（通信与信息系统专业论文）农村信息化中虹终端交互设备的研究与实现.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 本论文课题来源于山东大学信息学院袁东风教授承担的山东省自主创新成 果转化重大专项“农业信息化关键技术应用一农村信息化终端系统研究 ( 2 0 0 9 z h z x l a 0 1 0 8 ) 和“低成本、低耗能、高可靠嵌入式终端与信息服务平 台 ( 2 0 1 0 z h z x l a l 0 0 1 ) 。在国家政策的扶持下，农村信息化进程不断推进，农 户对新型信息化模式和交互设备的需求日益迫切。山东大学信息学院研发团队针 对当前信息化模式中存在的问题，提出了一种基于云计算、采用“瘦客户端十宽 带网+ 服务器+ 云计算 网络构架的新型模式，彻底打破了当前微软和因特尔的 p c 架构，并取得了很好的示范性应用。 为了保证项目更加贴合用户的实际需求，贴合农村信息化现状，本项目团 队分别组织了多次省内农村信息化调研，获得了颇为丰硕的调研成果，为项目 的大步推进提供了坚实可靠的依据。通过调研结果分析可知，许多农民用户受 限于知识水平和家用电器使用习惯，对常见的鼠标、键盘操作比较困难，针对 这些问题，项目组开发了两款具有自主知识产权的交互设备：嵌入式l i n u x 下 的手写识别系统和红外遥控交互系统。 手写识别系统采用“三星2 4 4 0 + e m b e d d e dl i n u x + q t o p i ag u i + h w 0 0 6 手 写识别芯片 来搭建，硬件接口简单，软件程序模块化实现，开发周期短，实用 性强，便于维护和升级，极大方便了无法使用拼音、键盘输入汉字的用户，在使 用成本，工作量上有着巨大优势。为了使习惯使用家用电视机遥控器的用户可以 顺利操作本系统，项目组开发了另一种输入交互方式：红外遥控交互系统，本系 统有两个部分组成：红外发射系统和红外接收系统。对于红外发射系统，由微控 制器、键盘矩阵、红外发射器以及外围电路等部分组成。对于红外接收系统，由 光电信号转换器、放大器、解调电路、解码电路( 一体化红外接收头) 以及外 围匹配电路。这在后续章节中将会对此做详细介绍。多种输入方式的配合使用， 方便用户自由选择，保障了项目的顺利进行。 关键词：农村信息化；嵌入式l i n u x ；手写板；红外遥控器 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sd e r i v e df r o mt h er u r a li n f o r m a t i z a t i o np r o j e c to fs h a n d o n g p r o v i n c e ”k e yt e c h n o l o g ya p p l i c a t i o ni nr u r a li n f o r m a t i z a t i o n ”( 2 0 0 9 z h z x l a 0 1 0 8 ) a n d ”l o wc o s t ，l o wp o w e r , h i g h - r e l i a b i l i t ye m b e d d e dt e r m i n a la n di n f o r m a t i o n s e r v i c ep l a t f o r m ”( 2 010 z f i z x1a 10 01 ) ，w h i c hi sm a n a g e db yp r o f d o n g f e n gy u a n f o r mi s eo fs h a n d o n gu n i v e r s i t y w i t ht h e s t r o n g n a t i o n a l p o l i c ys u p p o r t ，t h e d 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 yi n r u r a la r e a si sv e r yr a p i da n df a r m e r s d e m a n df o rn e wi n f o r m a t i o nm o d ea n di n t e r a c t i v ed e v i c ei sa l s og r o w i n gr a p i d l y t h e r & dt e a mo fs h a n d o n g u n i v e r s i t y h a v ec o n s t r u c t e dap l a t f o r m b yc l o u d c o m p u t i n g o nw h i c hs o f t w a r ea n dh a r d w a r ea l ed e s i g n e d 、 ，i t i ls e l f - o w n e di n t e l l e c t u a l p r o p e r t yr i g h t s t h e a r c h i t e c t u r ei sb a s e do nt h i n t e r m i n a l ，b r o a d b a n d n e t w o r k s ，s e r v e r s ，a n dc l o u dc o m p u t i n gi nd e a l i n g 诵t l lt h ep r e s e n tp r o b l e m s t h i s m e t h o db r e a k st h ei n f o r m a t i o nm o n o p o l y ( p cm o d e ) m a d eb ym i c r o s o f ta n d i n t e l t h i sp r o j e c th a sm a d ead e m o n s t r a t i o ne f f o r t i no r d e rt og u a r a n t e et h ep r o j e c ta c c o r dw i t ht h er e q u i r e m e n t so fp r a c t i c ea n dt h e c u r r e n ts t a t u so fr u r a li n f o r m a t i z a t i o n ，t h i sp r o j e c tt e a mh a so r g a n i z e ds e v e r a lr u r a l i n f o r m a t i z a t i o ns u r v e y s m a n ys u r v e yr e s u l t sh a v eb e e no b t a i n e di nt h ep a s t ，w h i c h p r o v i d e sf i r mb a s i sf o rt h eg r e a td e v e l o p m e n to fo i l l p r o j e c t w i t l lt h ea n a l y s i so f s u r v e y , w ef i n dt h a tm a n yf a r m e r sa r er e s t r i c t e dt ot h ek n o w l e d g e l e v e l sa n dt h eu s i n g h a b i to fh o m ea p p l i a n c e s t h e yc a nh a r d l yt ou s et h ec o n l l n o nm o u s ea n d k e y b o a r d ，s o t h e p r o j e c t w i l la i ma t s o l v i n gt h e s ep r o b l e m s t w op r o p r i e t a r y i n t e l l e c t u a l p r o p e r t yr i 曲t s i n t e r a c t i v e a r ed e v e l o p e db yt h i st e a m ；t h e r ea r e h a n d w r i t i n gr e c o g n i t i o ns y s t e mb a s e do ne m b e d d e dl i n u xa n di n f r a r e dr e m o t e c o n t r o l l i n gs y s t e m s a m s u n 9 2 4 4 0 ，e m b e d d e dl i n u x ，q t o p i a g u ia n dh w 0 0 6 h a n d w r i t i n g r e c o g n i t i o nc h i pa r ee x p l o i t e dt o c o n s t r u c th a n d w r i t i n gr e c o g n i t i o ns y s t e m t h i s s y s t e mh a ss i m p l eh a r d w a r ei n t e r f a c e ，m o d u l em o d u l a r i z e ds o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o n t h ep e r i o do fd e v e l o p m e n ti ss h o r ta n dp r a c t i c a b i l i t yi s v e r yg o o d ，t h e nt h e s e 2 山东大学硕士学位论文 p r o p e r t i e sa l eg r e a t l yc o n v e n i e n tf o ru s e r sw h o mc a n n o ti n p u tc h i n e s e 、析mp i n y i n a n dk e y b o a r d ，s ot h i ss y s t e mh a sl a r g ec o s ta n dw o r k l o a da d v a n t a g e s i no r d e rt od r i v e u s e rw h oa r eg e tu s e dt ot vr e m o t ec o n t r o l l e rt oo p e r a t et h i ss y s t e me a s i l y , a n o t h e r i n t e r a c t i v ei n f r a r e dr e m o t ec o n t r o l l i n gs y s t e mi s i m p l e m e n t e db yo u rt e a m t h i s s y s t e mi sc o m p o s e do ft w oc o m p o n e n t s ；t h e r ea r ei n f r a r e dt r a n s m i t t e da n dr e c e i v e d s y s t e m s i n f r a r e dt r a n s m i t t e ds y s t e mi sc o m p o s e do fm c u ，i n f r a r e dt r a n s m i t t e ra n d p e r i p h e r a lc i r c u i t s a tt h es a m et i m e ，i n f r a r e dr e c e i v e ds y s t e mi sc o m p o s e do fo p t i c a l e l e c t r i c a l s i g n a lc o n v e r t e r , a m p l i f i e r , d e m o d u l a t i o nc i r c u i t s ，d e c o d i n g c i r c u i t s ( i n t e g r a t e di n f r a r e dd e v i c e ) a n dp e r i p h e r a lm a t c h i n gc i r c u i t s t h ed e t a i l e di n t r o d u c t i o n i sl i s t e di nt h ef o l l o w i n gc h a p t e r s m u l t i p l ei n p u tw a y sa r ec o m b i n e di nt h i ss y s t e m ； t h i sc h a r a c t e r i s t i ci sc o n v e n i e n tf o ru s e rt om a k es e l e c t i o n sa n dg u a r a n t e e st h ec a r r y o u to fo u rp r o j e c t k e yw o r d s ：r u r a ll n f o r m a t i z a t i o n ，e m b e d d e dl i n u x ，h a n d w r i t i n gp a d ，i n f r a r e d r e m o t ec o n t r o l l e r 3 山东大学硕士学位论文 4 符号说明 c i cc h i n ai n t e r n a t i o n a li c ti n n o v a t i o n c l u s t e r i ti n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y e c 2 e l a s t i cc o m p u t ec l o u d s 3 s i m p l es t o r a g es e r v i c e i b mi n t e r n a t i o n a lb u s i n e s sm a c h i n e s c o r p o r a t i o n c e oc h i e fe x e c u t i v eo f f i c e r a d s l a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e s o c s y s t e mo nc h i p g u i g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e c r tc a t h o d cr a yt u b e p w mp u l s ew a v e l e n g t hm o d u l a t i o n u a l 汀u n i v e r s a la s y n c h r o n o u s r e c e i v e r t r a n s m i t t e r , m m u m e m o 巧m a n a g e m e m u n i t t c pt r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l l c d l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y u s bu n i v e r s a ls e r i a lb u s a d c a n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r t e r 1 2 si n t e r - i cs o u n db u s n a n df l a s hn a n df l a s h n o rf l a s h n o rf l a s h e e p r o m e l e c t r i c a l l ye r a s a b l ep r o g r a m m a b l e r e a d - o n l ym e m o 巧 j t a gj o i n tt e s ta c t i o ng r o u p 国家信息通信国际创新 园 信息技术 弹性计算云 简单存储服务 国际商业机器公司 首席执行官 非对称数字用户环路 片上系统 用户图形接口 阴极射线管 脉波调制 通用异步接收发送装置 内存管理单元 传输控制协议 液晶显示器 通用串行总线 模数转换器 一种音频总线标准 一种非易失性存储器 一种非易失性存储器 电可擦除只读存储器 联合测试行动组织 山东大学硕士学位论文 1 1 项目背景 引言 本论文课题来源于山东大学信息学院袁东风教授承担的山东省自主创新成 果转化重大专项农业信息化关键技术应用一农村信息化终端系统研究 ( 2 0 0 9 z h z x l a 0 1 0 8 ) 和低成本、低耗能、高可靠嵌入式终端与信息服务平台 ( 2 0 1 0 z h z x l a l 0 0 1 ) 。 为促进我国信息化建设快速发展，国家信息通信国际创新园( c i i i c ) 在深 入研究国际国内i t 产业发展的基础上于2 0 0 8 年提出了“中国虹计划。该计划 将首先应用在电子政务、教育以及农村信息化建设中，利用“云计算 技术，完 成低成本、低能耗、高可靠的信息化的示范性应用，解决当前人们进入计算机领 域经济门槛高和知识门槛高的问题，为我国其他领域的信息化建设提供参照【l 】。 “中国虹计划 简而言之，就是让用户把所有数据处理任务都交给“虹 端的服 务器来完成，客户端尽可能地简单，只需完成基本的输入输出功能即可，从而 降低用户的经济成本和维护成本。 “中国虹计划着重解决p c 机“价格门槛高 、“知识门槛高 等问题，利 用“云计算 技术，实现服务器共享，大大降低了成本，使电脑变成普通家电， 同时回避开p c 的核心技术问题和知识产权问题，探索出了一条低成本高可靠的 中国信息化道路。“中国虹计划 解决了病毒问题，“中国虹计划 使得用户端无 可攻之处，服务器有强大软件工具和专业人士看守，减少中毒的几率。“中国虹 计划 解决了盗版问题。应用软件安装在服务器端，很容易查盗版，有利于保护 知识产权。“中国虹计划”解决了p c 知识产权问题。“中国虹计划 与p c 无关， 从此彻底摆脱微软、英特尔等i t 巨头对知识产权的控制。在普及信息化的同时， 催生出具有中国自主知识产权的巨大的、新兴的信息产业链。 “中国虹计划”在农村信息化中的应用已获得山东省自主创新成果转化重大 专项立项支持，并已取得阶段性的成果。山东山大鸥玛软件有限公司、山东大学 项目团队自主研发的低成本、高可靠、交互式信息终端与信息服务平台在项目演 山东大学硕士学位论文 示论证会上获得了与会专家的一致好评。目前“中国虹计划”在农村信息化中的 应用项目己申请国家发明专利1 3 项。 基于“中国虹计划”在农村信息化领域取得的重大成果，将继续以教育信息 化、电子政务信息化、农村信息化为应用场景，进一步推进中国各领域信息化进 程。在政府单位、学校、农村进行试点示范，完善信息服务体系，并建立反馈机 制，不断改善系统的稳定性，增强用户体验，逐步推广“中国虹计划 在各信息 化领域的应用。与i b m 等国际厂商合作，利用“云计算”技术，在集成创新等 方面申请国家发明专利，建立行业标准，提升中国i t 厂商的核心竞争力，推动 中国i t 业的蓬勃发展。 “中国虹计划”利用“云计算( c l o u dc o m p u t i n g ) 和物联网技术，实现完 善的信息化服务平台。 云计算( c l o u dc o m p u t i n g ) 【2 】【3 【4 】，是一种新兴的共享基础架构的方法， 可以将巨大的系统池连接在一起以提供各种i t 服务。a m a z o n 为为企业提供计算 和存储服务，设计开发了弹性计算云( e c 2 ) 和简单存储服务( s 3 ) 。g o o g l e 目 前是云计算运作较为成功的使用者。i b m 在2 0 0 7 年1 1 月推出了“蓝云 计算平 台，微软也推出了w i n d o w s 妣操作系统应应对云计算的发展。云计算在我国 的发展也比较迅速。i b m 于2 0 0 8 年在北京成立了i b m 大中华区云计算中心；阿 里软件在2 0 0 8 年与南京市政府签订的2 0 0 9 年战略合作框架协议中提出，要在南 京建立国内首个“电子商务云计算中心”；中国移动研究院做云计算的探索起步 较早，已经完成了云计算中心试验。中移动董事长兼c e o 王建宙认为云计算和 互联网的移动化是未来发展方向。 在“物联网【5 】这个全新产业中，我国科技研发能力已处于世界前列，具 有很大的影响力。中科院在2 0 0 0 年左右就启动了传感网研究，与其它国家相比 具有同发优势。该院组成了2 0 0 0 多人的团队，先后投入数亿元，在无线智能传 感器网络通信技术、微型传感器、传感器终端机、移动基站等方面取得重大进展， 目前已拥有从材料、技术、器件、系统到网络的完整产业链。在世界传感网领域， 中国与德国、美国、韩国一起，成为国际标准制定的主导国之一。 “中国虹计划的整个实施过程中，将会构建一个新型的中国信息化产业链， 包括核心技术、专利申请、形成标准、芯片制造、整机系统制造、产业信息化等 6 山东大学硕士学位论文 各个环节。“中国虹计划 项目计划产生发明专利1 5 项，自主知识产权领域涵盖 了电子制造、嵌入式软硬件开发、信息安全、专用集成电路设计等。由于本项目 是对中国信息化模式的一个全新探索，其中形成的自主知识产权还有望经过实践 的验证后形成国内统一的产业标准，这对于中国在世界信息化领域里话语权的提 升具有重要意义。“中国虹计划 的实施过程中，将会研制出具有自主知识产权 的芯片以及嵌入式软硬件，经过企业的产业化后，将带动一大批嵌入式产品应用、 专用集成电路设计、新型电视机研发、“云计算 服务器研发、国产操作系统开 发、专用计算机软件销售、网络运营、芯片和整机系统制造、嵌入式软硬件开发 等产业的发展，能够为我国i t 企业带来新的商机和良好的机遇，为我国增加税 收和解决就业问题提供了有效途径，提升了我国i t 产业的企业品牌竞争力，带 动了我国民族品牌的崛起。“中国虹计划的示范及推广将彻底改变原来社会公 共领域的信息获取渠道几乎都依赖于国外设备的局面，廉价的终端将使更多的人 能够及时从互联网上获取到有用的信息，同时，将对我国的信息安全的监管产生 巨大的推动作用。 1 2 农村信息化国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 世界农业信息技术的发展已经进入农业数据库开发、网络和多媒体技术应用 和农业生产自动化控制等的新发展阶段。根据报道，在农业信息技术方面处于世 界领先地位的国家有美国、德国、日本等。韩国、印度、印尼等国家推进农村信 息化建设也有许多可供借鉴的经验。 在发达国家，信息技术在农业上的应用领域包括：农业信息获取及处理、农 业生产系统模拟、农业生产管理、农业专家系统、农业决策支持系统、农业计算 机网络等。农业中所应用的信息技术包括：计算机信息存储和处理、虚拟现实、 通讯、网络、人工智能、多媒体、遥感、地理信息系统、全球定位系统等。 农业信息化不仅使美国、日本等国农业的原有优势得到越来越充分的发挥， 而且使其原有的劣势逐步消失，极大地增强了这些国家农业生产的实力和农产品 的国际竞争力。“农业丰则基础强，农民富则国家盛，农村稳则社会安 的要求 7 山东大学硕士学位论文 指出，加快我国农村信息化发展工作迫在眉睫。 1 2 2 国内研究现状 与国外相比，我国将信息技术应用于农业较晚，始于2 0 世纪8 0 年代初。经 过2 0 多年的发展，目前全国9 7 的地市和8 0 的县级农业部门都设有信息 化管理和服务机构，农村信息员发展到1 8 万人，初步建立起从上到下的农村信 息化队伍【7 】。覆盖省、地、县、乡的农业信息网络平台初具规模，初步建立起 以中国农业信息网为核心、集2 0 多个专业网为一体的国家农业门户网站，全国 有3 0 0 0 多个网站与此建立了链接，日均访问量近2 0 0 万次。全国3 1 个省级农 业部门、8 0 左右的地级和4 0 左右的县级农业部门建立了局域网和农业信息 服务网站。全国4 1 的乡镇农村信息服务站有计算机，并可以上网【8 】。国内在 农村信息化建设方面，能够通过互联网获得市场和技术信息的农村家庭只有 5 1 。 因此，从全国情况来看现代网络技术在农村的普及仍需要进一步的工作来推 进；农民经济实力较低，文化素质也普遍偏低，没有多余的财力添置奢侈的农村 信息服务设备并支付较高的运转费。由此看来，如何让需要农业信息的广大农民 获得廉价的信息服务，是农业是否快速发展的关键。而就目前国内市场来看，在 农村低成本信息服务设备的研制情况还是一片空白。因此，低成本、高可靠、交 互式农村信息化系统建设方案旨在面向广大农民，改变农村现有信息闭塞的情 况，推进农村信息化进展。 1 2 3 山东省具有良好的农村信息化技术基础 农业科技实力处于全国前列，拥有一批国家级工程技术研究中心、农作物改 良分中心、重点实验室和农业科技示范园区。山东省委、省政府投资1 0 多亿元 建立了农村党员干部现代远程教育网络体系和农业与农村信息综合服务平台，是 科技部与工业和信息化部星火科技1 2 3 9 6 信息服务试点省。全省l7 个地市均建 立了市级农业信息中心，1 3 9 个县级信息服务平台和1 2 1 8 个乡镇信息服务站全 部接入了互联网，形成了覆盖全省，以市、县网络为骨干，贯通乡镇、农业龙头 企业和部分村、户的农村信息网络体系。建设开通了山东农业科技信息网、山东 星火计划网、山东农业信息网等各类涉农网站1 2 1 4 个。信息服务内容涵盖了农 8 山东大学硕士学位论文 业生产领域、农产品流通领域和农村管理领域，对促进全省农村发展、农业增效、 农民增收发挥了重要作用。 山东省硬件设备也已经具备一定的基础条件： 1 ) 宽带网普及率2 2 6 ( 2 0 0 9 年1 月统计结果) ： 2 ) 电话线( a d s l ) 通村率为1 0 0 ，入户率超7 0 ( 首选方案) ； 3 ) 有线电视网通村率达9 0 以上。 1 3 农村信息化的必要性 1 3 1 应用需求 网络为我们的工作和生活带来了巨大的便利，在农村，农作物的种植、病虫 害防治、销量、价格和需求等问题是农民关注的重点。但由于普通p c 机的价格 较贵和操作复杂，同时受到农民知识水平和经济条件的制约，在农村计算机的普 及率很低。经过市场调研得知，广大农民迫切需要的是一种价格低廉、操作简单、 性能可靠的高性价比终端设备。 1 3 2 供需矛盾 目前市场上适合农民( 收入、文化水平较低) 的上网终端还没有。一般的普 通p c 、上网本价格在2 0 0 0 - 4 0 0 0 元之间，而且网络费用的高开支，农民难以承 受。实现低成本易操作的网络终端、实现服务内容贴合用户需求等关键技术也是 高性价比终端的主要瓶颈。缺少高性价比的解决方案，供需矛盾突出。 1 4 农村信息化的意义 近两年以来我国农村信息化步伐不断加快，中央“一号文件 首次将加快农 业信息化建设作为单独一个条目，进行全面部署和安排。各级政府纷纷制定出各 种以信息手段支农惠农的配套政策和举措来缩小城乡差距。推进农村信息化已成 为新农村建设的一个重要组成部分，因而本系统立项意义深远：首先，该方案是 实现传统农业向现代农业跨越式发展的重要手段；其次，该方案是统筹城乡、建 设社会主义新农村的重要手段；第三，该方案是构建优质高效农产品市场、促进 9 山东大学硕士学位论文 农民增收的强大动力。 可见，低成本、高可靠、交互式农村信息化系统建设方案可以方便农户实现 简洁，安全，费用低廉的网络接入，彻底改变过去城里居民一天接收的信息量超 过了农村村民一年的信息获取量的局面，对提升农村信息化建设具有重大意义。 1 5 论文各部分的内容安排 本论文各部分安排如下： 第一章：前言。本章主要介绍了项目中虹计划一中国虹计划项目建设的背景 和现实意义，并且对虹计划中农村信息化建设的方案进行了一些简要介绍。 第二章：虹终端及交互式设备。本章主要介绍虹终端的硬件结构以及两种交 互式设备的概况：手写识别系统和红外遥控输入技术；简要介绍两种输入方式的 软硬件构成及各自的使用特点； 第三章：手写识别系统。本章主要介绍了手写识别系统的硬件构架和软件模 块，着重介绍了手写识别系统的软件原理和架构。 第四章：红外遥控交互系统。本章主要介绍了红外遥控的硬件构架和软件模 块，详细阐述了红外遥控驱动程序，解码应用程序，以及虚拟键盘的映射操作。 第五章：结论与展望。本章节的内容是对本片论文的工作进行了总结，对其 中遇到的问题和开发难题做了解释，并对下一步研究做了展望。 1 0 山东大学硕士学位论文 第二章虹终端及交互设备 在项目实施前期，山东大学信息学院组织全院3 0 0 多名学生，在全省1 7 个 地市进行了全面详细的农村信息化调研，得到丰富的、一手用户需求报告。根据 调研问卷和实地调研报告( 详细见调研问卷结果汇总和东营市农村信息化 调研报告) 9 】，可知：如表2 1 所示： 调研中发现的问题本项目要达到的目标 手写板、遥控器输入，易交 使用键盘输入信息，很不方便 互、操作简单 终端只预装w e b 浏览器，远 终端机质量不好，经常需要维 修 程故障诊断，一键恢复，可靠性 终 高 由于农村电视屏幕较小，分辨界面及图文适合电视分辨 端 率低，阅读文字比较困难率，可读性高 设 实现终端系统对农户提供农 产品电子交易频道、农产品市场 备 行情频道、农业技术培训服务频 信息提供内容单一道、专家互动频道、生活服务频 道、党员教育频道、专题频道( 因 地制宜：棉花，玉米，畜牧等) 等 表2 1 东营市农村信息化调研表 针对用户提出的问题，由山东省科技厅、c i i i c 、山东大学等组成的项目团 队研发低成本、高可靠、交互式农村信息化系统，通过理论和技术上突破性创新 研究，形成具有自主知识产权的产品，创建新的农村信息化系统知识产权体系。 “中国虹计划 简而言之，就是让用户把所有数据处理任务都交给“虹 的服务 器端来完成，客户端尽可能地简单，只需完成计算机的基本输入输出功能即可， 从而降低用户的经济成本和维护成本。本系统为“瘦终端+ 宽带网络+ 服务器”， 系统构架如图2 1 所示： 山东大学硕士学位论文 l ，1 1 1 服务器集群 卜一 。i i f i ，- 图2 1 中国虹计划系统框架 如图2 2 所示，本系统将从四大层次来实现系统方案。 1 ) 终端接入层。终端产品采用嵌入式体系构架，价格低廉，外围接口丰富， 交互性强，操作简便，能够满足广大农民文化生活的需求； 2 ) 异构网络层。系统采用异构网络构架系统平台，结合有线与无线网络技 术，满足用户高并发性的访问请求； 3 ) 信息处理层。采用“云计算 技术满足海量信息处理要求，通过病毒防 护、信息过滤等方式，保证系统安全可靠运行； 4 ) 信息服务层。在系统研发与方案实施过程中，以信息服务的内容为依据， 建立具有自主知识产权的信息产业化系统。 山东大学硕士学位论文 暑皇皇皇詈皇詈喜詈曼暑鲁i , l ：p i l li i r i 皇曼鼍 图2 2 中国虹计划层次方案 对于系统终端和接入网络的要求如下： 1 ) 终端采用嵌入式系统，终端仅完成显示和上网浏览等简单数据处理 功能，其余大量的数据处理和操作均由服务器端完成，创建一种新的低成本、交 互式、易操作的上网终端模式； 2 ) 网络采用现有的a d s l 和光纤网络。 2 1 虹终端硬件设备 从用户调研反馈问题出发，项目组设计了具有具有低成本、高可靠、高性价 比的终端，终端采用具有数字多媒体处理功能的高性能3 2 位嵌入式s o c 芯片和 开源的嵌入式l i n u x 操作系统，成本低廉，性能稳定，性价比高。终端固化基于 嵌入式l i n u x 操作系统的w e b 浏览器，通过w e b 浏览器与服务器进行交互，从 而使用户享受服务器提供的庞大资源和精准、迅捷的信息服务。 其具体性能如下： 1 ) 低成本：终端成本低，网络运行成本低( 需要电信、电视网运营商提供 政策优惠) ； 2 ) 高可靠性，易操作，界面友好；系统采用专用定制的嵌入式l i n u x 操作系统， 无中毒风险；除了常见的标准键盘、鼠标输入输出方式外，同时还配备手写板输 入，红外遥控器输入等，易于操作；采用著名的嵌入式开源g u i q t o p i a 作为系 1 3 山东大学硕士学位论文 统的图形界面，界面友好。 3 ) 易维护。服务器有强大软件工具和专业人士看守，应用软件安装在服务 器端，便于维护，同时容易查盗版，有利于保护知识产权。 虹终端设备采用多种输入输出方式相匹配，如图2 3 所示，用户可以根据自 己的使用习惯混搭不同的设备来满足自己的使用需求。在输入方式上，除了标准 的键盘、鼠标输入外，对于文化程度不高，键盘打字不方便的用户可以使用我们 自行开发的手写输入或者红外遥控器输入方式。对于显示设备的匹配，本终端除 了支持常见的c r t 、液晶显示器外，对家用电视机的支持也非常完美，做到很 好的现实效果，用户可以使用家用电视机作为显示设备接入网络，大大节省了网 络接入的成本。 多种输出方式 2 1 1 处理器模块 图2 3 虹终端交互设备 终端 本终端硬件平台的主控制器采用三星$ 3 c 2 4 4 0 a 微处理器，主频4 0 0 m h z ， 可倍频至5 3 3 m h z 。标配6 4 m 内存，1 2 8 mn a n df l a s h ，配有1 0 m1 0 0 m 网口， 1 4 山东大学硕士学位论文 一个五线异步串口，一个三线串口，音视频接口，t v v g a 显示接口，此外还有 各种扩展接口，如温度、红外、摄像头等【1 0 】。移植内核版本为2 6 2 8 的嵌入式 l i n u x 操作系统。系统硬件结构如图2 4 所示t 图2 4 $ 3 c 2 4 4 0 a 硬件结构图 处理器体系构架采用基于a r m 9 2 0 t 内核的3 2 位嵌入式s o c 处理器， 0 1 3 u r nc m o s 标准单元和存储单元复合体。其功耗小，设计简单、性能稳定，接 口丰富，具有较多的m e m o r yb a n k ，有利于扩展和外围设计。加强的a r m 体系 结构m m u 用于支持嵌入式l i n u x 操作系统，指令高速存储缓冲器( i c a c h e ) ， 数据高速存储缓冲器( d c a c h e ) ，写缓冲器和物理地址t a gr a m 减少了主存带 宽和响应性带来的影响。a r m 9 2 0 t 实现了m m u ，a m b a 总线和哈佛缓存体系 构架。 a r m 9 2 0 tc p u 内核支持a r m 调试体系结构，内部采用高级微控制总线 ( a m b a ) 体系结构( a m b a 2 0 ，a h b a p b ) 。基于先进的a m b a 总线构架，l c d ， u s b ，c a m e r ai n t e r f a c e ，m e m o r yc o n t r o l l e r ，n a n df l a s hc o n t r o l l e r ，i n t e r r u p t 等都 挂在a h bb u s 上，而其余的一些外设都通过b r i d g e 挂在a p b 上【11 】。 终端系统管理： 支持大端模式和小端模式； 寻址空间：1 2 8 m b p o a r t k ( 共1 g 字节) ； 山东大学硕士学位论文 b a n k 中0 号到6 号采用固定的起始寻址，7 号具有可编程的起始地址和大小； 8 个存储器中6 个适用于r o m ，s r a m ，另2 个适用于r o m s r a m 和同步 d r a m ： 所有的存储器b a n k 都具有可编程的操作周期； 支持n o r n a n df l a s h ，e e p r o m ，或其他r o m 引导。 终端处理器的硬件实现： 1 、终端开机启动模式的设计。 支持从n a n d f l a s h 、n o r f l a s h 以及4 k b 内部缓冲器进行启动引导。 2 、时钟和电源管理设计。 为不同情况下的系统提供不同功耗设计；电源可以设置为正常，慢速，空闲 和掉电模式 操作u s b 主机设备的时钟由u p l l 产生； 3 、工作电压与工作频率。 采用l m l l l 7 c t l 8 c t 3 3 两款芯片为系统供电；内核为1 8 v 供电，存储器 和i o 口为3 3 v 供电。 操作频率最高可达2 6 6 m h z 。通过软件控制内部p l l ，达到系统所需频率。 4 、j t a g 及复位逻辑。 j t a g 是i e e e 用于检测p c b 和i c 芯片的一个标准，即i e e e l1 4 9 1 - 1 9 9 0 。 通过这个标准，可对具有j t a g 接口的芯片的硬件电路进行边界扫描和故障检 测。j t a g 编程方式是在线编程，传统生产流程中先对芯片进行预编程现再装到 板上的方式因此而改变，简化的流程为先固定器件到电路板上，再用j t a g 编 程，从而大大加快工程进度。j t a g 接口可对p s d 芯片内部的所有部件进行编 程【1 2 】。 复位电路采用专用复位芯片m a x s l l 复位，稳定可靠。 2 1 2 网络功能模块 基于嵌入式l i n u x 的智能信息终端可以兼容几乎所有的网络协议，包括t c p 、 u d p 、t e l n e t 、s s h 等。本终端提供1 0 1 0 0 m 自适应以太网接口。针对不同地域 的网络接入方式的差异，信息终端设计支持a d s l 、以太网接入形式，用户借助 终端强大的网络功能，通过浏览器与信息服务中心交互，其支持网页的浏览，网 1 6 山东大学硕士学位论文 站媒体的下载播放，网站与终端的信息交互、语音的双向传输等。可以极大满足 农民网络信息查询、文字信息交互等多种形式的上网要求。 ， 本终端设计实现的内嵌于l i n u x 操作系统中的稳定可靠的w e b 浏览器，作为 用户交互的核心，是本方案设计重点之一。w e b 浏览器主要通过h t t p 协议连接 网页伺服器而取得网页，h t t p 容许网页浏览器送交资料到网页伺服器并且获取 网页。本终端设计提供的网络功能，为实现低成本、高可靠的终端设计要求，设 计采用开源的q t 开发工具，开发满足用户需求的稳定流畅的w e b 浏览器，实现 与服务器交互和资源共享。本终端设计提供的网络应用服务如下： 1 ) 网络通信。l i n u x 对i n t e m e t 访问提供强大的网络支持。用户通过终端内 置的浏览器可以通过i n t e m e t 网络与世界上的其他人进行自由、高效的文字、语 音等方面的通信； 2 ) 文件传输。通过嵌入式l i n u x 中的网络命令以及一些开源技术，用户只 要通过简单的操作即可以完成网络信息和文件的传输； 3 ) 远程访问。信息终端不仅提供便捷的文件和程序的传输功能，还为系统 管理员和技术人员提供了访问其他系统的窗口。通过这种远程访问的功能，一位 技术人员能够有效地为多个终端服务，即使那些终端位于相距很远的地方； 4 ) 多媒体传输。支持支持标准r t s p ( 实时流媒体协议) ，r t p ( 实时传输协 议) 、r t c p ( 实时传输控制协议) 和s d p ( 媒体描述协议) ； 终端网络部分硬件电路为1 0 0 m 以太网接口，采用1 0 m 1 0 0 m 自识别芯片 d m 9 0 0 0 。“d m 9 0 0 0 快速以太网控制处理器配备有标准1 0 m 1 0 0 m 自适应，1 6 k 大容量的f i f o ，4 路多功能g p i o ，掉电保护，全双工工作模式等功能。由于数 据是以猝发形式收到的，d m 9 0 0 0 还集成有接收缓冲区，以便在接收到数据时能 把数据放到这个缓冲区中，然后由数据链路层直接从该缓冲区里取走数据。通过 在链路层开发设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡，处理与电缆的物理接 口细节数据，完成底层网络包数据的传输” 5 5 。 2 1 3 信息交互功能模块 农民用户一般文化水平较低，故须提供简单明了的交互方式，尽量降低农民 用户使用终端的难度。农民用户通过红外遥控器、手写板等方式输入文字信息， 通过麦克风输入语音信息等方式完成信息查询、与专家对话等功能，从而使农业 1 7 山东大学硕士学位论文 专家可以更有效的为农户提供远程服务，指导农业生产、解决病虫害防治，提供 突发自然灾害的补救措施等，有效提高农村生产效率。 1 ) 输入方式。鼠标、键盘( 针对熟悉电脑操作的用户) ；手写板、红外遥控 器( 针对不熟悉电脑操作的用户) ； 2 ) 输出方式。v g a 显示( 可接普通计算机显示器) 、a v 显示( 可接普通具有 a v 接口的电视机) 、l c d 触摸显示屏( 用于移动终端) ； 3 ) 农民用户通过语音方式与专家直接对话，实现实时的语音聊天，满足语 音交互要求。 通过处理器8 通道1 0 位c m o s 模数转换器模拟输入完成触摸屏输入的功能。 转换器将输入的模拟信号转换为1 0 位的二进制数字代码。在a d 转换器时钟下 ( 2 5 m h z ) ，转化速率可达到5 0 0 k s p s 。a d 转换器支持片上采样和保持功能， 同时支持掉电模式。触摸屏接口电路由触摸屏，4 个外部晶体管和一个外部电压 源组成。触摸屏控制接口包括一个外部晶体管控制逻辑和具有中断产生逻辑的 a d c