（信号与信息处理专业论文）基于arm9的zigbee无线家庭网关设计.pdf

武汉理工大学硕+ 学位论文 摘要 随着数字信息技术和网络技术的高速发展，嵌入式系统的应用已经广泛渗 透到人们日常生活的每一个角落。由于嵌入式系统面向不同的应用，因此嵌入 式系统的开发与普通计算机系统存在很大的差别。随着嵌入式应用中功能需求 越来越复杂，选择嵌入式操作系统也就很必要。 l i n u x 作为功能强大、源码公开的操作系统，近年来在人们的共同开发下从 问世以来就得到迅猛发展。由于在嵌入式应用中的优点突出，越来越多的嵌入 式产品都选择了l i n u x 作为内嵌的操作系统。 作为小范围内设备通信的最新的无线联网技术，z i g b e e 技术近年也逐渐盛 行。z i g b e e 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低成本的双向无线通信技 术，在工业领域、家庭智能化、医疗等方面，z i g , b e e 技术与传感器技术得到了 广泛应用。 本文结合上述三方面技术，设计并实现了一种基于a r m 的嵌入式z i g b e e 家庭网关，实现了用户在远程对信息家电的控制。论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 研究了l i n u x 操作系统内核原理，深入研究了l i n u x 系统中的内存管理， 进程管理，文件系统管理和设备管理等，掌握了l i n u x 系统下上层应用和底层驱 动的开发工具和开发流程，编写了l i n u x 操作系统下串口读写操作程序，为系统 的开发打下基础。 ( 2 ) 研究了z i g b e e 无线通信协议，对z i g b e e 协议的层次，z i g b e e 网络的拓 扑结构，z i g b c e 设备的路由做了深入研究。结合一般家庭的家居坏境，实现了 一种星型z i g b o e 网络在智能家居中的应用。 ( 3 ) 研究了嵌入式开发的相关技术，重点研究了a r m 9 处理器及其外围设备 构建的嵌入式系统。在a r m 9 开发板进行了l i n u x 操作系统、嵌入式文件系统 和嵌入式数据库的移植。 ( 4 ) 重点研究了w e b 服务器和用通用网关程序c g i 的设计，并在此基础上 结合嵌入式系统的相关技术完成了嵌入式家庭网关的设计，实现了家庭网关对 信息家庭的远程控制。 关键词：无线传感器网络，嵌入式w e b 网关，a r m 9 ，z i g b e e ，c g i 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fd i g i t a li n f o r m a t i o na n dn e t w o r kt e c h n o l o g i e s ， e m b e d d e ds y s t e mi ss p r e a d i n go u ta n dg e t t i n gp o p u l a r l yu s e di ne v e r yf i e l d f o ri t s s p e c i a lu t i l i t ya n dn e e d s ，e m b e d d e dd e s i g ni sv e r yd i f f e r e n tf r o mt h a to fp cs y s t e m m o d e r ne m b e d d e da p p l i c a t i o nb e c o m e sm o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e d i t sn e c c e s s a r y t ou s ee m b e d d e do s ( o p e r a t i n gs y s t e m ) i ne m b e d d e ds y s t e m a sa no p e no s ，l i n u xb o o s tu ps i n c ei t sb i r t hw i t hp e o p l e sd e v e l o p i n g , m a n y e m b e d d e dp r o d u c t sc o m p r i s el i n u xa st h es o f t ：w a r ep l a t f o r mb e c a u s eo fi t ss t r o n g a d v a n t a g ei nt h i sf i e l d a san e wl i t t l e - r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , z i g b e et e c h n o l o g yi s n o wp r e v a i l i n g , i ti sal i m i t e dr a n g e ，l o w - c o m p l e x i t y , l o wp o w e rc o n s u m p t i o n , v e r y l o w - c o s t , t w o - w a yw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y s o l u t i o n sa d o p t i n gw i l lb e e m b e d d e di nc o n s u m e re l e c t r o n i c s ，h o m ea n db u i l d i n ga u t o m a t i o n , i n d u s t r i a lc o n t r o l s ， m e d i c a ls e n s o ra p p l i c a t i o n s i nt h i sp a p e r , a ne m b e d d e da r m - b a s e dz i g b e eh o m eg a t e w a yi sd e s i g n e da n d i m p l e m e n t e dw i t ht h ec o m b i n a t i o no ft h ea b o v et h r e et e c h n o l o g i e s m a j o rr e s e a r c hi s 嬲f o l l o w s ： ( 1 ) f i r s t l y , t h ek e m e lo fl i n u xo p e r a t i n gs y s t e mw a sr e s e a r c h e d t h e n ，i n t e n s i v e s t u d yw a sm a d eo nm e m o r ym a n a g e m e n t ，p r o c e s sm a n a g e m e n t ，f i l em a n a g e m e n t s y s t e m ，d e v i c em a n a g e m e n to fl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m t h eb a s ed e v e l o p m e n tt o o l s a n dd e v e l o p m e n tp r o c e s so fa p p l i c a t i o nl a y e ra n dd r i v e rl a y e rw e r em a s t e r e d s e r i a l p o r tr e a d i n go rw r i t i n gp r o g r a mb a s e do nl i n u xo p e r a t i n gs y s t e mw a sw r o t e , w h i c h l a yt h er o o tf o rs y s t e md e v e l o p m e n t ( 2 ) r e s e a r c h0 1 1t h ez i g b e ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o ls t a c k ，t h el a y e r so f t h ez i g b e ep r o t o c o l ，z i g b e en e t w o r kt o p o l o g ya n dz i g b e er o u t i n g f o r maz i g b e e s t a r - n e t w o r ki ns m a r th o m ea p p l i c a t i o n ( 3 ) t h er e l a t e dt e c h n o l o g yo f e m b e d d e dd e v e l o p m e n tw a sr e s e a r c h e d ，e s p e c i a l l y t h ee m b e d d e ds y s t e mb a s e do na r m9p r o c e s s o ra n di t sp e r i p h e r a le q u i p m e n t h e r e b y 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 t h el i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ，e m b e d d e df i l es y s t e ma n de m b e d d e dd a t a b a s ew e r e t r a n s p l a n t e do i lt h ea r m9d e v e l o p m e n t b o a r di nt h ep a p e r ( 4 ) a f t e rr e s e a r c h i n gt h ek n o w l e d g eo ft h ew e b s e r v e ra n dc o m m o ng a t e w a y i n t e r f a c e ( c g i ) ，a ne m b e d d e da r m - b a s e dz i g b e eh o m eg a t e w a y i sd e s i g n e do l lt h i s b a s e , w h i c hi m p l e m e n t st h er e m o t ee o n t r o lo fi n f o r m a t i o na p p l i a n c e s k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k , e m b e d d e dw e bg a t e w a y , a r m 9 ，z i g b e e ，c g i i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：l 鱼：尘趁ie l 期：竺2 ：兰 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：舀：生越 导师( 签名) ： 吼芈 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 随着传感器技术、嵌入式技术以及通信和半导体技术的飞速发展，己经由 p c 时代和网络时代，进入了后p c 时代。更小、更方便的低功耗计算设备冲破 了传统台式计算机和高性能服务器的设计模式。微机电系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m m e m s ) 的迅速发展奠定了设计和实现片上系统 ( s y s t e mo i lc h i p ，s o c ) 的基础。传感器网络就是上述技术高度集成而形成的一种 新的信息获取及处理技术。目前无线传感器网络己成为计算机科学领域一个活 跃的研究分支，己经引起了学术界和工业界的高度重视，被认为是将对2 l 世纪 产生巨大影响力的技术之一【l 】。 无线传感器网络的应用前景十分诱人。传统应用有军事、监控、应急、环 境、防空等领域，新兴应用将涉及家用、企业管理、保健、交通等领域。可以 预计，将来无线传感器网络会无处不在。但现在无线传感器网络才刚刚兴起， 它的技术和应用都不十分成熟，其终端要达到希望的要求还会有很长的一段发 展历程。 目前，无线传感器终端的希望和要求主要集中在尽量节省的系统能量消耗、 尽量节省的信息处理以及简易的信号收发。对于无线传感器网络中的网络协议 的期待是：用简洁的协议栈支持传感器网络的有效运行，到处存在接入可能； 利用广播信息，避免交互应答；简化的协议层次、简练的信令方式；节省的系 统开销等。正是基于无线传感器网络终端的要求，z i g b e e 协议应运而生。 z i g b c c 是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的 无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。它依据 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器 只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一 个传感器，所以它们的通信效率非常甜2 1 。 一般而言，随着通信距离的增大，设备的复杂度、功耗以及系统成本都在 增加。对于现有的各种无线通信技术，z i g b e e 技术将是最低功耗和成本的技术。 武汉理r t 大学硕士学位论文 z i g b e e 是一组基于i e e e 批准通过的8 0 2 15 4 无线标准研制开发的，有关组 网，安全和应用软件方面的技术标准。它不仅只是8 0 2 1 5 4 的名字，i e e e 仅处理 低级m a c 层和物理层协议，z i g b e e 联盟对其网络层协议和a p i 进行了标准化。 完全协议一次可直接连接到一个设备的基本节点的4 k 字节或者作为h u b 或路由 器的协调器的3 2 k 字节。每个协调器可连接多达2 5 5 个节点，而几个协调器则 可形成一个网络，对路由传输的数目没有限制。z i g b e e 联盟还开发了安全层， 以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不 会被其它节点获取。 z i g b e e 协议由物理层( p h y ) 、介质访闯控制层( m a c ) 、网络层( y w k ) ，应用 层( a p l ) 及安全服务提供层( s s p ) 五块内容组成。网络层以上协议由z i g b e e 联盟 制定，i e e e 8 0 2 1 5 4 负责物理层和链路层标准【3 】。z i g b e e 技术的出现弥补了低成 本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，其成功的关键在于丰富而便捷的应 用，而不是技术本身。随着j 下式版本协议的公布，更多的注意力和研发力量将 转到应用的设计和实现、互联互通测试和市场推广等方面。它不仅打开了大量 新应用之门，而且还能给许多现有的应用增加新的价值。由于通过z i g b e e 各种 非常简单的器件就能够实现联网，作为一个全球标准，为将来实现无所不在的 无线网络创造了条件。 1 2 国内外发展与研究现状 传感器网络的研究起步于2 0 世纪9 0 年代未期。国际上，1 9 9 9 年和2 0 0 3 年 著名的美国商业周刊和m i t 技术评论t e c h n o l o g y r e v i e w 在预测未来技术发展的 报告中，分别将其列为2 1 世纪最具影响的2 1 项技术和改变世界的1 0 大新技术 之一。国际上许多著名的大学和公司纷纷从不同的层次、不同的角度对传感器 网络进行了研究和开发。1 9 9 5 年美国提出了“国家智能交通系统项目规划，2 0 0 2 年美国英特尔公司发布“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”。2 0 0 4 年3 月英特尔公司演示了家庭护理的无线传感器网络系统【4 】。该系统通过在鞋、家具 以及家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士以及残障 人士的家庭生活，利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方 便接受护理。 z i g b e e 是刚刚发展起来的，很有市场潜力的一种技术。它是为了满足低功 2 武汉理工大学硕士学位论文 耗、低成本的无线网络要求而诞生的，i e e e 标准委员会在2 0 0 0 年1 2 月份正式 批准并成立了8 0 2 1 5 4i 作组，任务就是开发一个低数据速率的w a n ( l r - w p a n ) 标准。 它能在低成本设备( 固定、便携或可移动的) 之间进行低数据速率的传输。它 使用的频段是无需许可的，进一步降低了成本。它非常适合在一个有限的范围 内进行数据通信。目前，各大国外i c 厂商纷纷推出自己的z i g b e e 解决方案，在 芯片方面主要有：t i ，f r e e s c a l e 的m c l 3 1 9 1 、m c l 3 1 9 2 和m c l 3 1 9 3 ，m i c r o c h i p ， e m b e r 的e m 2 5 0 、e m 2 6 0 ，j e n n i c 的j n 5121 ，c h i p c o n 的c c 2 4 2 0 、2 4 3 0 等。目 前已有多款单芯片( 将m c u 和射频收发器集成在一起的芯片) 的z i g b e es o c 解决 方案。国内目前在芯片方面只有台湾达盛公司( u b e c ) 开发出自己的芯片 u z 2 4 0 0 ，而更多的公司是在己有芯片的基础上进行二次开发，或者直接使用其 它公司的产品【5 】。协议方面主要有z s t a c k 和z i g b e e 协议栈等。 在z i g b e e 产品的开发上，国外的大公司一直走在前列：韩国s k t e l e c o m 公 司在2 0 0 5 年1 0 月推出新的数字智能家庭服务，其核心的技术为e m b e r 公司提 供的z i g b e e 无线技术；丹麦的n e s a 公司将凭借飞思卡尔半导体的z i g b e e 兼容 平台在欧洲为自动读表系统( a m r ) 部署第一套支持z i g b e e 的系统；美国c o m p x 公司己经成功丌发出了可电脑外设上使用无线通信规格“z i g b e e 的u s b 适配 器，这种适配器嵌入了由c o m p x 与日本冲电气工业共同开发的z i g b e e 单芯片收 发机【6 】。国内在z i g b e e 产品的开发上起步比较晚，但是进展很快：深圳旭昂公 司己经开发出多种z i g b e e 模块，并提供开发和演示平台；成都西谷曙光公司也 开始提供自己的开发平台，同时开发了多种z i g b e e 模块( 包括温度传感，门禁系 统等) 。目前也有很多大学和研究所也纷纷开始了z i g b e e 产品的研究，其中有中 科院、清华大学、武汉大学、山东大学等。 目前许多人致力于将z i g b e e 与g p r s 结合 7 1 。g p r s 通讯方式依赖移动通讯 公司庞大的g p r s 网络，建设成本与运行维护成本都很低，远小于自行建设独 立运行的专用通讯网络( 如电台、有线d d n 、微波等) 。g p r s 网络建设方便简单， 使用g p r s 模块及相应配件，直接与带有r s 2 3 2 串行口的监测设备连接，与中 心数据服务器构建透明的数据传输通道。它运行可靠，数据采集实时性强，运 行费用低，漏码误码极少，克服、解决了其他通信方式存在的各种问题。在保 证数据传输及时、准确的前提下，将系统运行费用也降低到了极低。同时，通 信链路由专业的运营商来维护，避免了用户在使用监测系统的同时，还需要耗 3 武汉理工大学硕士学位论文 费很大精力去维护通信线路的问题嗍。但是，如果对每个采集点都配置一套g p r s 模块，使用起来成本还是比较高的。将z i g b e e 与g p r s 结合，它既保持数据采 集实时性强，又降低了运行费用，可以使z i g b e e 协议应用更广泛。 1 3 本文的主要研究内容 在智能家居领域，由于平台和组网方式的多样化，导致了智能家居的实现 方案也是多样化的，因此基于国内外在网络家电的研究现状，成本，性能以及 市场等多方面因素的综合考虑，本课题采用近年逐渐兴起的z i g b e e 无线网络来 实现智能家居系统内部网络连接，并通过嵌入式家庭网关接入i n t e r n e t 。 本文共分六章，具体内容如下： 第1 章概述无线传感网络的背景和意义，回顾了无线传感网络的发展历史 和研究现状，分析了一种新的无线传感网络技术z i g b e e 的应用前景。 第2 章对家庭网关体系进行了总体设计，针对z i g b e e 网络和智能家居的特 性，结合a r m l i n u x 和w e b 技术，设计了一种运行稳定，管理方便，易于使用 的嵌入式网关系统，满足用户远程控制家庭中智能家电的需求。 第3 章主要研究实现平台的搭建过程，包括硬件的选型，操作系统的选择 和移植，交叉编译环境的搭建等，最后讲解了本设计中使用的z i g b e e 模块的框 架结构，为整个系统的实现做好铺垫。 第4 章讲研究分析了z i g b e e 协议，并在研究z i g b e e 网络特点及家居环境的 基础之上，设计了一种星型拓扑结构的家庭内网，阐明了z i g b e e 协调器和端节 点的工作流程，完成了嵌入式家庭网关的家庭内网部分。 第5 章系统阐述了嵌入式家庭网关具体的实现过程，包括w e b 服务器和嵌 入式数据库的配置和移植，并编写c g i 程序实现用户界面的绘制，串口的通信 和数据库的访问，实现嵌入式家庭网关的功能。 最后总结了论文主要完成的工作并指出今后研究工作的方向。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章家庭网关系统设计方案 随着i n t e r n e t 的应用迅速普及并向家庭领域不断扩展，消费电子、计算机、 通信一体化趋势日趋明显，越来越多的用户要求建立家庭网络。作为家庭网络 核心的家庭网关应运而生，它的市场需求也将越来越大。从家庭网关的功能可 以看出，家庭网关对控制器的处理速度、网络支持、存储器容量、多任务处理 等许多方面提出了较高的要求。本文设计的家庭网关要处理来自i n t e r n e t 的数据， 要求实现家庭网关的硬件必须提供强大的网络支持，同时需要支持t c p i p 协议， 因此需要操作系统来支持多任务。本章研究讨论了家庭网关系统的总体设计方 案。 2 1 家庭网关功能模块组成 家庭网关是家庭网络的核心，是处于广域网和家庭网络中间的一个节点。 作为入口节点，它应具有网关和服务器的功能，一方面，家庭网关要支持t c p 协议议并能提供w e b 服务，从而允许客户远程访问它。以a r m 微处理器为中 心建立家庭网关硬件平台，对外通过宽带接入公共网络，对内将家用电器及其 他联网设施通过家庭内部无线局域网连接成一体，用户通过远端p c 就可以对家 用电器进行状态查询和控制【9 】。本系统主要由三个部分组成，如图2 1 所示。 厩赢赢 【j 图2 - 1 家庭网关结构框图 5 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 网关功能部分 家庭网关从功能结构上主要是处理远程用户控制信息，与家庭内网通信和 管理内网中的信息家电。家庭内部信息网的通信协议比较简单，要实现它与外 部t c p i p 的互联，必须实现协议的转换，这是家庭网关一个非常重要的作用。 从结构上来看，家庭网关就是外部t c p i p 网络与家庭内部信息网络的一个连接 点。家庭网关并不只是一个简单的协议转换设备，更是一个对外的家庭内部网 络控制接口。在构建嵌入式家庭网关的时候，选择了嵌入式l i n u x 操作系统，以 实现基于t c p i p 的网络连接和对通信协议的转换。因为与其他嵌入式操作系统 相比，它有许多优势【1 0 】： l i n u x 的源码开放，开发出的嵌入式产品成本低。 l i n u x 拥有优秀的开发工具 l i n u x 内置网络支持，可以进行高效的网络通信 l i n u x 内核健壮，运行稳定 支持大量的周边硬件设备 在这个基础上，根据用户需求开发各种应用程序，整合传感器节点，使其 完成特定的服务。如对温度、湿度传感器节点的查询，也可用于电灯、窗帘的 开关服务等。如有新的设备可以随时添加到网关的数据库中，替换掉的设备可 以删除，以方面用户对设备的管理。 家庭网关是一个由硬件和软件共同组成的功能实体，我们可以采用a r m 嵌 入式系统来实现家庭网关，a r m 嵌入式系统面向应用，可以根据实际需要定制 软硬件和接口，使它的功能、可靠性和成本等各方面更适应要求。 ( 2 ) 家庭无线内网部分 z i g b e e 是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的 双向无线通信技术，是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案，相对于 现有的各种无线通信技术，z i g b e e 将是最低功耗和成本的技术之一。z i g b e e 技 术的低数据速率和通信范围较小的特点，也决定了z i g b e e 技术适合于承载数据 流量较小和q o s 的要求不高的业务。因此，z i g b e e 技术是最适合智能家居系统 的组网技术l i i j 。 每个嵌入z i g b e e 模块的信息家电都可以看做是一个z i g b e e 节点，整个家庭 无线内网是由z i g b e e 节点组成的无线局域网。网关接收用户从远程发来的控制 信息，经过处理转发给z i g b e e 网络的协调器，协调器根据信息中地址把控制信 6 武汉理工大学硕士学位论文 息转发相应的z i g b 节点，实现对家庭内的信息电器监测和控制【1 6 】。 ( 3 ) 用户操作界面部分 本设计中是以网页的形式呈现，用户可以在任何一个地方在w e b 浏览器上 对家庭内网进行操作。基本必须实现用户登陆界面、家庭信息查询、设备的控 制、设备的添加删除管理等。该处的简单性、易用性和灵活性关系到整个系统 性能的发挥，对用户的接受程度有很大的影响。 2 2 家庭网关软件总体构架 在项目的具体操作中采用了图2 2 的分层软件体系结构，充分利用嵌入式 l i n u x 操作系统完备的文件系统，针对n a n d f l a s h 实现了文件系统的安装【1 2 1 。为 用户提供了w e b 服务和数据库服务，实现了远程基于p c 和电话对家庭内信息 家电的查询和控制功能。 l i n u x 操作系统 i n t e m e t 硬件驱动 l 一j 图2 - 2 家庭网关软件体系 图中居于底层的是嵌入式l i n u x 操作系统以及各类硬件驱动。应用程序通过 调用l i n u x 内核中的硬件驱动程序，完成对硬件的操作。家庭网关主要有z i g b e e 芯片，u a r t 接口电路，以及以太网芯片三个驱动程序，分别提供对其相应硬件 的操作。在嵌入式l i n u x 操作系统之上是嵌入式应用程序。在本项目中移植了嵌 入式w e b 服务器软件b o a 和嵌入式数据库管理系统s q l i t e 。以c g i 原理为基础， 以数据库为后台，用软件编程的方法实现了用户、w e b 服务器以及网关应用程 序之问的动态交互。基于z i g b e e 技术设计了家庭网络无线通信的通信协议。并 7 武汉理工大学硕士学位论文 以此为基础编写了家庭网关的项层应用程序【1 3 1 。 应用层软件是一个多任务的系统，主要任务包括：与家庭内信息家电建立连 接，i n t e m e t 协议与家庭内网协议转换、基于w e b 服务器为i n t e m e t 远端用户提 供w e b 服务。应用层软件采用模块化的实现方法，由主控模块统一调度三个控 制模块实现上述三项任务。 对于z i g b e e 家庭内网部分，会在下一章详细叙述。 2 3 网关程序设计 本课题中设计的家庭网关的一个主要功能就是控制家电，在这个体系中各 种信息是不断变化的，所以服务器必须具有提供动态文档的能力。由于动态信 息需要服务器实时创建，处理动态文档的w e b 服务器需要三个特性。首先，服 务器程序必须扩展，当每次请求到达时，能够执行一个单独的创建文档的应用 程序。服务器必须能够捕获应用程序的输出，并且将该文档返回给浏览器。其 次，必须为每个动念文档写一个单独的应用程序。第三，服务器必须配置成能 够知道哪一个u r l 对应于动态文档和哪一个u r l 对应于静态文档。对每个动 态文档，配置时必须说明产生文档的应用程序。因此实现动态页面还需要一系 列技术与规范的支持，如：c g i 、a s p 、a c t i v e x 、j s p 等。所有这些技术可以归 为两类即：c g i 应用程序和服务器端脚本程序。这两类程序它们都有各自的开发 特点。 具体到本课题中，最终还是选择了c g i 应用程序。 ( 1 ) 嵌入式l i n u x 操作系统、基于l i n u x 的大部分嵌入式服务器软件，以及 c g i 应用程序其原始代码都是c 语言代码，因此他们之间融合的比较好。并且 c g i 规范是所有服务器都支持的标准规范【1 4 1 。 ( 2 ) 脚本语言是一种解释性的语言，它的运行依赖于两个实体：脚本引擎和 脚本宿主。因此，如果要运行服务器端的脚本程序，服务器就要内嵌脚本引擎 和脚本宿主。 ( 3 ) 脚本程序的跨平合性还有待提高。例如，a s p 只能运行在w i n d o w s 平 台的服务器上，虽然l i n u x 等平台上也有支持a s p 的插件，但功能和效率都比 较差【15 1 。 支持c g i 的w e b 服务器的动作过程如图2 3 所示。 8 武汉理工大学硕士学位论文 1 显示登录页面 上 提交登录表单 n 爹 显示登录页面 - 哥 提交控制查询表单 上 显示登录页匾 ，一一一一i 二， ( 结束 j 一一 、一 一， 图2 3 网关服务流程图 ( 1 ) 客户端向服务器端发送h t i p 请求消息 客户端提交给服务器端的h t t p 请求消息的消息头中包含了请求u r l ( 指向 服务器端的某个静态页面或者c g i 应用程序等资源) ，消息体中包含有客户端向 服务器端上传的信息( 例如，客户端用户在h t m l 文档的表单中输入的信息) 。 对于客户端用户而言，他只要在浏览器中提交表单，点击超链接即可，h t t p 请 求消息由浏览器自动生成【1 6 1 。 ( 2 ) 服务器处理客户端请求 服务器在接收到客户端的h 丌p 请求消息后，对消息进行解析，包括：读 取请求u r l 、映射到对应的物理文件等。对于服务器而言，它必须区分客户端 请求的资源是静态页面还是c g i 应用程序，区分的依据主要是客户端所请求的 资源文件的类型【忉。 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) c g i 应用程序处理客户端请求 c g i 应用程序按照c g i 规范读取从w e b 服务器传递来的各种信息，并对客 户端的请求进行解释和处理，最后将处理结果按照c g i 规范返回给w e b 服务器 ( 作为c g i 应用程序进程的标准输出) 。c g i 应用程序在处理过程中可能还需要访 问其他系统，例如对数据库操作【1 8 】。 ( 4 ) 服务器将c g i 应用程序的执行结果返回给客户端 有时，c g i 应用程序希望将执行结果返回给客户端，此时w e b 服务器将不 对c g i 应用程序的输出结果作任何处理，而将其原封不动地作为h t t p 响应信 息返回给客户端。大多数情况下，w e b 服务器会对c g i 应用程序的执行结果进 行解析，并在此基础上生成h t t p 响应信息返回给客户端。 对于浏览器而言，它所收到的是服务器返回的h t t p 响应消息，对于客户 端的用户而言，他所看到的是显示在浏览器中的h t m l 文档，至于w e b 服务器 返回的是服务器端的静态文档，还是c g i 应用程序动态生成的文档，这些对客 户端而言都是透明的。可以看出，上述整个过程涉及到多种应用层协议，包括： 客户端浏览器与w e b 服务器之间的h r r p 协议，w e b 服务器与c g i 应用程序之 间的c g i 规范，c g i 应用程序与其他系统( 数据库系统) 之间的协议( s q l ) 。数据 的表示形式也有多种，包括：客户端、服务器端、c g i 应用程序中所使用的h t m l 规范，c g i 应用程序、数据库系统中所使用数据库表格掣1 9 1 。 本课题中，用户在远程计算机上打开浏览器，输入小区接入服务器外部i p 和端口号，经权限确认后出现网关的主页面。在主页面上可以选择要控制或查 询的家电设备，也可以添加删除设备，然后填写表单信息并提交表单进而控制 家电、查询家电状态。 从图2 3 可以看出，服务器端的应用程序主要包括以下几个大的功能模块： 表单数据集的解码、解析模块、用户身份认证模块、家电控制模块、家电状态 查询模块。 在课题中基于表单技术，设计了用户登录界面、用户注册界面以及各家电 控制界面供用户与服务器端应用程序交互。考虑到这些应用程序的操作均与嵌 入式数据库有关，所以表单的提交方法m e t h o d 设定为p o s t ，表单数据集的编 码方法采用a p p l i c a t i o n x w w w - f o r m u r l g 月a c o d e d ，并分别在表单的a c t i o n 属性中指 定了各自的服务器端应用程序。所有这些程序c 代码，都在交叉编译环境中进 行了调试，在实验平台上运行j 下常。由于这些程序涉及到数据库的操作及家庭 i o 武汉理工大学硕士学位论文 网络通信协议的内容，将在后继的内容中陆续进行介绍【2 0 】。 2 4 家电指令设计 本系统中，用户对家电的操作主要有两种：查询和控制。用户通过登录家 庭网关主页，将控制命令或查询命令提交给网关，网关根据通信协议要求确保 将信息可靠无误地传递给目标家电，然后目标家电执行命令并把结果反馈给网 关，再由网关传送给控制终端浏览器。由于家庭中有众多的家电，所以该设计 必须能够区分出各个不同的设备，并且保证通信的可靠性。网关也要能够做出 响应，并及时处理【2 。 因此有必要为每一个家电产品建立一套特定的指令系统。通过该指令系统 能将用户熟悉的家电功能转换为家电所能识别的指令。由于接受方即家电能够 识别发送的对象，所以不同的家电在指令集上是完全独立的，即它们可以重复 使用同一系列指令。 经过调查，确定了7 种家电的功能集，其中只选择了这些信息家电的基本 功能，并设定了它们的指令系统，对于一些不常见的功能预留了保留指令，在 需要的时候可以扩充【2 2 1 。课题中为每种家电设计一套独立的指令系统，每个功 能对应一条指令，每条指令对应两个字节。对于音量、温度等数值信息可再附 加l 到3 个字节标示，作为参数信息。表2 1 是系统定义的指令集。 表2 1 系统指令集 帧类型标志符说明 控制帧 h 0 l 该帧显示网关向家电发送的控制信息，后接控制信息 报警帧 h 0 2 由家电主动发出的报警信号，后接报警的具体内容 无效帧h 0 3当家电控制出错发送无效帧 信息帧 h 0 4当设置成功或同应查洵帧时，家电同复确认及状态信息 确认帧h 0 5当家电或网关发送的帧被收到时，对方发送的确认信号 查询帧h 0 6由网关发出的查询当前家电状况，后无其他内容 数据帧 h 0 7 用丁大数据鼙传输使用 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 家庭内网的接入 家庭网关负责进行各种不同通信协议的转换及数据的转发，从安全的角度 出发，家庭网关实际上是各种数据传输的一个中转站，对系统的安全有着不言 而喻的意义。目前关于网络安全的技术方案比较多，本节主要从网络地址转换 ( n e t w o r k a d d r e s st r a n s l a t i o n ) 技术在网关中的应用、家庭网关服务器安全以及 家庭网关文件系统的安全三个方面对家庭网络的安全性进行了初步的探讨【2 3 1 。 本课题中，家庭网关位于基于宽带小区的局域网内，每个家庭网关申请有 一个固定的局域网m 地址。小区的接入服务器申请有一个能被外部识别的全局 p i 地址。在网络实现中，上行方向( 从家庭网关到小区服务器再到i n t e m e t ) 的实 现技术方案已经很成熟。下行方向中，从i n t e r n e t 访问局域网服务器以及从局域 网服务器访问家庭网关也不存在任何问题。关键的问题是如何实现从i n t e r n e t 访 问家庭网关。因为家庭网关仅有局域网i p 地址，不能为i n t e r n e t 上的一般节点 所识别，所以问题的实质归结为如何实现小区接入服务器对报文的转发功能【2 4 】。 考虑到小区接入服务器拥有一个全局i p 地址，当从i n t e r a c t 上的一个节点 访问小区内的家庭网关时，可以通过接入服务器的全局口地址对该局域网内被 访问的家庭网关进行报文的转发功能。这种转发功能的实现采用了反向网络地 址转换技术。 下面将着眼于有效利用m 地址资源和提供内部网络安全这两项功能，阐述 n a t 技术在课题设计过程中的应用。这里采用的是端口多路复用技术。如图2 4 所示，图中的服务器s e w e r 有两块网络接口卡，两个网络接口设置为：其中一个 接口接入i n t e r n e t 并拥有全局i p 地址( 假设为2 0 2 1 1 6 5 2 1 4 ) ；另一接口接入内网， 并拥有内部网络的私有p l 地址( 1 9 2 1 6 8 0 1 ) 。在这个s e w e r 上做端口映射，使得 互联网上的客户( 图2 4 中的c l i e n t ) 可以访问内部网络中的主机提供的服务( 图中 的1 9 2 1 6 8 0 2 ：8 0 ；1 9 2 1 6 8 0 3 ：8 0 ：1 9 2 1 6 8 0 4 ：8 0 ) 。 端口映射维护一个预设的表，所有到2 0 2 11 6 5 2 1 4 端口2 0 0 1 的数据包将转 发给1 9 2 1 6 8 0 2 的8 0 端口：所有到2 0 2 1 1 6 5 2 1 4 端口2 0 0 2 的数据包将转发给 1 9 2 1 6 8 0 3 的8 0 端口；所有到2 0 2 1 1 6 5 2 1 4 端口2 0 0 3 的数据包将转发给 1 9 2 1 6 8 0 4 的8 0 端口反之亦然。 1 2 武汉理工夫学硕士学位论文 c 1 i g n 2 1 4 夕 1 p1 9 2 1 6 80 2 l p1 9 2 】6 8o3 p o r e8 0 i p1 9 2 1 6 80 4 图2 - 4 端口映射原理 s e v r e r 运行了端口映射后，将侦听从外部网络发送来的数据包，检查数据包 的属性、协议、目的i p 地址、目的端口号，并与端口映射表进行比较，如果在 映射表中发现入口，i = 莪数据包应该转发给局域网内的某个目的i p 地址和目的端 口号，那么端口缺射模块将修改数据包中的目的i p 地址和目的端口号，然后将 修改后的数据包发送给局域网内的主机。 2 6 本章小结 本章首先论述t g 统组成，该系统主要包括家庭网关、z i g b e e 内网和用户 操作界面三个部分。随后给出了系统软件总体构架并描述了系统工作流程，然 后对家电指令进行设计以实现家庭内同和i n t e m e t 的信息互通，最后讨论了在 当前情况下一种网关接入的方案，即使用n a t 方式接入i n t o n e t 。 一。刊y 一 一一八 武汉理t 大学硕士学位论文 第3 章系统开发平台搭建 对于嵌入式系统的开发，硬件平台的选择关系着系统性能的好坏。在软件 环境方面，嵌入式操作系统是嵌入式系统重要的运行环境和开发平台，它的集 成度和可用性直接关系到嵌入式系统的效率，是嵌入式系统设计与开发的重点。 在本设计中使用的a r m 9 开发板满足应用程序、t c p i p 协议栈和操作系统对硬 件的要求，在此平台上移植l i n u x 操作系统并做c g i 程序的开发，实现嵌入式 家庭网关的功能。 3 1 硬件平台选择 本课题采用了3 2 位的a r m 微控制器，这也是当前嵌入式系统设计采用的 主流控制器，它的工作频率可达几百m h z ，集成有许多片内外设，并有多种通 信接口，体积小，功耗和成本低，可靠性高，特别适合作为嵌入式微处理器。 系统一般采用f l a s h 作为程序存储器，采用s d r a m 作为系统内存。可以采用 v x w o r k s 、w i n c e 、l i n u x 等嵌入式操作系统【2 5 】。在基于a r m 平台上可嵌入较 完整的t c p i p 协议，实现较强的w e b 服务功能。并且系统中能集成多种接口部 件，可以完成较多复杂的功能。为家庭网关后继功能的扩展提供了可能。除了 上述分析的原因外，本文认为，随着硬件水平和对嵌入式系统功能需求的不断 提高，在嵌入式系统中应用操作系统是大的趋势。硬件的提高使得嵌入式系统 可以负担操作系统的丌销