持。典型的建模工具有图工具、过程建模和仿真工具、传 统c a s e 工具、数据库建模工具、面向对象的建模工具等。 面向对象软件的软件建模工具力求具备以下功能：绘图、存储、一致性检 查、对模型进行组织、导航、协作支持、代码生成、逆向工程、集成等【2 0 。 从2 0 世纪7 0 年代起先后出现了基于文本界面的建模工具、支持图形化 设计方法的建模工具和允许用户对本身进行扩展的元建模工具。至9 0 年代初 期，国际上已形成了数十种面向对象的方法。经0 m g 等组织的努力，目前面 向对象的建模语言已经较为成熟，国际上具有代表性的有u m l 和o m l 等。 u m l 是u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e 的缩写，即“统一建模语言”，它 与具体编程语言无关。u m l 是一种图形化的建模“语言”，它的主要的特点是 表达能力丰富，但它的复杂性也随即增加，一般软件人员难以快速地掌握与应 用。在u m l 出现前，每一个对象建模专家都有自己的一套符号，很容易引起 混乱。后来，r a t i o n a l 公司的3 个专家g r a d yb o o c h 、j a m e sr a u m b a u g h 、 i v a rj a c o b s o n 达成了一致意见，同意“统一”他们各自使用的符号。 o m l 是o p e nm o d e l i n gl a n g u a g e 的缩写，它综合了多家面向对象建 模方法的优点，提出了一套概念体系，在许多方面，它比u m l 的内容更丰富、 表达力更强。此外，0 m l 还对应有一套完整的开发过程。 目前，u h l 和o m l 得到了学术界的支持，而u m l 在软件产业界获得了 很大的支持，故现在o n l 的影响没有u m l 那么大。虽然许多工具声称完全 支持u m l ，实际上这是一项复杂的需求，一些工具并不能做到所声称的完全 支持。但面向对象的工具至少应支持的图有：用例图、类图、序列图、包图和 状态机图。 浙江大学硕士学位论文 2 2 静态视图建模 静态视图是u h l 的基础。模型中静态视图的元素是实际应用中有意义的 概念，包括真实世界的概念、抽象的概念、实现方面的概念和计算机领域的概 念等。 静态视图描述了对象的静态结构。它使数据结构和行为特征统一到一个独 立的对象结构中。 静态视图将行为实体描述成离散的模型元素，但是不包括它们动态行为的 细节。静态视图将这些行为实体看作被具体类所指定、拥有并使用的物体。它 们的动态行为由描述其内部行为细节的其他视图来描述，包括交互视图和状态 机视图。 静态视图中的关键元素是类元及它们之间的关系。事物的建模可以用类元 描述，包括类、接口和数据类型。其他类元，包括用例和信号，用来具体化行 为方面的事物。类元之间的关系有关联、泛化及各种不同的依赖关系，包括实 现和使用关系。 类图描述系统中符号的静态结构。它是一组静态模型元素的静态视图的图 形表示，这些元素包括类、类型及它们的内容和关系。单个类图可能不足以展 示整个静态视图。因此，一般来说可以看到基于逻辑边界( 比如包) 的多个类图 2 1 1 。 一d e v i c e ：c h a r 一c o d e ：u n $ l g n e dc h a r一州b f d ：m t s o u r c e a d d r 【2 】：u n 捌g n e dc h a r - a o d r e 嚣 3 ：i n t o e s u n a u o n 2 ：u n s i g n e dc h a r - e i b o e v i c e s- e i b s e r v e r s i n b u 舰】：c h a r - a p _ c o n 盱o i ：u n s i g n e dc h a rm s g m a ) l m s g l 上n 】：u n s i g n e dc h a r d a t a n o l ：u n 自g n e dc h a r。r e c v b u ，f f m a _ m s g _ l e n ：u n 科g n e dc ，a r d a c al e n ：i n t l _ ol 。 + f r e e r e s o u r c e s o ：v o i d ：器娄涮2 ) ： + b a i l o u t ( ) ：v o i d + w r i t e m s g o ：i n t + v a l u e 2 m o c l e o ：u n s i g n e di n t+ r e a d m s g ( ：i n t 、