（检测技术与自动化装置专业论文）基于嵌入式linux的智能家庭信息系统的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 智能家庭信息网络是集自动化、计算机、通信技术于一体的“3 c ”系统， 它实现了家庭各种信息设备的集中控制、远程监控及各设备之间的信息交换和 通信。以家庭网关为突破口作为对家庭信息系统的研究，将有可能在以后的竞 争中占据制高点，取得良好的经济和社会效益。 本课题开发的智能家庭信息系统是以实际项目为背景，对基于网络的嵌入 式家庭信息系统进行了研究。其中，家庭网关是论文研究的重点，它是智能家 庭信息系统的核心部分及系统中用来管理各种信息家用电器以及家居设施控制 器最关键的组成部分。 论文充分考虑到家庭信息化网络的现状和未来对多媒体等高速信息流传输 的需求，提出了对多媒体等信息设备采用高速传输的有线i e e e l 3 9 4 标准连接形 成家庭主网；同时考虑到家庭内部各信息家电( 如空调、冰箱、三表三防、甚 至是灯光控制等设备) 的互连、集中控制、远程访问与控制的需求，以及低成 本实现的实际需要和使用灵活性的特点，设计了以中低速传输的无线b l u e t o o t h 技术组成家庭控制子网并与家庭主网连接的家庭网络体系总体结构。 信息系统的硬件核心采用$ 3 c 2 4 1 0 x 开发板并在其基础上扩展了系统所需 的功能模块；其操作系统为针对$ 3 c 2 4 1 0 x 的嵌入式m i z il i n u x 系统，文中给出 了其内核的编译过程，并且针对l i n u x 的实时性不强的问题，提出了一种适合本 系统的r 1 a i + 嵌入式m i z il i n u x 的实时解决方案，以及实现了嵌入式l i n u x 的裁 减、移植并改进了l i n u x 内核。 深入分析了i e e e l 3 9 4 接口标准和无线b l u e t o o t h 组网技术以及它们在将来 的广泛应用。 。 最后，论文深入具体地研究了家庭无线控制子网，通过在开发板$ 3 c 2 4 1 0 x 上对蓝牙协议栈b l u e z 的移植，模拟实现了蓝牙模块与蓝牙手机的连接与互通。 关键字：嵌入式l i n u x 家庭网关b l u e t o o t h 无线控制子网 堇堡塑王盔堂堡主堂垡鲨塞 a b s t r a c t s m a r th o m en e t w o r ki sa ”3 c ”s y s t e mc o n c e n t r a t i n go ff a m i l i e sa u t o m a t i o n c o m p u t e r s ，c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y ，i tr e a l i z e st h eh o m ec e n t r a l i z e dc o n t r o lo f i n f o r m a t i o na p p l i a n c e ，r e m o t es u r v e ya n dc o n t r o l ，a n dt h ee x c h a n g eo fi n f o r m a t i o n a n dc o m m u n i c a t i o n sb e t w e e n e q u i p m e n t s i fw et a k et h er e s e a r c ho fh o m eg a t e w a t ， a sab r e a k t h r o u g ht ot h es m a r th o m es y s t e m ，i tw i l lb ep o s s i b l ei nf u t u r et oo c c u p y t h ec o m m a n d i n gh e i g h to fc o m p e t i t i o n ，a n dm a k eg o o de c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s t h es m a r th o m es y s t e mt h a tt h ep a d e rh a sr e s e a e c b e dt a k e sap r a c t i c a l p r o j e c ta sab a c k g r o u n da n db a s e so nt h en e t w o r k t h eh o m eg a t e w a yi st h ef o c h so f t h ep a p e r , i ti st h ec o r eo ft h es m a r th o m ei n f o r m a t i o ns y s t e m sa n di n f o r m a t i o n m a n a g e m e n ts y s t e mf o rh o m ea p p l i a n c e s ，a n dt h em o s tc r i t i c a lc o m p o n e n to f f a c i l i t i e sc o n t r o l l e r t h ep a d e rf u l l yt a k e sa c c o u n to ft h es t a t u so fh o m ei n f o r m a t i o n i z a t i o na n dt h e d e m a n ds u c ha sh i 曲一s p e e dm u l t i m e d i at r a n s m i s s i o no fi n f o r m a t i o n ，p u tf o r w a r dt o a d o p t i n gr e e e l 3 9 4s t a n d a r dt oc o m p o s i tt h em a i nh o m en e t w o r kf o rt h es e v e r c e si i k e m u l t i m e d i aa th i g h s p e e dt r a n s m i s s i o no fi n f o r e l a t i o n ；o nt h es a m et i m e ，t h ep a p e r t a k e si n t oa c c o u n tt h en e e d so fi n t e r c o n n e c t i o n ，c e n t r a l i z e dc o n t r o l ，r e m o t es u r v e y a n dc o n t r 0 1 1 0 w c o s ta n dt h ef l e x i b i l i t yo fa l la p p l i a n c e sw i t l a i nt h eh o m e ( s u c ha sa i r c o n d i t i o n i n g ，r e f r i g e r a t o r s ，e v e nl i g h t i n gc o n t r o le q u i p m e n t ) ，a n dd e s i g n st h et o t e l s t r u c t u r eo ft h eh o m en e t w o r kw i t ht h ew i r e l e s sb l u e t o o 也t e c h n o l o g yt or e a l i z em i n i n e t w o r kt h a ti p i nt ot h em a i nn e t w o r k t h ec o r eo fs y s t e m sh a r d w a r eu s e dt h ed e v e l o p m e n tb o a r ds 3 c 2 4 1 0 xo n w h i c hi te x p a n s e ss o m ef u n c t i o n a lm o d u l e s ；t h eo p e r a t i n gs y s t e m si ss 3 c 2 4 1 0 xm i z i l i n u xs y s t e m a n dt h ep a p e rh a sg i v e ni t st r a n s l a t i o np r o c e s s a sf o r t h ew e a ko f r e a l t i m el i n u x t h ep a p e rh a sp r o p o s e das o l u t i o no fd o u b l ec o r ew i t hr t a i + m i z i l i n u x a sw e l lt h ep a p e rh a sa c h i e v e da ne m b e d d e dl i n u xr e d u c t i o n s ，a n da l l e m b e d d e dt r a n s p l a n t t h ep a p e r t h o r o u g h l ya n a l y z e di e e e l 3 9 4i n t e r f a c es t a n d a r da n dw i r e l e s s b l u e t o o t hn e t w o r kt e c h n o l o g ya n dt h e i rw i d e ra p p l i c a t i o ni nt h ef u t u r e f i n a l l y , t h ep a p e rh a ss p e c i f i l l yr e s e a r c h e dt h ew i r e l e s sc o n t r o l t o p r i m a r y n e t w o r k a n dt r a n s p l a n t e dt h eb l u e zo fb l u e t o o t ha g r e e m e n tt ot h es 3 c 2 4 1 0b o a r d a sw e l la ss i m u l a t e dt h ec o n n e c t i o na n dc o m m u n a t i o nb e t w e e nt h eb l u e t o o t hm o d u l e s a n dt h em o b i l ep h o n en e t w o r k k e y w o r d s ：e m b e d d e dl i n u x ，h o m eg a t e w a y , b l u e t o o t h ，w i r e l e s sc o n t r o ln e t w o r k 武汉理工大学硕1 ：学位论文 1 1 概论 第1 章前言 近年来随着计算机、自动控制和通信技术的迅速发展，人们的工作方式发 生了很大的改变，企业的生产效率也得到了极大的提高，社会财富日益丰富， 但是人们家庭生活的便利性没有得到相应的发展，传统的居家方式并没有因为 信息时代的到来而发生多大的变化。家电产品种类虽然很多，但是它们的分散 性控制给我们带来了极大的不便。在这种背景下，人们开始关注自身的居住环 境，注重家居环境的安全、健康、便捷和舒适，因此如何有效地在家居环境中 组建家庭信息网络，将各种家电产品结合成一个有机整体，并通过它对家电设 备进行集中或异地控制和管理，并且能够与外界进行信息交流，更好地为人们 提供家居环境地各类信息，开发网络化、智能化、数字化的新型住宅。从而引 发了一个极具吸引力的市场：智能家庭信息系统。 1 2 家庭自动化的历史和现状 家庭自动化技术早在七十年代便开始流行于美国，当时最有代表性的产品 是x 1 0 ，其后美国的e c h e l o n 和e 1 a 又相继推出l o n w o r k s 和c e b u s ，并最后 都成为美国电子工业协会( e 讼) 的家庭自动化网络标准。这些标准所采用的传 输媒介虽然不尽相同，但无一例外都采用了控制网络的技求，并制订了一个统 一的通信协议，通过该通信协议，网络系统中的各个设备可实现资源的共享。 控制网络因其布线简单、功能灵活，扩展容易而被人们广泛接受和应用。到9 9 年底，x 1 0 产品的销售已超过一亿个，在美国便有超过4 0 0 万个家庭使用。 l o n w o r k s 亦被广泛应用于家庭自动化、建筑自动化及工业自动化方面，至9 8 年中，全球安装l o n w o r k s 的节点( n o d e ) 数目已超过5 0 0 万个。 然而x 1 0 产品在我国的应用并不多，究其原因可能是x - 1 0 产品不太适合 国内使用。例如反应速度慢( 在6 0 赫芝供电系统中，传送一个指令需时0 8 8 3 秒) ，抗干扰性能差( 这是由于信号载波在电力线中传送造成的，在我国这个问 题比较严重) 等，这都给x 1 0 在我国的推广应用带来困难。这些问题在美国同 样亦存在。c e b u s 的抗干扰能力比x 一1 0 强，控制功能亦十分丰富，成为x 1 0 武汉理工大学硕士! 学位论文 的最大挑战者。但由于c e b u s 接口技术比较复杂，价钱亦比较贵，因此使用 c e b u s 产品的用户亦较少，c e b u s 在中国的应用并不多见。 相对而言，l o n w o r k s 在国内的某些领域则具有很高的知名度，l o n w o r k s 是由美国e c h e l o n 公司耗巨资，于1 9 9 0 年1 2 月开发成功的全分布式智能控制网 络技术，参与研究开发的人员多达7 0 0 人。e c h e l o n 的创办人为m i k em a r k k u l a ， 他亦是苹果计算机的主要创办人之一。尽管l o n w o r k s 是e i a 定义的家庭网络标 准，而在中国则主要用于工业和楼宇方面，在家庭和小区领域的应用则要逊色 一些。主要原因恐怕是价钱还未能为普通家庭所接受。l o n w o r k s 最大的优点是 开放性、分散性和互换性，一个具有l o n m a r k 标志的节点( n o d e ) 可以互操作 ( i n t e r o p e r a b i l i t y ) 亦可以互替抉，但这是有条件的，要达到这个目的，必须尽 量把产品细分，增加控制器变量的种类，简化及固定操作流程等，这又不可避 免地增加控制节点的数量从而增加了系统的成本。在家庭自动化中最基本的操 作应该是电器的开关控制，而最方便可行的方法是使用遥控插座，例如美国的 l e v i t o n 便生产一款有l o n m a r k 标志的插座，但其价钱相当贵。于是国内的一些 l o n w o r k s 产品开发厂家便另辟蹊径，在功能上来一个大集成，例如将n e u r o n 芯片在外围上尽量扩展，或者用一般的微处理器作控制部件，用n e u r o n 芯片作 通信部件，设计成类似多功能控制盒之类的产品。这个方法可以起到降低成本、 增加功能的作用。但这类产品一般没有互操性和互换性，很能申请到l o n m a r k 标志【1 1 。 纵观上述几类家庭自动化网络技术都是各有其特点，但没有哪一个能完全适 合中国普通家庭使用，市面上可供选择的产品亦非常有限，这些因素或多或少 地影响了这些技术在国内家庭自动化领域的进一步普及和应用。 1 3 家庭网关 家庭信息网络化是整个社会信息化的一个重要的组成部分。实现家庭内部 信息与家庭外部信息的交互，无疑是家庭内部设备联网的目的所在，要实现家 庭内部网络与外部网络的联系和信息交互，在家庭内网和外网之间需要一个家 庭网关，它是整个家庭信息系统的核一心，主要实现以下几个方面的功能p “： 作为信息交换中心，为家庭内部不同信息家电和设备间的信息交换提供 桥接能力； 为家庭内部网络提供一个对外的统一接口，方便和外部网络的交互； 具有防火墙的能力，可以避免外界网络对家庭内部信息设备的非法访问 武汉理工大学硕一 ：学位论文 和攻击； 为减低信息家电成本，在家庭喇关上实现对各种家电避行控制甓信息家 电高端功能。 家庭网关的这些劝能的实现又有三个层次，首先是实现寐庭网络监测与局 域阚i n t e r n e t 的连接与暹诋；其次是实瑷遴程瓣篮控纛溺蔓；翁三是馋为家庭与 媒体的中心，使家庭内部的设备通过家庭网关互连和通讯以及实现音频和视频 信息的综台预处理。目前国内市场上的网关，除实现第一层的功能外，多数是 程第二基次上靠近，毽还不是褥躺完善鞫成熟。能实现第三瀑次豹潮关靛更少 了，实现该层次功能的装置现在多数是以机顶盒的型式出现，因此它逐不能称 凳家庭中的阚关，只蠢实现了该三耪功能才能称褥囊正意义上的家庭阙关。 1 3 1 家廉网关的定义 不同的人或不同的厂商对家庭网关有着不同的定义。r e s i d e n t i a lg a t e w a y g r o u p ( r g ) 是一个在1 9 9 5 年建立的正式的工业论坛组织，它率先采用家庭 网关来找表一个集中式智能绩口，将井部豹家藏棱入网络和家庭肉潮络联系 起来。r e s i d e n t i a lg a t e w a yg r o u pr g 的家庭网关定义为：一种简单的、智 能的、拣准他的、灵活熬整个家庭网终接口单元，它可以扶不同的矫部阙终 接收通讯信号，通过家庭网络传递信母给某个消费设备。借助引入家庭网关 的概念，希望能够为集成不同的外部网络和丰富新的应用提供一个有效的途 径。 在过去的几年当中，许多生产厂商的努力共间推动家殿网关走出了其概 念阶段。同时，家庭网关被用于代表不同类型的产品，因姥也引起了一些混 淆。其中已有的部分产品包括：网络接霸单元，设备( 魏电话接口盒) id s l 调制解调器、电缆调制解调器、机顶窳、结构布线系统的h u b 、增强的p c 毒死、结合家庭网终瓣决方案戆塞豢调毒l 瓣溪器，提供某些专f - jj 受务熬特臻家 庭设备，以及r g 所推崇的熬个家庭网关产品等。 c i s c o s y s t e m 公司的家庶网关定义是：一个在家庭内的网络化傣息设备 与智辘宽帮接入瓣之闻蠡冬餐麓纯露关。w i r e 公司静家庭丽关定义楚：一静将 家庭网络无缝连接剿宽带网络，使所有家庭内连网设备同时享有高遴连接的 设冬。上露这薅魏定义都认必家庭网关是一耪搀步 都宽带网络与家纛凑部喇 络连接韵设备。 p a r k s a s s o c i a t e s 认为家麟网关应怒：连接一个外部网络或多个接入网络， 武汉理工大学硕士学位论文 通过某种类型的家庭网络分配服务给一个或多个设备的设备。即一个集中式 整个家庭的网关才能视为一个真正的网关 3 1 1 4 】。但由于现有一些产品已具备 其中的某些功能，而且目前存在许多不同的观点，因此家庭网关应有一个比 较广义或普遍的意义上的定义。 1 3 2 家庭网关所实现的应用及其产品 不同的家庭网关可以提供不同水平和类别的应用。由r g 定义的家庭网关设 备可以使家庭消费耆使用几乎所有主要的应用。如t i a 制造的家庭网关可以满 足以下几类应用：远程通讯、i n t e r n e t 接入、远程教育、远程医疗、可视电话、 家电管理和集成、安全系统管理、家庭能源调节和管理、自动计量读表、邻里 无绳漫游电话、视频传送和分配、虚拟v c r 和视频点播、视频交互通讯、c d 点唱机、在线广告和电子公告。 集中式网关倾向于在一个宽带网络上集成视频、音频和语音应用，如高级 的机顶盒产品、m o t o r o l a 的d c t - - 5 0 0 0 、s c i e n t i f i c - - a t l a n t a 的e x p l o r e r 2 0 0 0 、 n e x t l e v e lc o m m u n i c a t i o n 的l p 系列n 3 家庭网关。前两种允许通过h f c 提供 集成化服务，最后一种一般应用于v d s l 网络，可为不同终端设备提供声音、 视频和数据信号。近来市场上出现一种新型集中式网关，它集成了一个宽带 m o d e m ( d s l 或c a b l em o d e m ) 和一个家庭网络解决方案( 如h o m e p n a 或 h o m e r f 的解决方案) 。这样的网关有c i s c os y s t e m 公司的i n t e m e t 家庭网关， 2 w i r e 公司的h o m e p o r t a l ，s h a r e g a t e 公司的i s i s j u p i t e r 网关，以及 c a y m e ns y s t e m 公司的3 2 2 0 h w 网关。 大多数专用服务网关和瘦服务器网关所允许的应用被限制在特定的应用类 型，诸如i n t e m e t 接入，电话，能量管理，和家庭控制与安全。新出现的瘦服务 器网关可以允许多种类型的应用。例如e r i c s s o n 公司的e - - b o x ，被设计用于能 源管理、家庭自动化、家庭护理、家庭安防，以及共享i n t e m e t 接入。其他的专 用和瘦服务器网关包括c o a c t i v e n e t w o r k s 公司的c o n n e c t 2 0 0 0 和3 0 0 0 系列， e m e r a l dg a t e w a y 公司的e s g 4 0 0 ，s a g es y s t e m 公司的a l a d n 网关节点等p 儿。 随着新的家庭网关产品的不断出现，不同类型的应用集中于一个装置将是 家庭网关研究和开发的未来趋势。 戴汲理工大学硬学稼论文 1 4 本文研究的目的和意义 尽餐许多公司在这一镁域奏蛊己静产鼓，您家庭信患鼹络及舞熊家庭网关 荠狡骞一个统一熬燕范，茏芟是在国内，胡关静产鑫与鼹务主要黛孛在基予电 话网络的远程监控、报警、传统的安防、三袭抄送、智能电源控制以及对传统 家电的俗息化改造等方面，鞍少有产品提供与i n t e m e t 以及其他网络互联的接口， 且这些产品整体水平较低，功能单一、系统不易维护、升级能力较麓。而国外 鲍产品如上文所述，虽然装成了家庭自动化、能源管理、家庭管瑷、家庭安防 等多方纛熬功爱，藿强大臻麓豹实蕊震要霹绥运慧袁及其它穗关簸务掇稳( 蠡 医疗机构、保安机构等) 的支持，两在国内，这些条件还远远达不到要求，即 使有个别的发达地区的菜贱相应机构可以满足这蝗要求，但是离大规模应用或 普及还商潜很大差距。同时，多功能、高度集成的产品意味着较赫的成本和研 发费用，这些无疑将导致较商的价格。国外的遥磐产品价格普遍遴逡离予国内 一般客藏豹承受戆力。鬟魏，兰述嚣羚大公霹瓣耀关产莲黠遥年羧涎嚣言莠不 合逶，蹙少在穗当长对闻肉难瓯被国内市场接受。 就当前家居现状而言，真正意义上实现了家庭智能信息化的很少；也就是 说，家虑中基本上很少有真正意义上的网关设铸存在。现有的家电都是传统的 设备且接口不一、管理混舐。目前也有类似网关简化功能的设备在家庭中出现， 妻瑟照鹈控爨器、三表数据采祭擦裁爨等，毽逸黧攘裁器郄是独立磐程豹，功能 单一，交互能力较差穗量之闻不钝送行通信，并整在功麓上基本楚革商控稍丽 不具有双向互动功能，因而不易对其进行维护和监测，系统的兼容性和升级能 力差。 基于上述情况，本项瞬缌研究的目的是襄实现一个成本较低、效率高、功 能稷对宠蛰、具有多萃孛网络接羹( i n t e r n e t 、毫话瓣g s m 、无线瓣等) 且配置灵 活豹餐麓家庭网关，基于藏瓣关实现一个智女客庭信息系统，激籍决当翦l 三l 及 将来家廉中存在的大量传统家电设备和信息家电的互连，使之成为一个系统实 现集中控制和管理，同时网关提供对外接口实现对外部网络的接入宛成异地访 问和懿控。 1 。5 耋要蠹容和章节安摊 举文工作的重点是要设计一个成本低、多功能、易维护、方便升级的智能 家庭网关，它是整个家庭信息化网络解决方案的兼键所在。本设计中选用了集 藏汉壤t 大学璜士学控论文 藏阏络接凿、货源稳定、价格鬣潦的3 2 僚a r m 棱嵌入式徽鼹溪器$ 3 c 2 4 1 0 作 兔硬馋棱心，选用网络功熊强大的嵌入式l i n u x 操律系缝作为较馋开发平台，在 鼗鏊礁上进行褒入式开发，浚计个簇逸餐戆豢嶷镶惑系统熬专瘸潮关。 第1 章为概述部分，日l 入了家庭丽关和嵌入式系统的概念，并论述了国内外 槎关按拳及冀发麓凝援。 篱2 章圭蘩竣诗了塞纛傣患蘩绫戆憨实糯絮稳，著套终了褒入式l i n u x 兹饶 点和不怒，并锌对实时性的不足的缺点，绘出了解决的方装。 燕3 拳璐究了家纛麓络鞠海帮缀溺技拳， 零绸介绍ti e e e l 3 9 4 拣漆鞠蕊牙 无线蔽术及l i n u x 下蓝簿漭议棱b l u e z 。 燕4 篷携爨了家庭镶患蘸统豹实联方鬃，包援疆传设诗翔敬馋设计。 繁5 露其棼实濒家旗蘩惑系线熬一郝势：家庭蠹霁线予嬲靛篡秘实现，最爱 通过蕊牙手机对平台进行了b l u e z 的移植和模拟实现。 薅6 章给掇了总结鞠最整。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章嵌入式l in u x 及信息家庭系统 2 + 嵌入式操作系统 嵌入式系统通常被定义为；以应用为中心，软硬件可裁翦，适应应用系统 黠功戆、哥纛经、成本、傣黎、凌耧等综合瞧严穆袋求熬专瘸诗算极系统，宅 般由嵌入式微处理嚣、外围硬件设备、嵌入式操作系统及成用软件系统四个 部分组成用于实现对其他设备的控制、监视和管理等功能j 。 嵌入式系统一般措非p c 系统，它包稔硬件帮软件两部分。疆件包捂处理器、 存储器、外设器件、z o 端口和图形控制器等，软件系统包括操作系统和应用程 彦缡程”j 。 嵌入式操作系统作为嵌入式系统的核心，其应用越来越广泛，在手持设备 和信息家电领域的应用更加突出。嵌入式系统通常包括系统内核、硬件相关的 赢徭驱动覆窿、设备驱动接墨、邋信滂谖、图形赛巍鞠标准纯溯菱器等。瓤2 0 世纪八十年代开始，困外就开始了商用嵌入式操作系统和专用操作系统的开发， 曩魏较成熟瓣商魇嵌入式操作系统主要毒v x w o r k s 、p s o s 、w i n d o w s c e 、 e c o s 、p a l m o s 及q n x 簿3 i i 斗j 。 2 。 。 瑗鸯嵌入式攥终系统疲用审存在鳇阍艨 一个优秀的嵌入式操作系统是嵌入式系统开发成功的关键。它除了县各一 ；螯撩终系统觳基本静功能，如 壬务谲度、阏步祝铡、中断处疆、文 孛功麓等， 还需要具有以下特点p j ： 更好黪硬传适应瞧，也藏是良好的移棱性； 占有更少的硬件资源； 高可靠蚀； 提供强大豹霹络功貉，支持t c p i p1 务议及其豫渗波； 有些应用要求具肖实时性能。 现有的嵌入式操l 乍系统大致可分为齑用型和免费型两类：商用型操作系统 ( 如v x w o r k s ) 由于功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售稀服务，程嵌入式 市场占有一定的份额。但它同时也存在价格昂贵、需要版权、源代码不公开等 鼗汉理工大学硬圭擎链论文 一系列问题；免费型操作系统( 如l i n u x ) n n 胡 ，有价格方面的优势，但在严 格满足嵌入式实时应用需求方面还有欠缺。 2 。 。2 嵌入式k i n u x 由上述可知目前操作添统均属于商业化产品，其价格昂贵：而且，因为它 们各自的源代码不公开，使得每个系统的应用软件与其它系统都无法兼容。并 且由予它们对设备支持的封阕巨使得对其裁剪移楗变得更为困难。 l i n u x 戆塞瑷失嵌入式捺 搴系统提供了一个辍鸯霰弓l 力赘选择，它是一个窝 u n i x 褶似、基子宏内核豹、多露户多任务静攮作系统，基于模块化豹可裁剪经 使得用户可以根据应用需要量身定做合适的内拨，l i n u x 对网络销非常好的支 持，而鼠，到目前为止在网络上对l i n u x 的开发成为众多人热袁的项目，使得 l i n u x 暖成为了一个成熟的、稳定的操作系统；这一点对于实现家您网关非常重 要，登予实瓣蛙较差、存镶空阗不连续、无法深肉褒等爨一些缺点都可以逶蓬 蜀都致逡来满足家庭信惑平台的嚣要。 嵌入忒l n u x 是将i a n u x 操作系统进行裁麴、移植使之能在嵌入式p c 系统 上运行的一种操作系统p j 。与其它的嵌入式操作系统相比，嵌入式l i n u x 具有以 下的特点【5 】【酣： 蓠受，i a n u x 系统是鼷次缝褥虽痰棱完全开放。i a n u x 是壶缀多体援孛且缝 能蔫静凑核帮系统组成。程肉棱代码完全开放鹣蘸提下，不藏镁域秘不同屡次 的用户可以根据自己的成闱需要对内核进行敬遗，在低成本的前掇下，设计和 开发出舆正满足自己需要的嵌入式系统。 其次，强大的网络支持功能。l i n u x 支持i n t e m e t 协议，并且可以利用l i n u x 的网终酶议棱将其开发成为嵌入式靛t c p i p 网络秘议棱。 籀三，l i n u x 其冬一麓套互爨琏，豸子建立嵌入式系统戆交叉秀发琢凌。 第四，l i n u x 具有广泛的硬件支持，意味着l i n u x 支持各种不阍类型的硬件 平台与设备，而且可以运行在各种硬件平台上。 第孤，l i n u x 还提供广溅的通信协议和软 牛标准支持，如要使用l i n u x 进行 无线道傣，只需在内核中热入此功能即可。 囊予l i n u x 翼套对蔷秘浚萋魏广泛支餮，颡藏现在众多褒入式浚蘩厂意豢怒 l i n u x 作为其产晶的操作系统，这主要是因为； 1 ) 模块化和结构化，不同的功能放在不同的模块，项目的文件目录层次 反映该特性。 8 藏浚理丁大学硬学链论文 2 ) 程序容易修改，凡鼹了解程序代码内部的人都应该能够轻易进行修改。 3 ) 可扩充和可配置，很容易完成配置及新功能能轻易加入程胯。 ) 减少开发成本，没籽版税可以降低开发赞耀。 5 ) 嫠予开蔽故菝弱霸主漉鹁疆菝拳，不楚自菜家公司瑟瑟鸯。 6 ) 粲成的高性能的t c p i p 和网络安全性，内核和t c p i p 紧密结合。 应用软件 瘟臻程序餐d ( a p t ) , r a v a a p p l e t | i 赢久式 管理 i ，w ；e b 吕e s c e f 毒尊嵌入斌。| ； 。 。“。”一” 袋件繇婉；t c p i p 躜蹬协议。z ，一 p 球 ，鎏，。；”o 曩。_ ? o 誊纛一； 、一i 茹jo 一一。j 一 + ? j 一= 一，* 硬件 基本幕坑 宴时多任努撵佧蕊缩( r t o s ) ” 设备j l 动一 浚备9 l 韵 设备驱动瑷备3 e 动 稽胖 程序程序 蹬跫簸鬟纂 黝p 蜷毳黧 阁2 1l i n u x 内核主臻组成 嵌入式l i n u x 系统从软佟数强度看透常可瑷分鬼4 个层次： i ) 弓| 导燕载程序。毯揍辫蘧在霞 字( f i r m w a r e ) 中静寤动健磷鞠b o o t l o a d e r 。 2 ) 内核。特定于嵌入式板予的定制两横放控制内核引导系统的参数。 3 ) 文件系统。包括根文件系统和建立于f l a s h 内存设备之上的文件系统。 通常用r a m d i s k 作为根文件系统。 4 ) 髑户应用程序。特定予用户静应用程廖及嵌入式图形用户器蕊。 l i n u x 疼棱痰5 拿主要翡予系绫缍或，魏瑟2 1 掰示。 9 武汉理r 大学硕士学位论文 2 1 3 嵌入式l i n u x 内核 l i n u x 以统一的方式支持多任务，而这种方式对用户进程是透明的，每个 进程运行起来就好像只有它一个进程在计算机上运行一样，独占内存和其他硬 件资源。实际上内核在并发的运行几个进程，并且让几个进程公平合理的使用 硬件资源，也能使各进程之间不干扰安全的运行”1 。 内核是操作系统的灵魂，包括内核抽象和对硬件资源( 如c p u ) 的间接访 问，它负责管理磁盘上的文件、内存，负责启动系统并运行程序。负责从网络 上接收和发送数据包等。内核实际上是抽象的资源操作到具体硬件操作之间的 接口，为程序员提供一个虚拟的机器接口，从而可以以某种统一的方式来进行 数据处理弘l 。 1 ) 进程调度( s c h e d ) 它控制进程对c p u 的访问，当需要选择下一个进程运行时，由调度程序选 择最值得运行的进程。可运行进程实际上是仅等待c p u 资源的进程，如果某个 进程在等待其他资源，则该进程是不可运行进程，l i n u x 使用基于优先级的进程 调度算法选择进程。 2 ) 内存管理( m m ) 内存管理容许多个进程安全地共享主内存区域，支持虚拟存储管理，内存 管理从逻辑上可以分为硬件无关部分和硬件相关部分。硬件无关部分提供了进 程的映射和虚拟内存的对换；硬件相关的部分为内存管理硬件提供了虚拟接口。 3 1 虚拟文件系统( v f s ) 虚拟文件系统隐藏了不同硬件的具体细节，为所有设备提供统一的接口， v f s 还支持很多不同的文件系统，这也是l i n u x 的一个特色。 虚拟文件系统可分为逻辑文件系统和设备驱动程序。逻辑文件系统指l i n u x 所支持的文件系统，设备驱动程序指为每种硬件控制器所编写的设备驱动程 序模块。目前支持的文件系统主要有m i n i x ，e x t 2 ，v f a t ，i s 0 9 6 0 0 ，n t f s ，n f s 等等。 钔网络接口( n e t ) 它提供了对各种网络标准的存取和各种网络硬件的支持。网络接口可分为 网络协议和网络驱动程序两部分。网络协议部分负责实现每一种可能的网络传 输协议，网络设备驱动程序负责与硬件设备进行通信，每一种可能的硬件设备 都有相应的设备驱动程序。 5 、进程问通信( i p c ) 武汉理f 大学硕士学位论文 进程问通信提供了进程间各种通信机制。常用的进程间通信机制脊：管道、 有名管道( f i f o ) 、s y sv 机制、网络s o c k e t 方式和全双工管道。其中s y sv 税剜包括消怠驮捌、信号量和内存共享。 2 。2 实时嵌入式l l u x 系统 2 2 。1 实时操作系统的概念 实时操作系统( r t o s ) 是“指一个能够在事先指定或确定的时间内完成系统 功熊和对羚帮或内部、嗣步或雾步时阅傲爨响应麴系统”1 9 1o 按对时延鳃要求 分为硬实时和软实时。一般来讲，硬实时操作系统难指如果计算结果输出的时 间超过了时限，将会引起灾难性后果的操作系统，如控制飞机发动机的实时操 馋系统，这类系统要求任务必矮在蔑定弱辩滔蠹完成。敦实辩镣箨系绫楚搔翔 粜计算时间越过了时限，虽然不至于引起灾难性的尉果，但怒应该尽可能地满 足时限的操佟系统，如攘放多媒体的操作系统。软实时强调的是在统计范围内 达潮一定的标准就可蔽了。显然，软实时系统对时淘的要求并没有硬囊时系统 显得那么至必重要。 餐戆家庭售患系统戆实对魏一般露裁在视频、褒频及家艇多媒钵等数据售 输和远程控制中，其对实对性的受求不是很高，因此，决定采用软实时双内核 方寨。 2 2 2l in u x 的实时性改进 1 。r t a i 薄l i n u x 的实辩性改进 现有几神针对l i n u x 的实时系统艇决方案，实现方法主要包括两种： 1 ) 囊接修改l i n u x 肉梭、增加实霸寸性，如：m o n t a v i s t a ； 2 1 在普通l i n u x 内核之上增加实时模块、双内核结构，如：r t l i n u x 或r t a i 。 款实瞪系绞数黠羧是柔牲炎潘戆，它露数容忍瓣然敬超瓣锘误。失败造成 的后果并不严重，仅仅是轻微地降低了系统的吞吐徽。硬实时系统有个刚性 的、不可改变的时间限制，它不允许任何超出时限的错误。超时错误会带来损 害菠至导致系统失败、藏者导致系统不憝窦现它静鞭潮蠢拣。 r t a i 采用双内梭方法，不赢接使用l i n u x 的任何功能，而是把需辩肘问精 武汉理t 大学硕士学位论文 度的工作写成一个驱渤程序的形式，然后赢接用p c 时序芯片所产生的中断调用 这个驱动程序。r t a i 与n m tr t - l i n u x 的最大不同之处在于，它在l i n u x 上定 义了一组实时硬件抽象层( r v h a l ) 。r t h a l 将r t a i 需要在l i n u x 中修改的部 分定义成一组程序界顾，r t a l 只使用这组界面和l i n u x 沟通。这样做的好处在 手，爱户哥叛将壹接罄改豹l n u x 按心鞭彦饩玛猿至最小，这畜霹耱镬餐将 r t h a l 移植到新版l i n u x 的工作量减至激低弘。 但是，r t a i 虽然满足了实时陛要求，却没有被裁减为足够小且适用于嵌入 式系统。 2 r 1 1 a i + 嵌入式m i z il i n u x 的实时方案 r t a i 怒基予营遗l i n u x 肉孩，相对予嵌入式泼用其内核避于庞大；因此， 可以将r t a i 和本系统的m i z il i n u x 相结合，采用双内核的设计方案，既满足了 嵌入式应用的需求，又保证了系统的实时性。 m i z il i n u x 是蔻凝久式应麓设诗粒，它经逶委蘩弦改造，澎戒了一个寒菠爨 化、代码紧凑的嵌入式l i n u x ，并保留了l i n u x 大多数的优点。更重要的鼹，l i n u x 掇供了完整的t c p i p 协议栈，并支持大爨其他的网终协议，为嵌入式系统提供 了强大的潮络支持。 1 ) 硬件抽象层 系统瓣实褒基勰蹩硬箨撼象层，遴道硬舞撞象豢遴行硬咎管理，熬蓥率波 梭和实时内梭结合在一起，其中一个内核的改变，不会影响弱一个内核的执行。 硬件抽象层定义了本系统同硬件之间的抽象接口，主受用来截取硬件中 鞭，并且筱弦实对内菝调菠器熬需求，羹定自为蒸本痰菝 壬务或是实辩任务。 r t h a l 包含一个关键的组件：中断描述符表( i d t ，i n t e r r u p td e s c r i p t o rt a b l e ) ， 它定义了一套指锋用寒处理中断铡程。r t h a l 本劈定义了一个结构，使樽基本 内核中断处理函数能够很容易地被实时处理涵数掰替代。这样，当实时内核通 过r t h a l 激活后，新的i d t 表为合法。猩以上控制下，基本内核作为实时系统 熬任务提镤瑕务。 2 ) 双内核结构 图2 2 双内核实现机制中，双内核实时系统主要包含了揍本内核、实时内 梭、硬俘抽象层、硬件部分。葵中基本内核( m i z il i n u x ) 和实对内核( r t a i ) 分剐 处理非实时和实时任务的调度和执行，而实时任务和非实时任务之间信息的交 羧簧遵过警遴( f w o ) 竣共享恣存涎b u 砰) 寒实理。实时篷务逡行时，然本蠹核 被硬件抽象朦屏蔽。即实时内核将基本内核作为优先级最低的一个任务来运行， 只有在没有实时任务遮行的时候才予以调度。 武汉理工人学硕1 ：学位论文 l 篙翮i 簪黼黢獬髓棒 蒜莲 蒸漆辩蘸整黉薹 图2 - 2 双内核实现机制 3 ) 实时内核动态加载 嵌入式实霹班拄珏x 瓣实露凌孩楚魂态嬲载戆。安孵任务被激活蓠，实时麦棱 并没有启动，基本内核通过r t i 剖k l 透明访问硬件，就像r t h a l 不存在样。 当实时任务被激灞时，r t h a l 缡孛每发生变他，基本内核被实时内核接管。 4 ) 调度楚理 当中断到来时，实时内核判断它是基本内核中断还是属于实时中断，分别 送行处理。落是基本痰嫉中甑，懿暴当蘸窍实霹锤务正在运行，篓1 只憩设置一 下中断标志位，悬挂此中断，如果没有实时任务运行，剐调用基本内核的中断 处避程序；如果此中断是实时中断，就直接调用相对应的实时中断处瑷程序。 注意，实辩中断可敬捻先基本痰菝任务静虢行。 2 。3 信息家庭系统 在整个家庭与社会的信息网络因特网相连之前，家庭内部所有的信息 澄套之滔应囊黄先穗逡，这裁楚家庭霹终。可敬滋，家庭鄹终是毒会信惑鼹络 的綦本单元。实现智能家庭网络的关键在于家庭外部及内部网络连接的系统规 范。 智筑家蕤信息系统应该包括宽带互联网、家纛阙络帮家纛控裁部分三令方 面。这三个方面具有密切的联系；宽带网是家庭对外的桥梁，与外界的沟通和 互动都是通过它寒实瑷婚。家纛网络是建立在信息容泡的基锻上戆，怒1 个带 畿低、能与i n t e m e t 充分沟通、智能化水准较高的网络。家庭控制部分则更低一 级，只是简单地控制智能家电，通信速率低，价格低廉。 f 。滢爹 去 武汉理工大学矮士学位论文 2 3 i 家庭网络的功能 家壤网络戬可灵活酝黉戆家庭总线系统为蘩础，连接各静豢庭偿感终端耪 家蠲毫瓣，疆 共集藏匏音频、视频、诗冀、邋傣羧割霸管理等功旋。往信悫在 家庭内以及家庭与外部网络阙充分流通和共事。 总的来说，家庭网络舆柯以下的功能，随潜对家庭网络的应用期需求的发 展，还会不断的有新的功能加入( 1 1 l i t 2 1 。 1 ) 傣息共享：共享i n t e m e t 访闻，共享外设，共事文件和应用。 劫遁箍功链：是家纛溺络曩弱基本功熊。在家蹇溺络中，稔惑一觳霹努 为控制命令，用户数据和多媒体数据三种类型。它们在传输数弱鬣、传输速率 和实时性方面的要求有着一定的差异，在实现方丽也采用不同的投术，但在统 一平台的基础上，能够完成它们之间的信息传输和信息共享功能。 3 骞庭自动伲功能：这是家庭网络主要功自& 之一，包括备类傣惑采集、家 庭设馨怒毒l 霹家褒安藏整羧等。 4 1 键供接入矫部霹的渤能：家庭网络不艨怒封淤的信惠孤岛，它应该与社 会网络滤接在一起，能够从外部网络中获得信息；并具有与外部网络交互的功 能，以便完成诸如网上购物、远程控制、小区鬃中控制等功能。 5 ) 容庭娱乐功能：包掇视昕娱乐和游戏功能游。 & 搭怠管理功链：惫疆蚤穆个久售惑帮文耱资瓣豹存诺管理，懿瓣上镊霉亍、 远程教育或医疗等。