（通信与信息系统专业论文）基于armlinux的嵌入式家庭网关研究与实现.pdf

独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：耍犯茎日期：迎：乜么= 丝 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：丝：! 委：丛： 日期：尘赶至卜 北京邮电大学 基于a r m & l i n u x 的嵌入式家庭网关研究与实现 摘要 智能家庭网络是集计算机、通信、消费技术于一体的3 c 系统，它通过家庭网 关实现了家庭内部智能设备之间的信息交换和远程监控，家庭网关是家庭网络物 理上与逻辑上的核心。智能家庭网络是后p c 时代的又一大研究热点，具有广阔 的市场前景，以家庭网关的研究作为突破口，将会有力的推动家庭网络数字化、 信息化产业的迅猛发展，具有良好的经济效益和社会效益。 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；而嵌入式l i n u x 由于具有开放源代码、 系统内核小、内核网络结构完整等突出优点，成为嵌入式操作系统非常不错的选 择。论文在嵌入式技术迅猛发展的背景下，以研究与设计基于高性能3 2 位嵌入式 a r m 9 处理器及嵌入式l i n u x 操作系统的家庭网关为目标，围绕着如何实现 a r m & l i n u x 家庭网关的一些关键技术展开研究与论述，具体而言，论文完成了 如下工作： 1 ) 嵌入式技术发展的背景介绍，以及课题研究的意义。 2 ) 家庭网关的网络体系结构。论文将家庭网关设计的功能实现主要定位于 低速控制子网与i n t e m e t 的互联，并将n r f 2 4 0 1 无线技术应用于控制子网的构建， 具有低成本、低功耗、无需额外布线、安装简单等突出优点。 3 ) 家庭网关系统的硬件设计。论文在对嵌入式家庭网关功能结构分析的基 础上，具体设计了以a r m 9 处理器s 3 c 2 4 4 0 x 为核心的网关硬件平台的单元电路， 并完成了控制子网设备无线通讯模块的电路设计，并强调了使用单片机的i o 口 模拟s p i 总线技术的现实意义。、 4 ) l i n u x 内核在家庭网关平台上的移植与实现。论文详细论述了l i n u x 内核 在a r m 9 网关平台上的移植与实现，其中包括对b o o t l o a d e r 移植的论述。 5 ) 家庭网关的监控服务软件设计。论文采用了以c s 应用服务器技术为核心， b sw e b 服务器技术为补充的综合方案。该方案一方面有利于增强监控软件的服 务性能，另一方面，可避免服务器负担过重的问题，有效降低对家庭网关硬件性 能的要求。 截止至目前，已基本实现了一个经济实用的家庭网关模型，随着家庭网络技 北京邮电大学 术的不断发展与成熟，家庭网关的设计也需不断改进与完善。 关键词：家庭网关a r ml i n u x 嵌入式系统n r f 北京邮电大学 r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no ft h e e m b e d d e dh o m eg a t e 诮l yb a s e do n a r m u n u x a b s t r a c t i n t e l l i g e n th o m en e t w o r ki s c a l l e d3 cs y s t e m ，w h i c hi n c l u d e sc o m p u t e r 、 c o m m u n i c a t i o na n dc o n s u m e rt e c h n o l o g y b yt h eh o m eg a t e w a y , h o m en e t w o r k r e a l i z e si n f o r m a t i o ns w i t c ha n dr e m o t em o n i t o r i n go f i t si n t e r n a l i n t e l l i g e n t a p p l i a n c e sa n dt h eg a t e w a yi s i t s p h y s i c a l a n dl o g i c a lc e n t e r i n t e l l i g e n th o m e n e t w o r ki sa n o t h e rp o pr e s e a r c ht e c h n o l o g yi nt h ep o s tp ca g ew i t hw i d em a r k e t f u t u r e i fr e s e a r c ho nt h eh o m eg a t e w a yi st a k e na sb r e a k t h r o u g h ，i tw i l lb o o s t p o w e r f u l l yd i g i t i z a t i o na n di n f o r m a t i o ni n d u s t r y sd e v e l o p m e n t o fh o m en e t w o r ka n d w i l lg a i ng r e a te c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s c o m p a r e dw i t hp c ，t h ee m b e d d e ds y s t e mh a ss u c hm e r i t sa ss m a l l e rv o l u m e 、 l o w e rc o s t 、h i g h e rc r e d i b i l i t y 、b e t t e rs t a b i l i z a t i o na n dl e s sp o w e rc o n s u m p t i o na n ds o o na n dm a t c h e sp e r f o r m a n c eo ft h eh o m eg a t e w a yb e t t e r t h ee m b e d d e dl i n u x b e c o m e sag o o dc h o i c eo fe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ma sar e s u l to fi t sa d v a n t a g e sa s f o l l o w s ：t h eo p e ns o u r c ec o d e 、l i t t l ek e r n e la n dw h o l ek e r n e ln e ts t r u c t u r ea n ds oo n i nt h eb a c k g r o u n do fe m b e d d e dt e c h n o l o g y ss w i f td e v e l o p m e n t ，t h ep a p e ra i m sa t r e s e a r c ha n dd e s i g no ft h ee m b e d d e dh o m en e t w o r kg a t e w a yb a s e do nt h e3 2b i th i g h p e r f o r m a n c ea r m 9p r o c e s s o ra n de m b e d d e d l i n u x i nt h e p a p e rs o m ek e y t e c h n o l o g yo fh o w t or e a l i z et h ea r m & l i n u xg a t e w a yi sr e s e a r c h e da n dd i s c u s s e d a n dt h ef o l l o w i n gw o r kh a sb e e n d o n ei nd e t a i l s ： 1 1i n t r o d u c t i o no fe m b e d d e dt e c h n o l o g y sb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h e s u b j e c tr e s e a r c h 2 ) t h eg a t e w a y sn e ts y s t e ma r c h i t e c t u r e i nt h ep a p e rm a i nf u n c t i o no ft h e g a t e w a yi sl o c a l i z e dt oc o n n e c tt h ec o n t r o l l i n gs u b n e tw i t hi n t e r n e ta n dn r f 2 4 0 1 w i r e l e s st e c h n o l o g yi su s e dt oc o n s t r u c tt h ec o n t r o l l i n gs u b n e tw i t hs u c ha d v a n t a g e s 3 北京邮电大学 a sl o wc o s t 、l o wp o w e rc o n s u m p t i o n 、a v o i d i n gl a y i n go u tw i r ea n ds i m p l ei n s t a l l a t i o n 3 ) h a r d w a r ed e s i g no ft h eg a t e w a ys y s t e m b a s e do nt h ea n a l y s i so ff u n c t i o n s t r u c t u r eo ft h eg a t e w a y , u n i tc i r c u i t so ft h eg a t e w a yh a r d w a r ep l a t f o r mw i t ht h eh e a r t o fa r m 9p r o c e s s o r $ 3 c 2 4 4 0 xa r ed e s i g n e dd e t a i l e d l yi nt h i sp a p e r b e s i d e s ，c i r c u i t d e s i g no ft h ec o n t r o l l i n gs u b n e t sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e si sf u l f i l l e da n d s i g n i f i c a n c eo ft e c h n o l o g yt h a ts p ib u si ss i m u l a t e db ym c u i oi se m p h a s i z e d 4 ) t h el i n u xk e r n e l st r a n s p l a n t a t i o na n dr e a l i z a t i o no nt h eg a t e w a yp l a t f o r m t h el i n u xk e r n e l st r a n s p l a n t a t i o na n di m p l e m e n t a t i o no nt h ea r m 9g a t e w a y p l a t f o r mi sd i s c u s s e di nd e t a i l si nt h ep a p e ra n dt h eb o o t l o a d e r st r a n s p l a n t a t i o ni s i n c l u d e d 5 ) m o n i t o r i n gs e r v e rs o f t w a r e sd e s i g no ft h eg a t e w a y ac o m p o s i t i v ed e s i g n s c h e m ei st a k e ni nt h ep a p e rw i t hc sa p p l i c a t i o ns e r v e rt e c h n o l o g ya st h eh e a r ta n d b sw e bs e r v e rt e c h n o l o g ya sc o m p l e m e n t a r i t y t h es c h e m eh e l p st oi m p r o v et h e s e r v e rs o f t w a r e sp e r f o r m a n c e ，i na d d i t i o n ，i ta v o i d st h ep r o b l e mt h a tt h es e r v e ri s o v e r l o a d e da n dr e d u c e se f f e c t i v e l yt h eg a t e w a y sh a r d w a r er e q u i r e m e n t u pt on o w , a ne c o n o m i ca n dp r a c t i c a lh o m eg a t e w a ym o d e lh a sb e e nr e a l i z e d b a s i c a l l y w i t ht h ec o n t i n u i n gd e v e l o p m e n to fh o m en e t w o r kt e c h n o l o g y , c o n t i n u a l i m p r o v e m e n ta n dp e r f e c t i o no ft h eg a t e w a y sd e s i g ni sa l s od e m a n d e d k e yw o r d s ：h o m eg a t e w a ya r ml i n u xe m b e d d e ds y s t e mn r f 4 北京邮电大学 第一章绪论 1 1 嵌入式技术介绍 1 1 1 嵌入式系统的定义、特点及发展趋势 嵌入式系统通常是面向特定应用的。目前嵌入式计算机系统比较正式的定义 为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁减，符合应用系统对功 能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统是将先 进的计算机系统、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物。 这决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系 统。 与通用p c 机比较，嵌入式系统的突出特点是专用性、成本敏感性及较高的可 靠性。嵌入式系统对系统软件和应用软件的要求也与通用计算机有所不同，一般 要求如下： ( 1 ) 软件要求固化存储； ( 2 ) 许多应用要求系统软件具有实时处理能力； ( 3 ) 多任务操作系统是知识集成的平台，也是走向工业标准化道路的基础。 通用计算机系统具有完善的操作系统和应用程序接n ( a p i ) ，应用软件直接在 操作系统平台上运行。嵌入式系统则不同，应用程序可以没有操作系统直接在芯 片上运行，但为了合理的调度多任务、利用系统资源、系统函数以及专用接口函 数，用户必须自行选配嵌入式操作系统( e o s ) 开发平台，这样才能保证程序执行 的实时性和可靠性，并减少开发时间，提高软件质量。一个优秀的e o s 是嵌入式 系统成功的关键。 近年来，随着计算机技术、通信技术的飞速发展，嵌入式系统已经广泛渗透 到人们的工作、生活中，如家用电器、手持通讯设备、信息终端、仪器仪表、汽 车、航天航空、军事装备、制造工业、过程控制等。今天，嵌入式系统带来的工 业年产值已超过1 万亿美元。据统计，嵌入式处理器的数量占分散处理器的9 4 ， 而p c 机用的处理器只占6 。根据美国嵌入式系统专业杂志r t c 报道，2 1 世纪初 的十年中，全球嵌入式系统市场需求量具有比p c 市场大1 0 至1 0 0 倍的商机。 另一方面，i n t e r n e t 现已成为社会最重要的基础信息设施之一，i n t e m e t 使全球 化的信息化交流变得非常容易。如果嵌入式系统能够连接至l j i n t e m e t 上面，则可以 方便、低廉地将信息传送到几乎世界上的任何一个地方。 北京邮电大学 可以预言，嵌入式设备与i n t e m e t 的结合代表着嵌入式系统和网络技术的真正 未来，它具有巨大的市场潜力，目前，包括s i e m e n s 、p h i l i p s 和m o t o r o l a 在内的 数十家公司联合成立了“嵌入式i n t e m e t 联盟( e t i ) ”，共同推动这一技术的发展。 1 1 2 嵌入式操作系统的特点及比较 一嵌入式操作系统的特点 嵌入式操作系统( e o s ) 是一种实时的、支持嵌入式系统应用的操作系统软 件，它是嵌入式系统( 包括硬、软件系统) 的核心，通常包括与硬件相关的底层 驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器b r o w s e r 等。与通用操作系统比较，嵌入式操作系统具有如下特征： 1 ) 小巧。嵌入式系统所能够提供的资源有限，所以嵌入式操作系统必须做到 小巧，以满足嵌入式系统硬件的限制。 2 ) 实时性。目前，大多数e o s 都具有r t o s 内核，l i n u x 、w i n d o w sc e 的实时 性较弱，但改进后的l i n u x 系统如r t - l i n u x 的实时性也很强。 3 ) 强稳定性与高可靠性。任务管理与调度策略能保证操作系统上的应用程序 可靠运行。 钔移植性好。大部分嵌入式操作系统( e o s ) 可以应用于多种嵌入式处理器， 如m p u 、m c u 、d s p 、a r m 、p p c 等平台上。 5 ) 可裁减。嵌入式操作系统可以根据应用需要进行裁减，去掉多余的部分， 或者简化相应的模块。 6 ) 可固化代码。嵌入式系统中的存储空间有限，操作系统代码与应用软件代 码通常需要被固化在系统的r o m 中。 二嵌入式l i n u x 操作系统的优势 从二十世纪八十年代开始，国外就开始了商用嵌入式操作系统和专用操作系 统的开发，目前比较成熟的商用嵌入式操作系统主要有v x w o r k s 、p s o s 、 w i n d o w s c e 、e c o s 、p a l m o s 着i q n x 等。这些操作系统一般都经过严格的测试， 对系统的安全性、稳定性能提供可靠的保证，在对可靠性要求非常严格的场所， 具有独特的优势。但是作为商用的操作系统，价格一般都非常昂贵，动辄数十万 美元，将大大增加开发成本，对于中小企业来说这将是一笔不小的费用。另外， 目前很多商用操作系统不开放源代码，这样使用者就很难深入到内核级对系统编 程，开发过程中将会受到诸多限制。 对嵌入式系统应用开发者而言，他们需要的是一套高度简练、界面友善、质 量可靠、应用广泛、易开发，多任务、并且价格低廉的操作系统。l i n u x 的出现 为嵌入式操作系统提供了一个极有吸引力的选择，它具有开放源代码、系统内核 8 北京邮电大学 小、效率高、内核网络结构完整等突出优点。l i n u x 是一个和u n i x 相似、基于宏 内核的、多用户多任务操作系统，基于模块化的可裁减性使得用户可以根据应用 需要量身定做合适的内核。l i n u x 对厂商不偏不倚而且成本极低，能够很快成为 用于各种设备的操作系统。如今，业界已经达成共识：使用嵌入式l i n u x 是大势 所趋，其巨大的市场潜力与酝酿的无限商机必然会吸引众多的厂商进入这一领 域。 下表1 1 将商用嵌入式实时操作系统与嵌入式l i n u x 作了详细的分析和比较。 无论从技术、成本、安全还是兼容性的综合角度看，l i n u x 都是嵌入式操作系统 非常不错的选择。 表1 1 商用嵌入式实时操作系统与嵌入式l i n u x 的比较 比较项商用嵌入式实时操作系统嵌入式l i n u x 版权费每生产一件产品需要交纳免费 一份版权费 购买费用 比较昂贵免费 技术支持由开发商独家提供全世界的自由软件开发 者提供支持 网络特性 好，一般需另外付费好，而且免费 实时性能 好需改进，可以用 r t - l i n u x 等模块弥补 稳定性好好 软件移植 难，因为是封闭系统 易，代码开放 应用产品开发周期 较短，有厂家的技术支持较短，因为有许多公开 的代码可以参考和移植 1 2 智能家庭网络的概念、构成及意义 随着电子技术、通信技术及网络技术的发展，人们对家居环境的要求不断提 高，对家用设备控制的灵活性以及对外部信息获取的方便性也提出了更高的要 求，因此智能家庭网络技术越来越受到关注。 智能家庭网络( i n t e l l i g e n th o m en e t w o r k ) 是集计算机、通信和消费技术于 一体的3 c 系统，是后p c 时代i t 业的又一大热点，它是指在家庭内部通过一定的 传输介质将各种电子设备、电气设备和电子系统连接起来，采用统一的通信协议， 对内管理家庭内部网中智能家电的运作、协调；对外实现家庭内部网和i n t e m e t 、 公用电话网或g s m g p r s 移动网络等公众通信平台的连接，支持远端对家庭内部 j 匕京邮电大学 设备的控制和监测。 一个完善的家庭网络应该包括高速数据通信、高速的音频视频( a v ) 信号传 输和低速控制三部分。各部分通过一个类似网关的平台，即家庭网关，对外与互 联网、有线无线通信线路相连，对内将各部分的设备连接起来，实现各设备之 间相互通信、数据交换、存储和控制。家庭网关是智能家庭网络物理上与逻辑上 的核心。 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。论文的研 究目标即基于a r m & l i n u x 的嵌入式家庭网关实现。 家庭网关可以将智能家电连接到互联网，成为家庭内部网的出口。通过它可 以对家庭内部网络中的家电、门窗等进行中央监控和远程监控，可以随时随地监 视家中的安全情况，可以自动报警等。人们可以通过使用远程监控软件，在离家 很远的地方通过i n t e r n e t 远程地操作和控制家用电器。通过家庭网关，水、电、 煤气表可以进行自动抄表和自动结算，而省去烦琐的人工抄表。另外，家庭网关 还具有上网功能，可以用于上网浏览、收发电子邮件、发布个人主页、参加网上 论坛等。 家庭的数字化、智能化、网络化和信息化一方面为社会信息化解决了最基本 的单元，另一方面也为信息技术的发展提供了一个新型的方法和领域，同时也促 进了家电设备数字化、传感器多样化以及网络互连技术的发展。同时作为社会的 基本组成单元，家庭的信息化无疑是整个社会信息化的最重要标志，对社会和谐 发展、科技进步和经济繁荣都有着极为重要的意义。 1 3 家庭网关系统的远程监控技术简介 一个智能家庭网关可以看成是一个信息处理系统，组成系统的各单元就是连 接在网络各节点的设备。家庭网关一方面辅助不具备信息化条件的设备实现信息 化，即提供信息处理的能力；另一方面又提供统一的信息交换接口及控制规则， 从而实现从内部家庭网络至l j i n t e m e t 的信息互通。目前实现信息管理和协议转换 的方式主要有两种：一种是b r o w s e r 十w e bs e r v e r 十c g i 技术( b s 架构) ；另一种 是：监控软件十应用服务器十现场总线驱动技术( c s 架构) 。 使用c s 远程监控技术模式，具体的运算和数据的处理被放在客户端，从而 使客户端变得很“胖”，成为“胖客户机”；相对的，服务器端的任务较轻，成为瘦 服务器。c s 系统的优势还表现为专用性、交互性强、存取数据安全及网络通讯 量低、速度快等优点。另一方面，c s 系统又同时具有明显的缺点，如客户端负 1 0 北京邮电大学 担重、系统维护复杂、升级麻烦、用户界面风格不一、不利于推广使用等。 使用b s 远程监控技术模式，客户端只需要单一的浏览器软件，其他大量工 作都由w 曲s e r v e r c d 三就是家庭网关) 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。另外，b s 结构本质上也是一种c s 结构，它是三层c s 结构在w e b 上应用的特例。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。 1 4 论文目标工作及意义 家庭网关是实现智能家庭网络的关键与核心。论文在嵌入式家庭网关研究的 相关技术背景下，以开发经济实用的嵌入式家庭网关为研究目标，首先对家庭网 关的网络体系结构进行研究，并以此为基础，详细阐述了基于a r m & l i n u x 的嵌 入式家庭网关系统的硬件设计、l i n u x 内核的工作机制及其在嵌入式家庭网关硬 件平台上的移植与实现以及嵌入式家庭网关的监控服务软件设计。根据市场反馈 的信息，目前家庭网络系统在家庭安防控制、家庭对讲、灯光控制系统及家电设 备的远程控制方面更具有现实的市场需求，因此，本文在论述家庭网关的性能指 标时，主要针对控制子网的参数，同时考虑了系统的可扩展性。 研究基于a r m & l i n u x 的嵌入式家庭网关有如下的意义： 1 充分利用3 2 位a r m 处理器丰富的片上资源与高性能、高可靠性的信息处理 能力及低功耗的优势，硬件上可采用s o c 技术，降低硬件成本，减小网关的体积、 系统噪声，提高产品的竞争力。 2 利用a r m 处理器良好的网络支持性能及l i n u x 操作系统卓越的网络功能， 实现家庭网络与i n t e r n e t 网络的互联，可通过i n t e r n e t ，对家电设备进行远程监控。 3 充分利用l i n u x 作为免费开源操作系统的诸多优点，节约软件投入，缩短开 发周期；l i n u x 的模块机制使得l i n u xi 勾核保持独立又易于扩充。 4 可以进一步促进智能家庭网络的应用。 由于我国的家庭智能化起步较晚，现实市场还不大，但随着我国经济的快速 发展，人们对家庭智能化的需求迅速提高，房地产商对开发建设智能化小区日愈 重视，未来市场十分可观。抓住这一宝贵商机，研发和推广应用我国自己的具有 价格优势的嵌入式家庭网关产品，可谓恰逢其时，既能满足国内市场日益增大的 需求，创造巨大的经济效益，又能提高我国人民生活的现代化水平，产生良好的 社会效益，其意义十分重大。 北京邮电大学 第二章嵌入式家庭网关的网络体系结构 家庭网关是实现家庭内部网络设备与i n t e r n e t 网络互联的通信平台，嵌入式 家庭网关的的研究中涉及到许多关键技术，如网络体系结构的研究、网关通信协 议、嵌入式操作系统( e o s ) 和嵌入式系统的实现等。要实现嵌入式家庭网关首 先要确立其网络体系结构。 2 1 家庭网关i n t e r n e t 网络体系结构的确立 2 1 1 家庭内部网络的信息组成 家庭内部网络是将家庭中所有电子设备连接成一个由智能软件管理的网络。 我们首先对家庭生活中常用的电器具有的信息特征进行分析( 表2 1 ) ，来了解家 庭网络的信息组成。 表2 1 家庭中常用电器信息特征分析表 家电名称信息信息量备注 照明系统控制信息很少 冰箱控制信息为主少量即使需要存取物品纪录，数据 量也很小 空调控制信息少量 微波炉控制信息少量 彩电控制信息少量彩电有专门的线路接收模拟电 a v 信号视信号、卫星信号 三表系统控制信息少量 数字数据 电话语音信息大量通过电话线传送语音信号 v c d d v d控制信息少量控制信息只有少量数据，a v a v 信号大量信号数据量很大 数字电视控制信息少量控制信息只有少量数据，a w 数字数据大量信号数据量很大 i p 电话 控制信息少量控制信息只有少量数据 数字数据大量 通过分析表2 1 我们可以看出，家用电器所处理的信息可以分成3 类，包括： 控制信息、a v 音频视频信号、数字数据。冰箱、空调、洗衣机、微波炉等电器 1 2 北京邮电大学 处理的都是控制信息，信息流量小，可以构成家电控制网络；电视、v c d d v d 等电器之间使用a v 端子和a 端子线相互连接，互相传输a v 信息，信号数据 量大，构成家庭a v 网络；计算机、i p 电话、数字电视等设备处理的都是数字化 数据，都支持t c p i p 协议，数据量大，可以构成家庭数据通信网络。三个家庭内 部子网通过家庭网关对外与i n t e r n e t 等公众网连接，对内实现各子网设备的互联 与互访。 2 1 2 家庭网关的i n t e r n e t 网络体系结构模型 图2 - 1 描述了一种较为典型的嵌入式家庭网关i n t e r n e t 网络体系结构模型。 图2 - 1 嵌入式家庭网关的i n t e r n e t 网络体系结构模型 在此模型中，家庭网络系统根据数据信息流量的大小分为高速数据网与低速 控制子网两大部分，网关是家庭内部网络和外部网络连接的主要管理平台和信息 通道。高速数据网用于传输高速信息，带宽要求高，通讯模块成本高；低速控制 子网用于传输低速控制信息，带宽要求低，通讯模块的成本低。这一体系结构既 考虑到当前的应用需求，又兼顾到家庭网络系统今后的拓展，集中反映了技术发 展趋势，更符合中国市场的需求。 。+ 家庭高速数据网中包含家庭网关的网段称家庭主网。主网通讯协议的物理层 和数据链路层的传输技术和协议规格采用以太网( 包括各种速率的有线以太网 ( i e e e 8 0 2 3 ) 和无线以太网( i e e e 8 0 2 1 l a b g ) ，网络层和传输层采用i p t c p u d p 协议，基本应用采用s m t p ( 电子邮件) 、f t p ( 文件传输) 、h t t p ( w w w ) 、 r t p r t c p ( 音频、视频流信息传输1 。 北京邮电大学 控制子网络的概念很好地解决了性价比的问题。家电及设备的控制可采用相 对简单但又能满足要求的通讯协议和设备，这就是为什么数字家庭控制网游离于 主网之外采用了一个单独控制子网的缘故。 家庭网络的对外通讯是通过家庭网关来实现的。外部通讯的方式可以使用数 字用户线( x d s l ) 、公用电话线( p s t n ) 、线缆调制器( c a b l em o d e m ) 、以太网 ( e t h e r n e t ) 或其它媒介。家庭网关是家庭信息系统结构的核心，它可减少系统 其它部分的负担，在与广域网的互联、局域网的内部管理中均起主导作用。家庭 网关可以从各种外部网络接收通讯信号，通过家庭网络传递信号给家庭内部的各 种设备。 在通信协议上，家庭网关为了支持互联网功能，要运行t c p i p 协议，同时， 还要运行控制子网通信协议支持家电控制网。控制子网通信协议是一种面向局域 网的简单通信协议，结构比t c p i p 协议要简单得多，容易实现，而且占用的内存 空间小，可以简化硬件成本，l 卜, t c p 口协议更适合家庭使用。 根据市场反馈的信息，目前家庭网络系统在家庭安防控制、家庭对讲、灯光 控制系统及家电设备的远程控制方面更具有现实的市场需求。因而，为了使家庭 网关的设计更具备经济性及实用性，网关设计的性能指标将主要针对小信息流量 的低速控制子网。 2 2 控制子网络的技术方案及特征 2 2 1 技术方案的选择 构造家庭互联网络的众多技术大体可分为两类：有线与无线。家庭网络的构 建原则应该是符合使用方便、安装简单、不需要额外布线的要求。所以说，只有 那些无线或利用电力线或电话线的技术才比较符合家庭的要求。但目前看来这些 利用电力线的技术，例如h o m ep l u g 都存在着接入设备昂贵，技术成熟度不够的 难题。而利用电话线的那些技术，例如h o m ep n a ，也面临家庭的电话插头少， 接入产品不能芯片化等问题，推广起来还有一定难度。从家庭网络系统应用的前 景看，普遍看好的是无线物理传输介质系统。在蓝牙技术和8 0 2 1 l b 还无法突破 价格瓶颈的情况下，可以采用较为廉价的n r f 2 4 0 1 无线收发芯片，结合外围设备 来实现家庭控制子网的无线数据通信。 n r f 系列芯片是挪威的n o r d i cv l s i 公司( 北欧集成电路公司) 最新推出的 单片无线收发一体的芯片，采用蓝牙核心技术设计，但与蓝牙并不兼容。n r f 系 列堪称为嵌入式无线技术的最新发展，与目前业界的其它无线收发芯片比较， n r f 系列有如下突出优点。 1 4 北京邮电大学 n r f 系列是可以直接接单片机串口进行数据传输的芯片，应用及编程非 常简单，无需复杂的曼彻斯特编码，传送的效率很高，标称速率就是实际速率。 n r f 系列无线收发芯片集成度高，所有高频元件包括电感、滤波器、振 荡器等已全部集成在芯片内部，使得产品一致性良好，成本低、性能稳定且不受 外界影响。 采用低发射功率、高接收灵敏度的设计，使用时对周围干扰很小，广泛 应用于无线手持设备及家庭网络等领域。 与蓝芽芯片相比，n r f 系列具有成本更低、功耗更低、协议简单、软件开发 更简易等特点。n r f 方案与蓝牙方案的具体比较如下： 表2 2n r f 方案与蓝牙方案的比较 蓝牙方案n r f 方案结论 硬件设计由多个芯片组成，高频电感、滤波n r f 方案集成了全 由p l l 、t 瓜开关、器、振荡器等已全 部r f 和基带处理， 发射接收处理、基部内置，外围元件真正的单片化，设 带处理等多个芯很少。计、调试、生产成 片组成，硬件复本更低 杂。 接口方式 复杂，时序要求严简便，只需与单片显然n r f 更方便 格 机i 0 或s p i 串口 相连 编程 通信协议和软件应用及编程简单，n r f 方案开发成本 堆栈复杂，需要专可不需专门的开低，开发周期短， 门的开发系统及发系统，学习时间对于产品开发，时 购买，需要很长的短。间就是金钱 学习熟悉时间。 开发成本 非常高，需要专门低，可以不用专门采用n r f 方案可有 仪器，最便宜的仪仪器开发。最小的投入，最 器也要5 8 万美元快、最佳的产出， 让你的产品与世 界无线技术同步 2 2 2n r f 2 4 0 1 无线通信技术的主要特征 控制子网底层设备通过无线收发模块，实现网络互联，作为子网的节点，每 个设备有唯一的地址，连接到家庭网络上，节点之间使用对等( p e e rt op e e r ) 通 讯协议，易于系统进一步的扩展。底层设备的无线收发模块以n o r d i cv l s i 公司 最新推出的无线收发芯片n r f 2 4 0 1 为核心，下面简要介绍n r f 2 4 0 1 无线技术的主 要特征。 1n r f 2 4 0 1 无线通讯的基本参数 表2 3n r f 2 4 0 1 无线通讯的基本参数 北京邮电大学 参数数值 工作频率 2 4 0 0 m h z 2 5 2 4 m h z 频道间隔1 m h z 调制方式 g f s k 稳频方式 p l l 最大发射功率 4 0 0 0 o d b m 接收灵敏度0 i b e r2 5 0 k b i t s 9 0 d b m 最高通信速率1 m b i t s 工作电压 1 9 3 6 v 发射电流( 峰值)l o m a - 5 d b m 接收电流( 峰值)1 8 m a 掉电模式功耗 1 肌a 2n r f 2 4 0 1 的s h o c k n u r s t t m 收发模式 n r f 2 4 0 1 的收发模式有s h o c k b u r s t t m 收发模式和直接收发模式两种，两种收 发模式对微控制器性能要求不同。 在直接收发模式下，n r f 2 4 0 1 如传统的射频收发器一样工作，要求微控制器 的速率必须与射频速率( 2 5 0 k b p s 或1 m b p s ) 一致，因而要获得高速率的无线通 信速率，必须配置高性能的微控制器( 微处理器) 。所有射频协议的处理，包括 字头、地址校验及c r c 校验，均需微控制器( 微处理器) 完成。 s h o c k b u r s t t m 收发模式的突出优点之一是大大降低了对微控制器性能的要 求，低速( 例1 0 k b p s ) 微控制器也能进行高速射频( 1 m b p s ) 发射与接收。 s h o c k b u r s t t m 发射模式下，微控制器可把n r f 2 4 0 1 视为一个“高级寄存器”，传送 速率完全可由微控制器设定。s h o c k b u r s t t m 接收模式下，接收速率仍可由微控制 器设定。n r f 2 4 0 1 在接收数据包后，完成所有的低层协议处理，如数据位抽样、 地址校验及校验和计算，只有在验证数据包有效后，才中断微控制器。微控制器 处理数据的时间因此大大减少，传输速率可进一步降低。 s h o c k b u r s t t m 收发模式的另一突出优点是其在节省能耗方面的优越性。假设 微控制器的工作速率为1 0 k b p s ，且按传统射频协议收发。假设传统射频发送模 式下每次发送的电流消耗为8 m a ，计算可得每个发送位消耗的系统能量： 8 m a 1 0 k b p s = 0 8 u a s b i t - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 同样的微控制器，使用n r f 2 4 0 1 的s h o c k b u r s t t m 模式，n r f 2 4 0 1 射频速率1 m b p s 。 当数据包从微控制器移入他的发送缓冲区时，n r f 2 4 0 1 处于休眠状态，并不消耗 电流，即仅在发送数据包时，n r f 2 4 0 1 才会有电流损耗。发射模式下，n r f 2 4 0 1 北京邮电大学 使用电流8 m a ，但因为n r f 2 4 0 1 可获得高速射频1 m b p s ，因此，每个发送位消耗的 系统能量为： 8 m a 1 m b p s = 8 n a s b i t 能量损耗是传统射频模式下的1 1 0 0 。这就意味着，发送同样的数据，对于同样 的电池，s h o c k b u r s t t m 模式的n r f 2 4 0 1 可获得比传统射频协议模式的芯片多达 1 0 0 倍的使用时间。 对于集成了微控制器与n r f 2 4 0 1 于一体的产品来说，s h o c k b u r s t t m 技术在能 量损耗的突出优势还体现在另一个方面。由于s h o c k l 3 u r s t t m 模式下，n r f 2 4 0 1 负 责了低层协议的信号处理，因此在n r f 2 4 0 1 发送与接收数据时，微控制器处于 休眠状态，能耗进一步节省。 s h o c k b u r s t t m 技术使得控制子网的智能家电设备使用低成本微控制器也可获 得高达1 m b p s 的无线通信速率；低功耗的性能优势使得无须配置价格昂贵的电 池，即可正常工作；而且n r f 2 4 0 1 自身的外围元件少，因而，可获得较小体积 的无线通讯模块。由此可见，n r f 2 4 0 1 技术在家庭网络应用中具有突出的低成本、 低功耗及小体积的优势。 3 点对多点的通信机制 n r f 2 4 0 1 每个芯片均可以通过软件设置最多4 0 b i t 地址，而且只有收到本机 地址时才会输出数据( 提供一个中断指示) ，通过对不同的通信点设置不同的通 信地址，可有效实现家庭网络内点对多点的无线通信，同时编程也很方便。 2 3 本章小结 网络体系结构的研究是家庭网关设计的基础。在本章，论文分析并阐述了家 庭网关的网络体系结构，并结合现实市场需求，将家庭网关设计的功能实现主要 定位于低速控制子网与i n t e r n e t 的互联。下文将详细论述嵌入式家庭网关的硬件 设计及软件开发。 第三章嵌入式家庭网关功能结构分析及系统硬件设计 3 1