網絡協議族部份是各種具體協議實現的部份。Linux支持TCP/IP,IPX,X.25,AppleTalk等的協議,各種具體協議實現的源碼在linux/net/目錄下相應的名稱。在這里主要討論TCP/IP(IPv4)協議,實現的源碼在linux/net/ipv4,其中linux/net/ipv4/af_inet.c是主要的管理文件。
網絡接口Socket層為用戶提供的網絡服務的編程接口。主要的源碼在linux/net/socket.c。
三、Webserver部分的實現
本設計的所采用的網卡控制器芯片是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文檔等內容。
在Linux系統上添加這個RTL8019AS芯片的驅動,采用在操作系統中靜態加載的方式對網卡的驅動,使系統一旦啟動之后,就為網卡設置好網絡環境,然后順序的運行TCP/IP協議。從而使系統啟動之后有網絡服務的功能。
在網卡的主驅動加載完成之后,就可以為Webserver,設置TCP/IP的工作環境了,這是最關鍵的一步,對這個系統來說,能在ARM上運行移植后的系統,然后在這個系統上添加網卡的驅動,接下來就是要為這個系統設定一個穩定的精簡網絡環境,然后才能讓智能家居控制器具有提供瀏覽網頁的服務功能。具體可以通過下列步驟實現:
(一)網絡設備接口部分設計
網絡環境搭建好后,可以在服務器端編寫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據發送到客戶機。客戶機程序client.c向服務器發送連接請求,接收從服務器端發來的數據,并把接收到的數據寫入目標文件。
(二)TCP/IP協議棧的精簡
精簡后的協議主要包括TCP/IP協議組中的四個基本的協議:ARP協議、IP協議、ICMP協議、TCP協議。鏈路層協議,作為設備驅動在鏈路層實現。應用層協議,實現了HTTP協議。本設計的WebServer服務器的精簡協議棧如圖2所示。
圖2WebServer服務器的精簡協議棧
WebServer的實現就是HTTP通信的過程。其中包括服務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)進行監聽,接收到TCP包后即進入TCP回調函數。
2.Web瀏覽器向Web服務器發送請求命令
一旦建立了連接,瀏覽器即向服務器發送請求命令。請求消息包括請求行,首部,之后瀏覽器發送了一空白行來通知服務器,它已經結束了該頭信息的發送。例如:GET /index.html HTTP/1.1
3.Web服務器響應
客戶機向服務器發出請求后,服務器會客戶機回送響應。響應消息包括狀態行、響應頭、空行及實體內容。在響應報文中,包括協議版本號和應答狀態碼,關于它自己的數據及被請求的文檔信息。
例如:HTTP/1.1 200 OK
Content-type: text/html
4.關閉連接
數據傳送完畢,雙方通過4次握手,結束TCP/IP連接。
結束語:
本文重點是通過了對Linux系統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上添加網絡硬件的驅動,最后通過對TCP/IP協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協議棧,實現了WebServer的功能。并且提供了遠程控制的Web頁面,實現了家用電器的遠程控制。
通過在計算機上雙機的模擬測試,可以實現在客戶機上瀏覽到由WebServer服務器為之提供的智能家居網頁。并且在Proteus軟件中可以實現頁面上的回控操作。
參考文獻:
[1]范建華譯,W.Richard Stevens,TCP/IP詳解卷1,協議,北京,機械工業出版社,2000,4
[2]肖紅兵,李國峰.80C51嵌入式系統教程,北京,北京航空航天大學出社,2007
[3]王視聽,尹志宏.一種無線射頻收發模塊的應用,電子技術應用,2005,8
[4]馬志強.嵌入式以太網技術研究與應用,中國海洋大學,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的研究”,項目編號是:2008011008
摘要:在本設計中,從既實現相應的功能又節省系統資源的角度出發,采用了功能強大的ARM芯片結合帶有Linux操作系統內核軟件包的方案,通過和RTL8019AS以太網控制器連接,實現以太網的接入。
在軟件方案設計上,嵌入式系統中沒有實現全部的TCP/IP協議,而是實現經過裁減的TCP/IP協議棧。通過有針對性的模塊化裁剪,在ARM芯片上嵌入精簡的TCP/IP協議棧,實現嵌入式Internet接入。精簡后的協議主要包括TCP/IP協議組中的四個基本的協議:ARP協議、IP協議、ICMP協議、TCP協議。鏈路層協議,作為設備驅動在鏈路層實現,由主控芯片來驅動以太網卡RTL8019AS。應用層協議,實現了HTTP協議。
設計提供遠程瀏覽的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,實現家用電器的遠程控制,增加了系統的安全性。
關鍵詞:智能家居;Web;TCP/IP協議
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、網絡通信技術、綜合布線技術,將與家居生活有關的各種子系統,有機地結合在一起,通過統籌管理,讓家居生活更加舒適、安全、有效。
在本智能家居系統中,將家庭中與信息相關的家用電器等裝置,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,并且該控制器系統可以直接通過RJ45連到以太網上,實現了嵌入式Internet的接入。通過嵌入Linux系統的內核,實現了WebServer的功能。這樣不僅可以通過手持控制器控制家電設備,還可以根據需要,在任意一個可以接入Internet的地方,通過瀏覽器來控制家居內部設備的工作狀態,實現遠程控制的功能。克服了傳統上采用PC機作為網關接入Internet,增加成本,網絡布線不方便,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進行研究,先對典型的Linux系統進行裁剪與移植,然后根據TCP/IP協議的標準,在精簡的Linux系統內核上,進行了TCP/IP協議棧的裁剪分析,最后為用戶提供一個可以管理智能家居中用電設備的Webserver服務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硬件的核心,考慮到系統的穩定性和擴展性,因此將控制器硬件設計成核心板和控制板2部分。核心板主要用來構成一臺ARM智能家居控制器嵌入式計算機系統,控制板主要是一些外圍接口。系統硬件如圖1所示。
二、智能家居控制器操作系統的移植及裁剪:
核心板ARM智能家居控制器采用三星公司生產的S3C2410微處理器。選用Linux系統內核版本號是2.4.0。為了讓系統能方便、速度快,機器一啟動,就可以使用網絡這部分功能,在編譯內核的時候,將網絡這部分直接靜態編譯到內核中,在內核啟動時就可以自動支持部分的功能。
(一)裁剪內核具體步驟:
# make menuconfig ----配置編譯選項
# make dep ----生成變量依賴關系信息.
# make clean ----刪除生成的模塊和目標文件.
# make zImage ----編譯內核生成映象.
# make modules ----編譯模塊.
# make modules_install 安裝編譯完成的模塊.
內核影像燒寫
在開發板的linux系統啟動后,使用imagewrite工具:imagewrite /dev/mtd/0 zImage:192k
(二)Linux內核2.4.x的網絡接口源碼的設計
Linux的網絡接口分為四部份:網絡設備接口部份,網絡接口核心部份,網絡協議族部份,以及網絡接口socket層。
網絡設備接口部份主要負責從物理介質接收和發送數據。實現的文件在linu/driver/net目錄下面。
網絡接口核心部份是整個網絡接口的關鍵部位,它為網絡協議提供統一的發送接口,屏蔽各種各樣的物理介質,同時又負責把來自下層的包向合適的協議配送。它是網絡接口的中樞部份。它的主要實現文件在linux/net/core目錄下,其中linux/net/core/dev.c為主要管理文件。
網絡接口Socket層為用戶提供的網絡服務的編程接口。主要的源碼在linux/net/socket.c。
三、Webserver部分的實現
本設計的所采用的網卡控制器芯片是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文檔等內容。
在Linux系統上添加這個RTL8019AS芯片的驅動,采用在操作系統中靜態加載的方式對網卡的驅動,使系統一旦啟動之后,就為網卡設置好網絡環境,然后順序的運行TCP/IP協議。從而使系統啟動之后有網絡服務的功能。
在網卡的主驅動加載完成之后,就可以為Webserver,設置TCP/IP的工作環境了,這是最關鍵的一步,對這個系統來說,能在ARM上運行移植后的系統,然后在這個系統上添加網卡的驅動,接下來就是要為這個系統設定一個穩定的精簡網絡環境,然后才能讓智能家居控制器具有提供瀏覽網頁的服務功能。具體可以通過下列步驟實現:
(一)網絡設備接口部分設計
網絡環境搭建好后,可以在服務器端編寫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據發送到客戶機。客戶機程序client.c向服務器發送連接請求,接收從服務器端發來的數據,并把接收到的數據寫入目標文件。
(二)TCP/IP協議棧的精簡
精簡后的協議主要包括TCP/IP協議組中的四個基本的協議:ARP協議、IP協議、ICMP協議、TCP協議。鏈路層協議,作為設備驅動在鏈路層實現。應用層協議,實現了HTTP協議。本設計的WebServer服務器的精簡協議棧如圖2所示。
圖2WebServer服務器的精簡協議棧
WebServer的實現就是HTTP通信的過程。其中包括服務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)進行監聽,接收到TCP包后即進入TCP回調函數。
2.Web瀏覽器向Web服務器發送請求命令
一旦建立了連接,瀏覽器即向服務器發送請求命令。請求消息包括請求行,首部,之后瀏覽器發送了一空白行來通知服務器,它已經結束了該頭信息的發送。例如:GET /index.html HTTP/1.1
3.Web服務器響應
客戶機向服務器發出請求后,服務器會客戶機回送響應。響應消息包括狀態行、響應頭、空行及實體內容。在響應報文中,包括協議版本號和應答狀態碼,關于它自己的數據及被請求的文檔信息。
例如:HTTP/1.1 200 OK
Content-type: text/html
4.關閉連接
數據傳送完畢,雙方通過4次握手,結束TCP/IP連接。
結束語:
本文重點是通過了對Linux系統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上添加網絡硬件的驅動,最后通過對TCP/IP協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協議棧,實現了WebServer的功能。并且提供了遠程控制的Web頁面,實現了家用電器的遠程控制。
通過在計算機上雙機的模擬測試,可以實現在客戶機上瀏覽到由WebServer服務器為之提供的智能家居網頁。并且在Proteus軟件中可以實現頁面上的回控操作。
參考文獻:
[1]范建華譯,W.Richard Stevens,TCP/IP詳解卷1,協議,北京,機械工業出版社,2000,4
[2]肖紅兵,李國峰.80C51嵌入式系統教程,北京,北京航空航天大學出社,2007
[3]王視聽,尹志宏.一種無線射頻收發模塊的應用,電子技術應用,2005,8
[4]馬志強.嵌入式以太網技術研究與應用,中國海洋大學,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的研究”,項目編號是:2008011008
摘要:在本設計中,從既實現相應的功能又節省系統資源的角度出發,采用了功能強大的ARM芯片結合帶有Linux操作系統內核軟件包的方案,通過和RTL8019AS以太網控制器連接,實現以太網的接入。
在軟件方案設計上,嵌入式系統中沒有實現全部的TCP/IP協議,而是實現經過裁減的TCP/IP協議棧。通過有針對性的模塊化裁剪,在ARM芯片上嵌入精簡的TCP/IP協議棧,實現嵌入式Internet接入。精簡后的協議主要包括TCP/IP協議組中的四個基本的協議:ARP協議、IP協議、ICMP協議、TCP協議。鏈路層協議,作為設備驅動在鏈路層實現,由主控芯片來驅動以太網卡RTL8019AS。應用層協議,實現了HTTP協議。
設計提供遠程瀏覽的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,實現家用電器的遠程控制,增加了系統的安全性。
關鍵詞:智能家居;Web;TCP/IP協議
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、網絡通信技術、綜合布線技術,將與家居生活有關的各種子系統,有機地結合在一起,通過統籌管理,讓家居生活更加舒適、安全、有效。
在本智能家居系統中,將家庭中與信息相關的家用電器等裝置,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,并且該控制器系統可以直接通過RJ45連到以太網上,實現了嵌入式Internet的接入。通過嵌入Linux系統的內核,實現了WebServer的功能。這樣不僅可以通過手持控制器控制家電設備,還可以根據需要,在任意一個可以接入Internet的地方,通過瀏覽器來控制家居內部設備的工作狀態,實現遠程控制的功能。克服了傳統上采用PC機作為網關接入Internet,增加成本,網絡布線不方便,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進行研究,先對典型的Linux系統進行裁剪與移植,然后根據TCP/IP協議的標準,在精簡的Linux系統內核上,進行了TCP/IP協議棧的裁剪分析,最后為用戶提供一個可以管理智能家居中用電設備的Webserver服務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硬件的核心,考慮到系統的穩定性和擴展性,因此將控制器硬件設計成核心板和控制板2部分。核心板主要用來構成一臺ARM智能家居控制器嵌入式計算機系統,控制板主要是一些外圍接口。系統硬件如圖1所示。
二、智能家居控制器操作系統的移植及裁剪:
核心板ARM智能家居控制器采用三星公司生產的S3C2410微處理器。選用Linux系統內核版本號是2.4.0。為了讓系統能方便、速度快,機器一啟動,就可以使用網絡這部分功能,在編譯內核的時候,將網絡這部分直接靜態編譯到內核中,在內核啟動時就可以自動支持部分的功能。
(一)裁剪內核具體步驟:
# make menuconfig ----配置編譯選項
# make dep ----生成變量依賴關系信息.
# make clean ----刪除生成的模塊和目標文件.
# make zImage ----編譯內核生成映象.
# make modules ----編譯模塊.
# make modules_install 安裝編譯完成的模塊.
內核影像燒寫
在開發板的linux系統啟動后,使用imagewrite工具:imagewrite /dev/mtd/0 zImage:192k
(二)Linux內核2.4.x的網絡接口源碼的設計
Linux的網絡接口分為四部份:網絡設備接口部份,網絡接口核心部份,網絡協議族部份,以及網絡接口socket層。
網絡設備接口部份主要負責從物理介質接收和發送數據。實現的文件在linu/driver/net目錄下面。
網絡接口核心部份是整個網絡接口的關鍵部位,它為網絡協議提供統一的發送接口,屏蔽各種各樣的物理介質,同時又負責把來自下層的包向合適的協議配送。它是網絡接口的中樞部份。它的主要實現文件在linux/net/core目錄下,其中linux/net/core/dev.c為主要管理文件。
