（计算机应用技术专业论文）基于iaidl的嵌入式web家庭网关的设计.pdf

摘要 随着互联网技术和信息通信技术向普通家庭生活的不断普及，自 动化水平的不断提高，如何将消费电子、计算机和通信融为一体，已 成为人们非常关心的一个问题。 目前大多数的嵌入式w e b 服务器只是一个实施远程监控的平台， 而随着市场上各种信息产品功能的不断丰富，人们开始要求能通过嵌 入式w e b 服务器来实现整个网络上的信息交互、综合和共享，实现统 一的人机界面和跨平台的数据库访问。而其所在的智能家居内部网络 及家庭网关在国内并没有一个统一的规范，国外的家庭网关产品需要 强大的网络运营商支持，这就使得设计一个适合国内使用的具有统一 协议标准的家庭网关产品成为必要。 本设计中选用了3 2 位嵌入式微处理器$ 3 c 2 4 1 0 x 做为硬件核心， 开发平台为武汉创维特的a r m 9 ，通过移植嵌入式l i n u x 操作系统到 开发平台上，实现信息家电在该系统上的远程监控功能。该家庭网关 通过连接到i n t e r n e t 实现远程监控，由i a i d l 编译器对信息家电各 类信息进行统一描述，将统一格式的家电i a i d l 文件送入s q l i t e 存 储，当远程用户需要对家庭内部网络进行监控时，由浏览器向b o a 发 送请求，b o a 通过调用相应的c g i 程序响应该操作，并通过家庭网关 上的通信接口改变家电状态，同时将改变后的信息存储到s q l i t e 中， 从而实现基于i a i d l 的嵌入式w e b 的家庭网关的远程监控功能。 关键词：嵌入式w e b 服务器，家庭网关，i a i d l ，远程监控系统 a b s t r a c t a st h ei n t e r n e ta n di n f o r m a t i o nc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s b e i n gp r e v a l e n ti nh o u s e h o l dli f e ，h o wt ob l e n dt h ec o n s u m p ti v e e l e c t r o n i cp r o d u c t ，c o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o nt oap r o d u c th a s b e c o m eac o n c e r n e dp r o b le m a tp r e s e n t ，m o s to ft h ee m b e d d e d w e bs e r v e ris j u s ta p l a t f o r mf o rc o n t r o lli n ga n dm o n i t o r i n gr e m o t e l y ，b u ta l o n g w i t ht h ef u n c t i o no fi n f o r m a t i o np r o d u c t sb e c o m i n gm o r ea n d m o r ea b u n d a n ti nm a r k e t ，p e o p l et h i r s tf o rm o r ef u n c ti o n st o i m p l e m e n tu n i f o r mm a n 。m a c h i n ei n t e r f a c ea n dd a t a b a s ev i s i ti n v a r i o u sp l a t f o r m s ，1i k ei n f o r m a t i o ni n t e r a c t i o n ，i n t e g r a t i o n a n ds h a r et h r o u g hu si n ge m b e d d e dw e bs e r v e r h o w e v e r ，t h ei n n e r n e t w o r ka n dh o m eg a t e w a yo fi n t e l l i g e n th o u s ed o n th a v ea u n i f o r mc r i t e r i o ni nc h i n a ；t h ec o n c e r n e dp r o d u c t si nf o r e i g n c o u n t r i e sn e e dp o w e r f u ls u p p o r tf r o mi s p s ，s oi t i sn e c e s s a r y t od e s i g nah o m eg a t e w a yp r o d u c tw h i c hh a sau n i f o r mp r o t o c o l a n df i tf o rc h i n a t h e d e sig no fo u rp r o d u c tc h o o s et h e3 2 b ite m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o r 一$ 3 c 2 4 1 0 x a st h eh a r d w a r e c o r e ，t h ed e v e l o p p l a t f o r mi s a r m 9o fw u h a nc v t e c h i ta c h i e v e st h er e m o t e c o n t r o l l e da n dm o n i t o r e di n f o r m a t i o n a p p l i a n c eb y l l t r a n s p l a n ti n ge m b e d d e dl i n u xo p e r a ti n gs y s t e m t h eh o m e g a t e w a ys u p e r v i s e sv i ac o n n e c t i n gi n t e r n e t ，i a i d lc o m p i l e r d e s c r i b e st h ed e t a i l so fi n f o r m a t i o na p p l i a n c eu n i f o r m l y ，a n d t h e ni ts e n d st h ei a i d lf il e so fa p p li a n c et os q l i t e w h e nt h e r e m o t eu s e rw a n t st om o n i t o rt h ei n n e rn e t w o r ko fh o u s e ，t h e b r o w s e rs e n d sar e q u e s tt ob o a ，b o aa n s w e r st h eo p e r a ti o nb y u s i n gc g ip r o g r a m ，a n da l t e r st h ea p p l i a n c e ss t a t u st h o u g h c o m m u n i c a t ei n t e r f a c e ，a tt h es a m et i m e ，i tw i i iu p d a t et h e s t a t u si n t o s q l i t e ，t h e r e b ya c h i e v et h e f u n c t i o no f l o n g d i s t a n c em o n i t o r i n go fh o m eg a t e w a yb a s e di a i d la n d e m b e d d e dw e b k e yw o r d s ：e m b e d d e dw e bs e r v e r ，h o m eg a t e w a y ，i a i d l ， r e m o t em o n i t o r i n ga n ds u p e r v i s i o ns y s t e m 湖南师范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，独 立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作品成果。对本文的 研究做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 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：刎8 年6 月心日 湖南师范大学学位论文版权使用授权书 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， 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。本人授权湖南师范大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：捌日期名年多月压日 导师签名： 勿 日期：加以年6 月心日 c 基于i a i d l 的嵌入式w e b 家庭网关的设计 1 绪论 1 1背景 随着互联网技术和信息通信技术向普通家庭生活的不断普及，自 动化水平的不断提高，如何将消费电子、计算机和通信融为一体，已 成为人们非常关心的一个问题。当今社会已步入网络时代，因特网已 成为重要的基础信息设施。目前，大部分的网络终端仍以p c 的形式 出现，但从计算机应用普及的情况看，嵌入式系统更为普及，人们对 家电的选择和使用，已经从只关心家电的单项功能转向追求家电品位 和控制的便捷性，借助现有的计算机网络技术，将家庭内各种家电和 设备连网，家庭内部使用嵌入式设备来对所有家电进行监控，通过网 络为人们提供多样化、个性化和安全高效的服务，从而实现家用电器 居家环境集中控制和远程遥控。 而随着w e b 技术的蓬勃发展，人们已不再满足只在w e b 浏览器上 获取静态的信息，人们需要通过它查询数据，发表意见，甚至是进行 网上购物，w e b 技术发展到今天，把数据库技术引入到w e b 系统中已 经是一个现实问题。数据库技术发展比较成熟，特别适于对大量的数 据进行管理，w e b 技术具有较好的信息发布途径，将w e b 与数据库结 合起来，不仅把w e b 与数据库的优点集中起来，而且充分利用了大量 已有的数据库信息资源，可以使用户在w e b 浏览器上方便地检索和浏 览数据库的内容，这对许多应用领域具有极大的吸引力。所以，将 w e b 技术与数据库技术相结合，开发动态的w e b 数据库应用，在信息 硕七学位论文 家电领域中将有很大的应用空间。 目前大多数的嵌入式w e b 服务器只是一个实施远程监控的平台， 实现了由i n t e r n e t 外网协议向被监控对象内部通信协议转换的功能， 即只是实现了一个网关的功能。而随着市场上各种信息产品功能的不 断丰富，人们开始要求能通过嵌入式w e b 服务器对这些产品的数据信 息进行管理( 检索、排序等) 、共享。在w e b 服务器端应用程序中调 用数据库提供的a p i 函数完成服务器对数据库的访问与更新，进一步 地扩展了嵌入式w e b 服务器的功能，使其能适应在信息家电中的应用 需求。 1 2 智能家居定义 在当前工业控制、信息家电等应用领域，存在大量的嵌入式设备， 如何实现对这些嵌入式设备的远程监控，就成为当前嵌入式系统和监 控系统发展的必然要求。远程监控系统在社会各行各业得到了越来越 广泛的应用，近年来人们先后提出了家庭自动化、智能家居、网络家 居、数字家居等概念，这些概念表明，人们开始追求舒适方便的生活 居住环境1 。我国智能家居的开发和研究处于起步阶段，互联网的高 速发展促使了宽带网的诞生和其在新建住宅小区的运用，中国人口众 多，城市住宅建设也多选择密集型的住宅小区方式，国内习惯将智能 家居当作智能小区的一个子系统来考虑，很多房地产商也会站在整个 小区智能化的角度来看待家居的智能化。 智能家居是利用先进的计算机技术、网络通信技术、综合布线技 术将与家居生活有关的各种子系统有机地结合在一起，通过统筹管 基于i a i d l 的嵌入式w e b 家庭网芙的设计 理，让家居生活更加舒适、安全、有效。目前市场上存在的基于宽带 网络的智能家居系统已经不下十种，比如，智能社区网络系统产品有 美国3 c o m 公司的智能化社区以太网、园区网解决方案和智能化社区 有线数据网络解决方案，加拿大北电网络公司( n o r t e l ) 的u e i m s 智能 多业务接入系统，美国a v a y a 公司的o r i n o c o 无线宽带接入系统旧1 ， 中国清华同方的智能家居系统，深圳交大科技 e 家通 智能家居系 统设计方案。但总的来说，这些产品离真正的实用性和灵活性还有一 段距离。 1 3 信息家电的概念 信息家电( i n t e r n e ta p p i i a n c e ，i a ) 是近年来提出的一个新概 念，它的含义是将计算机技术和现代通信技术融入到传统的家用电器 中，使之智能化并具有网络信息终端的功能，可以主动地发布、获取 和处理相关信息，从而实现传统家庭信息化、网络化，并与现代信息 社会通信网络紧密相连。所有能够通过网络系统交互信息的家电产 品，都可以称之为信息家电。它是一种智能电子设备，是将传统的家 用电子设备网络化、信息化与智能化后的产物，能像p c 一样快速、 方便地接入互联网，并对其进行远程访问、监控与监测陆3 。它与 i n t e r n e t 连接，用户与其双向交流，将它应用于嵌入式操作系统。 它不同于传统的家用电器，它具有智能化、网络化和自动化的特点。 1 ) 网络化 网络化使得信息家电间能方便地进行资源共享和信息交互。信息 家电不仅应继承传统家电的方便实用功能，还能通过联网来实现信息 硕十学位论文 交流，且具有即插即用特性。 2 ) 智能化 信息家电本身具有一定的智能，并支持统一的、标准化的通信与 控制协议( 即本文中家电自身提供的i a i d l 文件) ，从而使得家电之 间能够互相识别，能独立运作。 3 ) 自动化 信息家电应能够与家庭内部网络中的其他信息终端自动建立通 信联系，主动向网络获取信息，以实现双向信息流动。此外，还应该 主动向网络提供本身的一些有用信息，如定期升级自身功能的需求信 息，以及故障报告信息等。 信息家电就是基于嵌入式w e b 技术重新改造家用电器，把电视 机、空调、电冰箱、微波炉等家用电器通过网络连上i n t e r n e t 。根 据商品的种类，网络家电可以具备各种各样的功能，比如冰箱，只要 将其所需食物清单输入系统，当缺少某样食品时系统会自动给用户发 送补充食物信息。 1 4 嵌入式系统 家庭网关的实现目前主要有p c 机与嵌入式系统两种方式。与p c 机比较，嵌入式系统具有体积小、成本低、可靠性高、稳定性好及功 耗低等优点，更符合家庭网关的性能要求，因此，目前家庭网关的设 计主要采用嵌入式系统。嵌入式系统是以应用为中心，以计算机为基 础，软硬件可裁剪，适用于系统对功能、可靠性、成本、功耗严格要 求的专用计算机系统【1 1 。实时性是嵌入式系统的基本要求，其次，还 基于i a i d l 的嵌入式w e b 家庭网犬的设计 要求代码小，速度快，可靠性高。它可以实现对其他设备的控制、监 视或管理等功能。 嵌入式系统主要具有以下四项特性： ( 1 ) 执行特定的操作，完成特定的功能 ( 2 ) v a 微处理器为核心，辅以一些必要的外设 ( 3 ) 有严格的稳定性要求，某些系统还要求有严格的实时性 ( 4 ) 一切操作由微处理完成，不需要人的干预 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，a r m 是近年 来在嵌入式系统有影响力的微处理器制造商，a r m 的设计非常适用于 小的电源供电系统。本系统最终的目标应该是选用一个嵌入式平台， 在该平台上实现系统的功能，然后根据家庭的需求，选用相应的平台 来实现家庭网关的功能。本系统选用的是a r m 9 ( c p u 为s a m s u n g 公司 的$ 3 c 2 4 1 0 x ) ，对系统功能实现能提供较稳定的支持。 1 5 信息家电家庭内部网络 信息家电网络是在家庭内部通过一定的传输介质将各种电气设 备和电气子系统连接起来，采用统一的通信协议，对内实现资源共享， 对外通过网关与外部网互连进行信息交换。它借助现有的计算机网络 技术，将家庭内各种家电和设备连网，更加方便地进行操作控制和信 息交换，通过网络为人们提供丰富、多样化、个性化、方便、舒适、 安全和高效的服务【2 1 。 基于网络的家居系统是连接家庭中各种信息家电和家庭外各类 服务的桥梁，核心是一个嵌入式w e b 服务器，远程用户可以通过任何 硕十学位论文 一台连入网络的计算机或是电话对自己的家电进行状态查询和控制， 在本地可以利用家庭内的手持控制终端( 即万能遥控器) 进行信息家 电的控制和管理口1 。比如：我们可以查看冰箱里的蔬菜蛋肉的储备情 况来决定是否需要购进新的物品。用户可以利用办公室的p c 或者手 机输入网关的i p 地址即可调出主控页面，登录家中的w e b 服务器， 在通过身份验证后，便可以查看并控制各种家电设备，还可以通过家 庭网关以电话短信的形式将家电故障信息通知用户【3 1 。 1 6 智能家居家庭网关定义 r g 公司将家庭网关定义为：一种简单的、智能的、标准化的、灵 活的整个家庭网络接口单元，它可以从不同的外部网络接收通讯信 号，通过家庭网络传递信号给某个消费设备。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【4 1 。 c i s c os y s t e m 公司的家庭网关定义是：一个在家庭内的网络化信 息设备与智能宽带接入网之间的智能化网关。2 w i r e 公司的家庭网关 定义是：一种将家庭网络无缝连接到宽带网络，使所有家庭内连网设 备同时享有高速连接的设备。上面这两种定义都认为家庭网关是一种 将外部宽带网络与家庭内部网络连接的设备【4 】。 p a r k sa s s o c i a t e s 认为家庭网关应是：连接一个外部网络或多个 接入网络，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。即一个集中整个家庭的网关才能视为一个真正的网关【4 】。 网关是家庭网络中的物理上和逻辑上的核心，是处于广域网和家 基于i a i d l 的嵌入式w e b 家庭网关的设计 庭网络中间的一个节点，它的开发是系统开发的主要和核心工作。家 庭内外的信息交换都要经过嵌入式网关，在家庭内，家庭网关通过局 域网将家庭内的各种设备连接进来；在家庭外，通过因特网将各种服 务商连接起来。作为入口节点，它应具有网关和服务器的功能，一方面， 它要支持t c p i p 协议并能提供w e b 服务，从而允许客户远程访问它， 此时，它的作用就是i n t e r n e t 上的服务器：另一方面，家庭网关实现 广域网和家庭网络之间协议的的转换、地址转换和路由等功能，类似 i n t e r n e t 上的网关。用户通过网络浏览器访问网关上运行的服务器 实现对这些嵌入式设备的远程访问和控制，从而实现嵌入式设备连入 i n t e r n e t 口1 。智能家居中，系统将信息家电产生的信号传送到嵌入式 网关，再把这些信号数据存储在家庭网关上，以便通过i n t e r n e t 远 程查询家电信息及其实时状态，同时也要把从远程通过i n t e r n e t 发 送过来的控制信息和嵌入式网关产生的智能管理信息通过该网关传 送到信息家电。 1 7 国内外家庭网关研究现状与分析 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者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 硕十学位论文 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。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 r n 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 3 u p i t e 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。 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 r n e t 接入。其他的专用和瘦服务器网关包括 c a a c t i v en 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 d g a t e w a y 公司的e s g 4 0 0 ，s a g e s y s t e m 公司的a l a d n 网关节点等口引。 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。 尽管许多公司在这一领域都有自己的产品，但在智能家居内部网 络及家庭网关并没有一个统一的规范。尤其是在国内，相关的产品与 服务主要集中在基于电话网络的远程监控、远程报警等方面，较少有 产品提供与i n t e r n e t 互联的接口，且这些产品整体水平较低、相对 应用而言功能单一、系统不易维护、升级能力较差。而基于嵌入式系 统的家庭智能系统在国内才刚刚出现，相当一部分智能家庭网关产品 还只能实现对家庭中三表功能的监控，其他能实现智能管理的家庭网 关产品也只能进行简单的家电控制，并且由于各家电厂商生产的家电 基ti a i d l 的嵌入式w e b 家庭网大的设计 协议标准不一致，如何兼容家庭中存在的不同品牌家电，如何以统一 的协议标准来监控家庭信息网络中的信息家电是目前智能家庭网关 亟待解决的一大问题。国外的相关产品如上文所述，虽然集成了家庭 自动化、能源管理、家庭护理、家庭安防等多方面功能，但强大功能 的实现需要网络运营商及其它相关服务机构( 如医疗机构、保安机构 等) 的支持，而在国内，这些条件还远远达不到要求。即使有个别的 发达地区的某些相应机构可以满足这些要求，但离大规模应用或普及 还有着很大差距。同时，多功能、高度集成的产品意味着较高的成本 和研发费用，这些无疑将导致较高的价格。国外这些产品的价格普遍 远远高于国内一般家庭的接受能力。因而，上述国外大公司的相关产 品对国内状况而言并不合适，至少在相当长的一段时期以内难以被国 内的市场所接受。 针对这种现状，设计一套成本不高、功能完善( 针对当前应用而 言) 、具有多种网络接口( i n t e r n e t 、手机网络等) 且配置灵活、面向 国内市场的智能家居网络解决方案就具有迫切的现实意义。其中，设 计一个低成本、多功能、易维护、方便升级的家庭网关是整个家庭网 络解决方案的关键所在，也正是本论文的工作重点。本设计中选用了 3 2 位嵌入式微处理器$ 3 c 2 4 1 0 x 作为硬件核心，开发平台为武汉创维 特的a r m 9 阳1 ，通过移植嵌入式操作系统l i n u x 到开发平台上，实现信 息家电在该系统上的远程监控功能。该家庭网关的设计移植了i a i d l 编译器、嵌入式数据库s q l i t e 、嵌入式w e b 服务器b o a 以及自行编 写的用于实现远程监控功能的c g i 程序，通过连接到i n t e r n e t 对信 硕十学位论文 息家电进行远程监控，由i a i d l 编译器对信息家电各类信息进行统一 描述，将统一格式的家电i a i d l 文件送入s q l i t e 存储，当远程用户 需要对家庭内部网络进行监控时，由浏览器向b o a 发送请求，b o a 通 过调用相应的c g i 程序响应该操作，并通过家庭网关上的通信接口改 变家电状态，同时将改变后的信息存储到s q l i t e 中，从而实现基于 i a i d l 的嵌入式w e b 的家庭网关的远程监控功能。 1 8 论文结构 本文研究的内容主要分为三个部分，一是介绍实现智能家居远程 监控系统的家庭网关的体系结构：二是介绍家庭网关中嵌入式w e b 服 务器b s 结构在实时信息家电监控中的作用：三是介绍了家庭网关中 的其他功能模块( 如嵌入式数据库、i a i d l 接口语言、c g i 等) 互相调 用实现远程监控的过程和相关界面。 论文主要分为七章： 第一章绪论，概述了智能家居网络的发展趋势，介绍了信息家电 和家庭网关的定义及它们在国内外的发展现状，阐述了本课题的研究 意义和在整个体系结构中所起到的基础性作用：通过嵌入式w e b 服务 器下的b s 模式在信息家电中的应用，来实现用户对家庭网络中信息 家电的远程动态监控。 第二章嵌入式b s 模式体系结构，介绍了嵌入式b s 结构，论述 了嵌入式l i n u x 系统在开发本系统过程中的优势，以及智能家居网络 中使用b s 模式实现远程监控的体系结构。 第三章i a i d l 概述，提出i a i d l 的定义及设计的必要性，介绍了 基于i m d l 的嵌入式w e b 家庭网关的设计 i a i d l 编译器和其在信息家电中对家电的描述方式，i a i d l 文件对家 电的描述直接存储在嵌入式数据库中，方便嵌入式w e b 服务器在b s 模式下动态调用显示在浏览器中。 第四章嵌入式数据库，主要介绍了本系统中使用的嵌入式数据库 一s q l i t e 的结构和接口，以及网关中其他模块访问s q l i t e 的a p i 接 口的连接问题，着重阐述了s q l i t e 在信息家电动态监控中的强大的 后台数据库支持地位。 第五章嵌入式w e b 服务器及其实现，也是本文的核心部分，主要 介绍了嵌入式w e b 服务器b o a ，c g i 实现原理，以及这些部分相互调用， 通过c g i 机制和动态生成界面算法来实现信息家电远程实时b s 监 控，并详细介绍了这些机制的实现代码和实现过程，以及生成界面。 详细介绍了b s 结构中嵌入式w e b 服务器调用嵌入式数据库s q l i t e 接口及利用c g i 机制实现信息家电远程控制浏览器端的网页动态跳 转，强调了其实现在反映信息家电实时状态信息的重要作用。 第六章智能家居家庭网关，主要介绍了智能家居家庭网关的定义， 功能及其在信息家电的应用中的软件、硬件体系结构，对家庭网关软 件结构中的各模块功能进行了简单的介绍，说明了家庭网关是实现信 息家电监控功能的重要部件。 第七章结束语对本文的研究内容做了总结，对还需改进的地方进 行了分析，且就下一步工作进行了展望。 最后是参考文献、附录一、附录二、致谢和原创性声明。 硕十学位论文 2 嵌入式b s 模式体系结构 2 1 嵌入式b s 模式体系结构 b s 结构，即b r o w s e r s e r v e r ( 浏览器n 务器) 结构，就是只需 安装维护一个服务器，而客户端只需要浏览器即可运行。b s 体系结 构采用的是三层客户服务器结构，在服务器端和用户界面层之间增 加了一层结构，称为中间件，使整个体系结构成为三层阳1 。采用该结 构软件的优势在于：( 1 ) 无须开发客户端软件，维护和升级方便：( 2 ) 可跨平台操作，任何一台机器只要装有w w w 浏览器软件，均可作为客 户机来访问系统：( 3 ) 具有良好的开放性和可扩充性：( 4 ) 可采用防火 墙技术来保证系统的安全性，有效地适应了当前用户对管理信息系统 的新需求。 在采用b s 模式结构的系统中，用户通过客户端p c 机的浏览器 向目标服务器发出请求，服务器对浏览器的请求进行处理，将用户所 需信息返回到浏览器。b s 结构简化了客户机的工作，客户机上只需 配置少量的客户端软件。而其余如数据请求、加工、结果返回以及动 态网页生成、对数据库的访问和应用程序的执行等工作全部由w e b 服 务器完成。在b s 系统中，客户机的工作得以极大的减轻，但服务器 将负担更多的工作，对数据库的访问和应用程序的执行将在服务器上 完成。 b s 结构的主要特点为：共享性强、分布性强。b s 结构中的客户 端可以处于i n t e r n e t 的任何一个端点，维护方便、开发简单。由于 在b s 结构中，客户端只需要浏览器便可访问w e b 服务器，这就大大 l 基于i a i d l 的嵌入式w e b 家庭网关的设计 减少了维护和开发时间，总体拥有成本低。因为省去了客户端软硬件 的开发，整个系统的成本被大大降低。 在本系统中，w e b 服务器需要的是将远程控制功能扩展到互联网 环境中，因此，开发的嵌入式远程控制系统是基于b s 模型的，可以 使用户在远端使用w e b 浏览器对终端设备进行监视和控制，同时也可 以向用户返回需要的终端设备信息n 引，这种方法利用嵌入式l i n u x 提 供嵌入式w e bs e r v e r 和h t t p 服务，不仅提供人性化的人机交互界面， 还大大降低了远程控制系统程序的开发难度。图l 为基于b s 结构的 信息家电结构图 信息家电1 信息家电2 信息家电r 1 家庭网关 c g i 程序 h 1 1 pw e b 夺百 涵住控n 一掣a 浏龄器 埘i ：佞u i 工 上加l 文件l 嵌天皇数据 i a i d ll i 荤( s q l i t e ) 上编译剁 t *嵌入式l i n u x 操作系统 善 硬件驱动程序 硬件平台 图l基于b s 结构的信息家电结构图 2 2 信息家电远程监控系统 基于嵌入式的b s 监控方案由于其成本低、体积小、使用方便， 越来越受到关注。未来人们可以通过因特网电脑构建的信息交互和处 理平台，实现信息家电与互联网的信息交互。这种交互绝不是简单的 浏览功能，而是基于家庭网络应用平台的智能化控制。在这样的信息 硕士学位论文 环境下，家用电器可以将自己的一些基本信息与p c 之间进行通信， 实现更加有效的控制，并提供更加个性化的服务。通过w e b 服务器和 浏览器技术来实现整个网络上的信息交互、综合和共享，实现统一的 人机界面和跨平台的数据库访问。可以真正做到局域和远程信息的实 时监控，数据资源的综合共享，以及全局事件快速的处理和一体化的 科学管理。 使用b s 远程监控模式，客户端只需要单一的浏览器软件，其他 大量工作都由嵌入式w e bs e r v e r ( 也就是家庭网关_ ) 完成。这种模式使 用简单、易于维护、扩展性好、软件升级只要在服务器端进行即可。 但是这种方案也有其局限性，那就是在这种方式下通常都只是通过浏 览器对家庭网络中的单个智能节点进行一对一的监控，效率不够高。 在b s 系统中，客户机的工作得以极大的减轻，但服务器将负担更多 的工作，对家庭网关上嵌入式数据库的访问和应用程序的执行将在嵌 入式w e b 服务器上完成。 随着w o r l dw i d ew e b 越来越普及，嵌入式系统工作于w e b 上会 带来更大的方便，如让用户通过w e b 浏览器来配置设备，或让设备用 w e b 内容来报告状态，这些紧缩的技术使嵌入了w e b 服务器软件的智 能设备可以用w e b 浏览器去访问。而随着市场上各种信息产品功能的 不断丰富，人们开始要求能通过嵌入式w e b 服务器对家庭中的家电的 数据信息进行管理( 检索、排序等) 、共享。拥有一个体现高新科技的 智能化、现代化的家庭已不再是梦想，家庭网络化是信息时代的必然 趋势。 基于i a i d l 的嵌入式w e b 家庭网关的设计 以信息家电为代表的互联网时代嵌入式产品，不仅为嵌入式市场 展现了美好前景，注入了新的生命；同时也对嵌入式系统技术，特别是 软件技术提出新的挑战。这主要包括：支持日趋增长的功能密度、灵 活的网络联接、轻便的移动应用和多媒体的信息处理。当然，激烈的 市场竞争也不容忽视。因此，采用b s 方式进行信息家电远程访问是 智能家居中嵌入式技术的重要应用。 硕十学位论文 3 iaid l 概述 3 1 iaid l 定义 位于家庭网关上的i a i d l 编译器主要用于实现家庭网络中各类 信息家电的注册管理、控制管理及状态管理等基本服务。按照i a i d l 规范书写的设备描述文件即i a i d l 文件由各家电厂商提供，i a i d l 的 原料信息则由用户远程操作不同种类信息家电提供。 3 2iaid l 工作流程 我们将从i a i d l 中提取出来的信息( 以一种易记录、存储和使用 的方式表示，称为中间信息) 存储在网关上的数据库中，当用户对某 设备发出操作请求时，我们先根据数据库中的相关信息在客户端生成 一个相应的操作界面，用于反映该设备的状态和属性信息，用户选择 执行完某一具体操作后，若设备的状态和属性发生了变化，数据库中 相关数据表和客户机的操作界面将同步体现出来。而这种完成提取中 间信息的工作和界面自动生成工作的软件就是本文中要加入家庭网 关的i a i d l 编译器的接口解释器和界面解释器部分。图2 为i a i d l 编 译器在家庭网关中的功能结构图n 朝。 设备端 il 家庭网关 接口解释器界面解释器 i a i d l 室鲑掣lli 中间信息( m y s q l i t e ) 图2i a i d l 编译器功能结构图 客户端 终端( 用户 界面)- w7 基t - i a i d l 的嵌入式w e b 家庭网关的设计 3 3iaid l 编译器 i a i d l 编译器是采用l e x 和y a c c 实现的。它们是特意为编写编 译程序和解释程序的人设计的工具，适用于在输入中查找模式或者拥 有输入或命令语言的任何应用程序。下列程序段是i a i d l 使用语法分 析器y a c c 在定义段的部分内容( 接口解释器) n 引： s ：ab p r i n t f ( ”sr e d u c e d ! n ) ： 关闭数据库 c l o s e d a t a b a s e0 ： ) ； a ：pi s7 提取设备名和设备类型 d e v i c e n a m e = - - $ 1 ：t y p e n a m e = s 3 ： 检测该类型是否已经存在于设备类型表中 f l a g = c h e c k t y p e ( t y p e n a m e ) ； 向设备类型表中添加新的类型信息 i n s e r t d e v i c e t y p e ( d e v i c e t y p e ”，一t y p e n a m e 一，t y p e n a m e ) ： 。； ) ； 3 4iaid l 文件描述信息家电 i a i d l 编译器模块将逐条解读事先由厂家按i a i d l 语法规则描述 的信息家电的i a i d l 文件，编译器将i a i d l 文件的关键信息提取出来 并做一定的处理后，结果存储到s q l i t e 的表格里，以后远程用户端 1 7 硕士学位论文 和设备之间将根据设备号通过网络经由数据库完成交互。以甲公司生 产的某品牌空调a 为例，其i a i d l 文件描述如下： a 空调is e n u ms w i t c h = ( 开，关) ； e n u ms t a t e = ( 左右扫风，上下扫风) ： a t t r i b u t e ：厂家 s t r i n g 甲公司： a t t r i b u t e ：功率 s t r i n g2 0 0 w ； f u n c t i o n ：调温度 v o i ds e t t e m p e r a t u r e ( i ni n tt e m p e r a t u r e 0 ，4 0 ) ： f u n c t i o n ：转换状态 v o i ds e t s t a t e ( i n s t a t e0 0 ) p r o v i d e d ： f u n c t i o n ：开关 v o i do n o f f ( i ns w i t c h0 0 ) p r o v i d e d ； 基于i a i d l 的嵌入式w e b 家庭网关的设计 4 嵌入式数据库 4 1 嵌入式数据库选择 在家电设备的嵌入式b s 远程监控、故障诊断中需交换的数据越 来越多，对数据库的要求越来越高。在目前常用的数据库产品中， o r a c l e ，i b md b 等功能强大，但系统庞大，需付费使用，适用于大 型商业型数据库。而m y s q l 在保持中等体积的情况下，提供了较为适 用的功能已成为中小规模数据库应用的首选，但商业应用也需付费， 而且对于嵌入式系统来说空间占用仍然太大。小型数据库m s q l 适用 于嵌入式系统，但只有3 0 天的使用期限，并非完全开源。而在开源 的数据库中，p o s t g r e s q l 功能完善，但体积较大。而b e r k e l e yd b 则是开发难度比较大n 钔。s q l i t e 则在体积与功能之间做到了较好的 平衡，是“理想的嵌入式数据库”。 家庭网络中央控制器以a r m 微处理器为中心建立硬件平台，对外 通过宽带e t h e r n e t 、m o d e m 与i n t e n e t 连接，对内将家用电器通过内 部局域网连接成一体，通过远程w e b 浏览器、本地遥控器触摸屏以及 手机界面三种方式实现对信息家电的状态查询和控制n 引。多样化的数 据存储与管理需要有一个后台数据库来支撑，s q l i t e 无疑是一个合 适的选择。 4 2 嵌入式数据库调用 s q l i t e 主要由以下几个主要的子系统组成：接口( i n t e r f a c e ) 是一个c 语言库，即使使用的是不同语言的a p i ，在底层执行的都是 c 语言库。从接口接收到命令后传到s q l 命令处理器( s q lc o m m a n d 1 9 硕十学位论文 p r o c e s s o r ) ，s q l 命令处理器是由三个独立的步骤组成：标志处理器 ( t o k e n i z e r ) ，分析器( p a r s e r ) 、代码生成器( c o d eg e n e r a t o r ) 。 s q l i t e 的分析生成器( 1 e m o n ) ，类似于w i n d o w s l i n u x 中的y a c c 和 b i s o n n 制。但是l e m o n 可以更快速地生成高效的代码，并有效地防止 资源的泄漏。 嵌入式数据库系统为嵌入式平台高效地管理和存储数据提供了 解决方案，通常与嵌入式操作系统及具体的应用集成在一起，无须独 立运行的数据库引擎，由程序直接调用相应的a p i 就可实现对数据的 存取操作。本项目采用的嵌入式数据库为s q l i t e ，s q l i t e 的应用开 发即c g i 程序建立、访问、更新s q l i t e 数据库中信息家电相关信息 的过程。可以分为二步来完成： 1 ) 建立一个信息家电后台数据库。因为该数据库的所有操作均来 自网络，网络中所有请求都是以h t m l 数据流的形式存在的，所以数 据库的前端界面直接写入h t m l 文档，与w e b 页面融为一体。 2 ) 通过h t m l 文档制作一个w e b 页面及内建表单。从w e b 网页的 角度来看，表单为客户提供了一个交互界面，客户将对信息家电的所 有操作都填写在表单控件中，之后浏览器将表单的内容提交给w e b 服 务器端的应用程序，应用程序再根据用户的请求实时地去操作数据 库。 使用s q l i t e 的c 语言a p i 接口只需要三步。首先，要提供文件名和 访问模式用来调用s q l i t eo p e n0 连接数据库。然后，执行一个 c a l l b a c k 函数，s q l i t e 通过对每个记录执行c a l l b a c k 函数获得从数据 基于i a i d l 的嵌入式w e b 家庭网关的设计 库那里得到的结果。最后，如果想执行一个s o l 查询并获得一个 c a l i b a c k 函数的指针，可以调用s q l i t e e x e c0 。除此之外还需要错 误代码检查。s q l it e 可以通过对一个主键声明它为i n t e g e rp r i m a r y k e y 成为能够自动增加的主键，实现自增字段。 4 3s o l i t e 在家庭网关中的应用 信息家电通过信息家电接口定义语言( i a i d l ) 向家庭网关注册， 将信息存储于嵌入式数据库s q l i t e 中。由系统向应用程序编写者提 供一整套可以实现信