（计算机应用技术专业论文）嵌入式家电信息化网络平台的研究与设计——逻辑实现.pdf

摘要 本文通过分析信息家电、家电网络的现状与未来发展趋向，以a r m 技术和嵌 入式u c l i n u x 操作系统为基础，通过合理的软、硬件设计，提出了基于嵌入式 技术的家电信息网络平台的设计思想，构建出针对家电信息网络的嵌入式智能 控制环境，并从设备层、中间层、应用层等方面详细论述了该平台的设计与实 现。实现中间层对底层不同设备的兼容和向上层提供备类应用程序开发的统一 接口。实现具有简单、高效、界面友好的家电信息网络平台。该平台兼容了家 电的远程控制和集中控制，也可以实现所有品牌、所有厂家家电设备的控制。 是一套真正基于嵌入式技术的家电信息网络全面解决方案。 本文的工作重点是家电信息网络平台的逻辑实现部分。本文着重从中间层和 应用层来解决不同家电设备的兼容及对设备进行简单操作及控制等问题。论文 分别论述了平台的逻辑实现：家电设备管理、家电设备操作，最后通过编写的 应用程序，仿真模拟了平台中对家电设备的逻辑控制部分实现，基本形成了所 设计的家电信息网络平台中的本地应用部分。 关键字：家电信息网络平台：a r m 处理器；u c l i n u x ；家电设备操作定义；家电 设备管理 a b s t r a c t t h i sp a p e ra d d r e s s e dt h ed e s i g n i n gi d e ao fi an e t w o r ke m b e d d e d1 l a t f o r m b a s e do ni n t e l l i g e n te l e c t r o n i cn e t w o r kf r a m e w o r ka n dt h et e c h n i c a lc o m b i n eo f a r mp r o c e s s o ra n de m b e d d e du c l i n u xo s ，t h r o u g ha n a l y z i n gt h ee v o l u t i o n a l t e n d e n c yo f t h ei n t e l l i g e n te l e c t r o n i ch o u s e h o l da p p l i a n c e sa n df a m i l yn e t w o r k ，t h e a p p r o p r i a t ed e s i g no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ea n dc o m p r e h e n s i v ed e s i g no fp r o t o c 0 1 t h ei an e t w o r kp l a t f o r mi sac o m p l i c a t e ds y s t e mt h a ti n c l u d e st h r e el a y e r ss y s t e m s t r u c t u r e ，h e ya r ea p p l i c a t i o nl a y e r ，i n t e r m e d i a t el a y e ra n de q u i p m e n tl a y e r t h ei n t e r m e d i a t el a y e rw i l lb ec o m p a t i b l et ot h ed i f f e r e n te q u i p m e n t so ft h e b o t t o ml a y e ra n dp e r m i te a c hk i n do fa p p l i c a t i o nf r o mh e a d i n gu pt h et o pl a y e na n d t h ed e s i g n i n ga n di m p l e m e n t a t i o no ft h i sp l a t f o r ma r em a i n l yd i s c u s s e df r o mt h r e e a s p e c t s o fe q u i p m e n tl a y e r , i n t e r m e d i a t e l a y e r a n d a p p l i c a t i o nl a y e r t h e d e v e l o p m e n tt r e n do ft h ei n f o r m a t i o na p p l i a n c e sn e e d st h er e a l i z a t i o no fa n e f f i c i e n c y , f r i e n d l ya n do p e np l a t f o r m t h ei an e t w o r kp l a t f o r mh a st w ow a y so f c o n t r o l ：r e m o t ec o n t r o la n do n e p o i n tc o n t r o la th o m e i tc a na l s oc o n t r o la l lk i n d so f h o m ea p p l i a n c ef r o md i f f e r e n tm a n u f a c t u r ef a c t o r i e s t h i si sae m b e d d e d t o t a l s o l u t i o no f l an e t w o r k t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e dt h el o g i c a lr e a l i z a t i o no fi an e t w o r kp l a t f o r mb y s h o w i n gas o l u t i o nt h r o u g h t h ea p p l i c a t i o nl a y e r ”a n d t h ei n t e r m e d i a t el a y e r o f d i f f e r e n th o m ea p p l i a n c e sa n do p e r a t i o n s i no r d e rt or e a l i z et h i s ，t h i s p a p e r i n t r o d u c e ds e v e r a li s s u e si n c l u d i n gd e v i c em a n a g e m e n t ，d e v i c eo p e r a t i o nf o ri a n e t w o r kp l a t f o r ms t r u c t u r e l a s t l yt h ep a p e ra d d e da p p l i c a t i o np r o g r a mi m p l e m e n t m e c h a n i s ma n di m p l e m e n tc o d ew h i c hi m p l e m e n tai an e t w o r kp l a t f o r mm o d e l k e yw o r d s ：i an e t w o r kp l a t f o r m ；a r mp r o c e s s o r ；u c l i m u x ；d e v i c em a n a g e m e n t ； d e v i c eo p e r a t i o n 昆明理工大学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( 或 我个人) 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，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：b 乙臻葡 日 期：a 毋r 年j 毒月，多日 关于论文使用授权的说明 本人完金了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：竖必论文作者签名 3 盔 日期i 趔生三月! 签旦 昆明理工大学硕士学位论文 6 3 4 主要功能模块实现 6 3 系统调试 6 ，3 1 嵌入式系统的调试 6 4 7 应用程序的调试 6 4 本章小结 结论与展望 致谢 参考文献 附录a 攻读学位期间发表的学术论文目录 攻读硕士学位期间获奖情况 附录b ( 程序主要部分源代码) 图表目录 图11 一个基本的嵌入式系统 图1 2 嵌入式系统的应用， 图21 网络家电联网实现图， 图2 ，2 家电信息网络总体结构 图2 3 家电信息化网络平台的功髓结构及其之间的关系 图3 1a r m 交叉开发工具套件结构， 表3 1a r m 处理器运行模式 图3 2a r m 体系结构的可见寄存器。 图3 3c p l5 协处理器中和m m u 操作相关的寄存器 表3 2a r m 各个寄存器的定义说明 表3 3a r m 体系的异常中断处理， 图3 4 平台硬件平台的结构 图35 $ 3 c 4 5 1 0 b 的芯片逻辑图 图3 7u c iin u x 设备管理机制 表3 6l jn u x 内核设备分类 3 7 4 7 5 7 6 7 9 8 0 7 0 7 2 7 2 7 3 7 3 7 9 7 9 o ， 褐 ” 他 m 筋 孙 打勰 幻 约 昆明理工大学硕士学位论文 图3 8 实现兼容不同家电标准的平台软件结构部分图 图3 1 0 实现平台逻辑控制部分的结构图 图4 1 家电设备支持库结构图 图4 2 家电设备逻辑操作归类 图4 3 影音类家电产品操作归类 图4 4 厨房类家电产品操作归类 图45 家居类家电产品操作归类 表41 家电产品类别及其数据结构 表4 2 电视机的操作原语定义 表4 3d v d v c d c d 播放机的操作原语定义。 表4 4 微波炉的操作功能定义 表4 5 电饭煲的操作功能定义 表4 6 照明设备的操作功能定义 图5 1 家电信息化网络平台运行流程 表5 1 家电设备地址分配 图5 3 系统设备控制界面与设备抽象的关系 图5 4 家电设备抽象模型结构 表5 3 命令属性定义 图5 5 设备注册表结构 图6 1 系统应用程序开发流程图 表6 1 家电控制的数据结构 图6 3d e b u g g e r 调试方式 图6 3b d m j t a g 调试 训 们 帖 钉 档 伯 娩 钯 弱 引 钾 弛 码 昆明理工大学硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 进入2 0 世纪9 0 年代后期以来，信息技术和网络化技术取得了更加迅猛的发展 并日益渗透到各个领域。随着i n t e r n e t 网向普通家庭生活不断扩展，消费电子、 计算机、通讯一体化趋势日趋明显，智能化信息家电产品已经开始步入社会和家 庭。p c 的应用已经从高速增长进入到平稳发展的市场顶峰时期，单纯由p c 机带领 的电子产业蒸蒸日上的时代已经成为历史，现在的电子产业的发展需要寻找一个 新的“战略转折点”。这个时候。美国b u s i n e s sw e e k 杂志提出了“后p c 时代” 的概念。在这个时代，占电子市场主体的不再是p c s n 家用电器，而是具备视听功 能、信息处理和双向网络通信功能的智能家电。如果说家用电器的出现使人们体 验到工业革命成就之伟大的话，智能家电的诞生则使人们为信息时代给人们带来 的巨变而震撼，满足了人们舒适、高节奏的生活需要。 智能家电是指以单片机或微处理器作为控制核心的家用电器，在这类家电 中，微处理器不仅可以控制家用电器的基本功能，而且还可以模拟人的行为对家 乜进行功能的扩展，从而大大地提高家用电器的品质和性能。家用电器要实现智 能化、信息化、网络化必须要具备处理复杂数据的能力和管理硬件的能力，由 于传统的操作系统资源需求过大，限制了其在智能家电中的应用，这就需要研究 适用于各类家电的家电信息化网络平台。 家电信息化网络平台的关键是将全部家电联网，集成为协调一致的智能化平 台，实现智能平台对家庭中所有家电设备的集中式控制，分布式操作以及家电设 备的网络化应用，真正满足人们对家用电器的功能和智能化水平提出的愈来愈高 的需求。随着信息技术和网络化技术的发展，提供了家用电器居家环境集中控制 和远程调控的可能性，并将信息技术与家电控制技术相融合，在更大程度上实现 了家电信息网络化。 1 2 嵌入式技术是家电信息化产品的核心 中国有世界上最大的家用电子产品消费市场，彩电、v c d 等拥有量都居世界 5 昆明理工大学硕士学位论文 第一；随着消费结构的改变，人们对家电的灵活性和可控性提出了更高的要求， 这些只能通过家电的信息化和网络化来实现。随着电话通信费用和通信类电子产 品的价格进一步下调，p d a 结合数字手机将成为今后个人数据通信和事务处理的 最佳选择：同时，对于现代化的医疗、测控仪器和机电产品也需要有专用的嵌入 斌系统的支持。这些需求都极大地刺激了嵌入式系统的发展和产业化的进程。随 着信息技术的发展，家电信息网络产品空前繁荣。嵌入式技术已经成为家电信息 网络化产品的核心，是未来市场竞争力的重要体现。 1 2 1 嵌入式系统的概述 在实现家电信息网络化的过程中一个使用到的关键技术是嵌入式系统。嵌入 式系统被定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，从而能 够适应实际应用中对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系 统。实际上嵌入式系统是计算机的一种应用形式，是将先进的计算机技术、半导 体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合的产物，具有软件代码小、高度 自动化、响应速度快等特点。特别适合于要求实时和多任务的系统。图1 1 给出 了嵌入式系统的一个常见例子【l ”。 昼豳愿豳 1 麟ij l 嚣囊簿缫糍童i 。4 。：-、“ 图1 1 一个基本的嵌入式系统 1 。2 2 嵌入式系统的特点分析 由于嵌入式系统是应用于特定环境下，面对专业领域的应用系统，所以与通 用计算机系统的多样化和适用性不同，嵌入式系统有其自身特点 2 】： 面向应用，以应用为中心：专用性强且资源有限，用途固定，成本敏感； 软硬件紧密融合，集计算机技术、微电子技术和行业技术为一体；多任务实 时并发，可靠性要求高；应用模式多样化，种类繁多；嵌入式软件作用更为 突出；嵌入式系统软件需要嵌入式操作系统开发平台。 嵌入式操作系统是相对于一般操作系统而言的，它具备了一般操作系统最基 6 昆明理工大学硕士学位论文 本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件功能等。但嵌入式操作系统 仅具有这些功能是不够的，为了适应不断发展的嵌入式产品的要求，嵌入式操作 系统还要具有以下特点：更好的硬件适应性，也就是良好的移植性：占有更 少的硬件资源；高可靠性；提供强大的网络功能，支持t c p i p 协议及其它 网络协议；友好的图形接口；具有实时性能。 1 2 3 嵌入式应用的现状 嵌入式计箅机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，制造工业、过程控 制、通讯、仪器仪表、汽车、船舶、航空航天、军事装备、消费类产品等方面均 是嵌入式计算机的应用领域。今天，嵌入式系统的工业年产值已超过l 万亿美元。 美国汽车大王福特公司的高级经理也曾宣称，“福特出售的计算能力已超过 了i b m ”，【6 】。由此可见嵌入式计算机工业的规模和广度。目前，嵌入式系统已广 泛应用于信息家电、移动通信、手持设备以及工业控制等领域( 如图1 2 所示) 。 1 3 国内外研究现状 图1 2 嵌入式系统的应用 1 3 1 国内家电信息网络发展现状 在国内，方正卓越3 0 0 0 系列在家用电脑领域第一次提出了“家用电器智能网 络概念”进而实现了众多家庭电脑用户期待已久的“家电网络智能控制”功能。 所谓“家用电器智能网络”，是将包括电视枫、录像机、v c d 、摄像机、家用空 调、微波炉等在内的全部家用电器通过控制电路联接在一起的家用集成管理模 昆明理工大学硕士学位论文 夺的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件功能等。但嵌入式操作系统 仪具有这些功能是不略的，为了适应不断发展的嵌入式产品的要求，嵌入式操作 系统还要具有以下特点：更好的硬件适应性，也就是良好的移植性；占有更 少的硬件资源；高可靠性；提供强大的网络功能，支持t c p i p 协议及其它 网络协议；友好的图形接口； 具有实时性能。 12 3 嵌入式应用的现状 嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，制造工业、过程控 制、通讯、仪器仪表、汽车、船舶、航空航天、军事装各、消费类产品等方厦均 是嵌入式计算机的应用领域。今天，嵌入式系统的工业年产值已超过1 万亿美元。 美国汽车大王福特公司的高级经理也曾宣称，“福特出售的计算能力7 己超过 了i b m ”，1 6 】。由此可见嵌入式计算机工业的规模和广度。目前，嵌入式系统已广 泛应用于信息家电、移动通信、手持设备以及工业控制等领域( 如图1 2 所示) 。 1 3 国内外研究现状 图1 2 嵌入式系统的应阳 1 3 1 国内家电信息网络发暴现状 在国内，方正卓越3 0 0 0 系列在家用电脑领域第一次提出了“家用电器智能网 络概念”- 进而实现了众多家庭电脑用户期待已久的“家电网络智能控制功能。 所谓“家用电器智能网络”，是将包括电视机、录像机、v c d 、摄像机、家用空 调、微波炉等在内的全部家用电器通过控制电路联接在一起的家用集成管理模 调、微波炉等在内的全部家用电器通过控制电路联接在一起的家用集成管理模 昆明理工大学硕士学位论文 本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件功能等。但嵌入式操作系统 仅具有这些功能是不够的，为了适应不断发展的嵌入式产品的要求，嵌入式操作 系统还要具有以下特点：更好的硬件适应性，也就是良好的移植性：占有更 少的硬件资源；高可靠性；提供强大的网络功能，支持t c p i p 协议及其它 网络协议；友好的图形接口；具有实时性能。 1 2 3 嵌入式应用的现状 嵌入式计箅机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，制造工业、过程控 制、通讯、仪器仪表、汽车、船舶、航空航天、军事装备、消费类产品等方面均 是嵌入式计算机的应用领域。今天，嵌入式系统的工业年产值已超过l 万亿美元。 美国汽车大王福特公司的高级经理也曾宣称，“福特出售的计算能力已超过 了i b m ”，【6 】。由此可见嵌入式计算机工业的规模和广度。目前，嵌入式系统已广 泛应用于信息家电、移动通信、手持设备以及工业控制等领域( 如图1 2 所示) 。 1 3 国内外研究现状 图1 2 嵌入式系统的应用 1 3 1 国内家电信息网络发展现状 在国内，方正卓越3 0 0 0 系列在家用电脑领域第一次提出了“家用电器智能网 络概念”进而实现了众多家庭电脑用户期待已久的“家电网络智能控制”功能。 所谓“家用电器智能网络”，是将包括电视枫、录像机、v c d 、摄像机、家用空 调、微波炉等在内的全部家用电器通过控制电路联接在一起的家用集成管理模 昆明理工大学硕士学位论文 式，可以实现家用电脑的集中智能管理和远程遥控，可以大大提高家用电器的工 作效率和使用效益。方正卓越3 0 0 0 系列迈出了中国家电智能网络的第一步，可以 通过强大、方便的学习功能，对所有配备红外遥控器、具备红外遥控功能的家用 电器进行一体化智能调节和控制，成为用户家庭中真正的“家电主管”。 2 0 0 0 年8 月中旬由国家经贸委牵头成立家庭信息网络技术委员会，信息网络 技术体系研究及产品开发己作为国家技术创新重点专项计划，由长虹、海尔、清 华同方、t c l 、信息产业部电子三所、上广电、小天鹅等单位共同承担。 随着海尔银灰色系列高智能网络家电产品的推出，其它家电产业集团并没有 挫视，首先是长虹集团与i b m 进行专项技术交流，就“交互式宽带多媒体信息网” 投入商业运作问题建立战略合作，开始进军有线电视网络：海信也随即推出了网 络电脑，可通过电话遥控开机、关机。并可以随时控制家里所有的电器是否工作。 据业内人士介绍，从2 0 0 2 年到2 0 0 5 年，中国将进入“数字化家园”建设的大 规模实验和推广阶段，将有相当部分的中、高级住宅小区和家庭在控制和管理 上实现真正意义上的智能化。2 1 世纪的家庭必然是网络终端、信息家电的舞台。 当前在进行智能园区规划建设时，必须充分注意这一点，应该着眼于构造2 l 世纪 未来智能家电的解决方案，必须构建好未来网络终端和信息家电使用的网络环 境。经过各方努力，有理由相信家电信息网络一定会走进我们每一个小康家庭。 1 3 2 国外家电信息网络发展状况 从9 0 年代中期，欧美等经济比较发达的国家就提出了“智能住宅” ( s m a r t h o m e ) 的概念，智能建筑开始走向智能住宅小区。在欧洲，我们能见到， 智能住宅里有多个共有电源和有线电视插座以及电脑、i s d n $ i 网络摄像机接口， 主人可以通过便捷式电脑来远程查看各个房间。智能化住宅实质上就是将各种家 庭自动化设备、计算机及其他网络系统与建筑技术和艺术有机结合的产物，这种 家居环境的变化也兼顾了流动办公的作用，成为了一种新潮流。在美国，殷实的 中产阶级中有8 0 以上的购房者希望新居中安装家庭入网端口，随着低价p c 的盛 行，用p c 、打印机、电视机和其他设备连接起来形成一个信息家电网络，将满 足人们对高速数据访问的需求。 许多计算机、通信、家电行业的巨人都认识到智能信息家电的巨大市场潜力， 纷纷进入这个领域。c i s c o 、i n t e l 、n o r t e l 、m o t o r o l a 、l u c e n t 、3 c o m 、i b m 、e r i c s s o n 和松下等公司都已开始建立智能信息家电和智能家居公司。根据美国一家权威市 昆明理工大学硕士学位论文 场调查机构预计，到2 0 0 3 年，建设网络化家庭所带来的市场总值将高达4 5 0 0 亿美元。其中3 7 0 0 亿美元是智能信息家电硬件产品的价值，其余是软件和技术 支持服务的费用。目前，全球信息产业市场规模已突破2 万亿美元，世界信息产 、【k 的增长速度为世界经济增长速度的5 - 6 倍，到2 0 0 0 年末吐界信息产业的总值 约达3 万亿美元。据i d c 预测，到2 0 0 5 年信息产品销售量会超过p c 机数量， 到2 0 1 5 年信息产品的数量会达到p c 机的1 0 倍。在信息产业中预期增长最快的 将是信息家电部分。 1 3 3 国内外嵌入式系统发展情况 国外嵌入式系统的发展由于起步较早，较为成熟，在处理器生产和研制等方 砸各大厂商都有自己的系列产品，并且在不断地根据市场需求，研制出新的产品。 在嵌入式操作系统和产品方面，8 0 年代就有了完成特定功能的商用嵌入式操作 系统，而嵌入式产品也不断问世。 国内从事嵌入式技术研究比较晚，没有自己生产嵌入式芯片的能力，在嵌入 式操作系统方面有自主知识产权的产品很少，一般都使用的是开放源码的操作系 统。目前主要在应用国外芯片和软件技术进行产品的设计和开发，产品有联想的 p d a ，机顶盒等。但产品的种类较少，价格较高，实用性不是很强。很多厂商已 经看到了嵌入式产品的巨大市场潜力正加入到对嵌入式系统的研究和开发中来。 1 4 本课题研究的内容 基于以上对网络家电的发展现状和目前存在主要问题的分析，由于不同厂家 的设备使用不同的通讯协议和数据格式，为了能集中控制各类家电设备，真正实 现网络化和信息化。本研究选题的目的在于对相关关键技术进行总结，能分析和 归纳各类家电设备的协议标准；能很好地解决家电连网、不同家电标准之间的兼 容问题，最大限度地降低开发工作中的重复劳动，极大地提高开发效率，缩短开 发周期。 本课题“嵌入式开放平台在家电网络信息化中的研究与实现”来源于云南省 自然科学基金项目。其最终目标是在家电设备中利用a r m 技术和u c l i n u x 操作系 统开发出家电信息化网络平台。研究以家电设备为对象，开发以设备层( 各种协 议标准的转换及驱动) 一一中间层( a r m + u c l i n u x ) 一一应用层( 用户应用程序) 昆明理工大学硕士学位论文 为框架的家电信息化网络平台。中间层为挂接的设备提供服务，向应用层提供开 放接口，使应用层根据用户需要进行开发，为实现不同家电信息网络化提供理论 依据和实现方法。实现具有可重用、简单、高效、界面友好的家电信息化网络平 台。 1 5 本论文完成的主要任务 根据目前国内外对嵌入式的研究和开发，结合实际的实验条件我们采用了 s a m s u n g 的s 3 c 4 5 l o b 作为平台的硬件部分，其处理器采用的是a r m 技术3 2 位的 r i s c 指令具有高性能，多应用的特点，得到全球广泛的技术支持，目前已经 占据了7 5 的市场份额。选用的操作系统是u c l i n u x 的无m m u 的操作系统，其源 代码开放，内核可按需求定制，支持a r m 体系的c u p 。硬软件开发工具容易获得， 开发环境容易搭建。 根据具体的研究情况本论文将从以下几个方面进行研究和应用： 相关知识的积累：需要熟悉大量相关硬件技术、嵌入式操作系统、数据传 输协议、网络协议等相关知识。还需要阅读大量相关国内外资料，以及掌握与本 课题相关的内容以投入本论文的实际研究工作。 设计家电信息化网络平台的总体结构，提出整体思想思路和方案：首先确 定实现家电网络的系统架构，其中包括硬件平台的搭建和软件的构成。主要宗旨 是构造基于嵌入式微处理器的家电信息化网络平台的完整解决方案，其中包括对 于不同厂家、不同品牌、不同种类的家电进行兼容和管理。 设计应用层中的本地家电应用程序，实现家电信息化网络平台对家电设备 简单的本地控制。开发出简单的本地家电用户界面。 抽象出家电设备注册的数据结构，以实现平台对家电设备进行注册管理。 家电信息化网络平台设计的一个重要目的是实现多种的标准协议的兼容 性，因此在平台中应提供目前常用的几种信息家电标准的支持库，将不同的协议 转换成平台专用的协议，为不同的标准提供统一的操作。在此之上，对各类家电 设备的具体操作进行抽象。 本文需要完成本课题的应用层初步研制与开发以及如何在平台的中间层解 决不同家电设备兼容的相关具体问题。在整个课题的研制开发过程前，要列出研 制计划，列出所有难点，然后在研发过程中，集中精力逐个加以解决。最后与设 备层和中间层的其他功能结合起来，以此实现具有基本功能的家电信息网络平台 1 0 昆明理工大学硕士学位论文 的雏形。 本设计涉及的内容非常丰富，不但和嵌入式微处理器a r m 、嵌入式u c l i n u x 、 信息家电技术、家电设备内部互连标准等相关，还与很多底层的硬件及硬件接口 裔密切的联系。其解决方案及相关技术将在随后的篇幅中加以论述。 论文的组织围绕以上工作展开。 第一章介绍嵌入式技术在家电控制中的应用，将u c l i n u x 应用于嵌入式系统 的问题以及嵌入式技术的国内外发展情况。 第二章讨论实现家电信息化网络平台的总体结构及基本原理。 第三章介绍基于a r m 微处理器的硬件平台和u c l i f l u x 软件平台环境的实现机 理的家电信息化网络平台的组成。 第四章着重讨论在基于不同家电协议标准上，抽象出各类家电设备具体操 作，即设计家电设备操作原语层。 第五章主要分析和设计出家电信息化网络平台中家电设备管理机制。抽象出 统一的家电设备管理，对抽象出的各类家电设备实现统一的注册与注销、打开与 释放、读写操作、控制操作以及设备的轮询处理。 第六章结合第四章和第五章的设计思想，给出家电信息化网络平台逻辑部分 的仿真模拟。 最后给出论文的结论与展望。 昆明理工大学硕士学位论文 第二章实现家电信息网络化的嵌入式平台 2 1 家电信息网络的发展 家庭自动化、智能家电的概念提出较早，一般是指实现对家用电器设备的自 动控制和调节，而网络家电、信息家电则偏重于家庭内部通过网络对外部信息的 获取。综合来看，结合两种思想，把自动化控制技术、网络技术和通信技术引入 家庭，建设家电信息网络，充分实现家电网络化和信息化，能够给未来的居住环 境带来更多的方便和舒适，符合未来家庭的要求。在家庭中，所有的电器都是分 散的，每台设备执行一种功能，为家庭生活提供一种服务，设备之间相互独立， 互不影响。而家电信息网络的基本功能是将家庭中的各个设备有机地连接起来， 达到各种智能控制和信息共享，并提供与外界的联系【1 j 。 2 1 1 家庭自动化 家庭自动化指利用微处理电子技术，集成或控制家中的电子电器产品或系 统。家庭自动化系统主要是以一个中央微处理器接收来自某一电子电器产品的信 息后，再以既定的程序发送适当的信息给其他电子电器产品。中央微处理器必须 透过许多界面来控制家中的电器产品，这些界面可以是键盘，也可以是触模式屏 幕、按钮、电脑、电话机及遥控器等。消费者可以发送信号至中央微处理器，也 可以接收来自中央微处理器的信号。 随着网络技术的普遍应用，网络家电信息家电的成熟，家庭自动化产品的 许多功能将融入到这些新产品中去，从而使单纯的家庭自动化产品越来越少，其 核心地位也被家庭网络所代替，在家庭网络中的控制网络部分发挥作用。 2 1 2 家庭网络 家庭网络是在家庭范围内，将电脑、家电、安全系统、照明系统和广域网相 连接的一种新技术。家庭网络是一个多子网结构的分别采用不同底层协议的混合 网络，与局域网和广域网相比，在系统构成、网络协议及用户群体方面都具有自 昆明理工大学硕士学位论文 已的特点，实现家庭网络必须具有完整的系统集成方案、高度的互操作性和灵活 易用的网络接口。 家庭网络所采用的连接技术可以分为“有线”和“无线”两大类。有线方案 主要包括：双绞线或同轴电缆连接、电话线连接及电力线连接等：无线方案主要 包括：红外线连接、无线电连接、基于射频技术的连接和基于p c 的无线连接等。 家庭网络分为家庭控制网络和家庭信息网络，家庭控制网络通常以总线控制 防议为主，主要是对家庭自动化产品；家庭信息网络通过以太网方式组网，完成 与外界的网络连接和家庭内部设备与信息的管理。 2 i 3 网络家电 网络家电是利用数字技术、网络技术及智能控制技术将普通家用电器进行设 计改进的新型家电产品。网络家电可以实现互联，组成一个家庭内部网络，同时 这个家庭网络又可以与外部互联网相连接。 网络家电技术包括两个层面：第一个层面是家电之间的互连问题，也就是使 不同家电之间能够互相识别，协同工作；第二个层面是解决家电网络与外部网络 的通信，使家庭中的家电网络真正成为外部网络的延伸。如图2 1 所示： 圈2 1 网络家电联网实现图 要实现家电间的互联和信息交换，就需要解决：( 1 ) 描述家电工作特性的 产品模型，使得数据的交换具有特定含义；( 2 ) 信息传输的网络媒介。由于网 络控制为网络家电的关键部分，所以基于家庭网络互联的网络家电是将来的一个 发展趋势【4 3 1 。 2 1 4 信息家电 信息家电是近年提出的概念，其含义是将数字化技术引入家用电器领域，用 昆明理工大学硕士学位论文 以接收、发布、处理信息，使之成为网络终端，甚至成为信息处理终端。信息家 电一般具有以下特征： 网络特性：一般信息家电应具有网络接入能力，有的甚至就是网络终端。 数字化特征：信息家电中应包含有微处理器，信息家电处理的是数字化信息。 嵌入式软件：信息家电中应包含有嵌入式软件，尽管其存在形态可能是固化 形式。 信息家电是能够通过网络系统交互信息的家电产品，由嵌入式处理器、相关 支撑硬件、嵌入式操作系统以及应用层的软件包组成。信息家电把电脑的某些功 能分解出来，设计成应用性更强、更信息化的产品，使普通居民步入信息时代的 步伐更为快速，是具备高性能、低价格、易操作特点的i n t e r n e t 2 1 2 具。信息家电 的出现将推动家电网络市场的兴起，同时家电网络市场的发展又反过来推动信息 家电的普及和应用的深入【2 3 1 。 2 2 家电信息网络概述 家电信息网络已经成为现代化家居必不可少的一部分。而目前各个家电生产 厂。商都不愿将自己的协议和其他的协议融合，使得各种通讯协议纷杂，没有实现 真正的开放式网络，另外，信息家电主要是指带有嵌入式处理器的小型家用信息 设备，它的基本特征是与网络( 主要是指互联网) 相连而有一些具体功能，可以 是成套产品，也可以是一个辅助配件。而网络家电则指个具有网络操作功能的 家电类产品，这种家电可以理解为是原来普通家电产品的升级。要实现真正的家 电信息网络化，还必须充分考虑使用嵌入式技术、网络技术、数字技术、智能控 制技术等相关技术。 家电信息网络化的主要目的是通过一个统一的智能平台将电器设备、灯光控 制系统、安全控制系统、楼宇自动化系统等子系统连成一个统一的整体。家电信 息网络主要由智能家电以及连接这些家电的内部网络和外部网络组成。 2 2 1 内部连网方案 家电内部网络接口的媒体层方案直接关系到用户的实际使用和安装，也是家 电网络快速发展道路上最迫切需要统一的方案。信息家电网络一般可分为3 种功 能型：高智能信息家电、视频音频设备以及一般电气设备，媒体层可供参照的协 - t 4 昆明理工大学硕士学位论文 议有h o m e p n a 、s w a p 、i e e e l 3 9 4 、b 1 u e t o o t h 、u s b 和p o w e rl i n e 等 4 0 1 。 i e e e l3 9 4 由a p p l e 电脑公司提出的f i r e w i r e 标准衍变而来，它是一种灵活 易用、花费低且用于信息家电和个人电脑互连的通用串行数字化接口。它定义了 介质拓扑和传输协议，侧重于线缆连接应用，是一个软硬件集成标准。它具有完 全的数字接口，无须模拟数字的转换，减少数据丢失率，而且接口较小，串行 电缆较细，节省空间和花费。此外，它支持热插拔，用户可以在总线有效状态下 插拔i e e e l 3 9 4 设备。同时，它易使用，易维护，安装时无须附加设备和人工端 口设置。另外，它还拥有传输速率可升级体系，使得1 0 0 m b p s 、2 0 0m b p s 和4 0 0 m b p s 可在同一总线上依照应用特性随时变更，并具有灵活的网络拓扑结构，支持链形 与树形的多级桥连。i e e e l 3 9 4 的同步通信方式可用于多媒体数据传输，异步通 信方式可用于控制信号传输。 h o m e p n a 是一种基于高速、易用和便宜的电话线且用于解决家庭中电脑和其 他设备之间通讯的网络解决方案。它使用简单，维护方便，有较合理的性价比。 它支持i n t e r n e t 访问。 s w a p 提供个开放的家庭信息平台，使各种可互操作的消费电子设备可以进 行无线的音频和数据通信，从而建立一个家庭无线网络。s w a p 主要是利用p c 在 家庭的主导作用分配和发布t c p i p 协议信息，解决家庭网络问题。 b l u e t o o t h 是目前发展最为迅速的无线通讯协议，是神通过无线短程链接 传送语音和数据的技术开放性标准，适用于静止或者运动的环境。b 1 u e t o o t h 的 目标是用无线替代电话及笔记本电脑等设备的互连缆线，让网络更易于使用，并 开辟新功能，增加网络条件访问和数据加密等安全措施。 2 2 2 外部连网方案 对于家庭内部网络与户外现存的各种网络，在互连时可以采用有线或无线方 式。有线方式有传统的m o d e m 、c a b l em o d e m 、x d s l 技术和数据广播技术等，无 线的方式有w a p 和l d m s 等。传统m o d e m 的最大传输速率为5 6 k b p s ，采用的标准 有x 2 和v 9 0 等，i s d n 作为窄带数据交换，仍是目前常用的方式。 c a b l em o d e m 方式是信息家电控制平台外部连网的最具潜力的方式。它主要 采用q a m 信道调制方式，其中6 4 q a m 下行数据传输为2 7 m b p s ，2 5 6 q a m 下行数据 传输为3 6 m b p s ，1 6 q a m 下行数据传输为l o m b p s 。c a b l em o d e m 的接口部分包括 昆明理工大学硕士学位论文 l o 1 0 0b a s e - te t h e r n e t 卡、外部通用串行总线m o d e m 、外部i e e e l 3 9 4 和内部 p c im o d e m 。 x d s l 技术通过传统电话线p o t s 铜线实现高速的数据传输，并且数据和语 音在同一条线上传输，x d s l 工作频率大致为l o o k l t z ，传输速率可以从2 m b p s 到 3 0 m b p s ，但是一般低于l o m b p s ，通常通过m o d e m 上传数据。现在，此技术存在 许多标准，它们有a d s l 、a d s ll i t e 、c d s l 、h d s l 和i d s l 等，其中a d s l 和h d s l 使用较多。此外还有r d s l ，它可根据传输线的质量和传输距离动态地调整访问 速度。v d s l 是传输速率最快的一种，在一对双绞线上可支持1 3 m b p s 5 2 m b p s 的 上行传输速率和1 5m b p s 2 3 m b p s 的下行传输速率，但传输距离只有3 0 0 m 1 4 0 0 m ，还可以支持高清晰度电视信号。 利用无线技术进行家庭网络接入，上行通道多采用模拟调制解调器，并通过 标准s l i p p p p 连接到本地i s p ，其实际传输速率根据调制解调器而定。l d m s 是种双向的数字式广播系统。它主要利用地面设备进行数据收发。由于使用g 波段，频率较高，所以l d m s 采用集线站和网络中心的转发器传输数据。l d m s 的 作用是处理所有的路径选择、线路交换以及桥接i n t e r n e t 等一些问题。虽然l m i ) s 不是一个完全的交换式网络，但是它可以建立虚拟的点对点连接。正如其他高速 访问方案一样，l m d s 也是非对称的系统。 2 。3 家电信息化网络平台结构及功能 2 3 1 总体结构 家电信息网络化已经成为现代化家居必不可少的一部分，而各个家电生产厂 家受利益的驱使，都不愿将自己的协议和其他的协议融合，使得各种通讯协议纷 杂，没有实现真正的开放式网络。除此之外，在开发家电控制系统时没有成熟的 体系结构，往往是针对某类家电设备单独开发控制系统，系统自身的管理功能( 系 统资源的分配，网络接入的实现) 和家电设备的具体控制功能( 如音频设备的音 量控制、视频设备的频道切换) 混杂在一起，在这种情况下当控制对象改变时系 统必须重新设计，造成了大量的重复劳动，降低了开发效率，也相应地提高了家 电控制系统的成本。 为了解决上述问题，我们提出了以家电信息化网络平台为核心的解决家电信 息网络的设计构想。平台在底层使用了协议封装器对常用的底层接入协议的数据 。1 6 昆明理工大学硕士学位论文 流进行分割、封装将不同的数据格式转换为本平台使用的数据格式，送到平台中 进行处理。家电信息化网络平台是一种新型的控制系统结构，它通过使用嵌入式 技术，将家电控制协议、通讯协议、控制技术有机得结合成一个整体，实现实时 的集中管理，为人们提供了一个更舒适、更安全、更方便的生活环境。家电信息 化网络平台充分体现了现代计算机技术与实际应用的完美结合，为实现家电网络 信息化提出了一种简单、方便、经济、实用的智能控制结构。 家电信息网络中，家电信息化网络平台与和它相关的其他系统的关系如图 2 2 所示： 圈2 2 冢电信息网络总体结构 从该图中可以看出，家电信息网络主要由家电信息化网络平台、各类家用电 器设备组成a 其中家电信息化网络平台充当主控器，管理属下的家用电器设备 组，构成一个家电信息网。 在该网络中，无论是外界对各种信息的采集、对设备的控制，还是内部信息 的处理、设备间的关联，都是由家电信息化网络平台来执行完成。从家庭实际应 用的需