（计算机软件与理论专业论文）基于arm的嵌入式家庭网关的设计与实现.pdf

西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：际裤 日期： 沙仆6 、c 口 指导教师签名： 日期 加，、占、 西华大学学位论文版权使用授权书 殇 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：街锈 日期： 沙f f 、易co 指导教师签名： 日期 沙i ， 渗 西华大学硕士学位论文 摘要 高科技产品开始不断走进日常生活之中，家庭信息化将成为必然趋势。家庭信息化 就是通过一种设备将家庭中所有家用电器及电子设备连接至一起，形成一个智能化的家 庭网络，这样就可以通过互联网访问控制家庭电器设备。目前家庭中正是缺少这种设备 ( 嵌入式家庭网关) ，使得家电设备无法形成智能化的家庭网络。嵌入式家庭网关是组成 家庭网络，实现各种家电设备互联的核心设备和平台。 嵌入式家庭网关主要特点是，面向特定应用，对安全性、可靠性要求高，以及成本 低等。目前国内外已经研发出多种家庭网关，但成本较高，不适合一般家庭使用。同时 采用文件方式对数据进行处理，使得数据容易被修改，删除，替换等，数据安全性得不 到保障。 基于上述情况，本文介绍了一种新的基于a r m l i n u x 开发平台，低成本安全性高 的家庭网关设计方案。本设计中使用a r m 和l i n u x 作为家庭网关软硬件平台，采用嵌 入式数据库进行家庭网关数据管理，提高数据安全性。同时介绍一种基于n r f 2 4 l 0 1 的 无线家庭网络组建方案。 本文围绕如何实现低成本高性能的嵌入式家庭网关，对设计过程中的关键问题展开 研究。首先对嵌入式系统及嵌入式家庭网关研究背景、现状、发展趋势进行分析，阐述 本文的研究意义。其次，搭建家庭网关开发平台，包括设计家庭网关硬件及软件开发平 台。对其核心硬件进行研究，设计家庭网关硬件电路；对u - b o o t ，l i n u x 等进行研究， 搭建软件开发平台，包括l i n u x 操作系统移植，以及根文件系统的制作。再次，设计嵌 入式家庭网关软件。对嵌入式网络服务器b o a 、c g i 以及嵌入式数据库s q l i t e 展开研 究，实现家庭网关功能。最后测试嵌入式家庭网关的功能，对本文设计的嵌入式家庭网 关进行分析，并介绍今后下一步的研究工作。 关键词：a r m ；l i n u x ；b o a ；c g i ；家庭网关；s q l it e 基于a r m 的嵌入式家庭网关的设计与实现 a b s t r a c t h i g h - t c c hp r o d u c t sb e g a nt oo o m ei n t oo u rd a i l yl i f ec o n s t a n t l y , h o m ei n f o r m a t i o n i z a t i o n b e c o m e sa ni n e v i t a b l et e n d e n c y h o m ei n f o r m a t i o n i z a t i o nm e & u sc o n n e c ta l lt h ef a m i l y e q u i p m e n ta n de l e c t r o n i c st o g e t h e rw i t ht h eh e l po fas p e c i a ld e v i c e ，a n df o u n d sa l l i n t e l l e c t u a l i z e dh o m en e t w o r k , i nt h i se a s e ，w eo a nv i s i ta n dc o n t r o lt h ee q u i p m e n t si no u r h o u s ea c c o r d i n gt ot h ei n t e r n e t b p a ：a u s eo ft h el a c ko fs u c had e v i c e ( e m b e d d e dh o m e g a t e w a y ) a tp r e s e n t , m a k e st h ee l e c t r o n i ce q u i p m e n t sc a n tf o r mi n t oa ni n t e l l e c t u a l i z e d h o m en e t w o r k 皿ee m b e d d e dh o m eg a t e w a yi st h ec o r ed e v i c ea n dp l a t f o r mt h a tu s e dt o f o r mah o m en e t w o r ka n dm a k ea l lt h ee l e c t r o n i cd e v i c e sc o n n e c tw i t he a c ho t h e r n em a i nt z a f t so f t h ee m b e d d e dh o m e g a t e w a yi s ：f a c i n gt h es p e c i f i ca p p l i c a t i o n ， s t r o n gd e m a n d sf o rs e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t y , a n dl o wc o s ta n ds oo n m a n yk i n d so fh o m e g a t e w a yh a v eb e e ni n v e n t e da th o m ea n da b r o a d , b u ti t sn o tf i tf o ro r d i n a r yf a m i l i e sb e c a u s e o fi t sh i g hc o s t i t so f t e np r o c e s st h ed a t ai nf o r mo ff i l ei nt h em e a n t i m e ，i tm a k e st h ed a t a nb em o d i f i e d , d e l e t e d , r e p l a c 硝i n c a u t i o u s l y , t h es e c u r i t yo fd a t ai sn o tg u a r a n t e e d b a s e do nt h ea b o v ec o n d i t i o n s ，an e wa n dl o wc o s td e s i g ns c h e m eo fh o m e g a t e w a y , w h i c hb a s e do nt h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mo f a r m - l i n u x ，w a sp u tf o r w a r di nt h i sp a p e r a l 蝴a n dl i n u xw a su s e da st h es o f ta n dh a r d w a r ep l a t f o r mi nt h ed e s i g ns c h e m e ) a n da l s o t h ee m b e d d e dd a t a b a s ew a su s e dt om a n a g et h ed a t ao fh o m eg a t e w a yf o ri m p r o v i n gi t s s e c u r i t y a i s oa n o t h e rc o n s t r u c t i o ns c h e m eo fw i r e l e s sh o m en e t w o r kw h i c hb a s e d o n t h ek e yp r o b l e m sf o c u s e do nh o wt oi m p l e m e n ta ne m b e d d e dh o m eg a t e w a yw i t hl o w c o s ta n dh i g hq u a l i t yw e r er e s e a r c h e di nt h i sp a p e r f i r s t , d o i n gs o m ea n a l y s i so nt h er e s e a r c h b a c k g r o u n d , a c t u a l i t ya n dd e v e l o p m e n tt r e n do ft h ee m b e d d e ds y s t e ma n de m b e d d e dh o m e g a t e w a y , s h o w st h es i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c hi nt h i sp a p o r i nt h en e x t , b u i l dt h e d e v d o p m e n tp l a t f o r mo f t h eh o m eg a t e w a y , b e s i d e st h ed e s i g no f t h eh a r d w a r eo f h o m e g a t e w a ya n dt h es o f td e v e l o p m e n tp l a t f o r m d or e s e a r c ho ni t sc o r eh a r d w a r e , a n dd e s i g nt h e h a r d w a r cc i r c u i t ；m a k ear e s e a r c ho nt h eu - b o o ta n dl i n u xo s ，t h e nb u i l das o r w a r e d e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，i n c l u d i n gt h et r a n s p l a n t a t i o no f l i n u xo s a n dt h em a k i n go f t h er o o t f i l es y s t e m a g a i n , d e s i g nt h e s o f t w a r eo fe m b e d d e dh o m eg a t e w a y d or e s e a r c ho n 也e e m b e d d e dw e bs c l v e rb o a , c g ia n da l s ot h ee m b e d d e dd a t a b a s es q l i t e a n da c h i e v i n gt h e f u n c t i o no f t h eh o m eg a t e w a y ia 瓯。t e s ta n da n a l y z et h ef u n c t i o no f e m b e d d e dh o m e g a t e w a yw h i c hd e s i g n e di nt h i sp a p e r , t h e ni n t r o d u c ew h a tw i l lb e d o n ei nt h en e x ts t a g e k e yw o r d s ：a r m ；l i n u x ；b o a ；c g i ；h o m eg a t e w a y ；, s q l i t e i i j 西华大学硕士学位论文 目录 摘j 1 2 l ：i a b s t r a c t u l绪论l 1 1 本课题研究背景l 1 2 嵌入式家庭网关技术的发展现状及趋势2 1 3 本课题的研究内容及其意义2 1 3 1课题研究内容2 1 3 2 研究意义3 2 嵌入式系统设计5 2 1 嵌入式系统概念及特点5 2 2 家庭网关总体设计7 2 2 1 嵌入式家庭网关功能设计7 2 2 2 家庭内部无线组网方案8 3嵌入式家庭网关硬件设计1 l 3 1 家庭网关相关芯片的选择1 1 3 1 1 $ 3 c 2 4 4 0 a 介绍一1 2 3 1 2 无线收发芯片n r f 2 4 l 0 1 。1 3 3 2 家庭网关硬件电路设计。1 6 4 嵌入式家庭网关开发环境的搭建2 1 4 1 u b o o t 移植2 1 4 1 1 u b o o t 介绍。2 l 4 1 2 u b o o t 工作过程一2 2 4 1 3u b o o t 移植2 3 4 2l i n u x 操作系统内核在目标板上的移植2 5 4 2 1l i n u x 内核结构2 5 4 2 2l i n u x 内核移植2 7 4 3 根文件系统制作。3 0 4 3 1文件系统介绍3 0 4 3 2y a f f s 文件系统制作31 5 嵌入式家庭网关软件系统设计。3 3 5 1 嵌入式网络服务器的实现3 3 i i i 基于a r m 的嵌入式家庭网关的设计与实现 5 1 1w e b 服务器原理3 3 5 1 2b o a 服务器工作流程分析3 4 5 1 3嵌入式服务器b o a 的实现3 6 5 2c g i 接口程序的设计3 7 5 2 1 c g i 在i n t e r a c t 中的作用3 7 5 2 2c g i 基本原理3 8 5 2 3c g i 程序的实现4 1 5 2 4 嵌入式家庭网关通信协议4 3 5 3嵌入式数据库在家庭网关中的应用4 8 5 3 1 s q l i t e 特点及体系结构4 8 5 3 2 s q l i t e 在家庭网关平台的移植5 0 5 3 3 s q l i t e 在家庭网关中的应用5 l 5 4 相关驱动程序编写5 4 6 嵌入式家庭网关测试与分析5 8 6 1 家庭网关功能测试5 8 6 1 1家庭网关测试环境介绍与搭建。5 8 6 1 2 家庭网关功f l 铋, g 试5 8 6 2 家庭网关性能测试6 0 7 总结与展望6 2 参考文献6 3 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果6 5 至贮 谢一6 6 i v 西华大学硕士学位论文 1绪论 1 1 本课题研究背景 自1 9 4 6 年世界第一台计算机诞生后，经过半个世纪的发展，计算机已经成为我们工 作和学习中的重要工具。随着计算机及通信技术的发展，互联网在我们日常生活中有着 至关重要的作用，大量工作只需通过互联网即可完成，为我们生活提供了方便。1 9 7 1 年l1 月，i n t e l 公司将算术运算器和控制器电路集成在一起，成功研发出第一款微处理 器i n t e l 4 0 0 4 ，随后各大芯片公司研发出各种8 位、1 6 、3 2 位微处理器，如a t m e l 公司 的8 0 c 5 l ，m i c r o c h i p 公司的p i c l 8 f x x ，三星公司的$ 3 c 2 4 x 0 、$ 3 c 6 4 1 0 等。随着 嵌入式技术的不断发展，这些微处理器被广泛的应用到各个领域，出现了大量以特定应 用为目的的嵌入式产品，仪器仪表、医疗设备、机器人、家用电器等，嵌入式产品的功 能不断强大，嵌入式产品开始逐渐走向智能化，并大量电子产品已经支持网络功能。现 代家庭中，家用电器产品越来越多，在管理与监控上比较繁琐，人们希望通过计算机网 络实现对家庭电器的管理和监控，在家庭内部将各种信息设备、娱乐设备、家用电器、 家用三表( 水表、电表、气表) 等设备互联，形成一种智能化家庭网络，实现家庭内部“ 信息共享并可以通过互联网对家庭内部设备进行远程监控管理成为必然趋势。在这种形 式下，家用电器瓦联的核心设备嵌入式家庭网关应运而生。 嵌入式家庭网关是一种管理家庭内部、实现家庭内部设备互联的网络设备，是家庭 内部网络与外部互联网的接口，是家庭内部网络的管理者。作为家庭网络的管理者，家 庭网关主要功能是为用户提供管理接口，让用户可以通过i n t e m e t 访问家庭内部设备， 实现家庭内部信息与外部信息的交流，并对家电设备进行监控与管理。嵌入式家庭网关 通过各种高速接口将家庭安全报警、照明控制、网络家电、网络监控、家庭娱乐设施、 电视机、计算机，以及各种信息和通讯终端都连接到家庭智能网关上来，通过以太局域 网络互联以及连接物业管理中心，通过小区宽带网络，构建一个数字化小区的智能系统。 家庭网关是家庭信息化的基础，是电信网络设备的一部分，同时也是数字家庭各种业务 和应用实现的关键。 嵌入式产品是面向特定应用的，因此家庭网关在不同的应用领域存在重大的区别。 不同的家庭网关可以提供不同的水平和应用，根据家庭网关不同的定位，分为集中式家 庭网关和专用型家庭网关。集中式家庭网关倾向于在家庭网络中只使用一个家庭网关， 而该网关可以实现接入、认证和管理功能，如高级机顶盒产品等。专用型家庭网关用于 实现特定类型的应用，如i n t e r n e t 接入、家庭控制等。随着科技水平和生活水平的提高， 基于a r m 的嵌入式家庭网关的设计与实现 家庭网关的重要性将越来越高，作为数字家庭核心的嵌入式家庭网关必将在以后科技发 展中得到更进一步发展，成为的数字家庭中重要一员。 1 2 嵌入式家庭网关技术的发展现状及趋势 在家庭外部，互联网发展迅速，网络和用户数目剧增。目前国内互联网用户数据达 6 亿，互联网产业已具规模，应用多样化，应用前景极为广阔，随着技术业务的发展和 互联网的不断普及，网络新闻、在线交易、搜索引擎、电子邮件等互联网业务保持快速 发展，并不断出现新的服务形式。随着w e b 2 0 技术与发展，互联网的服务模式实现了 由一对多向一对一、多对一的个性化服务模式转换。与此同时，移动互联网发展已势不 可挡。2 0 1 0 年下半年，中国移动互联网市场用户规模达3 亿，中国3 g 商用进程的加速 推进，使移动互联网活跃度日渐提升，未来移动互联网将创造更大的经济市场【1 1 。 在家庭内部，智能家电具有很大的发展前景。目前，智能家电市场处于发展初期， 面临标准、生产、产业生态系统建设、商业模式等诸多问题，还需要经历一个长期的市 场培育期，规模商用还需经过一段时间的发展。全球许多家电厂商看好智能家电的发展 前景，纷纷制定开发计划或推出相关产品，如g e 公司开发的智能热水器目前已经上市。 在国内，海尔、美的等中国企业也推出全套智能家电方案。 家庭网关作为家庭智能设备中的核心设备，已经从研究阶段发展至应用阶段，国内 外许多公司都已研发后自己的产品。如m m 公司和美国国家半导体公司联合发布了他 们的家庭网关产品，实现家庭接入互联网，远程管理空调、实用仪表等家电。虽然国外 许多公司推出的家庭网关具有高性能等特点，但是成本较高，不适合在国内范围使用。 在国内，华为，中兴等公司也研发出各自的网关产品，如中兴公司的h 6 0 8 b ，该产品是 面向家庭和s o h o 用户的a d s l 、a p 、l a ns w i t c h 三合一家庭网关设备【2 】。随着家庭 网络业务和应用的不断深入，融合型家庭网关成为一种必然趋势。 1 3 本课题的研究内容及其意义 1 3 1 课题研究内容 通过对家庭网关及嵌入式系统的发展现状及趋势的分析与研究，本课题的研究工作 主要是实现家庭内部网络通过嵌入式家庭网关与外部i n t e r a c t 互联，同时组建家庭内部 无线通信网络。在对课题的研究中，家庭网关核心芯片选用三星公司研发的$ 3 c 2 4 4 0 a ， 在组建家庭内部无线网络中，选用由n o r d i c 公司研发的n r f 2 4 l 0 12 4 g h z 无线收发芯 片。本文主要完成以下几个工作： 家庭内部无线组网方案制定，实现家庭内部的无线连接。 2 西华大学硕士学位论文 家庭网关软硬件设计，在l i n u x 操作系统下完成家庭网关软件的设计，实现通 过浏览器访问家庭网关，利用c g i 接口程序控制家庭内部设备，使用嵌入式数 据库对家电设备数据进行管理。 对课题中设计的家庭网关进行实验。 本文章节安排如下： 第一章绪论。介绍嵌入式系统及家庭网关的发展现状、发展趋势以及本文的研究 内容及意义。 第二章嵌入式系统设计。介绍嵌入式系统概念，特点以及发展状况，并制定家庭 网关的总体方案，包括家庭内部无线网络方案的确定。 第三章嵌入式家庭网关硬件设计。对家庭网关的核心芯片$ 3 c 2 4 4 0 a 以及无线收 发芯片n r f 2 4 l 0 1 进行介绍，并设计s 3 c 2 4 4 0 a 与n r f 2 4 l 0 1 无线收发芯片的连接电路。 第四章嵌入式家庭网关开发环境的搭建。本章只要介绍如何搭建一般嵌入式系统 的开发环境，包括u b o o t ，l i n u x 内核移植以及文件系统的制作。 第五章嵌入式家庭网关软件系统设计。本章是课题的研究重点，介绍如何实现嵌 入式w e b 服务器，c g i 接1 3 程序，以及嵌入式数据库在家庭网关中的应用。 第六章嵌入式家庭网关测试与分析。主要完成对前面章节设计的网关功能进行验 证，并进行必要分析。 第七章总结与展望。对本课题的所做工作进行总结，并指出下一步研究需要完成 的工作。 1 3 2 研究意义 随着嵌入式技术的不断发展，出现了大量具有自动监测故障、自动测量、自动控制、 自动调节与远程控制中心通过功能的家电设备。将家庭内部所有设备连接起来，组建家 庭网络，形成智能化数字家庭成为一种必然趋势。家庭网关可以实现对家用电器的远程 控制与管理，在节省用户时间保障家庭安全方面起着重要作用。因此对家庭网关的研究 具有重大意义，是实现数字家庭必不可少的设备。 虽然在国内外已经有很多公司已经研发出各种家庭网关，并在某些领域得到一定的 应用，但仍然存在许多问题。目前，在国内家庭网关主要应用集中在基于电话网络的远 程报警、远程监控等方面，但这些监控产品的综合水平相对较低，很少有产品为用户提 供了与i n t e r a c t 的接口，存在产品功能单一、系统维护比较困难、不利于产品的升级与 更新等缺点。而在国外，虽然家庭网关在家庭自动化、家庭安全防控、家用电器管理等 方面得到了较为广泛的应用，但是这些功能的实现需要其它相关服务运营商的支持，在 国外还得不到这种水平，使得家庭网关很难在国内家庭普及。国外在实现家庭自动化、 3 基于a r m 的嵌入式家庭网关的设计与实现 电维护方面所花费的成本及研究费用很高，超过国内一般家庭的承受能力。同时国内 家庭内部一般采用有线的方式实现家庭网关与家电设备的连接，使得在家庭内部电器 局方面存在局限性。因此，设计一套低成本、功能相对完善、采用无线通信技术实现 电互联的家庭网关具有重大现实意义。 出于对上述问题的分析，本文工作的重点在于设计出成本较低、功能相对完善、便 维护升级的嵌入式家庭网关，家庭网关与家庭设备之间通过无线通信进行数据交互。 文选用价格较低的s 3 c 2 4 4 0 a 作为核心处理器，由n o r d i c 公司研发的n r f 2 4 l 0 1 无线 发芯片作通信模块，以免费的l i n u x 操作系统作为软件开发平台，进行家庭网关的研 4 西华大学硕士学位论文 2 嵌入式系统设计 2 1 嵌入式系统概念及特点 嵌入式系统概念较为广泛，从此功能与本质上看，嵌入式系统则应该定义为对对象 进行自动化控制而使其具有智能化并可嵌入对象体系中的专用计算机系统，与通用计算 机相比更具有专用性，往往一台通用的计算机系统中含有若干个嵌入式微处理器。专用 性、嵌入性以及计算机系统是嵌入式系统的三个基本要素【3 】。这里所说的对象系统就是 日常使用的移动电话，p d a ，洗衣机，汽车等，通常也被称作嵌入式系统的宿主对象。 从嵌入式系统的构成上看，嵌入式系统是集软硬软件与一体的、面向专用应用的、 可独立工作的计算机系统；从外观上看，嵌入式系统体积相对较小，像一种可编程的电 子器件；从嵌入式系统的功能上看，它是对所嵌入式对象进行控制，使其具有智能化的 控制器；从嵌入式系统的应用领域与场景来看，嵌入式系统与通用的计算机系统相比， 又具有自身的特点： 系统内核小。由于嵌入式系统在功能上相对单一、面向专门应用，一般是应用于小 型电子装置中，系统的硬件资源相对有限，通常采用f l a s h 作为内部存储器，与普通的 计算机系统相比，存储空间极为有限，所以系统内核与计算机操作系统相比要小很多。 系统专用性强。由于嵌入式系统在功能上通常是面向某个特定应用的，因此嵌入式 系统的硬件和软件设计上有着自身特点，尤其是软件，都是为特定用户群来设计的，具 有专用性的特点。 良好的可裁剪性。从嵌入式系统专用性的特点来看，作为嵌入式系统的供应者，需 要提供各式各样的硬件和软件以备选用。但是，这样必会提高产品的成本。为了既不提 高系统成本，又满足专用性的要求，嵌入式系统必须采取相应措施使产品在通用和专用 之间进行某种平衡。目前的做法是，把嵌入式系统硬件和操作系统设计成可裁剪的，以 便使嵌入式系统可根据实际应用需求来进行裁剪，去除不必要的外设，从而使系统在满 足应用要求的前提下达到最精简的配置。 实时性好。嵌入式系统已被广泛地应用于现场监控、生产过程控制、数据采集、传 输通信等场合，主要用来对宿乇对象进行控制，所以都对嵌入式系统都有着一定的实时 性要求。在某些特殊领域，如嵌入在武器装备中的嵌入式系统、嵌入式在火箭中的嵌入 式系统、以及一些工业控制装置中的控制系统等应用中的实时性要求极高。较高实时性 的要求，使得在设计嵌入式系统的硬件电路中极少使用存取速度慢的磁盘等作为存储 5 基了：a r m 的嵌入式家庭网关的设计与实现 器，通常使用闪存。在软件上更是加以精心设计，从而使嵌入式系统可以快速地响应外 部事件。实时性是评价嵌入式产品的一个重要性能指标。 可靠性高。由于许多嵌入式系统在工作过程中涉及人身安全、产品质量、国家机密 等重大事务，加之有些嵌入式系统需要长期工作在无人值守的场合，例如煤气站中使用 的煤气测量系统、危险性高的工业环境中、内嵌有嵌入式系统的仪器仪表中以及震动爆 破系统中内嵌的嵌入式系统等都需要保障产品具有极高的高全性。所以与普通的计算机 系统相比较，嵌入式产品对其系统的可靠性的要求更高。 低功耗。嵌入式系统的电源管理是系统设计中极为关键的一部分。很多嵌入式系统 都是嵌入在小型的应用系统中，例如无线设备、p d a 、m p 4 、移动电话、数码相机等， 这些设备一般都直接使用容量相对较小的直流电流，因此低功耗是嵌入式系统设计的重 要目标。 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，他是嵌入式系统 中极为重要的部分，通常包括与硬件相关的底层驱动、系统内核、设备驱动接口、通信 协议、图像界面等【4 】。目前较为主流的嵌入式操作系统有：p a l mo s 、l i n u x 、g c l i n u x 、 g c o s i i 、v x w o r k s 、p s o s 、w i n c e 、s y m b i a n 、e c o s 以及2 0 0 9 年1 月国内研发的都江堰 操作系统等。嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的依赖、软件固化、专用性等都 具有突出的特点。 随着嵌入式微处理器与嵌入式操作系统的不断发展，出现了大量实现以专向应用为 目的的嵌入式产品，嵌入式系统的应用无处不在，嵌入式系统应用领域如下图2 1 所示： 图2 1嵌入式系统应用领域 f i g 2 1 t h ea p p l i c a t i o nf i l e d so fe m b e d d e ds y s t e m 6 西华大学硕士学位论文 嵌入式系统将成为物联网产业发展的丰流趋势，将引领未来信息技术的创新【5 】。嵌 入式系统是以特定应用为中心的计算机系统，对产品的体积、成本、功耗等有着严格的 要求。目前嵌入式系统的主要应用分布在消费类电子、安防、医疗、汽车等行业。随着 无线通信技术和射频技术的发展，r f i d 技术的出现，推动了嵌入式系统进入一个新的 发展阶段物联网时代。物联网是新一代信息技术的重要组成部分，是通过r f i d 、 传感设备按一定的协议，把各种物体与互联网相连，进行信息交换和通信，以实现对物 体的进行管理的一种网络。嵌入式系统技术的迅速发展是物联网产业发展的基础，嵌入 式系统将主导着物联网产业的发展，嵌入式系统技术的发展，将促使智能化时代的到来， 是信息技术创新的引领者。 2 2 家庭网关总体设计 ， 2 2 1嵌入式家庭网关功能设计 通过前面章节对家庭网关的介绍可知，家庭网关诞生之后，有许多公司开始着手于 家庭网关的研发，由于家庭网关定义没有统一的标准，使得家庭网关的功能复杂多样， 不同的公司研发出来的家庭网关具有不同的功能，为外部提供不同的接口方案，例如华 为公司研发出一种家庭网关，采用e p o n 上联接口，可以实现光纤到户，支持h 2 6 4 格 式的v o i p 语音，可以直接连接至模拟电话或者s i p 电话机；而中兴公司研发的一种家 庭网关z x v l 0h 6 0 8 b 是一款面向家庭、s o h o 用户的a d s l 、a p 、l a ns w i t c h 三合一 的家庭网关设备，通过z x v l 0h 6 0 8 b 为中心建立家庭、s o h o 网络，为用户提供多个 网络设备i n t c r n c t 共享连接，提供安全的有线或无线通讯、语音视频接入等一体化服务， 提供丰富的t r i p l ep l a y 业务【2 】。尽管不同公司设计的家庭网关方案在功能上存在很大差 异，但是始终坚持以家庭网关为核心桥梁，实现家庭内部网络与互联网的沟通。 家电智能化现象越来越普及，家电的功能更加强大，用户往往希望在户外对家电设 备进行一定的操作，本文中研究的家庭网关主要是面对家庭内部智能电气设备控制与管 理的，通过浏览器访问家庭网关，利用家庭网关的桥梁作用管理与控制家庭智能电器。 在日常生活中人们对家电设备的操作通常只有两种：对家电设备进行控制，使之完成必 要的任务；获取家电设备的工作状态、数据信息，如读取电表中显示的数据等。因此， 本课题研究的家庭网关丰要提供两方面功能，总体结构方案如下图2 2 所示： 基y - a r m 的嵌入式家庭网关的设计与实现 隧 家庭网络 图2 2 家庭网关总体结构图 f i g 2 2 t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo fh o m eg a t e w a y 远程控制与管理家电设备：家庭网关的核心功能在于提供家电设备与外部互联网的 桥梁，使用户可以通过浏览器控制家电设备。例如，通过互联网，用户可以对家用空调 进行操作，可以通过互联网打开与关闭空调，设置空调的工作模式、温度等。该功能的 实现对处理某些应急情况极其有利，如出门时忘记关闭空调、电视等电器设备，则此时 可以通过访问家庭网关将需要关闭的设备。 远程获取家电信息：家电设备信息的获取在日常生活中有着极其重要的作用，用户 可以根据家电目前所处的工作状态对家庭进行相关操作。本课题研究的家庭网关可以实 现远程读取家电信息，如用户可以直接通过浏览器访问家庭网关读取家用电表中的数 据，省去不必要的时间和麻烦。同时，用户可以通过互联网远程访问家庭网关，获取家 电工作状态，查看家电设备是否在正常工作，对家庭安全提供一定保障。 2 2 2 家庭内部无线组网方案 本文在前面章节的研究中，确定了本课题研究的家庭网关的主要功能，即通过家庭 网关控制与管理家电设备以及读取家电设备相关信息。本课题在设计家庭网关时，为了 实现用户可以通过互联网访问家庭网关，在家庭网关核心处理器中接连网卡芯片，这样 使用普通的以太网口r j 4 5 即可实现家庭网关与外界进行沟通；而在家庭内部，为了避 免家庭内部布线复杂，在家电设备终端接有无线通信模块，同样，家庭网关核心处理器 8 两华大学硕士学位论文 也连接无线通信模块，这样家庭网关与各家电设备之间采用无线通信模块进行数据的交 互。家庭网关与家电设备设计如下图2 3 ，2 4 所示： 图2 3 家庭网关 f i g 2 3 h o m eg a t e w a y 图2 4 家电设备 f i g 2 4 h o m ea p p l i a n c ee q u i p m e n t 在对单独的家电设备进行如上设计后，如果要完成家庭网关对所有家电设备进行远 程控制和管理，则需要对家电设备进行组网，各种家庭设备与家庭网关之间的通信需要 制定特定的无线通信协议，这样家庭网关方可知道自己控制哪一个家电设备及对此设备 进行了何种操作。常见的无线网络拓扑结构有无中心的分布对等方式、有中心的集中控 制方式以及两者的混合方式1 6 j ： 无中心的分布对等方式：该方式下，无线网络中的任意两站之间可以直接通信，无 需建立中心中转站，结构简单，某一站出现问题不会影响整个网络的正常运行。 有中心的集中控制方式：该结构中，需要在无线网络中建立一个中心控制站，用于 完成m a c 控制以及信道分配等工作，其它站点在该控制站的协调下进行工作，在网络。 吞吐性能优于无中心的分布对等方式。 混合方式：使用混合方式使得网络中任意两节点之间可以直接通信，但混合方式网 线结构相对复杂，不易实现。 由于本课题的研究目的在于以家庭网关为核心，实现对家电设备的控制与管理。因 此在建立无线家庭网络时，采用有中心的集中控制方式。首先需建立一个主控中心，主 控中心作为家庭无线网络的管理者，主要负责网络的建立、地址的分配和成员的加入， 节点设备数据、数据转发、设备关联及网络状况的更新。家庭网关是家庭内部网络和外 部网络之间的桥梁，为了能实现将家庭内部设备有关数据及时准确的传送至外部网络供 客户端查询，以及将外部网络发送的相关命令发送至各家电设备，本课题使用家庭网关 作为家庭无线网络的主控制中心，家庭无线网络结构如下图2 5 ： 9 基于m u 订的嵌入式家庭网关的设计与实现 圈魏3 掣囤 留j 去厶露 回1 一圈 家电a i 家电6 e j 匝团 圈 魏7 l o 西华大学硕士学位论文 3 嵌入式家庭网关硬件设计 3 1家庭网关相关芯片的选择 由于嵌入式系统是面向用户、面向应用、面向产品的，通常是在特定工作环境下运 行，是面向专业领域的应用系统，与通用计算机系统的多样化和适用性不同【7 】。它与通 用计算机系统相比有以下特点： 软件固化在硬件之中，将行业技术、计算机技术和微电子技术融为一体； 通常需要操作系统支持，代码量较小，执行速度快； 专用性强，用途固定，对成本有严格要求： 可靠性要求高，要求可以不间断的稳定运行； 多样性，应用广泛，产品种类繁多。 因此在进行嵌入式系统开发之前，对嵌入式微处理器及相关芯片进行选择的时候需 要考虑众多因素。嵌入式处理器的选择直接影响到产品的性能、成本、功能、开发难度、 开发周期等。性能是一个产品质量的保证，成本是产品价格的决定因素，功能是用户需 要的反应，开发难度往往决定一个产品是否能研发成功或按期完成研发任务，开发周期 在一定程度上决定产品的成本，因此在进行嵌入式系统开发时需要结合上述因素正确合 理的选择嵌入式微处理器。本课题的研究是需要在l i n u x 平台下实现一个高性能、低成 本的家庭网关需要实现远程控制家用电器，并且家庭网关与家用电器之间通过无线网络 进行通信。进行家庭网关的核心微处理器选择时在功能上丰要考虑以下几点： 支持l i n u x 操作系统。由于本课题在l i n u x 平台下完成，需要微处理器支持l i n u x 操作系统，在硬件上要求具有m m u 。 具备以太网控制器。家庭网关具有网络功能，因此要求微处理器具有以太网控 制器，在功能上比模拟时序要稳定，减小开发难度。 丰富的g p i o 。为了方便家庭网关以后的功能扩展与系统升级，需选择丰富g p i o 的微处理器。 c p u 时钟频率。c p u 时钟频率的高低决定系统的响应速度。 中断功能强大。中断具有随机发生的特点，无需c p u 不停的查询，可有效减轻 c p u 负担。 d m a 控制器。d m a 可以不经过c p u 干预，直接对数据进行存取，有效减少存 取数据所占用的c p u 时间。 串口。串口通常是嵌入式开发时用于输出调试信息。 j t a g 接口。方便在开发过程中进行在线调试。 综上，本课题选择三星公司研发的$ 3 c 2 4 4 0 a 作为家庭网关的核心处理器，使用 n o r d i c 公司研发的2 4 g h z 无线收发芯片n r f 2 4 l 0 1 作为无线通信模块。 基于a r m 的嵌入式家庭网关的设计与实现 3 1 1 s 3 0 2 4 4 0 a 介绍 $ 3 c 2 4 4 0 a 是由s a m s u n g 公司研发的3 2 位r i s c 处理器，被广泛应用于各种手持设 备和消费电子类产品，具有高性能、低价格、低功耗等优点。s 3 c 2 4 4 0 a 运行速度快， 当其c p u 核工作电压为1 2 v 时，主频可以达到3 0 0 m h z ，工作电压为1 3 v 时，主频可 达4 0 0 m h z 。$ 3 c 2 4 4 0 a 为用户提供了丰富的片上外设，降低整个系统的成本。$ 3 c 2 4 4 0 a 采用a r m 9 2 0 t 内核，内部采用0 1 3 u r n 的c m o s 存储器单元和标准宏单元，并采用了 新的总线架构a m b a 8 1 。$ 3 c 2 4 4 0 a 核心处理器是一款支持1 6 位和3 2 位a r m 9 2 0 t 精 简指令集的处理器，a r m 9 2 0 t 实现了内存管理单元( m m u ) ，高级微控制器总线架构 ( a m b a ) 以及哈佛高速缓冲体系结构，具有独立的1 6 k b 指令高速缓存和1 6 k b 数据高 速缓存，每个缓存都由8 字长的行组成。$ 3 c 2 4 4 0 a 其主要片上功能如下： 3 3 v 外部i o 供电，1 8 v 2 5 v 3 3 v 存储器供电，1 2 v 内核供电，具备1 6 k b 的指令高速缓存和1 6 k b 的数据高速缓存及m m u 微处理器。