（电路与系统专业论文）基于嵌入式服务器的家庭网络系统的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 y8 7 9 0 二7 摘要 随着信息时代的迅速发展，家用电器将向数字化和网络化方向发 展，电视机、冰箱、微波炉、电话等都将通过家庭网络控制中心连接到 i n t e m e t 上从而转换为智能网络家电。凶此，对于家庭网络的研究己成 为当今信息产业研究方向的一个热点。本文通过分析各种用户对家庭网 络系统的需求，从家庭网络系统进行远程访问控制的角度来考虑家庭网 络系统的构成，设计并实现了一种基于嵌入式服务器的家庭网络系统， 为家庭网络系统的实现提供了参考方案。 该家庭网络系统由客户端、数据库系统和嵌入式服务器三部分组 成。客户端为不同类型用户提供不同的访问交互界面。在数据库系统中， 不仅存储家庭网络用户的信息，还存储家庭用户各种仪表的数据统计信 息、设备使用维护信息以及家庭设备厂商新生产的设备的属性等信息， 使家庭设备厂商、物业等用户通过直接访问数据库就可以得到所需要的 信息，同时数据库系统还为嵌入式服务器对1 二家庭设备的管理提供信息 支持。嵌入式服务器替代专用网关或p c 机作为家庭网络控制中心，不 仅把家庭网络连接到i n t e m e t 上，而目还负责管理、监视和维护连接到 家庭刚络上的设备。该家庭网络系统的设计方案，不仅可以使家庭用户 方便地在远程访问控制家庭设备，而且还极大的方便了家庭设备厂商、 物业等用户通过家庭网络获取他们所需要的信息，同时还避免了直接访 问家庭网络控制中心带来的安全隐患。 在本文中，重点设计并实现了一种适于家庭网络系统远程控制访问 的数据传输格式和一个基于嵌入式服务器、数据库和客，1 端的网络通信 模型。该数据传输格式保证数据能够在客户端、数据库和嵌入式服务器 之间地有效传输；通信模型则保证了数据在客，、t 端、数据库和嵌入式服 务器之间地可靠传输。同时，本文还给出了家庭网络系统的嵌入式服务 器对丁+ 家庭设备的管理、监视等功能的分析和实现。 最后对本文的内容进行了总结。 关键词：家庭网络、客户端、服务端、远程控制 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t i lt h ed e v e l o p m e mo fi n f o 珊a t i o ni n d i i s t r y ，t h ew i 血go fh o m ea r e d c v d o p i n g i n t o d i g j t a l a n d n e t w o r 虹n ge q u j p m e n t t vr e f r i g e r a t o r i c f o w a v eo v e n ，f e i e p h o n ea n ds oo nw i l lb ec o n n e d e dt oi n t e r n e cb yt h e o 哪m lc e n t r eo fh o m en e t w o r k s om e vc a nb eo d n v e r t e dt oi n t e u i g e n t e q u j p m e to fh o m e 舳dn o wi c s e a r c h i n gj n t oh o m en e t w o r k j n gi s ap o p d i r e c t i o nj ni n f o m a t i o n i d u s t r y d e p e n d o n a n a l y z i n g t h eu s e r s r e q u i r c m e n ta n dt h ew a yo fr e m o t ea c c e s sa n dc o n t r o l ，an e wh o m en e 锕o r k s y s t e mb a s e do ne m b e d d e ds e n r e ri sd e s i g n e d ，a n di tg i v e st h er e f c a l p r o j e c ta b o u td e s i g no ft h eh o m en e t w o f ks y s t e m i h j sh o m en e t w o f ks y s t e mc o n s i s t so fc l i e n t 、 d a t a b a s ea n de m b e d d e d s e n r e lc l j e n tp r 0 v i d e st h ea l t e m a n ti n t e r f a c ef o rt h ed i 矗c r e n tu s e li nt h e d a t a b a s es y s t e m ，t h ei n f o 珊a t j 咖a b o u tt h eu s e r t h es t a t i s t j c a ld a t aa b o u tt h e i i i s m l m e n t ，t h em a i n t e n a n c eo fa ue q u i p m e n ti nt h eh o m ea dt h ea t t r i b u t e o ft h en e we q u i p m e n ta r es t o f e d t h em a n u f a d u r e ra i l dt h es e e rc a ng e t t h ei n f o 珊a t i o nt h a tt h e vw a n tf r o mt h ed a t a b a s ed i r e c t lv a n dt h ee m b e d d e d s e r v e fc a ng e ts u p p o nf r o mt h ed a t a b a s ew h e ni tm a i l a g e st h ee q u i p m e n t h s t e a do ft h es p e c i a i i yg a t e w a yo rp ca st h ec o n t r o lc e n t c ro ft h eh o m e n e 晰o r k t h ee m b e d d e ds e n ，e rc o n n e c t st h eh o m en e t 、v o r kt ot h ei n t e r n e t a n di tf e s p o n d so ft h em a n a g e m e n l ，m em 彻j t o ra i l dt h em a i n t e n 卸c co f h e e q u i p m e m st h a t a r ec o n n e c t e di nt h eh o m en e t w o r k 1 nt h i sp r o j e c t ，t h e h o m eu s c rc a na c c c s sa n dc o n t r o lt h eh o m ee q u i p m e n tb yi n t e m e t c o n v 面e m l ya n dt h em a n u f a c t i l r e ro ft h eh o m ee q u i p m e n ta i i dt h eo t h e r u s c rc a i lo b t a i nt h ei n f o r i i l a t i o nt h e yn e e d i nt h es a m ew a y ，t h eh i d d e n d a l l g e ra b o u t a c c e s st h ee m b e d d e ds e n r e rd 沁c t i yb yt h eo t h e ru s e ri s a v o i d e d ak i n do ff o n n a ta b o u td a t at r a n s i tw h i c hs u i t st h er e m o t ea o c e s sa n d c o n t r o la n dac o m m u n i c a t i o nm o d e lc o n s t n l c t e do fe m b e d d e ds e r v e r d a t a b a s ea n dc l i e ma r ec o n s t m c i e da i l dj m p l e m c n t e d t h ef o r t i l a ta b o u td a t a t 啪s i ti n s u r e st h a tt h ed a t ac a nb es e ta n dr e c e i v e d 锄o n gc l i e n t ，d a t a b a s e 北京交通人学硕十学位论文 a n de m b e d d e ds e r v e re f ! e e c t i v e l va n dt h ec o m m u n i c a t i o ni n o d e li n s u r e st h a t t h ed a t ac a nb es e n ta n dr c c e i v e da m o n gd i e n t ，d a t a b a s ea n de m b e d d e d s e e rr e l i a b ly t h ea n a l v s i sa n di m p l e m c n to ft h ee m b e d d e ds e n r e r s f u n c t i o na b o u tm a n a g e m e n ta n dm o n i t o ri s p m v i d e di n t h j st h e s i s s i m u l t a n e o u s l v a t t h ee n do ft h e s i s ，ih a v em a d eas u m m a r vo ft h i ss u b i e c t k e y w o r d s ：h o m en e t w o r l 【， d i e n t ， s e r v e r ，m l n o t ec o n t r o l i i i 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 网络通信技术的发展 从1 8 7 6 年亚力山大贝尔发明电话到现在已经一百多年了，通信网 技术经历了无数次重要演进：从人工交换到自动交换、从模拟通信到数 字通信、从电路交换到分组交换、从固定通信到移动通信、从窄带通信 到宽带通信等。但通信网的最基本结构形式没有变传输与交换设备 相组合。 随着信息技术的飞跃发展，尤其是网络技术的发展，使很多领域正 在迅速地融合。为了更好地利用原有的网络，信息技术也在不停地发展。 人们发展了基于电话线的i s d n ( i n t c 掣a t e ds e i c e sd i 西t a ln e t w o r k ) 网 络技术【1 】、a d s l ( a s y m m e t r i c a ld 画t a ls u b s c r i b e rl o o p ) 技术【2 】、 a t m ( 舳y 1 1 c h m n o u st r a n s f e rm o d e ) 网络技术【3 】、基于电视电缆的和基 于光纤的令牌环网络f d d i ( f i b e rd i s t r i b u t e dd a t ai i l t e r f a c e ) 技术、还 有广泛使用的基于双绞线的i e e e 8 0 2 3 网络技术【4 】等等。这些网络 技术的发展，极人地方便了人们进行远程访问和控制，使人们远程访问 控制设备成为可能。 1 1 2 信息家电领域和智能家居网络的发展 作为一个新兴的消费领域，信息电器指所有能够提供信息服务或通 过网络系统交互信息的消费类电子产品。它既具有信息服务的功能，如： 网络浏览、视频点播、文字处理、远程控制等；又简单易用、价格低廉、 维护方便。 信息家电最早是由a p p k 公司的j e 承a s l 【i n 在1 9 7 8 年提出的【5 】。 当时，由于技术的限制，并没有引起太多的关注，直到1 9 9 6 年，第一 部p d a 的出现，各大家电厂商和p c 商才竞相推出了各自理解的信息家 北京交通大学硕士学位论文 电产品，如：电脑化的彩电，可录电视、微波炉、冰箱、洗衣机、空调、 热水器等等。这些家电连成网络，并与互联网、公用网、社区网连接， 即可实现网上购物、远程控制、安全保卫、家电功能升级等。1 9 9 9 年1 月7 日，m i c r o s o f t 推出了“通用型即插即用”( u p n p ) 模式【6 】，在家 庭中，各种智能化家电都可以和p c 进行对等的连接和资源共享，这一 简单家庭网络方案得到了i n t e l 和c i s c o 等许多大公司的支持。1 9 9 9 年1 月2 6 日，s u n 公司发布了j i n i 技术【7 】，它提供了一种机制，即安全的 利用j a v a 语言将一组设备归于一个服务网络，使设备之间建立有效的 联系。 后p c 时代，家用电器将向数字化和网络化发展，电视机、冰箱、 微波炉、电话等都将嵌入计算机，并通过家庭控制中心与h l t e m e t 连接， 从而转变为智能网络家电，另外还可以实现远程医疗，远程教育等功能。 在我国，据估计信息家电( 数字电视、网络冰箱、家庭网关、网络电话 等) 未来卜年间总量可达到2 4 亿台，总市场需求将达到1 8 0 0 3 6 0 0 亿元。 智能家居或称智能住宅，以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信 息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、 安全、便利、环保的居住环境。智能家居可以定义为一个过程或一个系 统。它利用先进的计算机技术、网络通信技术、综合布线技术、将与家 居生活中有关的各种子系统有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居 生活更加舒服、安全、有效。在智能家居中，有一个重要的系统就是家 庭网络，它是家庭或者小区范围内，将p c 、智能家电、安全系统、照 明系统和广域网连接的一种新技术。家庭网络比起传统的网络，加入了 很多应用产品和系统，相应的技术标准也错综复杂，因此，研究怎样将 其他系统加入到家庭网络系统中成为今后研究的热点问题。 1 1 3 家庭智能网络的研究现状 当前，对于家庭智能网络的研究，大都集中在以下两个方面： 1 研究组建家庭网络的标准，即研究怎样把所有的家庭设备和子 系统组成统一的网络。 2 研究家庭网络连接到i n t 锄e t 上的方式，即研究怎样把家庭网络 第一章绪论 连接到i l l t e m d 上。 当前对于第一个方面的研究已经取得了很多成就，并且形成了一些 比较成熟的标准，如：基于电话线组网的h o m e p n a 技术【8 】，基于无 线组网的规范一b l u e t o o t h 、e e 8 0 2 1 l a 、l e e e 8 0 2 1 l b 、i e e e 8 0 2 1 5 3 、 h i p e h i a n 2 ，基于控制网络标准的c e b u s 饵i a - 6 0 0 ) 【9 】等为各种各 样的家庭设备连接在一起提供了依据。对于第二个问题的研究，当前大 都使用p c 或专用网关把家庭网络连接到工n t e m e t 上，这样做的成本过 高，不适合普及。 随着大规模集成电路的发展，微处理器也有了突飞猛进的发展。3 2 位微处理器正在逐渐代替8 位处理器，成为主流嵌入式微处理器产品。 使用嵌入式系统代替p c 机或者准p c 机作为家庭网络中央控制器逐渐 成为以后发展的趋势。目前使用嵌入式系统把家庭电器和仪表接入到 i n t e m e t 上的方案有以下两种： l _ 在家庭设备的嵌入式系统中直接加载t c p i p 协议【1 0 1 3 】。 这样能够简单方便地把家庭设备接入到i n t e m e t 上，但这种方案不仅加 重了嵌入式微处理器的负担，降低了微处理器的性能，而且成千上万的 家庭设备接入到i t e m e t 上会占用大量的i p 地址资源，使本来就紧缺的 口资源更加紧张。另外，当家庭用户访问其家庭设备时，不得不记住每 个家庭设备的i p ，这也给用户的使用带来很多麻烦。 2 使用嵌入式微处理器做为嵌入式服务器，通过嵌入式服务器把 所有的家庭设备接入到i n t e m e t 上【1 4 】。嵌入式服务器一方面连接到 e m e t 上，另一方面又连接到家庭设备组成的网络上，即嵌入式服务 器必须具备网关的功能。另外，嵌入式服务器还要对家庭网络连接的设 备进行管理监控。这样使用基于嵌入式微处理器开发板代替p c 机的功 能，有效地降低了把家庭设备接入到i n t e m e t 中的成本。但是基于嵌入 式服务器开发板的存储资源是很有限的，不能进行大量数据的存储，并 且嵌入式服务器不仅提供家庭用户远程访问的功能，还提供远程各种家 用仪表( 如：电表、水表等) 的数据统计功能，即嵌入式服务器还必须 允许其他用户进行防问。这样不仅给家庭嗍络带来安全隐患，而且不方 便其他用户同时对若干个嵌入式服务器进行访问。 北京交通人学硕士学位论文 1 2 本文研究内容 以上方案虽然不能很好地将家庭设备接入到i n t e r n e t 中，但却给 了不少启示：使用嵌入式系统加载t c p i p 协议可以把家庭设备接入到 i n t e r n e t 中，使用客户端可以对家庭设备进行远程访问和控制。另外可 以把嵌入式服务器的功能分离开来，设置一个专用的数据库服务器，在 这个数据库服务器中，保存所有眼入式服务器用户的信息以及连接到所 有嵌入式服务器上的家庭设备的基本信息和使用维护信息，这样不仅方 便了用户对家电的管理，而且方便了家庭设备供应商对于设备的跟踪维 护。另外还可以加强客户端的功能，使用嵌入式微处理器主要实现对于 所连接的家庭设备的管理、控制和监控以及对数据的接收和分发的功 能。本文的研究内容主要包括两个部分： 1 基于嵌入式服务器的家庭网络系统的设计分析。 2 嵌入式服务器的开发与没计。 本文的创新点和主要工作如下： 1 分析设计了一种基于嵌入式服务器的家庭网络系统方案，该家 庭网络系统由客户端、数据库和嵌入式服务器组成。客户端是用户对家 庭网络进行远程访问的界面；嵌入式服务器则把家庭网络连接到 i n t e r n e t 上；数据库负责向所有的嵌入式服务器发送和收集必须的信 息。这样家庭用户可以通过i n t e r n e t 对家庭设备进行访问控制，家庭 设备厂商和物业等用户也可以直接通过访问数据库来获取他们所需要 的信息，从而避免了这些用户直接访问嵌入式服务器带来的安全隐患。 2 设计了一种适用于家庭设备控制管理的数据传输标准。 3 设计并实现了。种基于嵌入式服务器、客户端和数据库的数据 通信模型。 4 详细沧述了家庭网络系统的嵌入式服务器的设计和实现。 5 实现了本文给出的基于嵌入式服务器的家庭网络系统的设计方 案。 1 3 本文内容安排 本文的内容安排如下 4 第一章绪论 第一章绪论首先论述了当前信息产业发展的一个新的趋势， 以及由该趋势引出的一个新的研究方向：家庭网络，接着提出了本文研 究的重点和创新点，并给出了本文的内容安排。 第二章基于嵌入式服务器的家庭网络系统的设计在本章中， 重点讨论了家庭网络系统的没计方案，给出了客户端和数据库的设计模 型，并且研究了家庭网络系统数据传输的格式。 第三章嵌入式服务器平台的设计与实现本章重点讨论了各种 微处理器和嵌入式操作系统，具体给出了嵌入式开发的软件环境的搭建 过程。 第四章嵌入式服务器系统的设计本章具体分析了家庭网络中 嵌入式服务器的设计实现方案。 第五章基于嵌入式服务器的家庭网络系统的实现在本章中， 模拟实现了本文提出了家庭网络系统。 结束语 最后给出了本人在读期间发表并已经被录用的论文。 5 北京交通大学硕士学位论文 第二章基于嵌入式服务器的家庭网络系统的 设计 在本章中，重点讨论了基于嵌入式服务器的家庭网络系统的设计方 案。首先分析家庭网络系统必须具备的功能，接着给出了本文家庭网络 设计的思想，并提出一种基于嵌入式服务器的家庭网络系统的设计方 案。该方案中的家庭网络系统主要出三部分组成：客户端、嵌入式服务 器和数据库。客户端是各种家庭网络用户通过i t e m e t 对家庭网络进行 访问的接口；数据库系统为各种家庭网络用户提供各种家庭仪表的统计 数据和设备维护数据：嵌入式服务器则把各种家庭网络设备连接到 i n t e m c t 上，并负责家庭网络设备的管理、监视和维护等功能。这种家 庭网络系统结构不仅可以方便地把各种家庭设备连接到i n t e m e t 上，使 家庭网络用户方便地通过i n t e m e t 对家庭设备进行访问控制，而且家庭 网络用户还可以甑接通过嵌入式服务器对家庭设备进行管理控制，并且 物业、客服等用户使用客户端通过i n t e m e t 访问数据库就可以得到每个 家庭网络用户的各种仪表的统计数据和没备维护使用状况。 2 1 家庭网络系统的设计 2 1 1 家庭网络系统用户分析 家庭网络系统不仅为家庭网络用户提供远程访问家庭设备以及对 于家庭设备的访问控制功能，还要为物业提供各种仪表的读数统计信 息，为家庭设备厂商提供各种设备的维护信息。 1 家庭网络用户 家庭网络用户是家庭网络系统的主要用户，家庭网络用户不仅可以 通过家庭网络在家庭内对家庭设备进行管理维护控制，而且还可以通过 i t e m e t 在远程查看和监控家庭设备的信息。 2 物业部门用户 我们把家庭各种仪表( 主要是电表、水表、天然气表等) 的数据统 第二章基于嵌入式服务器的家庭网络系统的垃计 计任务归为物业部门来负责，物业部门用户使用家庭网络系统主要是为 了方便统计各个家庭的仪表统计数据。 3 客服部门用户 客服部门负责所属居住小区的各种服务，客服部门通过家庭网络系 统可以实时的给所负责居住小区的家庭网络用户发送各种通知。 4 设备厂商用户 设备厂商用户使用家庭网络系统的主要r 的是跟踪其销售设备的使 用状况，及时发现所生产设备存在的问题，为设备的改进升级提供依据。 同时家庭网络用户也可以通过家庭网络系统把对所使用设备的意见反 馈给设备厂商。 5 其他用户 2 1 2 家庭网络系统的需求分析 家庭网络系统为多种用户提供多种服务，不同用户的需求是不同 的。家庭用户主要通过家庭网络系统进行实时的远程访问控制或直接对 家庭网络连接的设备进行管理控制【1 5 】：物业用户通过家庭网络系统 统计各个家庭的各种电器仪表的数据；设备厂商用户主要通过家庭网络 跟踪其出售的设备的使用信息；客服部门用户则通过家庭网络发送服务 管理通知。家庭网络系统除了要给家庭用户提供进行远程控制管理的功 能外，还要为其他用户提供他们所关心的信息。 1 管理控制各种家庭设备。 管理控制家庭网络设备是家庭网络系统的核心功能，也是嵌入式服 务器的主要功能。嵌入式服务器是人们在家中或异地利用远程技术控制 家中设施的中央处理中枢，嵌入式服务器可以使用x l o 协议【1 6 】同 电力线相连，利用电力线构成的家庭网络对家里的每个网络家电进行 控制管理；或者使用h o m e p n a 蜘议通过电话线相连，利用电话线构成 的家庭网络对每一个网络家电进行控制管理。嵌入式服务器还可以通过 网线接口与h l t e m e t 相连接，实现远程控制的功能。嵌入式服务器的开 发使用嵌入式丌发板【1 7 】，价格非常便宜，而且功耗很小，因此它可 以实现永不关机，全天2 4 小时处于工作状态，即使在断电的情况下， 服务器也可以自动启动备用电源不知疲倦地埘您的家庭进行监控和管 7 北京交通大学硕，上学位论文 理。在目前的中国家庭，这些还是个人计算机无法做到的。另外，基于 嵌入式开发板的家庭服务器还具有体积小的特点，而且电力线载波所用 的x 一1 0 协议支持灵活的网络拓扑结构，所以设备不会受到摆放位置的 限制，只需要一个小小的电力线插口，就可以把它安放在最方便的地方， 因此它还可以被安装在沙发底下或其他隐蔽的地方，完全不会破坏家庭 的整体设计风格。通过对家庭设备的管理，人们可以控制家里的照明系 统，随意地凋节灯光亮度来配合自己的感受达到自己喜欢的效果；用户 还可以根据室内的温度来控制空调的开关，使屋内的温度舒适宜人；冰 箱将根据内部存储食物的种类自动调整存储温度，并发出变质警报，当 冰箱罩储存的食物不足时，家庭服务器会及时发现这种情况，按照设定 的号码发短信或者是打电话给家庭的主人，或者是直接发送到社区中 心，社区中心再将需求信息传递给邮政或者是商品配送中心，配送中心 大型的数据库将调出用户所需要的商品名称及数量，然后送货上门。所 有这些自动管理控制功能，都由家庭服务器来实现。总之，家庭服务器 是整个家庭网络的核心，也是实现与外部连接的关键，其主要实现两大 功熊：首先，对内实现家庭内部删络的构建，管理连接各设备及子网； 其次，对外与小区以太网的接入，实现小区综合管理以及远程控制。 2 通过i n t e m e t 进行远程访问控制 通过h t e m e t 对家庭网络进行远程访问是家庭网络的重要功能之一。 家庭网络用户使用客户端通过i i l t e m e t 访问该家庭的嵌入式服务器，从 而实现对于链接到该嵌入式服务器上的家庭设备的访问控制【1 8 】。例 如用户可以远程控制空调，在下班到家前的几分钟打个电话回家或者通 过h t e m e t 进行远程控制，通知家罩的服务器提前打丌空调并设定温度， 这样回到家就能享受到。个舒适的环境。 3 视频监控的功能【1 9 】 家庭服务器还有视频监控的功能，外来人员要通过家庭大门必须与 用户通话，通过视频，用户在看清楚来人后才决定门锁的，i ：启。并且可 视对讲系统上的摄像机具有夜视功能，在夜间也可以看清楚来人；家庭 服务器可以在任何时候通过可视对讲门铃上的麦克风监听户外的声音； 同时通过家庭服务器，可以方便的通过i i l t e m e t 网络或可视电话等监控 家庭的情况，获取各种电器设备的状态信息，并且当家电出现问题的时 候，还可以实现网络家电的远程故障报警。 第二章基于嵌入式服务器的家庭网络系统的殴计 4 仪表数据统计和设备使用维护信息统计的功能【1 9 】 仪表数据统计功能要求家庭网络系统定时地统计接入到嵌入式服务 器上的仪表的各种统计信息。设备使用维护信息要求家庭网络系统在接 入的家庭设备出现故障时或者对家庭设备进行更新维护时，能把这些故 障信息和设备维护信息存储起来，为该设备厂商提供设备改进的依据。 5 数据分发功能 家庭网络系统应能分发各种通知信息给家庭网络用户。 2 1 3 基于嵌入式服务器的家庭网络系统的设计 目前，家庭网络接入到i n t c m e t 主要有以下两种方式： l 通过专用网关把家庭网络接入到i n t e m e t 上，同时网关还具备管 理家庭设备的功能。 2 通过使用p c 机开发的w c b 服务器把家庭网络接入到i n t e m e t 上。 以卜两种方式是目前最常用的家庭网络接入到i n t e m e t 上的方式， 通过w e b 服务器或家庭网关都可以远程对家庭设备进行访问控制。但 是，使用这两种方式不仅成本过高难以普及，而且，对于物业部门而言， 在每次统计仪表数据时都要登陆到不同家庭的w e b 服务器上，这样物业 管理人员的工作量依旧很大且十分消耗时间。另外如果允许其他用户登 陆到家庭网络中，也会给家庭网络的管理带来安全隐患。 如果把各种仪表的数据统计功能和家庭设备生产商对于家庭设备 跟踪服务的功能集结到一个专用数据库中，即所有家庭网络服务器定时 地把各种仪表的统计信息发送给数据库，实时地把家庭设备的维护更新 信息发给数据库。数据库系统实时地维护所有家庭网络用户各种仪表的 统计信息和家庭设备维护故障信息。物业部门在进行仪表数据统计时， 只需登陆到数据库系统就能查看家庭网络用户的各种仪表的统计信息， 而且还能通过数据库的转发功能给家庭网络用户交费通知。家庭设备生 产：商则可以根据家庭网络用j 上传到数据库中的家庭设备的维护信息 来改进家庭设备的性能。另外，只有家庭成员才能登陆家庭网络服务器， 从而增加了家庭网络的安全性。 基于此，本文设计了一种家庭网络系统，该系统包括三个部分：客 户端、数据库和嵌入式服务器，系统的体系结构如图2 1 所示。 北京交通大学硕士学位论文 图2 1 家庭网络系统体系结构 在家庭网络系统巾，客户端是用户进行远程访问的接口。客户端用 户主要包括家庭网络用户、物业部门用户、客服部门用户和设备厂商用 户。家庭网络用户通过客户端访问自己家庭的嵌入式服务器，从而实现 埘于家庭设备的设置和控制。物业部门用户通过客户端访问数据库，从 数据库中访问各个家庭的各种仪表的统计数据。客户部门用户则通过客 户端把客服通知发送到数据库，数据库再把通知转发到客服部门家庭网 1 0 第二章基于嵌入式服务器的家庭嘲络系统的设计 络用户的嵌入式服务器中。设备厂商用户则通过客户端访问数据库中该 厂商生产的设备的使用维护状况，为设备的改进提供参考。为了网络安 全，在客户端，首先提供登陆界面，只有通过身份验证的用户才能登陆 到客户端。并且，客户端给不同的用户提供不同的交互界面以满足不同 用户的不同需求。客户端首先通过砷e m e t 连接到数据库上，一般用户 所需要的信息都能从数据库中获取，只有用户类型为家庭网络用户时， 客户端才连接到相应的家庭网络嵌入式服务器上。 数据库是家庭网络系统中唯一一个所有用户共享的部分。数据库的 应用主要是为了节省物业、客服等用户逐个访问嵌入式服务器带来的大 量时问的开销，同时还避免了由非家庭网络用户访问该家庭嵌入式服务 器带来的安全风险。另外，数据库还可以保存各个嵌入式服务器必须的 却又不常用的信息，如设备厂商的设备信息。嵌入式服务器只保留接入 该嵌入式服务器的家庭设备的简单信息，当一个嵌入式服务器需要添加 个设备时，该设备的信息就要从数据库中调入；当家庭网络系统加入 新设备时，便把该设备的信息存储在数据库中，这样就增强了嵌入式服 务器对接入设备管理的灵活性。 数据库系统定时收集接入到各个嵌入式服务器上的仪表的统计数 据，并把这些统计数据传送给物业部门用户。 嵌入式服务器是把家庭网络设备接入到i n t e m e t 上的网关，它不仅 负责管理控制接入到家庭网络的设备，而且还可以通过i n t e m e t 与数据 库、客户端的家庭网络用户进行通信。使用嵌入式服务器代替p c 机或 专用网关把家庭设备连接到i n t e m e t ，不仅降低了家庭网络系统的成本， 还减小了系统的功耗，使嵌入式服务器可以长期的连续运行，并且使用 专用的丌发板作为嵌入式服务器，提高供了系统的使用效率。 综上所述，本系统具有以下特征： 1 使用数据库系统存储家庭网络设备的相关信息和仪表数据统计 信息，不仅减轻了嵌入式服务器的存储负担，而且方便了连接到嵌入式 服务器上的家庭设备的更新；把物! i k 管理和客服通知胁务从嵌入式服 务器中分离开来，降低了物业、客服等用户的时问丹销：只允许家庭网 络用户访问响应的嵌入式服务器，增加了系统的安全性。 2 在家庭网络系统中，使用嵌入式开发板代替p c 机或专用网关作 为家庭网络服务器，不仅降低了服务器的成本，还大大节省了服务器的 北京交通大学硕士学位论文 运行功耗，使嵌入式服务器可以不间歇地运行，从而保证了嵌入式服务 器实时地对家庭网络系统进行管理监视和维护。 3 在本系统中，客户端对于用户是透明的，不同的用户都可以直 接通过客户端访问相应的系统。对于物业部门用户、客服部门用户和厂 商用户，客户端连接到数据库；对于家庭网络用户，客户端连接到相应 的嵌入式服务器上。 2 2 客户端分析设计 客户端是各种用户与家庭网络系统进行交互的接口。客户端主要包 括以下几种用户： 1 物业部门用户：物业部门用户使用客户端主要用来查看并统计家 庭网络用户的四表信息( 电表、水表、供暖表和煤气表) ，并下发给各 个家庭网络用户交费通知。 2 家庭设备厂商用，o ：家庭设备，商用户使用客户端查看自己生产 的设备的使用情况和维护更换情况，为该厂商改进设备提供参考依据。 3 客服部门用户：使用客厂一端对家庭网络用户进行客服通知。 4 家庭网络用，? ：这是客户端的主要使用者。家庭网络用户可以借 助客户端通过l m e m e t 对家庭设备进行控制以及对家庭环境进行设置， 另外家庭网络用户还可以借助客户端通过i n t e r n e t 对家庭中所有设备的 状态进行查看、设置等。 2 2 1 客户端功能描述 对于用户，客户端主要包括两大功能：用户赘陆和用户与家庭网络 系统的交互。用户登陆时，只要提供了正确的用户类型、用户名称和用 户密钥，客户端便提供给用户正确的交互界面。 不同类型的用户与家庭网络系统交互的需求不同。家庭网络用户通 过客户端来访问设置该家庭的设备状态，物业部门通过客户端提取各个 家庭网络接入的仪表的统计信息，客服部门通过客户端把客服通知发送 到各个嵌入式服务器中，设备厂商则通过客户端收集其生产的各种设备 的使用维护信息。总之，对于不同的用户，客户端具备的功能是不可的： 第二章基于嵌入式瑕务器的家庭网络系统的设计 1 对于家庭网络用户，客户端具备以下功能： ( 1 ) 显示该用户的接入到嵌入式服务器上的各设备的使用状态。 ( 2 ) 查看该用户的接入到嵌入式服务器上的各设备的使用维护信 息。 ( 3 ) 查看该用户的接入到嵌入式服务器上的各设备的属性信息( 比 如：空调的当前温度和设置温度等信息) 。 ( 4 ) 没置该用户的接入到嵌入式胀务器卜的各设备的属性和使用状 态。 2 对于物业部门用户，客户端具备以下功能： ( 1 ) 查看所负责的所有家庭网络用户的各种仪表的统计数据。 ( 2 ) 保存所查看的信息。 3 对于客服部门用户，客户端具备以下功能： f 1 ) 发送客服通知给所负责的家庭网络用广。 4 对于设备厂商用户，客户端具备以下功能： f 1 1 查看并保存该厂商所出售的有家庭网络设备的使用维护信息。 f 2 ) 修改所生产的设备的信息。 f 3 ) 添加新的设备信息到数据库系统。 ( 4 ) 删除数据库系统中该厂商的某种设备的信息。 2 2 2 客户端系统分析设计 客户端的系统结构以及与数据库和嵌入式服务器之问的关系如图2 2 所示。 厂7 i ：忑、 一一7 ，简磊过 = o ) 个实体同它联系：反之，对于实体集b 中的每一 个实体，实体集a 中也有m ( m = o ) 个实体同它联系，我们把这 种关系定义为m ：n 。比如在家庭网络系：一个家庭用户可以使 用多个设备厂商生产的设备，一个设备厂商也可以为多个家庭 用户提供没备，家庭用户和设备厂商之间是多对多的关系。 3 属性( a t t r i b u t e ) ：实体所具有的某一特征。比如：家庭用户的用户 名称，链接方式等都是家庭用户的属性。我们在e r a 模型中一般用 椭圆形表示。在d b 的逻辑设计中，属性被转化为表中的列或字段。 本系统所涉及的实体关系模型比较多。物业部门用户、客服部门用 户和家庭网络用户都是一对多的关系，每个家庭网络用户只属于某一家 物业部门管理，且只有一家客服部门为其服务；一个物业部门和客服部 门则负责多个家庭用户。对于家庭设备厂商，一个家庭网络用户拥有多 台家庭设备，而各个家庭设备的生产商不一定是相同的，即个家庭网 络用户- u 以使用多个设备厂商为其提供的设备，而设各厂商生产的设备 并不只是为一个家庭网络用户所使用，故家庭网络用户和设备厂商用户 是多对多的关系。其关系如图2 6 所示： 图2 6 家庭网络系统数据库的实体关系模型( a ) 一个家庭设备只能属于一个家庭，而一个家庭则可以拥有多台家庭 第二章基于嵌入式服务器的家庭网络系统的设计 设备，故家庭网络用户和家庭设备是对多的关系，而一个设备厂商可 以生产多台家庭设备，设备厂商和家庭设备是一对多的关系。其关系如 图2 7 所示： 图2 7 家庭网络系统数据库的实体关系模型( b ) 在数据库系统中，属于同一类家庭设备的属性是相同的，故同一种 家庭设备共享种属性列表。为了能够反映每个家庭设备的使用维护情 况，在数据库系统中，一台家庭设备维护一个家庭设备维护使用状况列 表，如图2 8 所示。 一b 一一一一一一。_ j l 竺生一、厩森磊寂 图2 8 家庭网络系统数据库的实体关系模型( c ) 为了把家庭网络接入到i n t e m e t 中，一个家庭必须配备一台嵌入式 服务器，为了维护和使用的方便，一台家庭网络嵌入式服务器只为一个 家庭使用，如图2 9 所示。 家庭网络用户卜一一- 嵌入式服务器 图2 9 家庭网络系统数据库的实体关系模型( d ) 在家庭网络系统的数据库系统中，家庭网络用户是最重要的实体， 其他的实体都是和家庭网络用户实体相关的。家庭网络用户实体是家庭 网络的拥有者，一个家庭网络用户实体拥有一个家庭网络嵌入式服务 器，该服务器把该家庭的所有设备链接到i n t e r n e t 上。家庭网络用户也 是家庭设备的拥有者，只有家庭网络用户才能更新自己的家庭设备列 表，物业部门用户只能通过访问属于该部门管辖的家庭网络用户的仪表 读数信息进行收费计算和通知，商用户通过访问购买该厂商设备的用 北京交通人学硕上学位论文 户查看其产品的使用情况，而客服部门则通过家庭网络用户的t e l 或者 e m a i l 进行信息通知。该数据库系统中具体的实体关系模型如图2 1 0 所示。 一一、j7 j 奁 、，基 点九、 h d l t a g = a t a g c o r e ； p a r a m s 一 h d l s i z e = t a g s i z t a _ c o r e ) ； p a r a i n s - u c o r c n a g s = o ； p a m m s 一 u c o r c p a g e s j z e = o ； p a f a m s - u r c f o o t d “= o ； p a m m s = t a _ e x t o a r a m s ) ； 其中b 0 0 tp a r a m s 表示内核启动参数在内存中的起始基地址， 指针p a r a f n s 是一个s 仃l l c tt a g 类型的指针。宏t a g _ n e x t 0 以指向当前标记 的指针为参数，计算紧临当前标记的下一个标记的起始地址。注意，内 核的根文件系统所在的设备i d 就是在这里设置的。 6 调用内核。 b o o tl d a d e r 调用“n u x 内核的方法是直接跳转到内核的第一条指 令处，也即直接跳转到m e ms t a r t + 0 x 8 0 0 0 地址处。 3 3 4 操作系统内核的启动方式 要使操作系统内核顺利的运行，b o o tl 0 a d c r 还必须根据其启动方 式配合工作。在嵌入式系统中，通常的存储介质有两种：r o m ( 包括 f 1 a s h ) 和r a m 。r o m 存取速度慢但相对便宜，黜蝴存取速度快但价 格相对昂贵。基于f l a s h 的运行方式可以节约内存，但是相对于设备驱 动开发者或者l j i l u x 内核调试来晚，如果每次都通过烧写f 1 a s h 来进行