基于ARM的家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)解決方案

0．引言
    家庭網(wǎng)絡(luò)化是社會信息化的重要組成部分。家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)各種智能家電、安全設(shè)備等的連接和管理，向人們提供方便、靈活和高效的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。目前家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要有兩種解決方案：基于PC和基于嵌入式系統(tǒng)[1]。
    在以PC作為家庭網(wǎng)絡(luò)核心的解決方案中，PC提供家庭網(wǎng)絡(luò)與Internet之間的連接，并通過控制外設(shè)提供各種服務(wù)。PC的優(yōu)勢是功能強(qiáng)大靈活，擁有眾多軟件支持，軟件升級方便。但是PC并不是專門為家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，所以在應(yīng)用中存在一些局限：功耗較大；成本較高，如果考慮24小時運(yùn)行，則對硬盤、電源、主板等很多部件有更高的要求，成本進(jìn)一步增加；同家庭網(wǎng)絡(luò)的交互與控制行為被限制在鍵盤、鼠標(biāo)與顯示器附近的一個小區(qū)域內(nèi)，移動性差，很不方便；實(shí)時性能不能滿足某些特殊應(yīng)用的要求。
    采用嵌入式家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)解決方案可以很好地解決上面的問題。同基于PC的系統(tǒng)相比，嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都是針對特定應(yīng)用高效設(shè)計的，穩(wěn)定可靠，可長時間運(yùn)行；功耗非常低；設(shè)備成本和運(yùn)行成本較低；體積小，可分布性強(qiáng)；可工作于惡劣的環(huán)境中；如果運(yùn)行專門的實(shí)時操作系統(tǒng)，則具有優(yōu)秀的實(shí)時性能。
    本文第1節(jié)描述家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，第2節(jié)實(shí)現(xiàn)一種基于ARM和嵌入式Linux的原型系統(tǒng)，包括硬件平臺和軟件平臺的設(shè)計。第3節(jié)介紹系統(tǒng)的功能和運(yùn)行機(jī)制。第4節(jié)給出結(jié)論。
1．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    我們的家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要包括三方面功能：網(wǎng)絡(luò)通訊、媒體娛樂和家庭控制[2]。系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)子系統(tǒng)、娛樂子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
     網(wǎng)絡(luò)服務(wù)子系統(tǒng)包括一個Web服務(wù)器，若干嵌入式文件服務(wù)器（包括嵌入式多媒體文件服務(wù)器和嵌入式傳感器數(shù)據(jù)服務(wù)器，分別用來存儲多媒體文件和傳感器數(shù)據(jù)）以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口。它們?yōu)檎麄€系統(tǒng)提供媒體娛樂、家庭控制等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)以及設(shè)備間多樣化的網(wǎng)絡(luò)通訊支持。（以下對嵌入式Web服務(wù)器和嵌入式文件服務(wù)器簡稱為Web服務(wù)器和文件服務(wù)器。）娛樂子系統(tǒng)是一個便攜式多媒體終端，（今后可以加入其它的智能娛樂設(shè)備）它是用戶和整個系統(tǒng)之間的交互界面，用戶通過它享受系統(tǒng)提供的多媒體娛樂服務(wù)，遠(yuǎn)程監(jiān)控控制子系統(tǒng)。（以下對便攜式多媒體終端簡稱為終端。）控制子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集與控制板、數(shù)字/模擬傳感器、數(shù)字/模擬控制器等組成。它可以采集智能家電、安全設(shè)備的數(shù)據(jù)并存儲在板上的Flash和/或上傳到傳感器數(shù)據(jù)服務(wù)器中，并對它們進(jìn)行直接的控制。

圖1家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[!--empirenews.page--]

    目前，家庭網(wǎng)絡(luò)尚處于初級階段，與智能家電、安全設(shè)備的完全整合存在一些商業(yè)與技術(shù)問題。調(diào)查也顯示家庭網(wǎng)絡(luò)中最受關(guān)注的是媒體的網(wǎng)絡(luò)化。基于以上的分析，我們設(shè)計實(shí)現(xiàn)了基于ARM和嵌入式Linux的家庭網(wǎng)絡(luò)原型系統(tǒng)。它包含了完整的娛樂和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)子系統(tǒng)。由于缺少配套的智能家電和安全設(shè)備的支持，我們的控制子系統(tǒng)只有數(shù)據(jù)采集與控制板，各種傳感器、數(shù)控單元和繼電器，沒有實(shí)際的監(jiān)控對象。

2．系統(tǒng)設(shè)計
2.1系統(tǒng)硬件平臺
    ARM是一種高性能、低功耗、低成本的RISC技術(shù)，目前已廣泛應(yīng)用于汽車電子、消費(fèi)電子、工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、無線產(chǎn)品等領(lǐng)域。
2.1.1終端、文件服務(wù)器和Web服務(wù)器
    終端、文件服務(wù)器和Web服務(wù)器三種硬件平臺都基于三星公司的S3C2410A（基于ARM920T核）。它采用雙哈佛緩存結(jié)構(gòu)，具有16KB指令緩存和數(shù)據(jù)緩存，最高運(yùn)行頻率266MHz，尺寸小、功耗低、功能齊全、控制外設(shè)方便。內(nèi)部集成了大量功能模塊，如MMU、LCD控制器（同時支持STN和TFT LCD）、USB Host/Device控制器、觸摸屏接口、SD/MMC接口、IIC總線接口、IIS總線接口、三星公司獨(dú)特的NAND Flash Boot Loader等[3]。
    三種硬件平臺共有的配置包括S3C2410A、64MB PC133 SDRAM、64MB NAND Flash、RS232、10Mb以太網(wǎng)卡、USB Host/Device、USB無線網(wǎng)卡等。此外，終端配備了3.5寸260K色TFT LCD、觸摸屏、PS/2鍵盤和鼠標(biāo)、音頻解碼芯片和128MB SD卡。文件服務(wù)器配備了128MB SD卡、U盤和移動硬盤。Web服務(wù)器配備了音頻解碼芯片。
2.1.2數(shù)據(jù)采集與控制板
    數(shù)據(jù)采集與控制板可能工作在較惡劣的露天條件下，所以我們采用Atmel公司的工業(yè)級產(chǎn)品AT91FR40162（基于ARM7TDMI核）。它的主頻75MHz，工作溫度-40°C～85°C，

圖2文件檢索與傳輸服務(wù)的流程

    在服務(wù)過程中，用戶只能看到Web服務(wù)器，文件服務(wù)器對用戶是隱藏的。這增加了整個系統(tǒng)的安全性，避免了用戶對文件服務(wù)器的錯誤操作，也增加了文件服務(wù)器配置的靈活性和分布性。
（2）家庭控制服務(wù)
    家庭控制服務(wù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制板和Web服務(wù)器之間的信息交流和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。
數(shù)據(jù)采集與控制板將采集到的數(shù)據(jù)先存儲到板上的Flash，然后根據(jù)用戶的需要實(shí)時或定時地發(fā)送到Web服務(wù)器。Web服務(wù)器再將數(shù)據(jù)發(fā)送到傳感器數(shù)據(jù)服務(wù)器。傳感器數(shù)據(jù)服務(wù)器記錄下數(shù)據(jù)，并且更新數(shù)據(jù)記錄列表。
    數(shù)據(jù)采集與控制板上的數(shù)據(jù)采集模塊會對某些采集量進(jìn)行閾值檢測，如果發(fā)現(xiàn)采集量超過閾值，立刻向Web服務(wù)器發(fā)出警告或利用AO、DO驅(qū)動設(shè)備進(jìn)行下一步處理。Web服務(wù)器收到警告后，輸出用戶設(shè)定的報警音樂并且通過GSM/GPRS發(fā)送短信通知用戶。
    用戶可以通過終端登陸Web服務(wù)器的監(jiān)控頁面，選擇遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)，如查看傳感器數(shù)據(jù)、初始化設(shè)備、喚醒系統(tǒng)、設(shè)置檢測對象和閾值、報警處理、輸出控制等。相應(yīng)的命令通過GSM/GPRS發(fā)送到控制子系統(tǒng)。AT91FR40162將對命令進(jìn)行解析，然后完成或驅(qū)動C8051F020完成相應(yīng)的功能。

4．結(jié)束語
    本文提出的嵌入式家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)解決方案低成本，低功耗，可分布性強(qiáng)，功能豐富，能同時滿足媒體娛樂和家庭控制的需要?；?strong>ARM和嵌入式Linux的原型系統(tǒng)跨越了多硬件平臺和多軟件平臺，既充分利用了各平臺的優(yōu)點(diǎn)，也在一定程度上模擬了未來Embedded Everywhere中多平臺共存的情況。經(jīng)過系統(tǒng)測試，原型系統(tǒng)可長期穩(wěn)定運(yùn)行，非常適合家庭網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。