嵌入式家电设备管理信息系统的研究

【中心议题】

• 介绍了家庭网关的作用及网络结构
• 设计了嵌入式家电设备管理信息系统中的家庭网关

【解决方案】

• 主控制器采用ARM处理器S3C2410
• 嵌入式网关把内部的RS232的数据和外部Internet的数据交互
• 嵌入式Linux的移植

随着计算机、自动控制和通信技术的迅速发展，人们的工作方式发生了很大的改变，企业的生产效率也得到了极大的提高，但是人们家庭生活的便利性没有得到相应的发展，传统的居家方式并没有因为信息时代的到来而发生多大的变化。在家庭自动化中最基本的操作应该是电器的开关控制，而最方便可行的方法是使用遥控插座，例如美国的Leviton便生产一款有LonMark标志的插座，但其价钱相当贵。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(Internet,电话网络、GSM等)且配置灵活、面向国内市场的家电设备管理信息系统就具有一定的现实意义。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电设备管理信息系统的关键所在，也正是本文的重点。

1家庭网关的概念

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。开放服务网关组织(OSGI)当前正在制订他们称之为服务网关的规范。该规范包含的技术的主要特点是：需要开放的和独立的平台；目标是成为一个标准；应有较高的独立性和保密性；应支持不同类型的家庭联网协议；具有较高的可靠性。

2家庭网关的作用及网络结构

家庭网关承担着家庭内各种信息设备之间的通讯以及对外联络的功能。实现的功能包括音频视频、数据交换以及家庭设备的控制。从复杂程度上看，网关需要支持通用的、多层的和适用性相对较广的多种通讯协议，以及各协议之间的相互转换。

系统充分考虑到家庭信息化网络的现状和未来对多媒体等高速信息流传输的需求，对多媒体等信息流利用高速传输的IEEE1394标准连接形成家庭主网；同时考虑到家庭内部各信息家电(如空调、冰箱、三表三防、甚至是灯光控制等设备)的互连、集中控制、远程访问与控制的需求，以及低成本实现的实际需要，以及这类设备互连对传输带宽和使用灵活性的特点，给出了以中低速传输媒体组成家庭控制子网并与家庭主网连接的网络体系结构。当然也有其它实现家庭控制网络的方案，最典型的是用以太网实现所有家庭网络的网段，但其成本必然会很高，并不适合于家庭控制网。

基于上述原因，家庭网关(家电设备管理信息系统)就包括家庭主网网关和子网关这两个部分。它们只是按照设备、网关连接时所使用的物理传输介质和底层协议的类型来区分的，但在物理平台上它们是一个实体。主网关主要实现家庭内部网络同外部网络间的连接转换功能，子网关用来实现家庭内部网段间的连接转换功能。各种设备加上网络通信模块后就可以具有家庭网络接入能力。家庭网络的集成方案，采用无线蓝牙技术和有线IEEE1394技术相结合的方法，家电设备管理信息系统的网络结构如图1。

采用子网关的目的就是要解决性价比的问题，在子网内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，这样可以既满足要求，又降低了整个系统的费用。

3嵌入式家电设备管理信息系统中家庭网关的设计

3.1系统硬件需求

主控模块由CPU,ROM,DRAM和SDRAM组成。CPU是家庭信息控制平台的核心，负责各子系统的初始化和各部分的协调工作。ROM中包含自举代码和基本操作系统程序，在系统启动时，由CPU控制将ROM中的操作系统、ELF或其他格式的二进制用户应用服务程序与数据装入DRAM的相应位置，然后开始运行。

主控制器采用韩国三星公司的ARM处理器S3C2410，它基于ARM920T核且由9ARMTDMI、存储管理单元(MMU)和高速缓存三部分组成。其中，MMU可以管理虚拟内存，高速缓存由独立的16KB地址和16KB数据高速Cache组成。ARM920T有两个内部协处理器:CP14和CP15。CP14用于调试控制，CP15用于存储系统控制以及测试控制。

3.2系统实现

嵌入式网关主要是把内部的RS232的数据和外部Internet的数据交互。当网关接收到远程主机的访问请求，它从RS-232串口读取，并做一些处理，经过Linux系统调用内核、BSD socket、传输层和网络层，在网络层添加相应的逻辑地址和其它的数据，封装成IP数据报，在MAC层添加物理地址，然后由网卡芯片添加其它的相应的MAC帧数据，然后由硬件输出数据。

3.2.1嵌入式Linux的移植

使用make menu config把所有不需要的选项去掉，如floppy、SMP、MTRR、SCSI等；把block device移除，只留下old IDE device；

把所有的character device移除；把所有的file system移除，只留下ext2；不需要sound，同时把embedded board常用的driver加进去。

3.2.2串口的操作

串行口是计算机一种常用的接口，具有连接线少，通讯简单，得到广泛的使用。常用的是RS-232,它已成为计算机、外设、交换机和许多通讯设备的标准接口。Linux从一开始对RS-232提供了很好的支持。

3.2.3 Web服务器

Web服务器原理从功能上来讲，Web服务器监听用户端的服务请求，根据用户请求的类型提供相应的服务。用户端使用Web浏览器和Web服务器进行通信。Web服务器在接收到用户端的请求后，处理用户请求并返回需要的数据。服务器主进程监听设定的端口，一旦有浏览器的请求到达，则建立连接并返回新的套接口描述符交由子进程处理。子进程读取请求并分解出URL、请求方法，再由所请求文件扩展名对应的MIME类型判断，如是静态文本则直接读取并发送给浏览器；如是CGI脚本,则新开一个子进程执行该脚本，处理脚本运行结果并返回浏览器；在一定时延后无后续请求则关闭该连接。

3.3系统测试

至此，基于Linux的嵌入式网关己基本做好了，并进行了测试。测试过程如下：

1)在进行测试前，首先要设置开发的IP地址和端口号；

2)先把系统加电，通过JTAG或者串行口把程序下载到开发板中，然后根据bootloader的设置启动系统；

3)系统启动以后，嵌入式网关的守护进程开始工作；

4)打开客户端的浏览器(如IE等)，输入嵌入式Linux系统的IP地址和端口号，当成功与服务器连接以后，这样客户端和服务器就可以完成交互功能，实现网络测控。通过选择要测量的项目，表单将信息递交给服务器，服务器接收到请求后，解析请求并作相应处理，然后将处理结果返回给客户端，这样就完成一次处理过程。

4结束语

嵌入式家电设备管理信息系统的研究己成为世界各国家庭智能化普及的热点，但是到目前为止尚无统一的标准。随着网络带宽不断增宽，家庭网络化的趋势将会越来越明显，家庭网关的发展会越来越快，需对家庭外部的网络和家庭内部的网络之间的协议进行研究。