（通信与信息系统专业论文）基于armlinux的小区智能监控系统设计.pdf

上海交通大学工学硕士学位论文 摘要 第 i 页 基于 arm-linux 的小区智能监控系统设计 摘 摘 要 要 随着经济与科技的发展，人们对住宅小区提出了智能化的要 求：一方面住户要求能够远程监视家庭环境和控制家电设备；另一 方面，小区管理人员要求实现对小区事务的统一管理。计算机、通 信和 arm 嵌入式技术为小区的智能化提供了有力的技术支持。 本文来源于实验室与日本 ntt 公司合作的智能家居项目，提 出一种基于 arm-linux 平台的小区智能监控系统的实现方案。系 统包括小区网关、家庭中继器和家庭传感器/开关设备三部分。家 庭中继器通过 rs485 总线连接家庭内部各种传感器和开关设备组 成家庭内部通信网， 中继器可以在家庭内部网中集中采集传感器数 据和控制家电开关设备。 小区网关通过 ethernet 连接各家庭中继器 组成小区局域网，它可以统一管理所有家庭中继器和家庭设备。用 户可以通过internet访问小区网关的web服务器来查看家庭内部传 感器信息或发送操作指令来远程控制家电开关设备， 小区管理人员 也可以通过小区网关的服务器发布小区管理信息。从而，实现家庭 监控和小区管理的智能化。 本文主要工作包括：家庭中继器的硬件设计、系统软件移植和 上海交通大学工学硕士学位论文 摘要 第 ii 页 应用软件设计；小区网关的软件设计；家庭内通信网与小区局域网 的组网以及在通信网络中采用的通信协议的设计。 通过对实验室原 型系统的实验与测试，证明小区智能监控系统能够良好运行。 关键词：关键词：arm-linux，数据库，通信协议，web 服务器 上海交通大学工学硕士学位论文 abstract 第 iii 页 design of monitor/control system in intelligent community based on arm-linux abstract along with the development of economy and technology，people expand their requirements on intelligent community. tenements need to realize remote monitoring and control on the devices in their houses, district administrator needs to realize the uniform management on the community affairs. computer, communication and arm embedded system technologies support the realization of community intelligence. this paper originates from the cooperating project of lab and ntt on smart house. it presents a design scheme of community intelligent monitoring and control based on arm-linux platform. the system mainly contains three parts: community gateway, home relay and sensors/switches. in the tenements houses, we use home relay to connect the sensors and switches through rs485 bus to form a home network. relay could collect the sensors data and control the switches. in the community, community gateway connects home relays through ethernet to buildup the community lan. community gateway could uniformly manage relays and devices. the tenements and community 上海交通大学工学硕士学位论文 abstract 第 iv 页 administrator could access data of relay and devices and could send instructions to devices through the web server of community gateway on internet. the main task of this paper is the design of arm-linux based home relay, including hardware design, system software transplant and application software design; software design of community gateway; organization of home communication network and community lan and the design of communication protocol. system is proved working well through the experiment and debug on the demo system in lab. keywords: arm-linux, database, communication protocol, web server 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：夏宏波 日期：2007 年 12 月 30 日 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校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。本人授权上海交通大学可以将本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和汇编本 学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：夏宏波 指导教师签名：黄佩伟 日期： 2007 年 12 月 30 日 日期： 2007 年 12 月 30 日 上海交通大学工学硕士学位论文 第一章 绪论 第 1 页 第一章第一章 绪论绪论 1.1 智能小区简介智能小区简介 为了适应飞速发展的信息时代要求，在住宅小区家居方面，世界上一些 科研机构已经将智能大厦的概念和模式引进住宅小区，使人们居住条件和环 境得到质的提高，由此产生了智能化住宅小区这一全新的概念，它是新兴的 高科技产物。 所谓智能小区1，就是将在一定地域范围内，多个具有相同或不同功能的 建筑物(主要指住宅小区)按照统筹方法，利用计算机技术、通信技术、多媒体 技术等高科技手段，分别对其功能进行智能化，使资源充分共享，统一管理。 在提供安全、舒适、方便、节能、可持续发展的生活环境的同时，便于统一 管理和控制，并尽可能地提高性能价格比。 住宅小区智能化是通过利用现代通信网络技术、计算机技术、自动控制 技术、ic卡技术，通过有效的传输网络，建立一个由住宅小区综合物业管理 中心与安防系统、信息服务系统、物业管理系统以及家居智能化组成的“三位 一体”住宅小区服务和管理集成系统，使小区与每个家庭能达到安全、舒适、 温馨和便利的生活环境，最终目的是使每个住户得到满足其需求的最佳方案。 建设部出台的cj/t17422003居住区智能化系统配置与技术要求明确指出了智 能住宅的主要功能和划分方法。智能化小区的基本功能包括安全防范、信息 管理、信息网络三大部分2。 随着社会经济和科技的发展，住宅亦在发展变化，现代人对住宅的功能 需求是综合性的，具体如下3,4： (1) 舒适性：包括平面、空间、尺度、视野、通风、噪音、内部装修、温 湿度等。 (2) 可持续发展性：对小区而言，小区应与环境共生，保护资源，获得能 源效益。对住宅而言，除核心部位外，其余空间作为卧室、餐厅等可以灵活 再分隔。其他方面还包括：生活污水和生活垃圾的再处理、再应用，以不破 坏自然生态为目标；住宅内环境质量：厨卫设备布置紧凑，管线隐蔽，废油、 气、烟排除畅通，建材的有害物质的防护等。 (3) 节能性：实质上是可持续性发展的社会性的一部分，多层住宅合理的 体量与围护结构，能源及设备的合理有效使用，可再生能源和新型材料的应 上海交通大学工学硕士学位论文 第一章 绪论 第 2 页 用等。 (4) 安全性：必须是人与技术措施相结合。防盗要求：多层次防范, 从边 界防范、内电视监控到住宅内的防盗。紧急事件的防护措施。灾变(火灾、风 灾、地震)的应急措施。 (5) 方便性交通：住宅或小区所处位置, 小区内部道路布局和区域标识。 各种配套设施：小区内部商店、文娱等服务设施, 以及周边的商店、医院、餐 厅、学校等等。 (6) 通信：电话、电视、计算机通信。 1.2 智能小区发展现状智能小区发展现状5 随着计算机技术、现代通信技术和自动控制技术的迅速发展，智能化建 筑在发达国家应运而生。1984年美国哈特福特市对一座旧式大楼进行改造， 并且对大楼的空调、电梯、照明、防盗等设备采用了计算机进行监测控制， 为客户提供了语音通信、文字处理、电子邮件和情报资料等信息服务，被称 为世界上第一座智能大楼。随后，各国相继形成热潮，我国也引进了这一新 技术。 智能小区是在智能化建筑的基本含义中扩展和延伸出来的，它通过对小 区建筑群四个基本要素(结构、系统、服务、管理)以及它们之间的内在联系的 优化考虑，提供一个投资合理，又拥有高效率，而且舒适、温馨、便利、安 全的居住环境。 智能化住宅小区在发达国家起步较早，始于20世纪80年代，装备有各种 通信、家电、安保等设施，通过总线技术应用计算机和信息技术，实现监视、 控制与管理等智能功能。 智能化住宅小区的建设起源于美国。由于社会市场的需要，由美国总统 宣布成立了“智能化住宅小区技术合作联盟”， 这是一个由联邦政府、 住宅开发 商、制造商、保险商、财政机构等组成的组织，对住宅智能化技术、产品、 应用系统等进行测试、规范，引导新技术进行住宅设计和建造。 目前，全球最大的智能化住宅群位于美国，占地3359公顷，约8000栋小 别墅组成，每栋别墅设置有16个信息点，仅综合布线造价就高达2200万美元。 日本幕张也建有一个类似的高标准示范性住宅小区。在美国等北美国家，还 建成了“无现金小区”，即电子商务、网络技术的基础上，在20世纪90年代中期 出现的又一种智能化住在小区。在该小区中，实现了电子货币取代现金，其 功能设计信用卡、网络结算、电子交换、信息安全资信度等。 美国、日本都对小区住宅智能化系统制定了技术标准，按照标准进行智 上海交通大学工学硕士学位论文 第一章 绪论 第 3 页 能化住宅建设。1998年底，位于美国硅谷中心地区的echelon公司，在高科 技大亨聚居地伍隆德市举行了一次名为“将互联网带入生活”的展示会， 向媒体 和硅谷企业界人士介绍了智能化网络控制技术的发展趋势，展示了其蕴含的 许多前瞻性的理论和信息。在新加坡、欧洲和台湾地区等，也都建有不少应 用智能化系统的住宅小区。 应用于智能化居住小区的基础产品，在发达国家已形成系列。美国、意 大利、西班牙等国的产品，相当一部分已通过了国际质量认证，在国际市场 上占据优势。智能化居住小区的基础是家庭综合布线系统。美国朗讯公司、 西蒙公司、奥地利公司、丽特公司等已经有家庭综合布线系统的成熟产品， 而且目前其家庭布线系统的价格却是比较昂贵。 目前市场上已经出现的智能信息家电和智能家居类产品主要有： (1) neywell公司的智能家庭产品； (2) stargate的家居自动化系统； (3) ni智能家居系统； (4) aldeluxe智能家居系统； (5) vantage家居自动化系统。 1999年我国建设部住宅产业中心颁布了全国智能化住宅小区系统示范 工程建设要点与技术导则(试行稿)，规范了智能化住在小区建设的目标和原 则，拟自2000年起，用五年时间左右时间，组织实施全国智能化住宅小区系 统示范工程，以此带动和促进我国智能化住在小区建设。其总体目标是：通 过采用现代信息传输技术、网络技术和信息集成及时，进行精密设计，优化 集成，精心建设示范工程，提高住宅高科技的含量和居住环境水平，以适应 21世纪现代居住生活的需要。 智能化住宅小区的建设，将按照示范工程过程中的经验，按照导则 中的功能要求，根据当地实际情况和需求，进一步推进智能化住宅小区在我 国的普及和建设。目前智能化住宅小区还仅建于经济较为发达的沿海大中城 市。随着时间的推移，随着技术的发展，随着人们生活水平的提高，智能化 住宅小区将会逐渐扩展，在一些中小城市，也将建成一大批智能化住宅小区， 甚至将小区扩大为一个智能社区或城市。 1.3 课题意义与主要工作课题意义与主要工作 我国的智能化住宅小区相对于国外起步较晚，尚未形成一定的国家标准， 有关的理论还在不断的发展、完善。目前，国内的大部分住宅小区在通信网 络上都只是以家庭为单位，如：闭路电视电缆、电话线、adsl(非对称数字用 上海交通大学工学硕士学位论文 第一章 绪论 第 4 页 户回路)业务等，没有形成系统的小区管理体系。而在家庭内部各种家用电器 在数量上不断增加，但大都只是零散的分布与使用，如：智能遥控器、电视、 冰箱、照度传感器、温度/湿度传感器等，没有形成一个平台来统一管理各种 家电设备。 本文根据家庭内部电器设备分布零散、小区内部没有形成系统集中管理 的实际情况，提出一种住宅小区智能化监控系统的实现方案。首先，建立一 个覆盖尽可能多家电设备的家庭通信网。在这个家庭内部通信网中，通过家 庭中继器这一平台来监视家庭内部环境数据信息 (如，温度、光照度、数字三 表等)，并管理和控制家电开关设备(如，空调、灯光、热水器等)。然后，将 这些家庭中继器通过以太网接入小区网关形成一个小区局域网。在小区局域 网中，小区网关负责管理整个小区中的各家庭中继器和家电设备。最后，将 小区网关接入 internet， 通过 http 协议的 web 服务器为住户提供一个远程管 理家电设备服务器。小区智能监控系统的应用环境如图 1-1 所示。 internet 小区 局域网 家庭中继器 家庭中继器 家庭中继器 小区网关 家庭内部网 图 1-1 小区智能监控系统的应用环境 fig.1-1 application environment of intelligent community monitoring/control system 本课题要解决的是，如何组建一个家庭内部通信网，将家庭中各类传感 器和电器开关设备纳入这个家庭网络，通过统一的平台将各种不同的对象融 上海交通大学工学硕士学位论文 第一章 绪论 第 5 页 合起来完成特定的功能或者服务。将家庭通信网络通过中继平台融入小区局 域网，设计一个小区网关，使整个小区网络和设备能够为用户提供 internet 上 的 web 服务来管理家电设备。本课题的研究工作主要分为三个部分： (1) 家庭中继器的设计。家庭中继器是在家庭内部组建家庭通信网，集中 管理所有家电设备的平台。家庭中继器是基于 arm-linux 嵌入式系统设计， 主要涉及硬件平台的搭建、系统底层软件的移植和应用软件的设计。 (2) 小区网关的设计。小区网关是小区局域网与 internet 的接口，用于统 一管理小区家庭中继器和接入家电设备并为用户提供远程 web 服务。 (3) 小区局域网中，家庭中继器与小区网关之间通信协议的设计。 1.4 本文章节结构本文章节结构 本文设计的小区智能监控系统在物理实体上主要由小区网关、家庭中继 器以及家庭终端设备组成。作为家庭终端设备的各类传感器与开关设备是用 于采集原始传感数据与完成最终控制指令。以arm-linux平台为基础的家庭 中继器则起到数据处理和数据与指令上传下达的作用，通过对上和对下的通 信协议控制确保数据的可靠传输。小区网关对内维护整个小区所有家庭的信 息，对外作为web服务器发布信息和提供住户管理自己家庭设备的服务。 在本文的后续章节中我们将介绍小区智能监控系统的设计与实现，首先 介绍系统的总体设计，然后详细介绍系统各个组成部分的设计，最后介绍系 统通信协议设计以及本系统的工作总结与展望。 第二章，介绍小区智能监控系统总体设计方案 第三章，介绍在 arm-linux 平台上实现的家庭中继器的硬、软件设计 第四章，介绍小区网关的设备管理软件设计和 web 服务器设计 第五章，介绍家庭中继器与小区网关的通信协议的设计 第六章，论文工作总结与展望 上海交通大学工学硕士学位论文 第二章 系统总体设计 第 6 页 第二章第二章 系统总体设计系统总体设计 2.1 系统整体结构系统整体结构 根据目前住宅小区中各种通信网络大都以家庭为单位的组织结构，确定 小区智能监控系统总体设计方案。如图 2-1 所示，本系统采用三层结构组织整 个小区网络：家庭中的传感器与电器开关设备、家庭中继器、小区网关。 小区网关 家庭中继器 家庭1 开关传感器 开关 开关 传感器 传感器 家庭中继器 家庭n 开关传感器 开关 开关 传感器 传感器 图 2-1 系统层次结构 fig.2-1 layers of system 家庭中的各类传感器和电器开关设备作为系统中最基本的感知和执行单 元，是传感数据源和指令执行单位，是整个系统的基础部分。家庭中继器是 以家庭为单位分布的，它能够提供与传感器和开关设备交互信息的总线接口， 以集中采集传感器数据和发送控制开关指令。同时，家庭中继器通过以太网 口接入小区局域网与小区网关进行数据交互。小区网关是主要包含设备管理 服务软件的服务器，对内维护各个家庭设备数据，收集、存储传感器信息和 发送开关控制指令，通过家庭中继器间接控制家庭设备。小区网关对外接入 internet 为住户提供远程 web 服务来管理其家庭设备， 为小区管理人员提供发 布小区新闻、小区公告的网站后台服务。 从整个监控系统组网的结构上看，主要包括从里到外三层通信网络，如 图 2-2 所示。采用 rs485 总线6连接家庭中继器和传感器/开关设备，组建家 庭内部数据采集和开关控制的家庭内部通信网。采用以太网(ethernet)技术7 连接小区网关和各家庭中继器，组建小区局域网。小区网关再通过小区宽带 接入广域网(internet)。 上海交通大学工学硕士学位论文 第二章 系统总体设计 第 7 页 家庭内通信网 小区局域网 internet 图 2-2 系统网络结构 fig.2-2 network of system 家庭中继器是连接家庭内通信网和小区局域网的桥梁，它具有 rs485 和 ethernet 两种主要接口。小区网关则是小区局域网接入 internet 的窗口，它主 要实现对内设备管理通信协议和对外 http 协议的转换。系统拓扑结构采用 的是总线型(bus)和星型(star)相结合，可以保证同层设备独立运行，既使故障 也不会影响其他设备。 在家庭内部通信网中，各类传感器和开关设备在接入家庭中继器时，由 于现有的很多传感器输出为模拟量，这就需要通过 a/d 转换将这些模拟量转 换为数字信号(本文不具体讨论)， 使在中继器及其以上结构中都只需处理数字 信号，实现整个小区网络的数字化通信。 通过调查市场上传感器和开关的产品信息，家庭设备的输出、输入信息 有两种：一是 0/1 态的开关量信息，二是连续模拟量信息。对开关信号处理是 将不同幅值电压转换成标准电平送 mcu 处理后再通过 rs485 总线传至家庭 中继器。而对连续的模拟信息处理的目的是将模拟电流或电压转换成标准电 压信号经 a/d 转换后， 送 mcu 处理再通过总线传至家庭中继器。 执行控制(开 关和可调器件)有：对开关控制器或可调器件控制器发出指令，通过采集获取 控制器件状态信息。其具体为：控制信息包括 1bit 的指令进行开关控制操作 和 8bits 的指令进行可调控制操作； 状态信息包括 1bit 的开关状态信息和 8bits 可调器件状态信息。因此，家庭中继器与传感器、开关设备的通信中的传感、 控制数据可以归纳为 1bit 到 8bit。 在小区局域网中，家庭中继器与小区网关是通过以太网在网络层和传输 层采用 ip 和 tcp 协议进行 socket 数据交互。因此，通信比较可靠，可以保证 数据在传输层以上的透明传输。为了完善系统在传感器数据采集和开关设备 控制通信机制，我们针对小区智能监控系统中小区网关和家庭中继器上实现 的具体服务，在 tcp/ip 上设计了应用层的通信协议，具体协议的设计将在第 五章详细讨论。 上海交通大学工学硕士学位论文 第二章 系统总体设计 第 8 页 2.2 系统功能分析系统功能分析 由于小区智能监控系统的用户是一般的家庭住户和小区物业管理人员。 不可能要求他们花费很多的时间了解系统的应用和操作。因此，系统应该结 构简单，连接方便，同时，应用界面友好，操作简单、方便，不易出错。 根据以上分析并考虑到一般监控系统8应该具有的功能， 确定本系统应该 具有的功能和特点如下： (1) 数据采集功能：采集监控现场的各种监控数据，按用户需要，采集范 围可包括温度、湿度、光照度、火情、盗情等数据信息。 (2) 异常报警功能： 对采集的数据进行现场分析， 发现异常时， 迅速报警。 如：人体红外入侵检测等。 (3) 网络通讯功能：系统可以将采集到的环境信息和报警信息通过 ethernet 和 internet/intranet 传给小区监控中心。 (4) 监控数据存储功能： 按照用户的设置， 存储各种环境参数和报警信息， 包括现场存储和数据库存储。分别指报警信息和环境信息在现场监控设备内 和小区监控中心的数据库中的存储。其中现场监控设备内只存储报警信息， 一旦系统发生故障，协助完成系统的故障分析。 (5) 获取实时监控数据：除了在监控中心可以直接获取现场的监控数据 外，用户应该还可以通过计算机网络从小区监控中心的服务器获得监控数据。 (6) 监控系统的用户配置：用户可以按照需要配置监控对象，满足不同的 用户的需要。比如说，原来系统某一通道是进行温度监控的，现在只要更换 传感器/变送器，并简单地修改系统设置，就可以改成湿度、电流等其它参数 的监控通道；也可以修改设置，禁用该通道。 (7) 数据管理功能：用户可以根据其权限，对小区监控中心数据库中的数 据进行查看、添加、删除、修改等管理。 (8) 监控中心发送命令的功能：按照用户需要，在出现报警信息而不能立 即赶到现场时发送命令，可以暂时消除紧急状况的恶化；或者是根据用户需 要提前发送命令，可以更方便的享受生活。例如想让房间先降温，就可以在 监控中心发送打开空调的命令，回到家就可以享受凉爽的温度。 (9) 智能学习功能：系统应该能学习用户的设定习惯来自动启动某些功 能。如：根据用户的生活学习其每周的生活习惯来确定具体服务。 在本系统中，我们在试验阶段只实现了数据采集、存储与显示，数据实 时分析处理，控制指令的远程发送与执行，并实现了一定服务层次的功能。 系统的智能学习等功能还有待完善。 上海交通大学工学硕士学位论文 第二章 系统总体设计 第 9 页 2.3 系统场景应用系统场景应用 用户要将自己家庭设备接入小区智能监控系统，使用系统为其提供家庭 设备监控服务。首先，住户需要将家庭中继器接入小区局域网，小区网关会 自动分配 ip 给该接入的家庭中继器， 并为中继器分配 id 号。 小区管理中心工 作人员会绑定该 id 号到该住户名下，并在小区网关数据库中为其开辟相应的 纪录。此后小区网关就将该家庭设备的服务权限赋予对应 web 用户。此时， 该家庭的小区监控服务就为用户开通了。 此后，小区住户就可以将家庭中的各类传感器和开关设备接入家庭中继 器，在家庭中继器的数据库中会存储这些设备的基本信息，小区网关也会通 过与家庭中继器的信息交互获取设备信息。在家庭中继器和各类设备都接入 小区网络以后，用户可以根据设备的关联根据自己的需要设定具体的服务参 数，系统就可以为用户提供服务了。例如：家庭中继器可以通过温度传感器 提供的信息将室内温度变化的情况汇报给小区网关，而小区网关则根据上传 的数据以及家庭主人的设置参数向家庭中继器下达设备控制指令，通过开关 自动控制暖气或者空调设备的运转来提供节约电能的服务；通过设置在窗或 门上传感器信息的监控，提供侵入报警及安全监视服务等等。这些服务是通 过小区网关在小区局域网中通过家庭中继器监视并控制各种家庭设备的状态 来实现的。 小区物业管理人员可以登录小区网关 web 服务器的后台， 发布小区新闻、 张贴小区公告、管理用户资料等。同时，管理人员也可以通过接入小区局域 网的小区公共设施来管理小区环境与安全。如：通过闭路电视监视小区入口、 停车场、电梯等地点，门禁管理，小区内光照管理等。 可以设想，当清晨太阳升起，能源管理系统由夜间模式自动转换为白天 模式，太阳能电池板开始储蓄光能，根据能耗情况自动进行必要的输出与储 备；照明系统自动选择适合需要的场景；起床后用水时，水龙头里流出你所 习惯的水温，镜子上可以显示出当时的室外温度；当你踏出家门的那一刻， 智能保安系统同时启动，所有突发信息都会连接到你所设定的通信终端上； 当你踏进家门时，自动记忆模式启动，舒适的温度，适宜的湿度，喜欢的音 乐在等着你未来的小区智能化服务管理系统还能实现全面监控、精确优 化、自动维护。 2.4 本章小结本章小结 本章主要介绍了小区智能监控系统的总体设计方案，首先，分析了系统 上海交通大学工学硕士学位论文 第二章 系统总体设计 第 10 页 的整体层次结构和系统组网结构。整个系统包括小区网关、家庭中继器和传 感器/开关设备三层结构，网络上分为家庭内通信网、小区局域网、internet， 并简要介绍了传感器/开关设备如何接入家庭中继器。然后，根据一般监控系 统的特点分析了本系统应该具备的功能。最后，进行了小区智能监控系统应 用场景的分析。 上海交通大学工学硕士学位论文 第三章 家庭中继器设计 第 11 页 第三章第三章 家庭中继器设计家庭中继器设计 3.1 嵌入式嵌入式 arm-linux 系统概述系统概述 嵌入式系统是以应用为核心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪， 适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算 机系统9。嵌入式系统作为一个应用系统，在硬件和软件交替发展的支撑下逐 渐趋于稳定和成熟，嵌入式系统最初的应用是基于8位芯片的单片机。90年代 以后，随着对实时性要求的提高，软件规模不断上升，出现了实时多任务嵌 入式操作系统，并逐步成为主流。嵌入式操作系统具有嵌入式的典型特点： 系统内核很小，具有可裁减性、可扩充性和可移植性，可以移植到各种处理 器上；较强的实时性和可靠性，适合嵌入式应用。这些嵌入式实时多任务操 作系统的出现，使得嵌入式发展前景日益广阔10。 嵌入式arm-linux系统是指处理器采用arm微处理器，操作系统采用 linux内核的嵌入式系统。嵌入式arm-linux系统的一般架构11如图3-1所示。 应用程序 库 高层抽象层 底层接口层 文件 系统 网络 协议 arm处理器及外围设备 应 用 层 linux 内核 硬件 图 3-1 arm-linux 系统的一般架构 fig. 3-1 framework of arm-linux system 嵌入式系统包括硬件和软件两个方面，硬件部分主要由嵌入式处理器和 外围硬件设备组成，而软件部分则主要包括嵌入式操作系统和用户应用程序。 其中硬件部分是嵌入式系统软件环境运行的基础，为嵌入式系统软件运行提 上海交通大学工学硕士学位论文 第三章 家庭中继器设计 第 12 页 供物理平台和通信接口。 软件部分的操作系统通过提供应用程序编程接口(api) 来为应用程序提供必要的底层支持，而应用软件则控制着嵌入式系统的运作 和行为，用于实现对设备的控制、监视或管理等功能。 3.2 家庭中继器开发平台的构建家庭中继器开发平台的构建 3.2.1 微处理器的选型微处理器的选型 总体来说，小区智能监控系统中家庭中继器对处理器的要求不是很高， 使用 arm-linux 嵌入式系统的目的之一就是提高控制逻辑的平台无关性，加 快应用软件的开发进度，其二就是家庭中继器需要分担一部分小区网关的服 务，让实时类服务可以得到更快的自动响应。 目前主流的嵌入式处理器架构有 power pc、 mips、 arm、 x86 等。 其中， arm 是基于 risc 的 32 位体系结构，比较通用12。arm 微处理器目前包括 arm7 系列、arm9 系列、arm9e 系列、arm10e 系列、securcore 系列、 intel 公司的 strong arm、xscale 等多个系列。除了具有 arm 体系结构的共 同特点以外，每个系列的 arm 微处理器都有各自的特点和应用领域。arm9 系列具有高性能和低功耗的特点，适合应用于无线设备、数字消费品、安全 系统等13。结合本系统的实际情况，arm9 系列应该是家庭中继器处理器的 最佳选择。 在小区智能监控系统中，家庭中继器选用的是三星 samsung 出品的 s3c2410 微处理器。这是一款基于 arm9t 内核 16 位/32 位嵌入式微处理器， 运行频率最高可达 203mhz。 s3c2410arm 处理器支持大端和小端模式存储数据，其寻址空间可达 1gb，每个 bank 为 128mb，对于外部 i/o 设备的数据宽度，可以是 8/16/32 位，所有的存储器 bank(共有 8 个)都具有可编程的操作周期，而且支持各种 rom 引导方式，包括 nor/nand flash、eeprom 等14。 3.2.2 操作系统的选型操作系统的选型 目前，越来越多的嵌入式系统采用嵌入式操作系统，尤其是当系统复杂、 要求实现功能多样、能够实现应用层软件跨平台移植时，嵌入式操作系统更 是一个必需。小区智能监控系统的家庭中继器即是一种任务复杂的专用嵌入 式系统，它需要管理家庭内部设备，要具有一定的数据存储功能，还要与小 区网关进行网络通信，分析处理各种指令并控制家庭设备。若采用传统 mcu 上海交通大学工学硕士学位论文 第三章 家庭中继器设计 第 13 页 的前后台系统编写程序，其复杂性可想而知。因此，采用体积小、执行速度 快、具有较好的裁减性、扩展性和可移植性的嵌入式操作系统15成为必然。 目前， 市场上已经有很多成熟的嵌入式操作系统， 如： vxworks、 palm os、 wince 等。它们占据了机顶盒、pda 等绝大部分市场。鉴于小区智能监控系 统对家庭中继器的相关要求和实际需要，选择操作系统时需考虑以下原则： (1) 成本：成本对于嵌入式产品是敏感的，家庭中继器更是这样，一旦普 及，它将分布到每个家庭，成本就成为产品能否被广泛接受的因素之一。 (2) 稳定性：产品的质量是市场占有率的保证，只有性能可靠、稳定的产 品才能获得客户的认可。本系统需要应用在小区安防系统中，这就对安全性、 可靠性具有较高的要求，其稳定性要求就更为严格。 (3) 可定制性和可移植性：由于家庭中继器中资源的有限，所以需要根据 实际需要进行定制，去除冗余部件，充分利用系统有限资源。此外，良好的 移植性可以保证系统部件在不同平台、不同系统上运行而无需做太多的改动， 这对于日后系统的维护或升级也有很重要的意义16。 选用linux作为嵌入式操作系统的优点17： (1) 可以应用于多种硬件平台。linux已经被移植到多种硬件平台，对于 受开销、时间限制的研究和开发项目是很有吸引力的。原型可以在标准平台 长开发，然后移植到具体硬件上，加快软件与硬件的开发过程。 (2) linux可以随意配置而不需要任何许可证或商家的合作关系。 唯一的限 制是开发者必须作对linux社区有益的改动。 (3) 源代码可以免费得到。这是最吸引人的，毫无疑问，这会节省大量的 开发费用。linux就是一个自由、发放的王国。 (4) 优异的网络支持。微内核直接提供网络支持，而不必像其他操作系统 那样要外挂tcp/ip协议包，因为linux本身就是在网络基础上发展起来的。 (5) linux的高度模块化使添加不见非常容易，模块可以动态添加。 (6) linux在台式机上的成功， 也保证了linux在嵌入式系统中的光辉前景。 根据以上的比较分析，linux 操作系统是本系统家庭中继器操作系统的最 佳选择，选用它有利于降低产品成本，提高系统的性价比。在 linux 的版本选 择上，我们采用 linux 最新发布稳定版本 linux2.6。本系统中的家庭中继器将 以arm9系列的s3c2410微处理器和 linux2.6内核作为运行平台， 利用linux 更好地发挥 32 位 arm 处理器的潜力，提高家庭中继器的可靠性和稳定性。 3.2.3 st2410 开发板介绍开发板介绍18 st2410 开发板是优龙公司生产的，以 samsung 公司的 s3c2410 芯片 上海交通大学工学硕士学位论文 第三章 家庭中继器设计 第 14 页 arm920t 体系结构处理器为中央处理单元，具有较强的通讯能力和扩展功 能。主要配置如下： (1) 具有 64m 内存，其中，2m 的 nor flash 和 64m 的 nand flash； (2) 具有两路 uart 串行口，波特率高达 115200bps； (3) 网络接口采用 cs8900q3 芯片的 10m 网口； (4) usb host 和 device 接口各一个； (5) 一个 irda 红外线数据通讯口； (6) 采用 iis 接口芯片 uda1341； (7) 一个 sd 卡接口，可接 256m 的 sd 卡； (8) 具有 lcd 和触摸屏接口； (9) 一个 20 芯 multi-ice 标准 jtag 接口。 st2410 开发板的硬件能够满足系统中家庭中继器的需要，所以在我们的 应用软件开发阶段就采用 st2410 开发板结和 linux2.6.8 内核进行开发的。 3.3 中继器硬件结构中继器硬件结构 小区智能监控系统中， 家庭中继器的硬件是以 s3c2410 微处理器为核心， 外围模块包括：串行接口(uart)及其转换的 rs485 总线接口、以太网接口、 usb host 端口、20 针 jtag 调试接口等。家庭中继器硬件的系统结构框图 如图 3-2 所示。 s3c4210处理器 64m sdram 64m nand flash rs485总线 max3232/3488 以太网控制器 cs8900q3 jtag调试 接口 usb host 电源及外部时钟源模块 2m nor flash 图 3-2 硬件系统结构图 fig.2 structure of hardware 上海交通大学工学硕士学位论文 第三章 家庭中继器设计 第 15 页 其中，sdram 为系统内存；flash 用于存储系统软件和需要掉电保存 的应用软件；串行接口总线用于连接家庭传感器和开关设备，已组成家庭内 部通信网； 以太网接口用于接入小区局域网实现与小区网关的连接通信； usb host 可挂载一些存储介质，以保存一些历史数据；jtag 调试接口用于烧写 系统引导程序、linux 内核和根文件系统；电源及外部时钟源模块为整个中继 器供电，并提供看门狗定时器等。 这是典型的嵌入式硬件最小系统设计， 而基于 arm 处理器的嵌入式硬件 最小系统的设计方案己经比较成熟， 所以在本文中对基本的 arm 接口电路设 计不做过多介绍，按照固定的方案配置即可。本节将对家庭中继器中比较重 要的硬件模块：电源模块、串口/总线模块、以太网模块进行简要介绍。 3.3.1 s3c2410 的硬件结构的硬件结构 s3c2410 微处理器是一款由 samsung 公司为手持设备设计的低功耗、 高集成度的基于 arm920t 核的处理器。 为了降低成本和减少外围器件， 这款 芯片还集成了以下部件： (1) 16mb 指令 cache、16mb 数据 cache； (2) 片上存储器管理单元(mmu)； (3) 外部存储控制器(sdram control and chip select logic)； (4) lcd 控制器(带有 dma 功能)； (5) 8 通道 10 位 adc 和触摸屏接口； (6) 4 通道 dma； (7) 带有外部 dma 请求引脚； (8) 3 通道 uart(irda1.0，16-byte tx fifo and 16-byte rx fifo)； (9) 2 通道 spi； (10) 多主 iic 总线和 iis 总线控制器； (11) sd 接口 v1.0 和多媒体协议 v2.11； (12) 2 通道 usb 主控制器； (13) 1 通道 usb 设备控制器(支持 v1.1)； (14) 4 通道 pwm 定时器和单通道内部定时器； (15) 有看门狗 watchdog； (16) 实时时钟 rtc； (17) 锁相环(ppl)片内时钟发生器； (18) 共有 117 位通用 i/o 口、24 个外部中断源。 s3c2410 微处理器的内部结构框图如图 3-3 所示19。 上海交通大学工学硕士学位论文 第三章 家庭中继器设计 第 16 页 图 3-3 s3c2410 结构框图 fig. 3-3 framework of s3c2410 上海交通大学工学硕士学位论文 第三章 家庭中继器设计 第 17 页 3.3.2 电源模块电源模块 s3c2410 处理器内部采用独立的电源供电方式，内核采用 1.8v 供电，存 储单元采用 3.3v 独立供电，i/o 采用 3.3v 供电。我们设计总电源主要是从外 部稳定输入 5v 电源，对整个家庭中继器供电，如图 3-4 所示。s3c2410 需要 的两路电源1.8v和3.3v可由lm1117-1.8v和lm1117-3.3v三端稳压器获得。 图 3-4 系统整板供电图 fig. 3-4 power supply circuit of system 3.3.3 串口模块串口模块 串口模块使用 max3232 芯片实现 rs-232 串行接口，max3232 电路连 接如图3-5所示。 再使用max3488芯片作rs232/rs485的转化， 可得到rs485 总线接口。 图 3-5 max3232 模块电路图 fig. 3-5 max3232 module circuit 上海交通大学工学硕士学位论文 第三章 家庭中继器设计 第 18 页 3.3.4 以太网以太网 cs8900 模块模块 s3c2410 处理器内部没有以太网功能，所以需要在总线上接一个以太网 控制器，家庭中继器实现中采用 cs8900q3 芯片。如图 3-6，为 cs8900q3 芯 片电路连接。 图 3-6 cs8900q3 电路连接 fig. 3-6 connective circuit of cs8900q3 3.4 中继器底层软件移植中继器底层软件移植 嵌入式系统的特点决定了其开发过程和开发环境同传统的软件开发相比 有着显著的不同。它是一种为满足特定用途所专门开发的系统，因此需要为 特定的硬件平台单独搭建软件运行环境。在 arm-linux 系统中，一般使用 flash 这种固态存储装置来存放最初的引导加载程序(bootloader)、它的配置参 数、内核及根文件系统。图 3-7 为在 flash 中对所有系统组件的安排方式20。 内核根文件系统 引导参数 引导加载程序 图 3-7 flash 中系统各组件安排 fig. 3-7 arrangement of modules in flash arm-linux 嵌入式系统中，共有三部分代码需要烧写，引导加载程序代 码、linux 内核和根文件系统，在文件系统中还包括应用程序。一个典型的 上海