基于ARM的家庭网络系统解决方案

0．引言
    家庭网络化是社会信息化的重要组成部分。家庭网络系统可实现各种智能家电、安全设备等的连接和管理，向人们提供方便、灵活和高效的网络服务。目前家庭网络系统主要有两种解决方案：基于PC和基于嵌入式系统[1]。
    在以PC作为家庭网络核心的解决方案中，PC提供家庭网络与Internet之间的连接，并通过控制外设提供各种服务。PC的优势是功能强大灵活，拥有众多软件支持，软件升级方便。但是PC并不是专门为家庭网络设计，所以在应用中存在一些局限：功耗较大；成本较高，如果考虑24小时运行，则对硬盘、电源、主板等很多部件有更高的要求，成本进一步增加；同家庭网络的交互与控制行为被限制在键盘、鼠标与显示器附近的一个小区域内，移动性差，很不方便；实时性能不能满足某些特殊应用的要求。
    采用嵌入式家庭网络系统解决方案可以很好地解决上面的问题。同基于PC的系统相比，嵌入式系统的硬件和软件都是针对特定应用高效设计的，稳定可靠，可长时间运行；功耗非常低；设备成本和运行成本较低；体积小，可分布性强；可工作于恶劣的环境中；如果运行专门的实时操作系统，则具有优秀的实时性能。
    本文第1节描述家庭网络系统的结构，第2节实现一种基于ARM和嵌入式Linux的原型系统，包括硬件平台和软件平台的设计。第3节介绍系统的功能和运行机制。第4节给出结论。
1．系统结构
    我们的家庭网络系统主要包括三方面功能：网络通讯、媒体娱乐和家庭控制[2]。系统由网络服务子系统、娱乐子系统和控制子系统组成，系统结构如图1所示。
     网络服务子系统包括一个Web服务器，若干嵌入式文件服务器（包括嵌入式多媒体文件服务器和嵌入式传感器数据服务器，分别用来存储多媒体文件和传感器数据）以及网络设备接口。它们为整个系统提供媒体娱乐、家庭控制等网络服务以及设备间多样化的网络通讯支持。（以下对嵌入式Web服务器和嵌入式文件服务器简称为Web服务器和文件服务器。）娱乐子系统是一个便携式多媒体终端，（今后可以加入其它的智能娱乐设备）它是用户和整个系统之间的交互界面，用户通过它享受系统提供的多媒体娱乐服务，远程监控控制子系统。（以下对便携式多媒体终端简称为终端。）控制子系统由数据采集与控制板、数字/模拟传感器、数字/模拟控制器等组成。它可以采集智能家电、安全设备的数据并存储在板上的Flash和/或上传到传感器数据服务器中，并对它们进行直接的控制。

图1家庭网络系统的结构[page]

    目前，家庭网络尚处于初级阶段，与智能家电、安全设备的完全整合存在一些商业与技术问题。调查也显示家庭网络中最受关注的是媒体的网络化。基于以上的分析，我们设计实现了基于ARM和嵌入式Linux的家庭网络原型系统。它包含了完整的娱乐和网络服务子系统。由于缺少配套的智能家电和安全设备的支持，我们的控制子系统只有数据采集与控制板，各种传感器、数控单元和继电器，没有实际的监控对象。

2．系统设计
2.1系统硬件平台
    ARM是一种高性能、低功耗、低成本的RISC技术，目前已广泛应用于汽车电子、消费电子、工业控制、网络设备、无线产品等领域。
2.1.1终端、文件服务器和Web服务器
    终端、文件服务器和Web服务器三种硬件平台都基于三星公司的S3C2410A（基于ARM920T核）。它采用双哈佛缓存结构，具有16KB指令缓存和数据缓存，最高运行频率266MHz，尺寸小、功耗低、功能齐全、控制外设方便。内部集成了大量功能模块，如MMU、LCD控制器（同时支持STN和TFT LCD）、USB Host/Device控制器、触摸屏接口、SD/MMC接口、IIC总线接口、IIS总线接口、三星公司独特的NAND Flash Boot Loader等[3]。
    三种硬件平台共有的配置包括S3C2410A、64MB PC133 SDRAM、64MB NAND Flash、RS232、10Mb以太网卡、USB Host/Device、USB无线网卡等。此外，终端配备了3.5寸260K色TFT LCD、触摸屏、PS/2键盘和鼠标、音频解码芯片和128MB SD卡。文件服务器配备了128MB SD卡、U盘和移动硬盘。Web服务器配备了音频解码芯片。
2.1.2数据采集与控制板
    数据采集与控制板可能工作在较恶劣的露天条件下，所以我们采用Atmel公司的工业级产品AT91FR40162（基于ARM7TDMI核）。它的主频75MHz，工作温度-40°C～85°C，

图2文件检索与传输服务的流程

    在服务过程中，用户只能看到Web服务器，文件服务器对用户是隐藏的。这增加了整个系统的安全性，避免了用户对文件服务器的错误操作，也增加了文件服务器配置的灵活性和分布性。
（2）家庭控制服务
    家庭控制服务实现数据采集与控制板和Web服务器之间的信息交流和远程监控功能。
数据采集与控制板将采集到的数据先存储到板上的Flash，然后根据用户的需要实时或定时地发送到Web服务器。Web服务器再将数据发送到传感器数据服务器。传感器数据服务器记录下数据，并且更新数据记录列表。
    数据采集与控制板上的数据采集模块会对某些采集量进行阈值检测，如果发现采集量超过阈值，立刻向Web服务器发出警告或利用AO、DO驱动设备进行下一步处理。Web服务器收到警告后，输出用户设定的报警音乐并且通过GSM/GPRS发送短信通知用户。
    用户可以通过终端登陆Web服务器的监控页面，选择远程监控服务，如查看传感器数据、初始化设备、唤醒系统、设置检测对象和阈值、报警处理、输出控制等。相应的命令通过GSM/GPRS发送到控制子系统。AT91FR40162将对命令进行解析，然后完成或驱动C8051F020完成相应的功能。

4．结束语
    本文提出的嵌入式家庭网络系统解决方案低成本，低功耗，可分布性强，功能丰富，能同时满足媒体娱乐和家庭控制的需要。基于ARM和嵌入式Linux的原型系统跨越了多硬件平台和多软件平台，既充分利用了各平台的优点，也在一定程度上模拟了未来Embedded Everywhere中多平台共存的情况。经过系统测试，原型系统可长期稳定运行，非常适合家庭网络应用。