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linux在智能家居系統(tǒng)中的裁剪及應(yīng)用

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2012-09-24  瀏覽次數(shù):344
  摘要:在本設(shè)計中,從既實現(xiàn)相應(yīng)的功能又節(jié)省系統(tǒng)資源的角度出發(fā),采用了功能強大的ARM芯片結(jié)合帶有Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核軟件包的方案,通過和RTL8019AS以太網(wǎng)控制器連接,實現(xiàn)以太網(wǎng)的接入。
  在軟件方案設(shè)計上,嵌入式系統(tǒng)中沒有實現(xiàn)全部的TCP/IP協(xié)議,而是實現(xiàn)經(jīng)過裁減的TCP/IP協(xié)議棧。通過有針對性的模塊化裁剪,在ARM芯片上嵌入精簡的TCP/IP協(xié)議棧,實現(xiàn)嵌入式Internet接入。精簡后的協(xié)議主要包括TCP/IP協(xié)議組中的四個基本的協(xié)議:ARP協(xié)議、IP協(xié)議、ICMP協(xié)議、TCP協(xié)議。鏈路層協(xié)議,作為設(shè)備驅(qū)動在鏈路層實現(xiàn),由主控芯片來驅(qū)動以太網(wǎng)卡RTL8019AS。應(yīng)用層協(xié)議,實現(xiàn)了HTTP協(xié)議。
  設(shè)計提供遠程瀏覽的Web頁面,需要通過登陸頁面,進行身份驗證,才能進入控制頁面,實現(xiàn)家用電器的遠程控制,增加了系統(tǒng)的安全性。
  關(guān)鍵詞:智能家居;Web;TCP/IP協(xié)議
  中圖分類號:TP316 文獻標識碼:A文章編號:1007-9599 (2010) 05-0000-02
  
  linux in Intelligent System Cutting&Application
  Wang Yun
  (Langfang Teachers College,Langfang065000,China)
  Abstracts:In this design,from both function of the realization and the corresponding saving system resources point of view,using a powerful combination of the ARM chip package with a Linux operating system kernel program,adoption and RTL8019AS Ethernet controller connected to the achievement of Ethernet access.
  Program in the software design,embedded systems did not achieve all of the TCP / IP protocol,to achieve through the reduction of the TCP / IP protocol stack.Through targeted modular cutting,chip ARM embedded in the streamlining of the TCP / IP protocol stack,the realization of embedded Internet access.Agreement to streamline the main TCP / IP protocol of the four basic agreement:ARP protocol,IP protocol,ICMP protocol,TCP protocol.Link layer protocol,as a device driver in link layer to achieve,by the master chip to drive the Ethernet card RTL8019AS.Application layer protocol,the realization of the HTTP protocol.
  The Web browser to provide remote pages,landing pages need to carry out authentication,page access controls in order to achieve the remote control home appliances,an increase of system security.
  Keywords:Smart home;Web;TCP/IP protocol
  
  智能家居是指利用先進的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、綜合布線技術(shù),將與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng),有機地結(jié)合在一起,通過統(tǒng)籌管理,讓家居生活更加舒適、安全、有效。
  在本智能家居系統(tǒng)中,將家庭中與信息相關(guān)的家用電器等裝置,通過無線的方式連接到一個家庭智能控制器上,進行集中的管理,并且該控制器系統(tǒng)可以直接通過RJ45連到以太網(wǎng)上,實現(xiàn)了嵌入式Internet的接入。通過嵌入Linux系統(tǒng)的內(nèi)核,實現(xiàn)了WebServer的功能。這樣不僅可以通過手持控制器控制家電設(shè)備,還可以根據(jù)需要,在任意一個可以接入Internet的地方,通過瀏覽器來控制家居內(nèi)部設(shè)備的工作狀態(tài),實現(xiàn)遠程控制的功能。克服了傳統(tǒng)上采用PC機作為網(wǎng)關(guān)接入Internet,增加成本,網(wǎng)絡(luò)布線不方便,耗費資源,不安全的弊端。
  一、智能家居控制器的硬件設(shè)計思路:
  
  圖1 智能家居的硬件方框圖
  
  重點在于對智能控制器部分的軟件系統(tǒng)進行研究,先對典型的Linux系統(tǒng)進行裁剪與移植,然后根據(jù)TCP/IP協(xié)議的標準,在精簡的Linux系統(tǒng)內(nèi)核上,進行了TCP/IP協(xié)議棧的裁剪分析,最后為用戶提供一個可以管理智能家居中用電設(shè)備的Webserver服務(wù)器在智能家居的硬件中,主要包括主控制器和各部分不同功能的輔助模塊組成,其中主控制器是系統(tǒng)硬件的核心,考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和擴展性,因此將控制器硬件設(shè)計成核心板和控制板2部分。核心板主要用來構(gòu)成一臺ARM智能家居控制器嵌入式計算機系統(tǒng),控制板主要是一些外圍接口。系統(tǒng)硬件如圖1所示。
  二、智能家居控制器操作系統(tǒng)的移植及裁剪:
  核心板ARM智能家居控制器采用三星公司生產(chǎn)的S3C2410微處理器。選用Linux系統(tǒng)內(nèi)核版本號是2.4.0。為了讓系統(tǒng)能方便、速度快,機器一啟動,就可以使用網(wǎng)絡(luò)這部分功能,在編譯內(nèi)核的時候,將網(wǎng)絡(luò)這部分直接靜態(tài)編譯到內(nèi)核中,在內(nèi)核啟動時就可以自動支持部分的功能。
  (一)裁剪內(nèi)核具體步驟:
  # make menuconfig ----配置編譯選項
  # make dep ----生成變量依賴關(guān)系信息.
  # make clean ----刪除生成的模塊和目標文件.
  # make zImage ----編譯內(nèi)核生成映象.
  # make modules ----編譯模塊.
  # make modules_install 安裝編譯完成的模塊.
  內(nèi)核影像燒寫
  在開發(fā)板的linux系統(tǒng)啟動后,使用imagewrite工具:imagewrite /dev/mtd/0 zImage:192k
  (二)Linux內(nèi)核2.4.x的網(wǎng)絡(luò)接口源碼的設(shè)計
  Linux的網(wǎng)絡(luò)接口分為四部份:網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口部份,網(wǎng)絡(luò)接口核心部份,網(wǎng)絡(luò)協(xié)議族部份,以及網(wǎng)絡(luò)接口socket層。
  網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口部份主要負責從物理介質(zhì)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。實現(xiàn)的文件在linu/driver/net目錄下面。
  網(wǎng)絡(luò)接口核心部份是整個網(wǎng)絡(luò)接口的關(guān)鍵部位,它為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提供統(tǒng)一的發(fā)送接口,屏蔽各種各樣的物理介質(zhì),同時又負責把來自下層的包向合適的協(xié)議配送。它是網(wǎng)絡(luò)接口的中樞部份。它的主要實現(xiàn)文件在linux/net/core目錄下,其中l(wèi)inux/net/core/dev.c為主要管理文件。
  網(wǎng)絡(luò)協(xié)議族部份是各種具體協(xié)議實現(xiàn)的部份。Linux支持TCP/IP,IPX,X.25,AppleTalk等的協(xié)議,各種具體協(xié)議實現(xiàn)的源碼在linux/net/目錄下相應(yīng)的名稱。在這里主要討論TCP/IP(IPv4)協(xié)議,實現(xiàn)的源碼在linux/net/ipv4,其中l(wèi)inux/net/ipv4/af_inet.c是主要的管理文件。
  網(wǎng)絡(luò)接口Socket層為用戶提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的編程接口。主要的源碼在linux/net/socket.c。
  三、Webserver部分的實現(xiàn)
  本設(shè)計的所采用的網(wǎng)卡控制器芯片是RealTek公司的RTL8019AS。同時在主板上配置一個32KB串行存儲器E2PROM,它主要用來存WEB頁面、圖像文件、PDF文檔等內(nèi)容。
  在Linux系統(tǒng)上添加這個RTL8019AS芯片的驅(qū)動,采用在操作系統(tǒng)中靜態(tài)加載的方式對網(wǎng)卡的驅(qū)動,使系統(tǒng)一旦啟動之后,就為網(wǎng)卡設(shè)置好網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,然后順序的運行TCP/IP協(xié)議。從而使系統(tǒng)啟動之后有網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的功能。
  在網(wǎng)卡的主驅(qū)動加載完成之后,就可以為Webserver,設(shè)置TCP/IP的工作環(huán)境了,這是最關(guān)鍵的一步,對這個系統(tǒng)來說,能在ARM上運行移植后的系統(tǒng),然后在這個系統(tǒng)上添加網(wǎng)卡的驅(qū)動,接下來就是要為這個系統(tǒng)設(shè)定一個穩(wěn)定的精簡網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,然后才能讓智能家居控制器具有提供瀏覽網(wǎng)頁的服務(wù)功能。具體可以通過下列步驟實現(xiàn):
  (一)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口部分設(shè)計
  網(wǎng)絡(luò)環(huán)境搭建好后,可以在服務(wù)器端編寫server.c程序,負責接受客戶機的連接請求,并把從源文件中讀取的數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶機�?蛻魴C程序client.c向服務(wù)器發(fā)送連接請求,接收從服務(wù)器端發(fā)來的數(shù)據(jù),并把接收到的數(shù)據(jù)寫入目標文件。
  (二)TCP/IP協(xié)議棧的精簡
  精簡后的協(xié)議主要包括TCP/IP協(xié)議組中的四個基本的協(xié)議:ARP協(xié)議、IP協(xié)議、ICMP協(xié)議、TCP協(xié)議。鏈路層協(xié)議,作為設(shè)備驅(qū)動在鏈路層實現(xiàn)。應(yīng)用層協(xié)議,實現(xiàn)了HTTP協(xié)議。本設(shè)計的WebServer服務(wù)器的精簡協(xié)議棧如圖2所示。
  
  圖2WebServer服務(wù)器的精簡協(xié)議棧
  WebServer的實現(xiàn)就是HTTP通信的過程。其中包括服務(wù)器和瀏覽器的以下幾個步驟。
  1.建立TCP連接
  建立一個TCP連接,對80端口(WebServer默認端口)進行監(jiān)聽,接收到TCP包后即進入TCP回調(diào)函數(shù)。
  2.Web瀏覽器向Web服務(wù)器發(fā)送請求命令
  一旦建立了連接,瀏覽器即向服務(wù)器發(fā)送請求命令。請求消息包括請求行,首部,之后瀏覽器發(fā)送了一空白行來通知服務(wù)器,它已經(jīng)結(jié)束了該頭信息的發(fā)送。例如:GET /index.html HTTP/1.1
  3.Web服務(wù)器響應(yīng)
  客戶機向服務(wù)器發(fā)出請求后,服務(wù)器會客戶機回送響應(yīng)。響應(yīng)消息包括狀態(tài)行、響應(yīng)頭、空行及實體內(nèi)容。在響應(yīng)報文中,包括協(xié)議版本號和應(yīng)答狀態(tài)碼,關(guān)于它自己的數(shù)據(jù)及被請求的文檔信息。
  例如:HTTP/1.1 200 OK
  Content-type: text/html
  4.關(guān)閉連接
  數(shù)據(jù)傳送完畢,雙方通過4次握手,結(jié)束TCP/IP連接。
  結(jié)束語:
  本文重點是通過了對Linux系統(tǒng)的具有針對性的裁剪,從而為智能家居的硬件而量身定制,然后在裁剪后的系統(tǒng)上添加網(wǎng)絡(luò)硬件的驅(qū)動,最后通過對TCP/IP協(xié)議棧有針對性的模塊化裁剪,在RAM芯片上嵌入了精簡的TCP/IP協(xié)議棧,實現(xiàn)了WebServer的功能。并且提供了遠程控制的Web頁面,實現(xiàn)了家用電器的遠程控制。
  通過在計算機上雙機的模擬測試,可以實現(xiàn)在客戶機上瀏覽到由WebServer服務(wù)器為之提供的智能家居網(wǎng)頁。并且在Proteus軟件中可以實現(xiàn)頁面上的回控操作。
  參考文獻:
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  [3]王視聽,尹志宏.一種無線射頻收發(fā)模塊的應(yīng)用,電子技術(shù)應(yīng)用,2005,8
  [4]馬志強.嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)研究與應(yīng)用,中國海洋大學(xué),2003
  基金項目:本論文是廊坊科技局科研項目,題目是“基于web的智能家居控制系統(tǒng)的研究”,項目編號是:2008011008
 
 
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