前言

　　智能家居，或稱智能住宅，在英文中常用Smart Home。智能家居是以住宅為平臺(tái)，兼?zhèn)浣ㄖ?a target="_blank">網(wǎng)絡(luò)通信、信息家電、設(shè)備自動(dòng)化，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境。智能家居可以定義為一個(gè)過(guò)程或者一個(gè)系統(tǒng)。它利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、綜合布線技術(shù)、將與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)，有機(jī)地結(jié)合在一起，通過(guò)統(tǒng)籌管理，讓家居生活更加舒適、安全、有效。

　　在智能家居中，有一個(gè)重要系統(tǒng)就是家庭網(wǎng)絡(luò)，它是在家庭或者小區(qū)范圍內(nèi)，將PC、家電、安全系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和廣域網(wǎng)相連接的一種新技術(shù)。當(dāng)前在家庭網(wǎng)絡(luò)所采用的連接技術(shù)可以分為“有線”和“無(wú)線”兩大類(lèi)。有線方案主要包括：雙絞線或同軸電纜連接、電話線連接、電力線連接等；無(wú)線方案主要包括：紅外線連接、無(wú)線電連接、基于RF技術(shù)的連接和基于PC的無(wú)線連接等。

　　家庭網(wǎng)絡(luò)相比起傳統(tǒng)的辦公網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，加入了很多家庭應(yīng)用產(chǎn)品和系統(tǒng)，如家電設(shè)備、照明系統(tǒng)，因此相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也錯(cuò)綜復(fù)雜。家庭網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)是將智能家居中其它系統(tǒng)融合進(jìn)去，最終一統(tǒng)天下。本文給出了一個(gè)家庭網(wǎng)絡(luò)互連的智能家居路由方案，它是基于三星公司的ARM核CPU-S3C4510和mClinux操作系統(tǒng)的解決方案。

　　S3C4510 處理器

　　在本系統(tǒng)中，我們選用了三星公司的S3C4510處理器，它是一款性價(jià)比很高的ARM 核的SoC芯片，其使用的是ARM7TDMI內(nèi)核，并內(nèi)置10/100M Ethernet控制器，特別適合網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。另外包括2路HDLC，I2C ，8k CACHE/SRAM，2 UART，2 DMA，2 32位計(jì)數(shù)器，中斷控制器，DRAM/SDRAM控制器，18個(gè)可編程I/O。由于S3C4510處理器主要關(guān)注于嵌入式internet應(yīng)用，目前成為國(guó)內(nèi)出貨量最大的一款A(yù)RM芯片，在ISDN路由器，ADSL modem， ADSL route，二層10/100 M交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理，UPS網(wǎng)絡(luò)管理等設(shè)備上均有成功批量應(yīng)用。

　　mClinux 概述

　　mClinux 是針對(duì)“微控制領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的Linux 系統(tǒng)”，它將Linux應(yīng)用于沒(méi)有內(nèi)存管理單元（Memory Management Units）的處理器。由于mClinux 是在Linux 的基礎(chǔ)之上添加了對(duì)沒(méi)有MMU 的微處理器的支持，所以它一方面繼承了Linux 的大部分優(yōu)點(diǎn)：例如穩(wěn)定性、各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的支持以及不同類(lèi)型的文件系統(tǒng)支持等等，另一方面，它廣泛地應(yīng)用于嵌入式領(lǐng)域，內(nèi)核精簡(jiǎn)（一般小于512k），并支持很多常用的嵌入式微控制器系列。

　　與標(biāo)準(zhǔn)Linux 操作系統(tǒng)相比，mClinux 最大的區(qū)別就在于內(nèi)存管理。標(biāo)準(zhǔn)Linux 是針對(duì)有內(nèi)存管理單元的處理器而設(shè)計(jì)的，使用虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)通過(guò)分頁(yè)的方式來(lái)載入進(jìn)程。mClinux 對(duì)NOMMU 的處理器采用了實(shí)存儲(chǔ)器管理策略（real memory management）。這樣一個(gè)進(jìn)程在執(zhí)行前，系統(tǒng)必須為之分配足夠的連續(xù)地址空間，然后全部載入主存儲(chǔ)器中。因?yàn)樵?a target="_blank">嵌入式開(kāi)發(fā)中，通常都是針對(duì)特定環(huán)境下的應(yīng)用，盡管占用資源過(guò)多但是執(zhí)行效率卻也相對(duì)高一些。

　　智能家居的互連結(jié)構(gòu)

　　首先，我們利用ADSL連接到 Internet上將家居路由與外界的通道連接上。當(dāng)然，如果小區(qū)內(nèi)提供內(nèi)部的互連網(wǎng)絡(luò)，就可以直接將家居路由接入到小區(qū)的互連網(wǎng)絡(luò)上。圖一給出了本方案的互連結(jié)構(gòu)。其次，在家居布線中，對(duì)于不同的設(shè)備采用不同的接口，例如家用計(jì)算機(jī)接入使用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，筆記本電腦使用無(wú)線接入（也可以直接使用網(wǎng)線），各種儀表/探測(cè)器和家電則需要使用串口或者I2C總線接入，這樣便于集中處理并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制及智能控制。再者，采用互聯(lián)網(wǎng)上先進(jìn)而成熟的IP協(xié)議。這種完全開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)，無(wú)需擔(dān)心升級(jí)、維護(hù)、產(chǎn)品提供商的壟斷或者其他行為。所有設(shè)備均可通過(guò)家居路由接入到寬帶網(wǎng)和局域網(wǎng)，從而滿足各種應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，和設(shè)備對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息的讀取。最后，本方案使用成熟的mClinux技術(shù)，可以方便地將PC中成熟的軟件移植到本系統(tǒng)中，而避免了復(fù)雜的開(kāi)發(fā)，使用CGI 技術(shù)又利用了互聯(lián)網(wǎng)上的已有各種信息服務(wù)資源。在造價(jià)和功耗方面，ARM系列的處理器的優(yōu)勢(shì)是非常明顯的，其單片價(jià)格和C51系列的單片機(jī)相差無(wú)幾，而功耗卻可以非常小。由于家用設(shè)備在價(jià)格和功耗方面都要求比較嚴(yán)格，從而，使用本系統(tǒng)就有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)和特色了。

　　軟件構(gòu)成

　　如前所述，由于采用了性能穩(wěn)定的mClinux操作系統(tǒng)，而且由于Linux在PC機(jī)中的廣泛應(yīng)用，各種軟件資源非常豐富，特別是硬件驅(qū)動(dòng)程序和網(wǎng)絡(luò)資源，所以在軟件方面有著非常豐富的選擇，但是本系統(tǒng)是使用的一個(gè)嵌入式的處理器，是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，所以必需經(jīng)過(guò)裁剪和選擇。圖二給出了本系統(tǒng)的軟件資源的基本構(gòu)成。其中，成熟穩(wěn)定的TCP/IP協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。HTTPD服務(wù)和TELNETD服務(wù)為網(wǎng)絡(luò)配置、WEB管理和遠(yuǎn)程控制提供了基礎(chǔ)， SHELL程序便于實(shí)現(xiàn)監(jiān)控管理，而JFFS II文件系統(tǒng)則用來(lái)保存系統(tǒng)的設(shè)置。另外，家居監(jiān)控和管理也必需使用CGI WEB界面和命令行的方式來(lái)進(jìn)行處理。另外，I2C總線驅(qū)動(dòng)、串口驅(qū)動(dòng)、無(wú)線遙控器驅(qū)動(dòng)沒(méi)有在圖二中給出，這些也是本系統(tǒng)的一部分。

　　由于 mClinux和Linux系統(tǒng)本身還是有區(qū)別，而Linux系統(tǒng)下的軟件在mClinux下也需要相應(yīng)的修改，所以對(duì)于本系統(tǒng)的軟件來(lái)說(shuō)，我們做了相應(yīng)的移植工作，例如，針對(duì)HTTP Web服務(wù)，我們移植了thttpd服務(wù)程序，并添加了CGI的支持，這樣方便地建立Web管理界面，讓最終用戶通過(guò)局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)訪問(wèn)家居路由系統(tǒng)，在 WWW瀏覽器中設(shè)置家居路由設(shè)備工作參數(shù)，監(jiān)控其家居系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備狀態(tài)及察看控制結(jié)果，也避免為家居路由系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)去編寫(xiě)專(zhuān)用的GUI交互界面。在不同的儀器設(shè)備中的界面只需編寫(xiě)不同的HTML頁(yè)面，結(jié)合CGI技術(shù)就可以完成各種靈活、友好的交互功能了。對(duì)于CGI程序，我們進(jìn)行了軟件復(fù)用，特別是控制單元的部分，我們也添加到無(wú)線遙控器的控制功能中了，這樣只需要一個(gè)按鈕，就可以完成對(duì)家居系統(tǒng)的各個(gè)部分控制，從而構(gòu)造了一個(gè)舒適的、方便的而智能的家居系統(tǒng)。

　　模塊化軟件設(shè)計(jì)和高可裁剪性以及系統(tǒng)可配置性是Linux操作系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，我們?cè)诒鞠到y(tǒng)中保持了這些優(yōu)點(diǎn)。從圖一的以三星的 S3C4510微控器為核心的硬件組合到圖二的以mClinux操作系統(tǒng)為軟件核心的軟件結(jié)構(gòu)，每一個(gè)部分都是模塊化的，可裁剪的。在嵌入式系統(tǒng)中，除了價(jià)格的因素以外，系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)也是一個(gè)非常重要的因素。我們選擇了一個(gè)良好的操作系統(tǒng)，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)，減少了開(kāi)發(fā)難度和開(kāi)發(fā)周期。

　　結(jié)語(yǔ)

　　總之，本系統(tǒng)提供一個(gè)高性能，低價(jià)格，低功耗的智能家居路由，提供了管理家庭服務(wù)的各種功能應(yīng)用，也提供了高帶寬、高速率的網(wǎng)絡(luò)和相當(dāng)?shù)臄U(kuò)展靈活性及高可靠性，其兼容性良好。整個(gè)系統(tǒng)相對(duì)開(kāi)放穩(wěn)定，并具有良好的管理性，適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)目前及將來(lái)的發(fā)展，是一個(gè)高可用的方案。