（计算机应用技术专业论文）基于嵌入式系统的智能报警系统设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 基于串口总线的智能小区报警系统在灵活性、可扩展性以及传输距离 等方面存在不足，且具有干扰严重、误报多等缺点，极大影响了系统的发 展和推广。因此，开发基于i p 网络的报警系统，并充分利用串口设备和现 有的以太网络，发挥网络化的优势已经成为了一个必然的选择。 本论文综合利用嵌入式系统技术，网络，加密等技术，设计并实现了 一个基于嵌入式系统的智能报警系统。论文主要包括以下几个方面的内容。 通过分析智能报警系统的功能需求，提出了报警系统的总体结构，并 说明了系统的各个组成部分，介绍了警报探测器的选用，与以往的串口设 备相比，本报警系统通过串口转以太网口模块将串口升级为以太网口，增 强了系统的灵活性、可靠性、通讯速度和可扩充性。通过分析当今嵌入式 系统的芯片市场情况，a r m 处理器l p c 2 1 0 4 被选择为嵌入式系统的主芯 片，以其为核心，建立了一个基于a r m 控制器的嵌入式系统，并对其硬 件电路及外围设备进行了详细说明。在嵌入式系统的硬件电路基础上，利 用a r m 软件开发平台，实现了嵌入式系统的初始化，报警功能，并通过 个测试模块对系统的报警功能进行了测试，证明了系统预期的主要功能 都已经实现。在论文的结束部分，讨论了网络的安全问题，并针对报警系 统提出了防火墙技术和数据加密的安全体系。 嵌入式系统在功能上具有极强的可扩展性和适应性，有着广阔的发展 前景，同时系统也存在着一些缺陷和不足，需要进一步完善和改进。本系 统是对高效智能报警系统的一个尝试，对于今后相关系统的建立提供了一 个借鉴，将有助于报警系统技术的发展。 关键词：嵌入式系统；报警系统；串口转以太网口模块 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t i n t e l l i g e n tc o m m u n i t ya l a ms y s t c mb a s e do nu a 。r ti si n c a p a b i l i t yi n s o m ea s p e c t si n c l u d i n gn e x i b i l i t y ；e x t e d i b i l i t ya n dt r a n s m i s s i o nd i s t a n c ee t c b e s i d e s ，s u c hs y s t e mc a nb ee a s i l ya n dh e a t i l yd i s t u r b e d ，w h i c hi m p e d e st h e s y s t e m t o d e v c l o pa l l dp o p u l a r i z ee n o m o u s l y t h e r e f o r e ，i t s a n e c e s s a r y c h o i c et od e v e l o pa na l a 瑚s y s t e mb a s e do ni pa n du t i l i z ee t h e m e tn e t w o r ko f o wa tl a r g es oa st 0b r i n gt h en e t w o r ki n t 0f l l l lp l a y a ni n t e l n g e n ta l a ms y s t e mb a s e do ne s ( e m b e d d e ds y s t e m ) i sd e s i g e d a n di m p l e m e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ，i nw h i c he m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g y ， e t w o i ka n de n c r y p t i o nt e c h n o l o g ya f ea p p l i e d t h i sd i s s e n a t i o ni n c l u d e si n c h i e ft h ec o t e n t sa sf b l l o w s t h r o u g ha n a l y z i i l gf m l c t i o n sa dr e q u i r e m e n t so fi n t e l l i g e n ta l a r i l ls y s t e m ， g e n e r a la r c h i t e c t u r eo fi n t c l l i g e n ta l a 衄盯ei n t r o d u c e d a l lp a r t so f t h i ss y s t e m a r ed e s c r i b e di nd e t a i ls u c ha sc h o i c eo fa l a 皿d e t e c t o r c o m p a r e dw i t hs e r i a l d e v i c e so fp a s t ，t h i ss y s t e mt r a n s f e ru a r r rt oe t h e m e tw i t hu a r t 二e t h e r n e t m o d u l es oa st o i n l p r o v et h en e x i b i l i t y ，r e l i a b i l i t ya n ds t e e ra b i l i t yo f 也c s y s t e m a c c o r d i n gt oa n a l y z i n gt h er e q u i r e m e n t so fs y s t e ma n de m b e d d e d c h i p sm a r k e t s ，b a s e d o na r mm i c r o p r o c e s s o rl p c 2 1 0 4a sk e m e l ，锄 e m b e d d e ds y s t e mi ss e tu pa n da l lp a r t so fi ts u c ha sc i r c u i t s 蚰di n t e a c e s d e v i c e sa f ei l l u s t r a t e di nd e t a i l b a s e d0 nt h i ss y s t e ma n da r md e v e l o p m e n t p l a t f 0 珊，a l a r mf u i l c t i o sa r ec a r r i e do u t ，a l l dt h e n ，m et e s t i n go ff u n c t i o n si s d o n e ，w h i c hp r o v e dt h ee x p e c t e dm a i nf u n c t i o n sh a v eb e e ni m p l e m e n 童e d i n t h ee n d0 ft h i st h e s i s ，t h ep r o b l e m sa b o u tt h es e c u r i t y0 fn e t w o r ka r el i f t e da n d s o l v e d0 u tb yf i r e w a l l st e c h 0 1 0 9 ya n dd a t ae n c r y p t i o n s e m b e d d e da l a ms y s t e mh a sa nb e t t e ra b n i t yo fe x t e n da n da d a p t i v e ，w h i c h m a ya p p l yi nm a n ye n v i r o n m e n t sa i l df i e l 出i th a sag o o da p p l i c a t i o n sf i l t u r e o nm eo t h e rh a n d ，i ta l s oh a ss o m ed r a w b a c kt h a tn e e dt ob ei m p r o v e di n f u t u r e t h i ss y s t e mi s0 n l ya na t t e m p tt od e s i g nm o r ee m c i e n ti n t e l l i g e n ta l a 衄 s y s t e m i tc a n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 il 页 p r o v i d e se x p e r i e n c ew h e nd e v e l o p i n gt h es y s t e mr e l a t e dt oi t ，w h i c hi sh e l p f l 吐 t ot h er e s e a r c h0 fa l a 瑚s y s t e mt e c h n o l o g y 【k e 了w o r d s 】e m b e d d e ds y s t e m ；a 1 a 瓶s y s t e m ；u a r tt oe t h e r n e tm o d u l e 鞭南交邋犬学硕士职究嫩学位论文繁l 页 第l 章绪论 。 课题磷窕鹜秉 随赣入种j 童活水平的不断提高，特剿是物质生活承平的掇 睾，人们越来越熏视自己的个人安全和财产安全；同时，经济的 飞速发溪终蓬着缓枣滚旗入强熬慧裁增魏i x 露糍变通大学颂士哥 究生学位论文第3 燹 4 8 5 总线，其灵活性、可控制髓和远距离传输性均嫌不足。憾随 着耀络簿我瓣凳寒，夺嚣整游一般赛安装了瓣络搂嚣，薮胃采强 将率日升级为以太网羧目的方法，从而解决了串羽总线所表现的 这般缺点和不足。本系统灵活性大，可靠性强，通过串口转以太 喇接霜接入戮疆r 豫臻鼷络可叛穰方便避簿小聪藜程餐整羧， 同时选可以缓磐她对小区雨魏关键点进行监控，降低了大规模 设计舱复杂链。 1 3 论文所做的工作 本论文挺以现代家庭生活对住宅安全的要求为背景，主簧撩 讨了一耱邋会予餐笺夺嚣安全技本兹佳宅缀蘩靛联豹软硬佟设 计，并予以实现，设计主要究成了下面四个工作： 1 ) 完成了对报警系统的总体设计； 翁完成了嵌入式报警系绫瓣硬俘实现； 3 ) 完成了嵌入式系统的软件实现： 谬缨研究了掇警系绞姆安全性能。 1 4 论文的结构 本文罄先给出了一个智能报警系统的总体结构设计，并赣麓 露焚爨袋鼷憝各秘单菇送得了较为详缨豹分掇辣竣诗。 其中，第二章是系统的总体结构设计；第三澉盎要给出了系 统具体的硬件设计，并给出了姆一个具体模块的功能和特性；箔 四颦针对的楚整个系统的软傅设诗，共较为详缨攒述嵌入式系统 静舆体癌渤和软件实璃过程， 字# 锌对本系统徽出了一个测试软件 以测试系统的功能特靛；第五肇介绍了主隳的网络安全技术，势 锋辩本摄鬻系统氇鬟惑了鑫已豹瓣终安全方案，论文夔结寒帮分 对本设计谶行了总结和展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章系统总体设计 2 1 智能报警系统的总体结构 住宅报警系统是针对小区内防盗，防火，防煤气泄漏，紧急 求助等方面的安全需要，满足小区智能化的需求，使小区的生活 更加安全、便捷、舒适1 4 j 。 家庭住宅报警系统由家庭报警主机和各种前端探铡器组成， 前端探测器可分为门磁、窗磁、煤气探测器、烟感探测器、红外 探头、紧急按钮等。当有人非法入侵时将会触发相应的探测器， 家庭报警主机会立即将报警信号传送至小区管理中心或用户指定 的电话上，以便保安人员迅速处警；同时小区管理中心的报警主 机将会纪录下这些信息，以各查阅。 智能住宅报警系统不仅需要具备传统的报警系统功能，而且 还必须能提供网络服务功能，以使用户能对报警系统进行远程监 控，方便用户进行远程管理。 控，方便用户进行远程管理。 嚣燕窝邋大学硕士研究生学位论文第5 聪 麓一l 搬| 一戳 麟 l f 燃陶 ： 瘸2 一l 蓉绕蕊俸缝构蘩 如躜2 一l 所示，零系统包括匾犬部分，主机部分，串鳓转 以太髑疆部分，逶爱扩袋模块部分鼗攥测控到器部分。荚中，潺 用扩鼹模块怒零论文的藏点，本论文豹重点阂绕冀麓开，通溺扩 展模块采用的是a r ml 詹c 2 1 0 4 徽控制器。本文将详细介绍如何 在本系统中傻溺嵌入式系绞熬全部过程及箕在系筑中掰起懿撵 用。 2 。2 餐熊报警系统豹掇警体系 餐缝嚣餐焱绕主螫怒对家疯瀵嚣登要静火灾，瓣潺，煤气溪 漏等意外事故进行防藏。 熬个掇罄蓉绞鹣系统磅能蚕熟鬻2 _ - 2 掰示。 + 塑 l黩鬻 + 圈 l。醛邕 琴藤交透火学磺士硒突缝学镰论文纂6 贾 鬻2 2 缀警系统功戆黼 当发警慧癸攀教漕，搽涮器将采嶷裂懿蘩学激开关羹黪澎袋 送至邋用扩展模块，通燧扩展模块将报警信姆避行分析，确认鬻 报情况确实产生静精况下，骰出稿戍的应急处理措施，并立即通 过串口转以太网口模块向主机进行报镥，小隧监控人员就可以对 警摄送行挺露酶娃溪，叛达至l 入援醛范裙结合豹缮豹。 2 3 探测器的选用 搽溅器怒整拿报警系统戆蠢宿，簇苏瘩躲舞券缒薷惑，澍辩 将感知到的外界信息转化成开关艟，传送给通用扩展模块，将信 惠交纶逶鼹扩展模块处璞燃。麓了僚诞人曼葶鞋家巍安全，逶豢鬻 将其安装在关键位溉以达受监控鲍犀舱。 筑溅嚣静静类缀多，侄家禚掰用豹探溺主要掰来骆炎，游凝 和防煤气泄漏等。 羧警探漯器( 搬警器) 耱类摄多，按辑搽溅懿物理嚣鹣不褥 霹分为微波，红努，激党，超声波秽掇动等方式；按电信号传浚 方式不同，又可分为无线传输和有线传输两种方式。 门、窗磁传感器用来监控门的开必状态，当f 1 窝因j f 法原圜 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 被打开后，门磁传感器立即发出报警信号，向主机报警。 玻璃破碎探测器是专门用来探测玻璃破碎功能的一种探测 器。当入侵者打碎玻璃试图作案时，即可发出报警信号。探测器 的监测范围为一整个房间，与窗户多少无关。除保护一般的门、窗 玻璃外，对大面积的玻璃橱窗、展柜、商亭等均能进行有效的控 制。 离子感烟探测器灵敏度高，历史悠久技术成熟性能稳定，对 阻燃火的反应最灵敏。 可燃气体探测器主要用于检测范围广泛的易燃性气体( 天然 气，液化石油气等) ，用于有危险源的固定场所或易燃气体场所， 如家居厨房、使用燃气热水器的浴室等。 紧急按钮当那些身体虚弱的病人独自在家时，紧急按钮可 以为他们提供额外的安全保障。此外，儿童或年长的病人也可以 从紧急按钮中获益，他们可以随时向报警接收中心发送警报信息。 2 4 报警信息传输所使用的接口及规范 2 4 1 r s 一2 3 2 接口的优缺点 目前r s 一2 3 2 是p c 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接 口。r s 一2 3 2 被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单 端标准。r s 2 3 2 采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。收、 发端的数据信号是相对于信号地。典型的r s 2 3 2 信号在正负电 平之间摆动，其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容， 其传送距离最大为约1 5 米，最高速率为2 0 k b s 。r s 2 3 2 是为点 对点( 即只用一对一收、发设备) 通讯而设计的，其驱动器负载 为3 7 k 0 ，所以r s 2 3 2 只适合本地设备一对之间的通信，不 适合远距传输。 西南交遴火学硕士硒究生学位论文嚣8 页 2 4 2 以太网的的现状及优势 戳太弱，捂蠹施乐公霹毯建并由施乐、瓤t e l 和d e e 袋司联合 开发的基带局域网规范。以太网络使用c s m a c d ( 载波监听多 路访问及冲突检测技术) 技术，并以1 0m b p s 的速率运行在多种 类型魏毫缆上。t 粥年代，交换型潋太丽得绷了发展，并先后推出了1 0 0 毙豹 快遴以太网、1 0 0 0 兆的千兆位以太网和1 0 0 0 0 兆的万兆位以太网 等更高速的以太网技术。以太网的帧格式特另u 适合于传输姆数据 毽。醚羞礁。臻e t 豹快速发展，殴太网被广泛使矮。蕊缮一嶷夔 是，如果接入随嘏采用以太网，将形成从髑域网、接入嗣、城域 网到广域网全部魑以太网的结构，这样采用与碍数据包结构近似 的以太网帧结构，备网之间无缝连接，中间不需要任何格式转换， 哥激糖奁运行效率，方囊管理，降低成本，这静结梅毒戮挺爨端 至g 端的连接。基予以上原因，以太网接入得到了快速发展，并且 越来越受到人们的震视。 蕹毫交疆大擎颈士磷究生攀位论文繁9 菱 第3 睾系统硬件设计 3 。1 嵌入式系统的总体硬件结构图 s p i 盎是艇 x ，0 i ，0l p c 2 1 0 4 i 0 l l 籽# 纛嚣t 图3 - l 系统总体硬件结构图 静2 3 2 如图3 1 所示，嵌入式系统的总体硬件结构图，包括电源 零分，笺位部分，硝c 2 l 泓模块，s p l 羧墨部分，露一些势帮接 口等，其具体的硬件电路图如附录1 所永。 麴瓣录l 掰示，这是焱入式报警系绕戆爱转电路强，惫援电 源电压转换模块，复位电路模块，串口电路，l p c 2 1 0 4 模块，s p i 接墨模块，疆轴显汞辆一些多 罄按强电路等。 3 2 嵌入式系统组成模块 3 ，2 1 徽处瑗器l p e 2 瓣 本系统采翊的c p u 是t p c 2 1 0 4 ，l ，p c 2 1 0 4 基予一个支持实 时仿真和跟踪的越l m 7 t d m i sc p u ，并带有1 2 8 k 字节( k b ) 嵌入 的高速f l a s h 群储器。1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的加速结构 使3 2 位代码够在最大时镑速率下运霉亍。对代璐奴模蠢严接控制 匿南变送大学磷圭磺究黧学位论文第l o 燹 的应用可使用1 6 位1 h m b 模式将代码规模降低超道3 0 ，而性 能的损失却缎小。 由文献 2 2 1 霹知，融予l p e 2 1 0 4 非常，j 、酾尺寸稍极低的功耗， 它们非常适合予那些将小型化作沟主要要求的应用，例如访问控 毒l 秘毫子莰款壤( p 0 s ) 。带鸯宽蕊强豹举行逶蕊滚霜片痰多迭 6 4 k 字节静s r a m ，壶予其有大豹缓狰区麓模和强大麓处理麓力， 它们非常适合予通信瞬先和协议转换器、软件调制解调器、声音 识剐l 冀及低鹾豹图像处理。瑟多令3 2 位定瓣器、p w m 辕爨程3 2 个g p i o 使它们特制适用于工业控制和医疗系统。 功黢婚莲 ( 1 ) 1 6 硌2 德a r m 1 s 她理器 ( 2 ) 1 6 3 2 6 4 k b 片内静态r a m ( 3 ) 1 2 8 妞片滤嚣a 照疆穿存籀器，王2 8 戆接日鸯鼙逮器使荬安现 了6 0 m h z 的商速操作。 ( 4 ) 透过_ 踌逡蟊t - l o 赫c r 软髂实瑗在系统壤程( 1 s 鄹窝在艨爆 编纛( 1 a p ) ；瓣8 s 蠡编毪辩窝：l 擞s 可缓程5 1 2 字节，零瘸区攘臻 和整片擦除只需4 0 0 吼s 。 ( 5 ) 向量中断控制器，可配置优强级和风爨地址。 ( 6 ) 琶描b e 酾e d 释e - l 谨壤弱使能断点和蕊熬点：当箭念经务後溺 片内r e a l m o n i t o r 软件调试时，中断服务程序可继缕执行。 ( 7 ) 嵌入式鞭踪宏擎元慰蠢令瓣砉 f 霉实现了 捶入瓣蹇速实游鞭 踪 ( 8 ) 多个串行接口，包括双u 脚w ( 1 6 c 5 5 0 ) ，高速1 2 c ( 4 0 0 k b i t s s ) 积s p k ( 9 ) 两个3 2 位定时器( 7 路捕获，比较通道) 、p w m 单元( 6 路 输如) 、实时时钟犟看门猕定时器。 ( 1 0 ) 套塑滟王怼霹封装( 7 7 鞣撼) 有多达3 2 个溪承受5 v 熬 通璃鹚口 ( 1 1 ) 通过可编程的片内锁相环可实现最大为6 0 m k 的c p u 操 撵频率 ( 1 2 ) 片内晶振的操作频率范湖：1 0 m h z 2 5 m h z ( 1 3 ) 两个低功耗模式：室阕矧簿惫 西南交通大学硕士掰 究生学位论文第l l 黼 ( 1 4 ) 通过外部中断将处瑗器从搏电模式中唤醒 ( 1 5 ) 外设功s 2 霹纂独傻麓，禁止，实理功耗最优证 ( 1 6 双电滚 一e p u 搡俸毫嚣藏溺：l ，秘v 。1 9 5 v ( 1 。8 v 圭8 3 ) 一阳电源电嚣范溜：3 o v 鸪。6 v ( 3 3 v 1 0 9 磅，驹可承避5 v 电 压。 由于 c 2 1 0 4 支持主，从j r r a g 调试，而是否处于j 1 a g 调试 状态是通过d b g s 飘l 横口信号来选择的，其处于高电平时，允许 主j 1 a g 调试，在运行状态时将其接低电平禁止主j 1 = c f 蝣调试。 3 2 2 微处理器外围设备 虽然豢入式蓉绕繁瓣诲多元磐在一个疆竟夔毫滚范溪逡都霹 激运转，毽一个嚣窳豹工佟毫莲对予设各也是必要豹。嚣魏，簸 需要一个稳压嚣张箍供穗舔瞧源，姨两提供恒定参考电聪，进一 步讲，稳压器有勘予去除电源的噪声，给从外部电源的嵌入式系 统提供了一定程度的保护和隔离。 有三种类型的d c d c 稳压器：线性稳压器，它产生较输入 电压低的电压；开关稳臌器，它能升高电压( 升压) ，降低电臌( 降 压) 或翻转输入电压；充电泵，它也可能升压，降低电压( 降服) 或翻转输入电压，但其驱动能力有限( 并非所有的充电泵都掇供 稳定电压) 。 线性稳压嚣体积小，便宜，噪声低且菲常易于使用。必霜菸 赣入秘输出佼震邀禚彀签采过滤。理论上暹赣电容使髦缮越多越 磐，藿在实际搜建邋稳窜，只需热天适当数器帮霉。 本魄路选矮豹稳藤器为线性稳疆器7 8 m 0 5 ，输入惫聪为： 7 5 v - 2 5 v ；输出魄聪为：5 v ； 因l p c 2 1 0 4 要使用两种电源，所以系统设计为3 3 v 成用系 统。首先，将电源熬流，经滤波后，然后通过7 8 m 0 5 将电源稳胍 至5 v ，再使用低臌栽蒋片s 1 1 3 1 8 3 3 u c 和s 1 1 3 1 8 1 8 u c 稳聪输 出3 3 v 和1 8 v 电聪。熬特点是输出电流大，精度高，稳定性商， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 功耗低；两个芯片的o n o f f 引脚都接到+ 5 v 上，使能v o u t 输出； m a x 3 2 3 2 是低功耗的串口r s 2 3 2 转换器，可实现 3 3 v 二5 5 v 的电平转换，最高速率可达1 m b p s ，在使用它时必须 加上四个大小为o 1 f 的外部电容； 7 4 h c 5 9 5 是带有输出闩的8 位串行输入，并行输出移位寄存 器，在这里作为s p i 接口与外部的数据转换芯片； 由于a r m 芯片的高速、低功耗、低工作电压导致其噪声容 限低，对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性及电源监 控可靠性等诸多方面也提出了更高的高要求。因此，本系统选用 专用微处理器电源监控芯片m a x 7 0 8 s ，作为本电路的复位电路 芯片； 晶振器的晶振频率为1 1 0 5 9 2 m h z ，用1 m q 的电阻并接晶振 的两端，使系统更容易起振； 蜂鸣器与 c 2 1 0 4 的一个g p i o 口p 2 8 相连，报警时控制 p 2 8 口不停轮换输出0 、1 电平即可达到蜂鸣报警的目的； 此外，l p c 2 1 0 4 通过3 2 个g p l 0 口与外界探测控制器相连， 监控报警点的信息，同时也可以通过g p i o 口控制外围的应急处 理设备。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 3 3 串口转以太网的模块功能及特性 z n e l o t 1 9 】是周立功公司开发的一款嵌入式网络模块，它 内部集成了代田协议栈，用户利用它可以轻松完成嵌入式设备 的网络功能，节省人力物力和开发时间，使产品更快的投入市场， 增强竞争力。 功能特点： ( 1 ) s e r i a lt t l t 01 0 me m 锄e t ，s e r i a l 最大波特率为1 1 5 2 0 0 b p s ； ( 2 ) r s 2 3 2 恨s 4 8 5 诹s 4 2 2t o1 0 me t l l e m e t ； ( 3 ) 支持动态( d h c p ) 或静态获取口地址； ( 4 ) 可利用串口配置软件或z n e t c o mu t i l i 够软件轻松进行设 定； ( 5 ) u d p 、t c p s e r v e r 和t c p c l i e m 作业模式。 产品特性： ( 1 ) 目的端口和目的口地址进行定向发送； ( 2 ) 可使用串口配置工具z i ，g c o m e w 进行配置； ( 3 ) 可使用配置工具z n e t c o mu t i l i t vf o r w i n d o w s 9 8 m e 删2 0 0 呱p 进行配置； ( 4 ) 另外提供通用配置函数库，方便用户8 位c p u ； ( 5 ) 外扩3 2 k b 数据r a m ； ( 6 ) 1 0 m 以太网接口( 使用排针方式引出) ； ( 7 ) 1 5 k v 电磁隔离； ( 8 ) 串口1 匝电平方式，波特率3 0 0 1 1 5 2 0 0b p s 可选： ( 9 ) 串口校验方式无校验、奇校验、偶校验可设定； ( 1 0 ) 数据位8 位，停止位1 位； ( 1 1 ) 支持t c p 口协议包括：e t 既r n i 玎、a r p 、i p 、i c m p 、 u d p 、t c p 、d h c p ： ( 1 2 ) 工作方式可选为u d p 、t c ps e r v e r 或t c pc l i e n t ，端口、 嚣毒交涟夫擎疆士聚究生学位论文第1 6 贾 图3 4z n e 一1 0 t 设备信息 如圈3 _ _ 4 所示，对鼢崛1 0 t 模块进行相廊的串网设置和i p 酝嚣，并设置好其工作模式鞲端嗣，使箕工作在正常工作状态。 z n 靛一1 0 t 支持t c p 和u d p 两种协议，这里选用的是u d p 协议，t c p p 釉u d p 都是建立在甄低层的弹协议上的两种通讯 传输协议。前袭是以数据流媳形式，烽传输数据经分割、打包后， 通过两台机器之间建立起的虚电路，避行连续的、双向的、严格 像证数援正确髋的文馋佳输协议。蕊后卷是以数据报驰形式，对 拆分后附数据的先后到达顺序不做要求的文件传输协议。 u d p 衣粥p 协议鲍主要区别是嚣老在如键实现傣怠的胃靠 传递方面不同。t c p 协i 义中包含了专门的传递保证机制，当数据 接收方牧裂发邀方建柬憋售怒时，会蠡动良发送方发惑确认游惠； 发送方只有在接收到该确认消息之后才继续传送其它信息，甭则 瓣一壹等德壹戮收到镶没信息为止。 嚣南交通大学硕士研究嫩学位论文第1 8 页 第4 章系统软件结构 在嵌入式蓉统疆箨毫路礁定之瑟，零章霹述了程鼹汇缠语言移c 港蠢 混合编程实现簪缝报警系统的掇警功戆戆详细过程。 4 1 系统功能的总体结构 图4 一l 系统功能结构 魏图4 一l 掰零，整个掇警系统采蠲翡是c 搐终稳，( 器结鹤，帮 c l i e n t s e r v e r ( 客户机朋臣务器) 结构，鼹大家熟知的软件系统体系结构，通过 将任务合理分配蒯c l i e n t 端和s e r v e r 端，降低了系统的通讯开销，可以究 分利用两端硬件环境的优势。 在本系统中，充当客户机功能的是嵌入式系统，弼充当服务器功能魄 是p c 主鬣，它搂浚来自裹入式系绫发来戆簧惠，遴纾耀瘦懿处理。 西南交邋夹擘硕士研究生学使论交蘩2 2 贾 m a p 是霹魏蘸露矮立魏存储器浚射静甏次修改。藏零震圭漤，m 姆 和r e m 神是一样的，都是将地址编码资源分配绘存储器块，只不过二者产 生麓薅游不嚣：蔼者谯系统上宅勰对蘩发生，愚任信诗算撬祭统露妊需瓣； 瑟嚣者在系统上逛螽稳定运行豹对翔发垒，对计葵梗系统设幸 人爨来说魁 霹逸酶，典型酶8 往攀片杭系统中，就没有接鼷r e m 鞴技术。 完整的r e m a p 过程实际上通常始于蓉统的黔o o t l o a d 过程。具体执圣予渤 作为：b o o t l o a d 将非勃失性存储器中的异常向赞复制副高遮翁失髋存储器 块熬一藤，然爱氛嚣获意m 8 替奄令，将篷予蹇邃易失整毒褚嚣串瓣舅零彝餐 块姨射剽异常向麓表地址空间上。此后，系统游产生异常，c p u 将从己映 射到异常徽量表遗址蹙阗熬瀛速嚣撼失燃奏锉辫中读取异黪岛量。具害錾糊 典型的a r m 7 嵌入斌惹统中，就是由b o o l l o a d 程序将片内或片外的 秘a s 勰。辩中翡暴鬻陶璧复黼委砖内夔s 慕a 酗中指定瓣存在器蕈露中，然 后搿执行r e m a p 命令。由于片内的s r a m 数据位宽通常与c p u 数据位宽 裙等，西糟c p u 虿罐涎等待娩全遮雾入辩常熊蘧程謦，获德最佳豹实辩辫 豢螭应。 驭上瑟髓技术绉述串冒歉，典篷酶蛩硒o f 、酝e 嫩。料汝p 秘r e 燃a p 国慰 问顺序成该是：m e m o r ym a p 一) 黔o o t 一) r e m a p 。但是，”c 2 0 0 0 处理器 中逸三个渤作的顺序却有一点不丽，依次为m e n 】【o r ym a p 一) r e m a p 一) 嚣。薛一 r e 轻托p ，爱霸令袋秭廷跆过程是臻产可选懿，莓撬行逸霹不撬行。 每当系统靛位以后，l p c 2 0 0 0 处理器就顺次执行上述四个过程。 r 毒毽雌动馋兜全媳予弱户戆控涮之下，r e 黼a p 匏慰象怒片蠹s r a 醚移 鳍器块静茹卷淘星部分，共计6 4 字节大小。用户可以缡程决定傅对致e m a p 、 r e 礅霹之簏是套再蘩菠异常态量寝淡及魏餐蘩蔽异常彝曩褒等等。霉要强 调的是，引发r e m a p 瀚作的指令岛建立s r a m 块中鼎常向蹩的所有功能 代弼垒部靛瞽在r a s h 涣静翔产编耧区中，是掰户应髑软佟瓣一部分。 王磐c 2 0 系列处理器片逡款援a s h 坟被分裁成了嚣缓，每组都配螯了 穗篓独立静1 2 8 泣宽震兹读取缓挣，在绝太多数情况下，c p u 麸r a s l l 块 的访问悬全速进千亍的，不存在有等特的状况；另卜方碟，一般应用l p c 2 0 0 0 的嵌入式系统并不需要动态她改变异常向量表。因此，对片内s r a m 遴行 r e 辙鞲黯；荠蚕裴提褰楚璎嚣对异常懿璃痊稳力，簌提麓遮疫 ：这个方 面上来讲，其实际意义并不大。 事安上，己p c 2 o 系到处理嚣引入s 薹 a 醚骢r e 搬鼯功黢对 ：l a p 撵 西南交通大攀硕士研究生学位论文第2 3 页 搀具露重要的意义。相对于其它基予越m 7 d m l 内援戆楚瑷器藤吉， l p c 2 0 0 0 系列处理器有一个独舆特色的功自& 一l 蛾( 在应用编程) 。糕i a p 擦除写入搡佟嚼，冀上疆a s 蠡头，包耩该头上黥异常囱量聱分，爨无法 被访问读取的，为了在蝴擦除写入操作时有效地响应异常，必须在调 翔。撵擦除写入操作之翦，将s r a m 中静异常翻量部分提蓊浃莉蓟系统 的异常向量袭地址空间上。这就是在l p c 2 0 0 0 系剿处理器中引入地址重映 射的羹大意义之所在。 如前所述，嵌本例中，程a d s 中设置了l m a g 。e n 虹yp o i n l 为 o x 4 0 0 0 0 0 0 0 ，定义的初始化入口点存放在可执行文件的头部，以供加载程 序加载时使用，当跌像文件被装载时，a r m 调试爨使用这个入口点来拐 始化p c 指针。在经过地址重映射( r e m a p ) 后，她址0 x o 处为r a m 。为 了谴a r a 莲连接器裁按联想进行共港臻懿生戏映像文臀，必矮建立一个合 适的s c a t t e r 文件以定义映象文件的地址映射。一个实际的映象文件可以有 多个竣，每个域在糖载簿瑟运纷怼哥溅考不嚣懿魏蛙。本设计审静s 鼹链e f 文件如下所豕： 弑o m 一a d 淑 ；定义加载时域 ；( 用来保存永久髋数据( 程穿和只读交量) 豹区域) ；的名称为r o ml o a d ， ；起始地址为o x 0 0 0 0 0 0 0 0 ；开始定义运行时域 ；程序执行时所表现出来的区域， ；程廖执零亍瓣，扶瓣载嚣蠛凑数据复裁至l 运行时城； r o m - e x 嚣c溆o 0 蝴0 ；第一个运行时域名称为r o m j x e c ， ；起始逢垃为o x o o ， ：其起始地址为其前一个运行时域的结束地址的下个地址， ；这麓运行时域r o me x e c 之前没裙其他的域， ；因此其起始地址为o x 0 0 0 0 0 0 0 0 s t a r l u p o ( v e c t o r s ，+ f i f s t ) 8 ( + r o ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 4 。5 测试模块实现及所采用的技术 4 5 1 测试模块报警功能验证 图4 4l p c 2 1 0 4 入网硬件实物图 如图4 _ - 4 所示，l p c 2 1 0 4 通过串口与z n e 1 0 t 相连后接入以太网， 再通过以太网与主机相连，这样，测试的硬件连接己完成。 然后，再参照图4 6 ，对主机和z n e 1 0 t 和i p 地址和网关等信息进 行设置，以确保主机与z n e 1 0 t 在同一个网段之中；：最后，参照嵌入式系 统的串口通信设置对z n e 一1 0 t 进行串口设置。至此，测试的基本条件已经 完成，可以接收来自嵌入式系统的报警信息了。 测试模块的功能主要是接收来自嵌入式系统所发送的加密报警信息， 并将其解密后显示出来，有关本系统的加解密所采用的算法及其具体实现 过程将在下章作详细讲解。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 3 页 得网络编程更加灵活，由于测试软件中只需接收数据即可，因此它分以下 几个步骤来进行： ( 1 ) c r e a t ，创建一个基础套接字句柄( s 0 c 玎类型) ，除了接收型套接 字之外； ( 2 ) c o n e c t ，建立对等套接字连接； ( 3 ) o n r e c e i v e ，通知侦听套接字，通过调用r e c e i v e 函数( 用以从套接字 接收数据) 恢复数据： 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 第5 章智能安防系统的安全性及措施 5 1 网络安全现状及应对措施 不可否认，智能安全网络给人们带来了安全、舒适和便利的生活，我 们的智能报警系统与传统的串口总线不同，新的报警系统灵活性更大，可 靠性更好，功能也更加完善，然而，新的技术带来方便的同时，也给我们 带来的相应的困扰。 本文设计的智能小区住宅报警系统建立在小区的以太网上，以t c p 口 协议为基础。在网络中，任何连接到网络且具有i p 的设备都有遭受非法攻 击的可能，因此如何加强报警控制器网络的安全性，是一个不容忽视的问 题。 本章先介绍主要的网络安全问题及网络安全技术，在此基础上，根据 系统自身的特点，提出了系统的安全体系，即在主机上加入防火墙防止外 部攻击，而在主机与嵌入式系统的数据传输上采用d e s 加密的手段以增强 系统的安全性。 5 2 影响网络安全的因素及相应措施 随着计算机网络的不断发展，全球信息化已成为人类发展的大趋势。 但由于计算机网络具有联结形式多样性、终端分布不均匀性和网络的开放 性、互连性等特征，致使网络易受黑客、怪客、恶意软件和其他不轨的攻 击，所以网上信息的安全和保密是一个至关重要的问题。对于政府、银行 和企业等传输敏感数据的计算机网络系统而言，其网上信息的安全和保密 尤为重要。 影响计算机网络的因素很多，有人为洲素， i 有自然因素，其中人为 因素的危害最大。归结起来，针对网络安令的威胁主要有三个方面： 嚣零交遴大学硕士襞窕生警位沦文繁3 5 页 ( 1 ) 入为酶秃意失误：如操作员焱全配置不当造成漪安全漏漏，用户 焱全意识不强，用户口令选择不慎，用户将自己的帐号随懑转借他人或与 别人共享等都会对网络安全带来威胁。 ( 2 ) 人为的恶意攻击：这是计算机阚络所面临的最大威胁，敌手的攻 穗鞠诗算视犯罪就爝子这一类。我类玻蠢又可戳分为以下两静：一秘是主 渤攻击，它馥套秘方式毒选释逮破坏傣感懿有效洼窥突熬瞧；另一类是被 渤攻击，它是在不影响网络正常工作的情况下，进行截获、窃取、破译以 获得重要机密信息。这两种攻击均可对计算机网络造成檄大的危害，并导 敬机密数据的泄漏。 ( 3 ) 网络软 牛赡漏澜和“后门”：网络软件不可能是掰分之百的无缺陷 秘无瀑溺嚣，然悉，这些潺溺露缺黧埝埝是黑客进雩亍攻漆豹蓄选嚣蠡，营 缀出现过的黑客攻入霹络内部鲍事佟，这些事件躲大部分就是因为安全搪 施不完善所招致的游果。另外，软件的“后门”都是软件公司的设计编程 人员为了自便而设鬣的，一般不为外人所知，但一旦“胼门”洞开，其造 成的后果将不堪设想。 器2 网络安全技术 5 2 1 防火墙技术 网络防火墙技术是一莘中用来加强网络之闻访闯控制，防止井部网络用 户潋菲法手段逶避耱辩溺终送入内都溺络，诱超肉蘩鼹终资源，搽护蠹邦 网络操作环境的特殊阏络互联设备。它对两个或多个网络之阕传输瓣数据 包如链接方式按照一定的安全策略来实施检查，以决定网络之间的通信是 褥被允许，并监视嘲络运行状态。 目前的防火墙产品主要有堡垒主机、包过滤路由器、威用层网关什e 理 服务器) 以及电路鬃掰关、屡菠主机黪火墙、双瘩主瓿等癸墅。 虽然防灾墙是瓣靛傺护瓣络兔瀵蒸客袭击鼗有效手殴，僵氇杏凌显不 足：无法防范通过防火墙以外的其它途经的攻击，不能舫止来自内部变节 潜和不经心的用户们带来的威胁，也不能完全防止传送融感染病毒的软件 成文件，以及无法防范数据驱动型的攻击。 鞭漆交瀵文学琰士鞭突整攀靛论文第始熨 终必疮帮瓣络与豁辫公多冬蟋终之翔弱第一道耨簿，防火麓是最巍受鲻 人镧霾携瓣辫终安全产瑟之一。爨然献潦谂上蓍，游犬臻怒予潮络安全躺蔽 藏屡，受责嬲终嬲黪亵金试嚣与传瓣，髓蕤警弼终安全效零虢熬髂发震稷潮 终应用的不断变化，溉代防火墙技术已经逐步走向网络屡之外的其他安全 鼷次，不仅爱宠成镶绕黔火墙的过滤任努，瓣时还能瓷器耱鼹络瘟麓提供鞠 您黪安全服努。雯外逐蠢多耱防火壤产晶覆翦着数摄安金与聪户认试、勰 止病毒与爨髯侵入警方囱发麓。 在系统潮终袋全管澳方案串，主要聚溺系统防火蟪设计技术鞠数掇擞 密技术方案来确保阔络的安全能。由予嵌入斌系统爝于专用的计算机泶统， 慧蕊螫续采嗣专溺鹃读麓技术。敬慕被黢灏豹越熊穗并不大，掰戳黼终麓 安皇瞧及耱灭墙设诗应囊要黛中在主梳和数据镄输上。 ，日 e ? 鬻e t 图5 1 系统黼火墙体系 轻整5 i ，这爨采麓了游交嫱技术静静藐掇警系绞静溺络安全髂系。 天潮辑必麓蹩囱天瓣安全实黢塞磷笈髑捧给个久计簿稳健璃灏溺络安众王 其。若校攒系统餐瑾学竣定黪安全麓瓣( s e e h r i t v 袋n l o s ) 琵守瓣络，撬供 强大瓣访麓控锲、波瘸瀵逶、绩憨 篷滤等麓藐。它可珏誉用户抵拦秘络入 侵和攻击，防止馆息泄辩，保障用户机器的网终安令。天网胁火墙摁耀络 分为拳邈网帮嚣联鼹，霹默铮对来鑫不鞭鼷络黪链息，设嚣不灞嚣安全秀 察，它透台予镁俺方式逡接上嬲熬照户。鼹戴，霹窿甏辘上安装天网骆火 德，j 辩以抵御羚界网络魏攻击。 i lf 搬警系统和蒸中的嵌入式系统与，j 、区鳓其皱袋多童瓤处予阉一个 以太嘲中，因此，对于予网内部的防范只能通过pl 自i 将爱讲述的数据加密 按求t 疑终藏，翁辩掰述鹣虢火墙技术只麓鬻来防范讣滞攻击。在报警系统 磷南交通大学硕士研究生学位论文第3 7 页 主痰中，可采耀甄袭网专，一块逐菝羚部嚣，一块逡接瘫嚣逶逶子嬲，遮 样可在外部潮鞠内部子溺之闻建立一条完全豹魏理隔绝，防火墙就建立梅 主机和外部网之间，以防止外部来的攻击。 5 2 。2 数据加密技术 数据热密技术是为提衰系统及数据懿安全惶，浚丘丽络数据遭受黻环 的主要技术手段之一。 信息交换加密技术分为两类：即对称加密和非对称加密。 在对称加密技术中，对信息的加密和解密都使用相同的钥，也就是说 一把钥匙开搬镞。这静加密方法褥简倔趣密处理过程，信息交换双方郄 不必搜照硬究移交换专爰鹣麓密冀法。懿莱在交攘除毅熬骞密锈泰譬港瓣， 那么机密瞧秘搬文完整往就可以褥以保证。对称热搿技术也存在一些不足， 如果交换一方肖n 个交换对象，那么他就要维护n 个私有密钥，对称加密 存在的另一个问题是双方共享一丰巴私有密钥，交换双方的任何信息都怒遇 过这把密钥加密最传送给对方的。如三重d e s 是d e s ( 数据加密标准) 瓣一种交形，遮耪方法使鼹两个猿立鹣5 6 为密锲辩僚惑送行3 次趣密，扶 露谈毒效密锈长囊运妥i 1 2 谴。 在本章设计中，由于嵌入式系统资源有限，又考虑到加密强度的因索， 采用d e s ( 数据加密标准) 进行加密。 虽说系统位于防火墙之后，相对来说比较安全，但为以防万一，特别 是为了防范来国予爽部网络的攻击，采题数据加密技术是十分夺必要的。 本系统选蘑静藏s 浆密算法寒霹捷稔数据遘嚣麓密。 d e s 算法怒这样工作的：如为加密，则用密钥去把数据迸行掘密，生 成的密码形式( 6 4 位) 作为d e s 的输出结果；如为解密，则用密钥去粑 密码形式的数据解密，还原为数据的明码形式( 6 4 位) 作为d e s 的输出 结果。在通信嘲络的两端，双方约定致的密钥，程通信的源点用密钥对 菝心数据进行d 嚣s 撩密，然后戳密璐形式在公共邋镶溺( 懿龟诱圈) 中传 输到透信霜终豹终点，鼗疆嚣遮嚣黔缝后，窝藏群豹蜜钥对密码数据逡行 解密，便再现了明码形式的核心数据。这样，便保诚了核心数掮 如p i n 、 m a c 等) 在公共通信