基于ARM的家庭網絡系統(tǒng)解決方案

0．引言
    家庭網絡化是社會信息化的重要組成部分。家庭網絡系統(tǒng)可實現各種智能家電、安全設備等的連接和管理，向人們提供方便、靈活和高效的網絡服務。目前家庭網絡系統(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作為家庭網絡核心的解決方案中，PC提供家庭網絡與Internet之間的連接，并通過控制外設提供各種服務。PC的優(yōu)勢是功能強大靈活，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絡設計，所以在應用中存在一些局限：功耗較大；成本較高，如果考慮24小時運行，則對硬盤、電源、主板等很多部件有更高的要求，成本進一步增加；同家庭網絡的交互與控制行為被限制在鍵盤、鼠標與顯示器附近的一個小區(qū)域內，移動性差，很不方便；實時性能不能滿足某些特殊應用的要求。
    采用嵌入式家庭網絡系統(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用高效設計的，穩(wěn)定可靠，可長時間運行；功耗非常低；設備成本和運行成本較低；體積小，可分布性強；可工作于惡劣的環(huán)境中；如果運行專門的實時操作系統(tǒng)，則具有優(yōu)秀的實時性能。
    本文第1節(jié)描述家庭網絡系統(tǒng)的結構，第2節(jié)實現一種基于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計。第3節(jié)介紹系統(tǒng)的功能和運行機制。第4節(jié)給出結論。
1．系統(tǒng)結構
    我們的家庭網絡系統(tǒng)主要包括三方面功能：網絡通訊、媒體娛樂和家庭控制[2]。系統(tǒng)由網絡服務子系統(tǒng)、娛樂子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)結構如圖1所示。
     網絡服務子系統(tǒng)包括一個Web服務器，若干嵌入式文件服務器（包括嵌入式多媒體文件服務器和嵌入式傳感器數據服務器，分別用來存儲多媒體文件和傳感器數據）以及網絡設備接口。它們?yōu)檎麄€系統(tǒng)提供媒體娛樂、家庭控制等網絡服務以及設備間多樣化的網絡通訊支持。（以下對嵌入式Web服務器和嵌入式文件服務器簡稱為Web服務器和文件服務器。）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，遠程監(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)由數據采集與控制板、數字/模擬傳感器、數字/模擬控制器等組成。它可以采集智能家電、安全設備的數據并存儲在板上的Flash和/或上傳到傳感器數據服務器中，并對它們進行直接的控制。

圖1家庭網絡系統(tǒng)的結構[!--empirenews.page--]

    目前，家庭網絡尚處于初級階段，與智能家電、安全設備的完全整合存在一些商業(yè)與技術問題。調查也顯示家庭網絡中最受關注的是媒體的網絡化?；谝陨系姆治?，我們設計實現了基于ARM和嵌入式Linux的家庭網絡原型系統(tǒng)。它包含了完整的娛樂和網絡服務子系統(tǒng)。由于缺少配套的智能家電和安全設備的支持，我們的控制子系統(tǒng)只有數據采集與控制板，各種傳感器、數控單元和繼電器，沒有實際的監(jiān)控對象。

2．系統(tǒng)設計
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，目前已廣泛應用于汽車電子、消費電子、工業(yè)控制、網絡設備、無線產品等領域。
2.1.1終端、文件服務器和Web服務器
    終端、文件服務器和Web服務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構，具有16KB指令緩存和數據緩存，最高運行頻率266MHz，尺寸小、功耗低、功能齊全、控制外設方便。內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以太網卡、USB Host/Device、USB無線網卡等。此外，終端配備了3.5寸260K色TFT LCD、觸摸屏、PS/2鍵盤和鼠標、音頻解碼芯片和128MB SD卡。文件服務器配備了128MB SD卡、U盤和移動硬盤。Web服務器配備了音頻解碼芯片。
2.1.2數據采集與控制板
    數據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的流程

    在服務過程中，用戶只能看到Web服務器，文件服務器對用戶是隱藏的。這增加了整個系統(tǒng)的安全性，避免了用戶對文件服務器的錯誤操作，也增加了文件服務器配置的靈活性和分布性。
（2）家庭控制服務
    家庭控制服務實現數據采集與控制板和Web服務器之間的信息交流和遠程監(jiān)控功能。
數據采集與控制板將采集到的數據先存儲到板上的Flash，然后根據用戶的需要實時或定時地發(fā)送到Web服務器。Web服務器再將數據發(fā)送到傳感器數據服務器。傳感器數據服務器記錄下數據，并且更新數據記錄列表。
    數據采集與控制板上的數據采集模塊會對某些采集量進行閾值檢測，如果發(fā)現采集量超過閾值，立刻向Web服務器發(fā)出警告或利用AO、DO驅動設備進行下一步處理。Web服務器收到警告后，輸出用戶設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服務器的監(jiān)控頁面，選擇遠程監(jiān)控服務，如查看傳感器數據、初始化設備、喚醒系統(tǒng)、設置檢測對象和閾值、報警處理、輸出控制等。相應的命令通過GSM/GPRS發(fā)送到控制子系統(tǒng)。AT91FR40162將對命令進行解析，然后完成或驅動C8051F020完成相應的功能。

4．結束語
    本文提出的嵌入式家庭網絡系統(tǒng)解決方案低成本，低功耗，可分布性強，功能豐富，能同時滿足媒體娛樂和家庭控制的需要。基于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，也在一定程度上模擬了未來Embedded Everywhere中多平臺共存的情況。經過系統(tǒng)測試，原型系統(tǒng)可長期穩(wěn)定運行，非常適合家庭網絡應用。