（检测技术与自动化装置专业论文）基于linux的嵌入式数字家居服务器的研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 随着计算机技术和电子技术发展，尤其是网络技术和通信技术的突飞猛进，家庭智 能化、数字化和信息化越来越受到人们重视。家庭网络系统是家庭智能化领域的一个重 要研究课题。只有建立起智能化家庭网络系统才能满足家庭数字化和信息化要求，为人 们提供更舒适、更智能的家庭生活空间。 家庭网络系统是以家庭为单位，运用多元信息技术，使家庭内所有电气设备网络化， 并运行在统一开放的技术平台上，对内实现设备互联、互通，对外实现家庭内部网络和 i n t e m e t 公众通信平台相连接。嵌入式数字家居服务器实现家庭内部网络和外部通信网络 之间的数据交换功能，负责家庭内设备的管理和控制，因此，它成为实现智能化家庭网 络系统的核心和关键。 本课题是在家庭网络系统的技术背景下，研究设计基于l i n u x 操作系统的嵌入式数 字家居服务器。嵌入式系统具有体积小、成本低、可靠性高、稳定性强及功耗低等优点， 符合嵌入式数字家居服务器的性能要求；而l i n u x 操作系统具有开放源代码、可移植性 好、网络支持完备的特点，成为嵌入式数字家居服务器软件开发的首选。l i n u x 操作系 统在嵌入式数字家居服务器软件平台上的设计不仅实现了嵌入式数字家居服务器的功 能，而且可以将该软件平台移植到其它系统平台上来进行嵌入式产品的开发。 本论文以l i n u x 操作系统在嵌入式数字家居服务器上的实现为重点，阐述了其中关 键技术问题及解决方法，内容主要分为七部分。第一章在家庭网络系统技术背景下，介 绍了嵌入式数字家居服务器、嵌入式系统和l i n u x 操作系统的概念，依据国内外研究现 状和发展趋势，确定了研究内容和意义；第二章在建立家庭网络体系结构和分析嵌入式 数字家居服务器功能的基础上，确立了嵌入式数字家居服务器的总体设计；第三章分析 了嵌入式数字家居服务器硬件设计，为l i n u x 操作系统的移植提供平台；第四章在搭建 嵌入式l i n u x 开发环境的基础上，研究启动代码在硬件平台上的移植；第五章研究l i n u x 操作系统在硬件平台上的实现，针对嵌入式数字家居服务器的硬件平台特点对l i n u x 内 核进行分析与移植，根据嵌入式数字家居服务器数据存储传输的特性建立 r 锄d i s k + j f f s 2 文件系统；第六章研究动态w e b 服务器的建立和嵌入式数字家居服务器 远程监控软件的设计，实现嵌入式数字家居服务器协议转换、远程监控和管理功能，并 进行测试评定；最后对嵌入式数字家居服务器的研究作了总结与展望。 山东建筑大学硕士学位论文 嵌入式数字家居服务器的研究设计为家庭内部控制网络的实现奠定了基础，促进智 能化家庭网络系统的开发和应用，推动智能家居产业的进一步发展。 关键询：嵌入式数字家居服务器，l i n u x 操作系统，w e b 服务器，远程监控 山东建筑大学硕士学位论文 r e s e a r c ho ft h ee m b e d d e dd i g i t a lh o m es e r v e rb a s e do nl i n u x l i uy u a n ( d e c t i o nt e c h n o l o g y & a u t o m a t i o ne q u i p m e n t ) d i r e c t e db yd u a nc b e n x u a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yt h ea d v a n c e r a p i d l yo fc o m m u n i c a t i o na n dn e t w o r kt e c h n o l o g y , p e o p l ea r ed r a w i n gi n c r e a s i n g l ya t t e n t i o n t ot h ei n t e l l i g e n t 、d i g i t a la n di n f o r m a t i o no fh o m e h o m en e t w o r ks y s t e mi sa ni m p o r t a n t r e s e a r c hs u b j e c ti nt h ei n t e l l i g e n th o m e t h ei n t e l l i g e n th o m en e t w o r ks y s t e mc a ns a t i s f yt h e r e q u i r e m e n t so fd i g i t ma n di n f o r m a t i o n a lh o m e ，a n dp r o v i d ep e o p l ew i t h m u c hm o r e c o m f o r t a b l ea n di n t e l l i g e n tl i v i n gs p a c e t h eh o m en e t w o r ks y s t e mw h i c ht u n s0 1 1a l lu n i f o r ma n do p e nt e c h n o l o g yp l a t f o r mt a k e s ah o m ea sau n i ta n da p p l i e sm u l t i - i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yt oh a v ea l lo fe l e c t r i c a le q u i p m e n t s n e t w o r k e d t h es y s t e mc a nm a k ei t se l e c t r i c a le q u i p m e n t sc o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e r , a n d a l s oc o n n e c ti t s e l fw i t ht h ep u b l i ci n f o r m a t i o np l a t f o r mb yi n t e m e t t h ee m b e d d e dd i g i t a l h o m es e r v e rw h i c hm a n a g e sa n dc o n t r o l se l e c t r i c a le q u i p m e n t sa l l r i e so u td a t ae x c h a n g e f u n c t i o nb e t w e e nt h ei n s i d eo ff a m i l yn e t w o r ka n dt h eo u t s i d ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r l t h e r e f o r ei ti sak e yt ot h er e a l i z a t i o no fi n t e l l i g e n th o m en e t w o r ks y s t e m u n d e rt h eb a c k g r o u n do fh o m en e t w o r ks y s t e mt e c h n o l o g y , t h ee m b e d d e dd i g i t a lh o m e s e r v e rb a s e do nl i n u xo si ss t u d i e da n dd e s i g n e d t h ee m b e d d e ds y s t e mw h i c hm e e t st h e p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so ft h ee m b e d d e dd i g i t a lh o m es e r v e rh a ss o m ea d v a n t a g e s s u c ha s s m a l lv o l u m e ，l o wc o s t , h i i g hr e l i a b i l i t ya n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o ne t c o w i n gt ot h e c h a r a c t e ro fo p e ns o u r c ec o d e ，g o o dt r a n s p l a n t a t i o na n dc o m p l e t en e t w o r ks u p p o r t ，t h el i n u x o sb e c o m e st h ef i r s tc h o i c eo fs o f t w a r ed e v e l o p m e n to ft h ee m b e d d e dd i g i t a lh o m es e r v e r t h ed e s i g no ft h ee m b e d d e dd i g i t mh o m es e r v e rs o f t w a r ep l a t f o r mb a s e d0 1 1l i n u xo sc a nn o t o n l yr e a l i z et h ef u n c t i o no ft h ee m b e d d e dd i g i t a lh o m es e r v e rb u ta l s ot r a n s p l a n ts o f t w a r e p l a t f o r mt oo t h e rs y s t e m si no r d e rt od e v e l o pt h ee m b e d d e dp r o d u c t s i nt h ep a p e r , t h ei a n u xo st r a n s p l a n t a t i o no nt h ee m b e d d e dd i g i t a lh o m es e r v e ri s i n 山东建筑大学硕士学位论文 e m p h a s i z e d ，a n ds o m ek e yt e c h n o l o g yp r o b l e m sa n ds o l u t i o n sa r ed i s c u s s e d t h ec o n t e n t i n c l u d e7p a r t s i nc h a p t e ro n e ，t h ec o n c e p to ft h ee m b e d d e dd i g i t a lh o m es e r v e r , t h e e m b e d d e ds y s t e ma n dl i n u xo sa r ei n t r o d u c e du n d e rt h eb a c k g r o u n do fh o m en e t w o r k s y s t e mt e c h n o l o g y , a n dt h ec o n t e n ta n ds i g n i f i c a n c ea r ed i s c u s s e da c c o r d i n gt ot h ep r e s e n t s i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n da th o m ea n da b r o a d ；i nc h a p t e rt w o ，t h ee m b e d d e dd i g i t a l h o m es e i v e ri sd e s i g n e dg e n e r a l l yo nt h eb a s eo fe s t a b l i s h i n gt h es t r u c t u r eo fh o m en e t w o r k s y s t e ma n da n a l y z i n gt h ef u n c t i o no ft h ee m b e d d e dd i g i t a lh o m es e r v e r ；i nc h a p t e rt h r e e ，t h e h a r d w a r ed e s i g no ft h ee m b e d d e dd i g i t a lh o m es e r v e rw h i c hp r o v i d e sp l a t f o r mf o rt h el i n u x o st r a n s p l a n t a t i o ni sa n a l y z e d ；i nc h a p t e rf o u r , t h eb o o t l o a d e rt r a n s p l a n to nt h eh a r d w a r e p l a t f o r mi ss t u d i e do nt h eb a s eo fb u i l d i n gt h ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n to ft h ee m b e d d e d s y s t e m ；i nc h a p t e rf i v e , t h er e a l i z a t i o no ft h el i n u xo s o nh a r d w a r ep l a t f o r mi sr e s e a r c h e d t h el i n u xk e r n e li sa n a l y z e da n dt r a n s p l a n t e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h eh a r d w a r e p l a t f o r mo ft h ee m b e d d e dd i g i t a lh o m es e r v e r , a n dt h e r a m d i s k4 - j f f s 2f i l e s y s t e mi s e s t a b l i s h e db yi t sd a t as t o r a g ea n dt r a n s m i t ；i nc h a p t e rs i x ，t h ef o u n d a t i o no fa c t i v ew e bs e r v e r a n dt h er e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs o f t w a r ea r ed e s i g n e di no r d e rt or e a l i z et h e f u n c t i o no fp r o t o c o lc o n v e r s i o n ，r e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n g ，t e s ta n da s s e s s m e n ta b o u t t h ee m b e d d e dd i g i t a lh o m es e r v e r ；i nt h ef i n a lc h a p t e r , t h e r ea r es u m m a r ya n da n t i c i p a t i o no f t h ee m b e d d e dd i g i t a lh o m es e r v e rs t u d y t h er e s e a r c ha n dd e s i g no ft h ee m b e d d e dd i g i t a lh o m es e r v e rm a k e saf o u n d a t i o nt ot h e r e a l i z a t i o no fh o m en e t w o r k i tp r o m o t e st h ed e v e | o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h ei n t e l l i g e n t h o m en e t w o r ks y s t e m ，a n dd r i v e st h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n th o m ei n d u s t r y k e yw o r d s ：t h ee m b e d d e dd i g i t a lh o m es e r v e r , l i n u xo s ，w e bs e r v e r , r e m o t e m o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n g i v 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 取得的成果除文中已经注明引用的内容外，论文中不舍其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明本人承担本声明的法律责任 学位论文作者签名：盔蛰盘 日期 芦哆6 工d 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留，使用学位论文的规定， 即：山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印，缩印或其它手段保存， 汇编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名：塾亟 日期 沙回s ) d 导师签名：缢芏日期兰：里：丝 山东建筑大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 随着计算机技术和电子技术发展，人们的生活水平在不断提高，对家庭居住环境的 舒适、安全、便捷等方面有了更高要求，出现了一系列如家庭自动化、智能家居、网络 家居、数字家居等代表舒适方便生活环境的新概念。家庭自动化、智能家居一般是指实 现对家用电气设备的自动化调节和控制，而网络家居、数字家居则偏重于家庭内部通过 网络对外界信息的获科n 。网络技术和通信技术的突飞猛进，使人们不仅对家居自动化 和信息化程度要求越来越高，而且对家用设备控制的灵活性和对外部信息获取的方便性 有了更高的要求。家庭网络系统正是为了满足人们的这种需求而出现的，只有建立起智 能化家庭网络系统才能满足家庭数字化和信息化的要求，有效的提高家庭生活质量。 家庭网络系统是以家庭为单位，运用多元信息技术，使家电设备、电气设备、通讯 设备网络化，并运行在统一开放的技术平台上，对内实现设备的互联、互通，对外实现 家庭内部网络和i n t e r a c t 等公众通信平台的连接 2 1 2 0 0 5 年6 月2 8 日经国家信息产业部正式批准，我国家庭网络标准工作组发布了家 庭网络系统体系结构及参考模型，将家庭网络分为三个主体：主网、控制子网、网关 3 1 。 主网主要用于传输高速信息，如音视频信息，带宽要求比较高；控制子网用于传输家庭 内的低速信息，如控制信息，带宽相对比较窄；网关是家庭和外部网络连接的主要管理 平台和通道。 本课题是在家庭网络系统的技术背景下研究设计经济实用的嵌入式数字家居服务 器，实现家庭内部网络同外部通信网络之间的数据交换功能，负责家庭内设备的管理和 控制。 1 1 1 嵌入式数字家居服务器 嵌入式数字家居服务器( e m b e d d e dd i g i t mh o m es e r v e r ) 是家庭内部设备通信网络的 核心，也是家庭内部网络与外部网络连接的桥梁，是实现智能化家庭网络系统的核心和 关键。 家庭网络系统按照功能可分为家庭信息系统和家庭控制系统两种 4 1 。家庭信息系统 山东建筑大学硕士学位论文 完成家居中的如下功能：提供家庭内部各终端共享接入i n t e m e t ：提供信息家电相互通信 能力；对来自家庭内部和外部的图像、视频、音频及其他媒体信息进行采集、存储、分 配、数字化压缩及解压缩处理等。家庭控制系统实现家居生活和安全方面的功能，在家 居生活方面，将实现对家庭设备的控制、调节和监测，如对室内灯光、空调、窗帘、温 湿度等的控制：在家居安全方面，对家庭中的情况进行实时监控、智能判断和报警，实 现家庭控制和安全服务管理。 嵌入式数字家居服务器作为家庭网络系统的中央控制平台，设置在每个家庭中，是 家庭网络系统的核心单元。家庭用户可以在有i n t e m e t 连接的任何p c 机上，通过浏览器 来操作和控制家庭内的设备，可以对家庭内部的家电、门窗等电气设备进行远程控制， 可以随时监控家庭中的安全情况，并自动报警，可以对水、电、煤气进行自动抄表和自 动结算，省去烦琐的人工抄表，可以随时监测家庭室内c 0 2 含量，温湿度等环境参数， 并进行调节和控制，及时改善家庭的居住环境。 1 1 2 嵌入式系统 目前，对嵌入式系统的定义大多是这样的：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机 技术为基础，并且软硬件可裁减，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【5 1 。嵌入式技术是计算机技术、半导体技术和微电子技术 等多种先进技术的融合。 在后p c 时代，随着计算机技术和通信技术的飞速发展，互联网的迅速普及，3 c 融 合的加速，嵌入式系统已经成为一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识 集成系统。嵌入式系统一般是由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统和用 户应用程序4 个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 嵌入式系统与通用p c 系统相比有以下特点： ( 1 ) 嵌入式系统功耗低、体积小，专用性强。 ( 2 ) 嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片中，执行速度和系统可靠性高。 ( 3 ) 嵌入式系统的硬件和软件都高效地设计，系统精简，对软件代码质量要求很 高。 ( 4 ) 嵌入式系统开发需要专门的开发工具和开发环境。 随着i n t e m e t 技术的普及，嵌入式技术以及高宽带、高服务质量的网络技术发展迅 速，出现了嵌入式系统与i n t e m e t 技术的融合即嵌入式i n t e m e t 技术i 酊。嵌入式i n t e m e t 2 山东建筑大学硕士学位论文 技术集网络技术和嵌入式开发技术于一体，致力于嵌入式系统的i n 钯m e t 接入和互联， 它提供一个分层、动态和分布式的体系结构，使系统能够高效、可靠、便捷地获取网络 资源，实现全球范围内的资源共享。 经过短短十年的技术变革，通信技术也发展迅速，移动通讯系统完成了从模拟到g s m 再到g p r s 、c d m a 的飞跃，向3 g 迈进的趋势也己清晰可见。由此可见，在移动通讯 大范围普及的前提下，移动数据通讯市场正成为电信运营商和设备制造商关注的黄金市 场。网络与通信的结合为人类提供了更强有力的通信手段，成为信息社会人们访问数据 和信息的通用接口。 随着网络、通信技术与嵌入式技术的相互融合，相互促进与发展，种类繁多的嵌入 式设备必成为h t e r n e t 网络体系结构中的一个基本单元，使嵌入式数字家居服务器的开 发成为可能。家庭设备的网络化和数字化越来越多的出现在人们的生活中，它在家庭范 围内实现信息设备、通信设备、娱乐设备、家用电器、自动化设备等的互联和管理，以 及数据和多媒体信息共享，最终实现家庭内部信息与外部信息的交换，通过网络为人们 提供多样化、智能化、信息化的服务。 1 1 3 嵌入式操作系统l i n 眍 嵌入式操作系统是一种实时的、支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式 系统极为重要的组成部分。随着信息技术和微电子技术的迅速发展，嵌入式操作系统使 嵌入式系统越来越小，功能却越来越强，不仅实现了平台化的目标，而且众多的应用软 件模块方便了嵌入式系统的开发。嵌入式h t e m e t 技术正推动着嵌入式操作系统技术快 速发展。 近几年，随着嵌入式系统的广泛应用，嵌入式操作系统也发展飞速，嵌入式操作系 统的发展主要有以下特点i 刀： ( 1 ) 嵌入式操作系统自身的结构设计易于移植，支持较多的嵌入式微处理器，并支 持处理器的不断升级变化所产生的需求。 ( 2 ) 后p c 时代更多的产品使用嵌入式操作系统，他们对实时性要求并不高，如手 持设备等。原来只关注实时操作系统的厂商也纷纷推出各自的解决方案，使嵌入式操作 系统呈现相互融合的趋势。 ( 3 ) 嵌入式系统的强稳定性、高可靠性以及合适的性价比对嵌入式操作系统提出了 更高的要求。 山东建筑大学硕士学位论文 ( 4 ) 嵌入式操作系统的网络化和多媒体化趋势明显，各种新技术、新观念正逐步移 植到嵌入式操作系统。 ( 5 ) 面向定制趋势，可以根据具体应用需要进行裁减，将操作系统的功能和内存需 要定制每个应用所需的系统。 从2 0 世纪8 0 年代开始，市场上就开始了商用嵌入式操作系统和专用操作系统的开 发，目前国际上的嵌入式操作系统有二百多种，比较成熟的商用操作系统主要有 v x w o r k s 、p s o s 、n e c u l e u s 、q n x 、l i n u x 和w m d o w sc e 等。这些操作系统一般都经过 非常严格的测试，对系统的安全性、稳定性提供可靠保证。在所有的操作系统里面，l i n u x 操作系统是发展最快、应用最广泛的。l i n u x 操作系统的易开发、免费开放源代码使其 成为嵌入式操作系统开发的首选。 l i n u x 是一个和u n i x 类似、基于宏内核、多用户多任务操作系统。在仅仅几十年的 时间内，l i n u x 已经发展为一个成熟、稳定的网络操作系统，它具有开放源代码、系统 内核小、效率高、模块化设计、内核网络结构完整等特点，不仅集成了t c p i p 协议，还 有很丰富的其他网络协议和相关的网络应用软件，例如d h c ps e r v e r 、p p p o e 和w e b s e r v e r 等。目前，各种嵌入式l i n u x 操作系统正迅速发展，其巨大的市场潜力和低成本 的开支吸引了众多的厂商进入这一领域。 嵌入式l i n u x 操作系统的免费开放源代码为嵌入式系统的开发大大节省了成本，并 且调试和维护比较容易。它发展速度非常快，受到全世界开发者的广泛支持，以稳定可 靠的性能运行在各种不同类型的处理器上，兼容性好，具有高度的模块化和扩展性，尤 其是在通信和网络功能方面独特的优势，成为嵌入式数字家居服务器软件操作系统开发 的首选。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 目前，多个国际和国内组织都开展了对家庭网络技术和标准的研究。家庭网络系统 随着计算机技术、通信技术的发展而不断更新换代，家庭网络系统应该具备先进的网络 结构和硬件设施，具有一定的技术先进性、成熟可靠性、开放性、兼容性、拓展升级的 功能及合适的性价比i s 。现有的家庭网络系统仍然存在许多问题，已经严重阻碍了信息 化和智能化发展，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 缺乏统一的家庭网络标准。家庭网络标准体系涉及到总体、技术、设备等多方 面，其标准化涉及很多领域。国外从事家庭网络的组织很多，按所处行业不同可以分为 4 山东建筑大学硕士学位论文 四类【9 】：由网络设备商组成的组织，如o s g i 、i h a | 以i t 类厂商为主，如d l n a 、u p n p ； 以家电类厂商为主导，如e c h o n e t ；以家庭自动控制厂商为核心，代表组织是l o n m a r k 。 这些标准组织都从不同侧面推动了家庭网络研究的进展。国内从事家庭网络标准的组织 主要有闪联和e 家佳，闪联标准偏重于高速网络的互联、互通，而e 家佳标准则偏重于 家庭家电控制的互联、互通。目前，各国正努力研制适合本国国情的家庭网络系统，对 家庭网络实现的功能也不尽相同。从国内来看，由于现行标准的制定没有经过系统的实 践和检验，因此显得不够严谨和完善。标准不统一已经成为家庭网络系统进一步发展的 瓶颈。 ( 2 ) 家庭网络系统是集传感器网络、智能信息处理、网络通信等先进技术于一体的 智能综合系统，不是简单的几个子系统的组合。家庭网络系统要经过一个长期不断更新 的过程，这就要求系统必须要有良好的开放性和兼容性，避免在不久的将来出现系统升 级困难，扩展性能低等问题。目前我国家庭网络系统的应用主要体现在安防、门禁方面， 例如社区管理中的红外防盗、摄像监控、车库管理以及电子对讲门禁等涉及控制方面的 内容，这些只是家庭网络中的一部分，离真正的智能化家庭网络系统还有很长的一段路 要走【i o l 。 ( 3 ) 合适的性价比是阻碍家庭网络系统推广的主要障碍。随着数字化和信息化的进 一步发展，高速的数据通信及管理需要较高性能的硬件设备；家庭网络系统需要大量的 信息处理、组网技术，这些关键技术的成本及可靠性直接关系到整个家庭网络系统的推 广。 目前，国内智能化家庭网络系统还处于初级发展阶段，困难重重，但是却显示强劲 的发展态势。纵观智能家庭网络系统的发展与现状，家庭网络系统中的中央控制平台是 实现家庭智能化的技术关键，在物理结构上，作为连接家庭内部网络和外部通信网络的 核心单元主要有三种实现方式【l l 】： 一是基于p c 机的家庭网络系统，p c 提供家庭网络与i n t c r n e ! t 之间的连接，并通过 控制外设提供各种服务。p c 的优势是功能强大灵活，拥有众多软件支持，软件升级方便。 但是p c 并不是专门为家庭网络设计，所以在应用中存在一些局限：功耗较大；成本较 高，如果考虑2 4 小时运行，则对硬盘、电源、主板等很多部件有更高的要求，成本进一 步增加；同家庭网络的交互与控制行为被限制在键盘、鼠标与显示器附近的一个小区域 内，移动性差，很不方便；实时性不能满足某些特殊应用的要求。 二是基于单片机架构的家庭网络控制系统，在实用性、易用性和专业性方面有了很 5 山东建筑大学硕士学位论文 大程度上的提高，功耗低，适合比较简单的应用，扩展性不强；由于主要采用模拟电路 设计，结构相对复杂，稳定性不强；直接对硬件编程，代码重用率低，处理能力不强。 三是基于嵌入式系统的家庭网络系统。嵌入式系统的硬件和软件都是针对特定应用 高效设计的，稳定可靠，可长时间运行；功耗非常低，设备成本和运行成本较低；体积 小，可分布性强；可工作于恶劣的环境中；运行专门的嵌入式操作系统，则具有优秀的 性价比。 基于p c 机的家庭网络控制系统由于实用性很差，正逐步退出市场的竞争，目前大 多数中国智能家居厂商采用的是单片机系统构筑自己的产品，只有一些国外厂商选择了 基于嵌入式的技术方案，基于嵌入式系统的家庭网络控制系统在国内才刚刚出现，随着 嵌入式技术更加广泛的应用，随着成本的逐步降低，中国的智能家居最终将走向嵌入式。 1 3 研究内容及意义 1 3 1 研究内容 本课题是在家庭网络系统的技术背景下，以研究设计经济实用的嵌入式数字家居服 务器为目标，实现家庭内部网络与外部i n t e r n e t 网络之间的数据交换功能，负责家庭内 设备的管理和控制。本论文首先对家庭网络体系结构进行了研究，分析了嵌入式数字家 居服务器要实现的功能，建立了嵌入式数字家居服务器的总体结构设计，然后在分析嵌 入式数字家居服务器硬件平台的基础上，详细阐述了u b o o t 启动代码、l i n u x 操作系统 在嵌入式数字家居服务器硬件平台上的实现以及远程监控应用软件的设计。 全文共分为七章，各章的内容安排如下： 第一章在家庭网络系统技术背景下，介绍了嵌入式数字家居服务器、嵌入式系统和 l i n u x 操作系统的概念，依据国内外研究现状和发展趋势，确定了研究内容和意义； 第二章在建立家庭网络体系结构和分析嵌入式数字家居服务器功能的基础上，确立 了嵌入式数字家居服务器的总体设计； 第三章分析了嵌入式数字家居服务器硬件设计，为l i n u x 操作系统的移植提供平台； 第四章在搭建嵌入式l i n u x 开发环境的基础上，研究实现了启动代码在硬件平台上 的移植； 第五章研究l i n u x 操作系统在硬件平台上的实现，针对嵌入式数字家居服务器的硬 件平台特点对l i n u x 内核进行分析与移植，根据嵌入式数字家居服务器数据存储和传输 6 山东建毓大学硕士学位论文 的特性建立r a m d i s k + j f f s 2 文件系统： 第六章研究动态w e b 服务器的建立和嵌入式数字家居服务器远程监控软件的设计， 实现嵌入式数字家居服务器在智能家庭网络系统中的协议转换、远程监控和管理功能， 并进行测试评定； 第七章课题的总结与展望。 1 3 2 研究意义 本课题研究基于l i n u x 的嵌入式数字家居服务器，在低成本、使用便捷、可靠、可 扩展等方面得到了有效的改善，主要体现在以下几个方面： 充分利用l i n u x 操作系统免费开放源代码的优点，使系统成本降低，运行可靠 稳定，l i n u x 的模块机制使内核保持独立，又易于扩展； l i n u x 操作系统在嵌入式数字家居服务器软件平台上的设计不仅实现了嵌入式 数字家居服务器的功能需求，而且可以将该软件平台移植到其它系统平台上来 进行嵌入式产品的开发； 嵌入式微处理器采用三星a r m 9 系列的$ 3 c 2 4 1 0 芯片，丰富的片上资源与高性 能、高可靠性、低功耗的信息处理能力，降低了嵌入式数字家居服务器硬件成 本，减小体积，提高产品的竞争力； 利用a r m 处理器良好的网络支持性能和l i n u x 操作系统卓越的网络功能，结合 嵌入式i n t e r n e t 技术，通过建立动态w e b 服务器，实现远程监控管理家庭内的 设备。 嵌入式数字家居服务器的实现，将促进智能化家庭网络系统的开发应用，推动智能 家居产业的发展。智能化家庭网络系统使人们跨越时闻和空闻的障碍，享受到数字化、 信息化的生活，因而有着巨大的潜在市场，对于促进国民经济的发展和提高人们的生活 有非常重要的意义。 1 ，4 本章小结 本章在家庭网络技术背景下，介绍嵌入式数字家居服务器、嵌入式系统和嵌入式操 作系统l i n u x 的概念，依据国内外研究现状和发展趋势，确定了课题的研究内容和意义。 7 山东建筑大学硕士学位论文 第2 章嵌入式数字家居服务器的功能与总体设计 嵌入式数字家居服务器是实现家庭内部网络和外部网络连接的中央控制平台。它作 为家庭网络对外的唯一出口，要采集家庭中设备的各种信息，就会涉及到家庭内部网络 的体系结构；嵌入式数字家居服务器要实现与i n t e m e t 的互联，使用户能够远程控制家 庭内的设备，又涉及到嵌入式数字家居服务器的软硬件设计平台。 本章根据目前我国家庭网络系统的现状，建立了家庭网络体系结构模型，在分析嵌 入式数字家居服务器要实现的服务功能基础上，确立了嵌入式数字家居服务器的总体设 计。 2 1 家庭网络体系结构 目前，家庭网络系统按照业务和应用可以分为宽带通信和网络服务、高速信息共享 和影音娱乐服务、家庭智能化和自动化控制服务三种类型【1 2 1 ，它们都与基于t c p i p 协 议的主干网i n t e m e t 相连接，针对不同的信息传输功能及应用，具有截然不同的实时特 性、带宽特性和报文格式。宽带通信和网络服务包括各类电话如m 电话、可视电话等， 另外，随着通信技术的发展，网络办公、远程教育、网络医疗等增值应用和服务将逐渐 走入家庭，它们传输的信息量大。高速信息共享和影音娱乐服务包括电视、音响设备、 播放器、数码摄录相机等设备，它们要求传输的大多是音、视频信号，信号数据量大， 目前大多通过机顶盒与主干网相连接。家庭智能化和自动化控制服务使家居生活更舒适、 便利，主要包括安防报警、远程监控、远程抄表及智能控制等，传输的都是控制信息， 信息量小。 按照数据信息流量的大小，家庭网络系统又分为高速数据网和低速控制子网。高速 数据网用于传输高速信息，带宽要求高，传输信号量大，通讯模块成本高；低速控制子 网用于传输低速控制信息，带宽要求低，大多是少量的控制信息，通讯模块成本低。所 以完整的家庭网络体系结构是集成了不同技术和不同网络类型的复合式网络体系结构。 根据我国当前市场的应用需求，又兼顾到家庭网络系统今后的拓展，本课题建立的 家庭网络体系结构模型采用分布式网络体系结构【1 3 1 ，这种家庭网络体系结构( 如图2 1 ) 具有良好的可扩展性，能够适应家庭应用环境的多样性和多层次需求。 分布式网络体系结构将基于t c p i p 协议的i n t e r a c t 网络作为各种网络互相连接的桥 8 山东建筑大学硕士学位论文 图2 1 家庭网络体系结构模型 梁，这种桥梁作用不仅体现在物理结构上，还体现在协议和接口标准上。如果需要在家 庭网络中增加一种新的信息网络或多媒体网络，只需要设计与i n t e r n e t 网络相连的子网 关，并将其挂接在i i i t c r n e t 网络上即可【1 4 1 。对于家庭网络中的设备来说，一般不是用户一 次购置的，用户在购置了新设备时，只需将该设备作为家庭内部网络的一个子节点，连 接到家庭内部网络上，进行简单的配置就可以进行控制了，也就是说实现设备的“即插 即用”。这一体系结构既考虑了当前的应用需要，又兼顾到家庭网络系统今后的发展，解 决了即插即用、可靠性，可扩展性等关键问题，更符合我国智能家居市场的需求。 在分布式家庭网络体系结构中，嵌入式数字家居服务器作为家庭内部无线控制子网 山东建筑大学硕士学位论文 和外部i n t e r a c t 网络连接的网关，实现家庭智能化和自动化控制，通过网络接口与小区局 域网i n t e r a c t 连接，进而与外部公共电信网相连接，通过r s 2 3 2 接口与无线设备子节点连 接。设备子节点负责对家庭内部网络设各实施控制，执行用户的控制命令，同时通过无 线通讯协议将本地信息传到嵌入式数字家居服务器，它们之间互相连接又互不影响。远 程主机是在i n t o n e t 网络上的任意一台计算机，家庭用户通过远程主机查看家庭内部设备 的状态，并进行相应的控制。 2 2 嵌入式数字家居服务器的功能分析 嵌入式数字家居服务器是家庭控制网络和外部信息网络的信息交换接口，在家庭控 制网络中要实现的功能有： ( 1 ) 支持嵌入式t c p i p 协议和家庭内控制予网络的协议转换【1 5 】。t c p i p 协议是一个 四层协议系统，包括数据链路层、网络层、传输层和应用层，每一层负责不同的功能。 嵌入式t c p i p 协议栈是在嵌入式系统上实现的t c p i p 协议，是嵌入式数字家居服务器和 外部i n t e r a c t 网络通信的协议基础。在l i n u x 操作系统中，t c p i p 协议栈是作为操作系统的 一部分，通过软件实现。家庭内部控制子网采用无线方式通信，嵌入式数字家居服务器 采用串行通信协议与家庭控制子网的节点通信。在家庭内部控制子网中，嵌入式数字家 居服务器作为一个子节点具有和普通家电一样的特点，又具有和外部网络互联的特殊性。 ( 2 ) 支持基于肌p 防议动态w 曲服务器的建立【1 6 1 。动态w 曲服务器是嵌入式数字家 居服务器面向外部通信网络和远程监控用户的窗口，家庭内部各种智能应用终端的信息 和状态均以网页的形式通过w 曲服务器传送给远程监控用户，远程监控用户通过网页以 c g i 形式改变和控制家庭内部网络中各子节点的参数和状态。动态w e b 服务器是指当前应 用最为广泛的以i - h t p 协议和c g i 为基础的网络服务器；w a p w e b 服务器是指以移动电话 为代表的移动终端所支持的无线应用协议为基础的网络服务器，是最为便捷最有前途的 网络服务器；电话控制服务器则是指支持用户通过电话实现对家庭智能终端的监视和控 制的服务程序，这种方式通讯速率较低，且一般只能控制少数家庭网络中的子节点，无 法实现对复杂家庭局域网的有效控制。本课题采用动态w e b 服务器，使嵌入式数字家居 服务器操作简单，使用方便。 ( 3 ) 家庭监控与管理功能是嵌入式数字家居服务器的核心，负责家庭内所有设备的 监控和管理【1 7 1 。家庭设备的监控与管理程序不仅需要根据远程监控用户的指令完成对各 种不同家庭设备的参数设置和控制，而且还要根据各种不同家庭的特性和家居生活的特 山东建筑大学硕士学位论文 点，制定一套有效合理的监控和管理策略，从而给家庭用户提供一个舒适、便捷的生活 环境家庭设备监控与管理是一个涉及技术领域广泛的系统工程，应该根据我国的现实 国情来设计合理的监控和管理软件。 2 3 嵌入式致宇家居服务置的总体设计 课题采用基于l i n u x 的嵌入式系统解决方案，硬件采用三星s 3 c 2 4 1 0 作为嵌入式微处 理器，软件包括在操作系统运行之前启动硬件平台的b o o t l o a d c r 、网络功能强大的l i n u x 嵌入式操作系统和满足家居服务器功能的应用程序。 嵌入式数字家居服务器的总体设计根据系统要实现的功能，可分为三层结构( 如图 2 2 ) ，由下至上分别为： i n te r n e t 协议转换其他 远程监控程序 应用程序 启动代码 l i n u x 2 6 1 4 r a m d i s k + j f f s 2 u b o o t内核 文件系统 j t g 接口u s b 接口 嵌入式 人机接口微处理器存储单元 $ 3