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主要從嵌入式系統自身的特點(diǎn)出發(fā)，介紹一種新型的基于嵌入式網(wǎng)關(guān)的家庭智能系統。系統以以太網(wǎng)為通信媒介，利用嵌入式網(wǎng)關(guān)進(jìn)行家庭內外信息交換，通過(guò)瀏覽器對家庭的各種信息進(jìn)行實(shí)時(shí)、有效的管理和調度，為現代家庭生活提供智能服務(wù)。 當今社會(huì )逐漸入網(wǎng)絡(luò )時(shí)代，因特網(wǎng)已成為重要的基礎信息設施。目前，大部分網(wǎng)絡(luò )終端仍以PC的形式出現，但是從計算機應用普及的情況看，嵌入式系統更為普及，過(guò)去大量的浩如煙海的8位/16位單片機的嵌入式設備，已經(jīng)到了享受網(wǎng)絡(luò )方便的時(shí)候了。近來(lái)的統計證明：PC機CPU的產(chǎn)量?jì)H是MCU產(chǎn)量的1/100，并且由于MCU的成本低廉，應用非常普及。在工業(yè)測控、智能儀器、智能家庭領(lǐng)域，MCU應用系統已無(wú)處不在。在這些場(chǎng)合中，以MCU為核心的設備同樣也需要解決接入因特網(wǎng)的問(wèn)題。本文在分析嵌入式系統與常規計算機系統研發(fā)不同點(diǎn)的基礎上，介紹一種新型家庭智能系統。 1 家庭智能系統的體系結構 家庭智能系統體系結構的總體框圖如圖1所示。從大的方面看，家庭智能系統可由三部分組成：家庭自動(dòng)化外部接口模塊、家庭自動(dòng)化圖像模塊、家庭智能化內部無(wú)線(xiàn)收發(fā)與控制模塊。未來(lái)的家庭中，多件家用電器與各種報警器將組成一個(gè)家庭的內部網(wǎng)，并通過(guò)內部網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)接入因特網(wǎng)。一方面，內部網(wǎng)中的家電可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)訪(fǎng)問(wèn)因特網(wǎng)上資源。如網(wǎng)絡(luò )電視機每天早晨自動(dòng)訪(fǎng)問(wèn)用戶(hù)喜歡的某個(gè)電視臺的網(wǎng)站，自動(dòng)下載晚上的節目表。另一方面，用戶(hù)可以在因特網(wǎng)任務(wù)一點(diǎn)通過(guò)瀏覽器對家里的家用電器與報警器進(jìn)行遠程控制。如用戶(hù)出門(mén)在外，可以在外地上網(wǎng)，通過(guò)瀏覽器，啟動(dòng)家里的攝像機實(shí)時(shí)監察家里的安全。家庭自動(dòng)化內部無(wú)線(xiàn)網(wǎng)模塊要由消息處理模塊和基于工頻的無(wú)線(xiàn)收模塊（NRF401）構成。它將成為Internet網(wǎng)的發(fā)展沃土，順應“網(wǎng)絡(luò )服務(wù)”向“網(wǎng)絡(luò )應用”擴展的大潮。本文主要介紹嵌入式網(wǎng)關(guān)，以及如何在遠程訪(fǎng)問(wèn)具有靜態(tài)或動(dòng)態(tài)IP地址嵌入式網(wǎng)關(guān)的技術(shù)。 2 嵌入式網(wǎng)關(guān) 目前，國內外嵌入式網(wǎng)關(guān)的設計有二種方案：第一種方案，是基于軟件來(lái)實(shí)現TCP/IP協(xié)議棧；第二種是直接利用TCP/IP協(xié)議棧芯片。本文介紹的嵌入式網(wǎng)關(guān)采用第二種方案，它由W3100A、RTL8201、MCU組成，如圖2所示。 圖2中，DLC為數據鏈路控制，MAC為媒體訪(fǎng)問(wèn)控制，IP為網(wǎng)際協(xié)議，ICMP為因特網(wǎng)控制報文協(xié)議，TCP為傳輸控制協(xié)議，UDP為用戶(hù)數據攝協(xié)議，DPRAM為雙端口存儲器。 第一種方案在大批量生產(chǎn)時(shí)，具有成本低的優(yōu)點(diǎn)，因為用軟件設計的TCP/IP協(xié)議棧，是一次投交多次使用；但開(kāi)始投次比較大且設計復雜，因為需要實(shí)時(shí)操作系統的支持，而第二種方案，盡管在大指生產(chǎn)時(shí)成本高，因為每個(gè)智能設備都要嵌入TCP/IP協(xié)議棧芯片；但是在非大批量生產(chǎn)時(shí)具有投次比較大，設計簡(jiǎn)單、靈活的特點(diǎn)，因為不需要實(shí)時(shí)操作系統的支持。本文采用的TCP/IP協(xié)議棧芯片是W3100A.它有如下特點(diǎn)：首先，它自帶TCP/IP協(xié)議棧（如TCP、UDP、Ipver.4、ICMP、ARP、DLC、MAC協(xié)議）；其次，它能同時(shí)支持四個(gè)獨立的連接通道，具有高速傳輸速率（如網(wǎng)關(guān)的MCU用Atmel 8951，那么網(wǎng)關(guān)的傳輸速率是200b/s；若用Intel386，那么網(wǎng)關(guān)的傳輸速率是3Mb/s）同時(shí)，它具有與MCU和物理層電路接口。從圖2可以看到；W3100A除了具有上述特點(diǎn)外，還提供了Socket應用程序編程接口，為那種需要進(jìn)行因特網(wǎng)連接的智能設備，提供了一種簡(jiǎn)便、廉價(jià)、高效的方案，只要將W3100嵌入智能設備就可以了。這樣，大大減少了軟件研發(fā)費用，減輕了MCU的工作量，同時(shí)便利該產(chǎn)品具有競爭力，并符合嵌入式系統設計原則：①價(jià)格。由于嵌入式設備對價(jià)格非常敏感，通常要求價(jià)廉質(zhì)優(yōu)，故在設計產(chǎn)品時(shí)，在滿(mǎn)足功能要求的情況下盡量降低成本。②環(huán)境。在功能要求滿(mǎn)足的同時(shí)，要考慮到該產(chǎn)品在惡劣環(huán)境下，能否正常工作，比如溫度、電源功耗等等。③使用。用戶(hù)在使用時(shí)，操作應盡量簡(jiǎn)單。 RTL8201是單口10/100Mb/s以太網(wǎng)收發(fā)器，超低耗和少于180mA/3.3V操作電壓，支持全雙工和半雙工操作，提供一個(gè)LED顯示器指示一個(gè)網(wǎng)絡(luò )回環(huán)存在。由于上述的優(yōu)點(diǎn)，該嵌入式網(wǎng)關(guān)可以用在IP電話(huà)、網(wǎng)絡(luò )MP3、網(wǎng)絡(luò )相機和工業(yè)控制總線(xiàn)上。圖3是嵌入式網(wǎng)關(guān)的原理圖。 3 軟件設計思想 為了適應分組到達的隨機性，系統必須具有能夠從網(wǎng)絡(luò )接口讀取分組的能力，故本系統采用“軟件中斷”的機制。當一個(gè)分組到達時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)硬件中斷，設備驅動(dòng)程序接收分組重置接口設備。在中斷返回之前，設備驅動(dòng)程序會(huì )通知硬件安排下一個(gè)較低優(yōu)先級的中斷；在此次硬件中斷結束后，低優(yōu)先級的中斷會(huì )繼續執行。下面結合“軟件中斷”的機制、動(dòng)態(tài)主機配置協(xié)議（DHCP）和域名系統（DNS），來(lái)說(shuō)明如何在遠程訪(fǎng)問(wèn)具有靜態(tài)或動(dòng)態(tài)IP地址嵌入式網(wǎng)關(guān)的技術(shù)（主要說(shuō)明如何在遠程訪(fǎng)問(wèn)具有動(dòng)態(tài)IP地址嵌入式網(wǎng)關(guān)的技術(shù)）。在介紹該技術(shù)前，先介紹幾個(gè)概念。 （1）DHCP原理 當一臺設置為自動(dòng)獲取IP地址的計算機在登錄網(wǎng)絡(luò )時(shí)，會(huì )向網(wǎng)絡(luò )上發(fā)送“租”一個(gè)IP地址的請求，專(zhuān)門(mén)負責提供IP地址的DHCP服務(wù)器回應這個(gè)請求，為這臺計算機提供一個(gè)空閑的IP地址。DHCP的主要用途是：通過(guò)服務(wù)器的伺服進(jìn)程協(xié)助來(lái)控管各個(gè)主機（執行中的用戶(hù)端）上不可缺少的網(wǎng)絡(luò )連線(xiàn)參數。 (2)DNS DNS（Domain Name System，域名系統）是一種組織成域層次結構的計算機和網(wǎng)絡(luò )服務(wù)命名系統，用于TCP/IP網(wǎng)絡(luò )。它主要是通過(guò)用戶(hù)親切而友好的名稱(chēng)代替枯燥而難記的IP地址，以定位相應的計算機和相應服務(wù)。DNS就是完成在名稱(chēng)和IP地址之間的映射。對于動(dòng)態(tài)分配IP，做一個(gè)DHCP程序來(lái)綁定用戶(hù)網(wǎng)關(guān)的MAC地址和IP地址，然后再根據不同IP設定權限，防止IP地址盜用。 （3）HTTP協(xié)議的作用原理 WWW是以Internet作為傳輸媒介的一個(gè)應用系統，WWW網(wǎng)上最基本的傳輸單位是Web網(wǎng)絡(luò )。WWW的工作基于客戶(hù)機/服務(wù)器計算模型，由Web瀏覽器（客戶(hù)機）和Web服務(wù)器（服務(wù)器）構成，兩者之間采用超文本傳送協(xié)議（HTTP）進(jìn)行通信。HTTP協(xié)議是基礎TCP/IP協(xié)議之上的協(xié)議，是Web瀏覽器來(lái)Web服務(wù)器之間的應用層協(xié)議，是通用的、無(wú)狀態(tài)的、面向對象的協(xié)議。 圖4 基于嵌入式網(wǎng)關(guān)的服務(wù)器與遠程瀏覽器的請求與應答示意圖 根據上述HTTP協(xié)議的作用原理，本文實(shí)現了基于瀏覽器/嵌入式Web服務(wù)器模式的家庭智能系統。首先初始化W3100ATRTL8201，通過(guò)UDP傳輸DHCP報文，獲取動(dòng)態(tài)IP地址，再得到DNS服務(wù)器支持，由DNS服務(wù)器負責建立IP地址與域名（別名）映射；同時(shí)，創(chuàng )建進(jìn)程負責IP地址與域名（別名）映射更新，確保通過(guò)別名就可以訪(fǎng)問(wèn)該嵌入式設備。初始化完成后，遠程瀏覽器就可以進(jìn)行TCP鏈接了。建立TCP鏈接后，服務(wù)器等待遠程瀏覽器的請求，是一個(gè)被動(dòng)的設備。當接收到建立TCP鏈接的請求后，來(lái)識別隨后收到的來(lái)自遠程客戶(hù)機瀏覽器的數據包。通過(guò)軟件中斷，監聽(tīng)W3100A、等待、接受客戶(hù)機連接到RTL8201后，在W3100A體現出來(lái)的標志；創(chuàng )建與Socket字相關(guān)聯(lián)的輸入流和輸出流；然后讀取客戶(hù)機的請求信息。在用戶(hù)登錄前，遠程瀏覽器必須獲得存儲在Flash內部的網(wǎng)頁(yè)，由此才能進(jìn)行登錄和控制。GET為其請求數據包中的第一個(gè)詞， 表示這個(gè)請求是用來(lái)接收Web資源的。該服務(wù)器僅對HTTP請求的第一行Get/home.html/HTTP.1進(jìn)行檢查和解釋。因為除了數據外，所有響應信息數據都是常量。服務(wù)器的響應數據包已經(jīng)由程序定制好，存放在服務(wù)器中。響應的HTTP數據頭和資源一起存放在Flash中。服務(wù)器與瀏覽器鏈接建立后，服務(wù)器檢查接收的請求數據，然后調用8051內部的程序模塊，將相應的home.html發(fā)送給遠程瀏覽器。Web頁(yè)的存儲范圍為0000H～7FF0H，大約32KB，而8字節的用戶(hù)名和8字節的密碼可以存放在外圍Flash存儲區未端。在處理瀏覽器提交的數據信息時(shí)，按照兩個(gè)步驟進(jìn)行程序設計。首先，服務(wù)器根據遠程瀏覽器傳送過(guò)來(lái)的數據信息，決定服務(wù)器的HTTP服務(wù)的方式。其實(shí)，將Web資源發(fā)送給遠程瀏覽器或使用函數來(lái)處理瀏覽器提交的數據，并將此數據傳遞給消息處理模塊。該消息處理模塊根據所要控制設備類(lèi)型查表，然后啟動(dòng)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊將表中的消息發(fā)送出去。每個(gè)智能設備根據此消息啟動(dòng)相應的操作，并借助于設計合理的數據結構和函數實(shí)現軟件設計。上述過(guò)程可用圖4和圖5形象地說(shuō)明。 結語(yǔ) 本文介紹的嵌入式網(wǎng)關(guān)有很大的發(fā)展前途，它以以太網(wǎng)為通信媒介，利用嵌入式網(wǎng)關(guān)進(jìn)行家庭內外信息交換；通過(guò)瀏覽器對家庭的各種信息進(jìn)行實(shí)時(shí)、有效的管理和調度，為現代家庭生活提供智能服務(wù)。 |
