Linux总线驱动的智能网关设计

摘要

　　随着经济的飞速发展，科技水平不断提高，智能家居和物联网的产品深入每个家庭。智能家居系统主要应用于住宅中，其组成可分三大部分即综合布线部分、智能网关部分、异构网络部分。在智能家居系统中智能网关处于核心地位，因此对家庭的网关的研究意义非凡重大。目前智能家居领域中存在的问题主要是：1.

　　没有标准的协议进行支持，使得其工业化与信息网络化进程受到制约；2.在通信协议技术不断发展的今天，未来使用不同协议接入网关的产品将会越来越多，而目前的发展现状是多协议支持的情况并不是特别理想；3.对于不同协议设备之间的通信，没有一套很好的解决方案，对于异构协议之间通信需要从设计上选择合适的硬件平台、操作系统，这使得网关的成本和性能差异较大。本文针对智能家居产品设计的现状，提出了总线--设备--驱动的设计思路来设计智能网关的驱动程序，并针对设计进行了可行性测试。按照该设计，可以提高智能网关的拓展性，同时网关基于驱动层中，使得网关程序成为 linux 驱动的一部分，同时使用驱动的方式可以为应用程序编程提供一套统一的接口，使得网关开发变得更加便捷。

　　针对这一设计方式，本文首先对物联网及智能家居的概念与发展现状进行了阐述。然后对网关设计的关键性技术进行了介绍。随后通过三个方面介绍网关驱动的设计，它们分别是网关框架设计、网关框架实现、网关框架测试。网关框架设计中提出了三层设计模型，他们分别是核心层、设备层、适配器层，这三层设计基于 linux 中总线设备驱动模型的概念来实现的。随后分别介绍了总线层、设备层、核心层的实现方式。在提出理论框架后，在理论的基础上提出了网关框架的实现方式，并以 linux 操作系统作为软件平台，OK6410 开发板作为硬件平台分别实现 LED 设备程序和串口设备程序来实现网关框架。最后在进行网关框架的测试。本文通过这两种设备实时性的测试数据来进一步说明网关设计的可行性。

　　最后总结论文的主要工作，并阐述相关创新性与后续可以进行的进一步工作。

　　关键词：智能家居；智能网关；linux；设备模型；设备驱动

Abstract

　　With the rapid development of economy, science and technology level unceasing enhancement, intelligent household and IOT into each family of products. Smart home system is mainly used in residence, its composition can be divided into three parts namely, integrated wiring, intelligent gateway, heterogeneous network part. In smart home systems, intelligent gateway in a core position, the study of family gateway is particularly significant meaning. In the introduction, in this paper, the intelligent gateway was reviewed first, and then on to a review on research status at home and abroad. The problems existing in the field of intelligent household at present is mainly: 1. There is no standard protocol support, makes the process of industrialization and information network is in control. 2. Today, with the constant development of communication protocol technology, future use of different protocol access gateway products will be more and more, and now is the development status quo of multiprotocol support is not very ideal. 3. For the communication between different protocols equipment, does not have a very good solution, from the design for communication between heterogeneous agreement need to choose the appropriate hardware platform, operating system, which makes the cost of the gateway and the differences in performance. According to this article designed to improve scalability intelligent gateway, while the gateway layer based on the drive, so the gateway program become part of linux driver while using driven approach provides a unified interface for application programming, so development becomes the gateway even more convenient.

　　In response to this design approach, this article describes IOT and intelligent home concept and development status at first. Then the key technology gateway design techniques needed are introduced, following by introduction gateway driven design through three aspects, they are the gateway frame design, the gateway framework implementation and the gateway frame test. Gateway framework proposed a three-tier model. They are the core layer, the device layer, and the adapter layer. The implementation of this three-tier model is based on the concept of linux bus device driver model. so we introduce the bus layer, the device layer, the core layer implementations as follow. After presentation of the theoretical framework, the article proposed the implementation of the gateway. And then using Linux operating system as the software platform and OK6410 development board as the hardware platform to achieve LED device driver and serial port equipment program for gateway framework. Finally, during the test gateway framework, this paper is both devices real-time test data to further illustrate the feasibility of the design of the gateway.

　　Finally, the paper summarizes the main work, and explains further work-related innovation and subsequent can perform.

　　Keywords: Intelligent home; intelligent gateway; linux; device model; Device Driver

　　随着经济和社会的发展以及科技对生活的改变，人们开始追求信息、安全、便捷的居家生活环境。1984 年美国联合科技公司(United Techologies Buildingsystem)在美国康乃迪克州哈特佛市的 City Place Bullding 中首次融入建筑设备信息化、整合化概念，出现了首栋的智能型建筑，从此开启了智能家居系统发展的时代。智能家居系统(Smart Home)是以住宅为平台，利用计算机技术、嵌入式技术、传感器技术、网络通信技术以及自动控制技术等将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境[1]。

　　智能家居系统是个多功能的系统集成，一般可分成基本功能系统和扩展功能系统。目前，普遍认同的基本功能系统必须包括：智能家居系统中央控制管理系统、家居照明控制系统、家庭安防系统。扩展系统包括:家居布线系统、家庭网络系统、背景音乐系统、家庭影院与多媒体系统、家庭环境控制系统等。和普通的住宅相比,智能家居系统一般具有如下特征[2]：

　　1)家庭中具备完善的、综合的安保防灾措施和生活服务的智能控制器；2)家庭与小区及社会具有高度的信息交互能力；3)家庭内部具备完善的安保措施、全面的设施监控管理和信息化的服务管理；4)为家庭提供多媒体信息服务；智能家居的概念是由美国首先提出的，它是一个高效的家庭居住和家庭日常事务管理应用系统，它可以自动管理和监控家电设备，监控家庭安全环境，提供危险报警等，建立起一个舒适、高效和安全的生活环境。它的发展融合了信息技术与艺术完美结合的趋势，形成了一个用人文融合艺术和科学技术的技术理念。

　　目前在国内智能家居的发展相对滞后，在 1990 年代后期我国才进入智能家居时代，但其迅速崛起也正说明了智能家居时代来临了。

　　构建一个智能家居系统需要三个重要的组成部分，它们分别为综合布线系统、家庭网关和异构家庭网络系统。家庭网关作为智能家居系统的核心组件，这个概念最初是在上世纪 90 年代由信息产业协会提出的[3]，这是一种家庭网络接入设备，它的主要功能是负责建立一个家庭网络使得一个家庭通讯设备连接到家庭网络和互联网，以实现家庭设备可以共享互联网服务。家庭网关的存在使得家庭网络屏蔽了彼此的异构性、通信协议之间的转换不同的协议转换，使智能设备可以相互通信。家庭网关解决了不同通信协议的网络在智能家居平台的使用，因此，网关的作用其主要表现在两个方面：一方面，屏蔽底层网络设备的异构性，使得内部网络设备之间无缝集成，实现不同通信协议之间的转换和数据转发。另一方面，内部设备终端管理和控制的操作，将底层数据传到上层应用中去。同时建立一个连接家庭设备内部和外部网络的通道。

　　总之,作为住宅网关有多种通信接口的智能家庭网络接口设备。它是家庭控制网络的核心设备，通过各种网络协议访问来自不同外部公共网络信息与接收控制信号，然后再利用家庭局域网将信号传输特定的设备，同时将设备状态返回到外部远程终端以实现远程监控。从功能方面看，一方面，屏蔽了底层的具体协议，实现不同网络之间的无缝衔接和数据交互；另一方面，负责家庭网络系统和家用设备运行管理和控制功能。从技术上讲，家庭网关主要做家庭网络通信路由、地址管理、协议转换和承担防火墙等责任[4]。家庭网关作为核心的控制网络系统，在构建家庭和家庭网关设备具有较高的理论研究价值和应用前景。目前国内外市场存在许多网关产品，较为成熟的家庭网关品牌包括思科、华为、TP-LINK、D-LINK、中兴通讯等公司。但这些公司的智能网关的硬件和软件平台上都有一些局限性，网关的硬件和软件平台与资源相对有限，基本上都属于特定的网关,接入网类型单一。与此同时，价格太高、硬件和软件升级困难导致消费群体有限，很难普及。其次，因为网关的设计是公司的商业秘密，网关平台应用程序的开发还属于公司机密，不轻易释放，使其他人很难实现网关的硬件和软件系统的升级。这在一定程度上也限制了住宅网关的发展。

　　目前，由于没有统一的家庭控制网络通信协议标准，家用设备使用不同的硬件通信介质和网络通信协议，阻碍了家庭网络的信息化和智能化过程。这使得形成一套完整的智能家庭网络成为障碍。为了解决现有的家庭网关的智能家居系统的应用不足，国内外许多研究学者从不同的角度对智能网关进行了各项研究，由于本文正是研究了家庭网关和设计，因此对家庭网关的近期研究成果进行总结和分析。

网关框架设计

注销过程

设备驱动层流程图

LED 测试实验实物图

开发板连接串口线一端

串口调试助手输出结果

目录

　　摘要
　　Abstract
　　目录
　　第一章 绪论
　　　　1.1 引言
　　　　1.2 智能家居发展现状综述
　　　　　　1.2.1 智能网关概述
　　　　　　1.2.2 国内外智能网关现状
　　　　1.3 研究目的及意义
　　　　1.4 论文结构
　　第二章 Linux总线设备驱动模型理论
　　　　2.1 Linux 设备与驱动
　　　　　　2.1.1 Linux 设备文件
　　　　　　2.1.2 Linux 驱动程序
　　　　2.2 Linux 总线设备驱动模型
　　　　　　2.2.1 Linux 设备模型
　　　　　　2.2.2 设备模型底层结构
　　　　　　2.2.3 kset、kobject 关系
　　　　2.3 Platform 子系统
　　　　2.4 本章小结
　　第三章 基于 linux 总线驱动智能网关的设计分析
　　　　3.1 网关框架设计
　　　　　　3.1.1 智能网关框架模型
　　　　　　3.1.2 设计理论依据
　　　　　　3.1.3 驱动框架优点
　　　　3.2 总线核心层设计
　　　　3.3 适配层设计
　　　　3.4 设备层设计
　　　　3.5 本章小结
　　第四章 基于 linux 总线驱动智能网关的实现
　　　　4.1 平台介绍
　　　　　　4.1.1 硬件平台
　　　　　　4.1.2 软件平台
　　　　　　4.1.3 设计实现
　　　　4.2 简单 I/O 支持
　　　　　　4.2.1 软件设计
　　　　　　4.2.2 程序编译
　　　　　　4.2.3 模块加载
　　　　　　4.2.4 测试应用程序
　　　　　　4.2.5 实验现象及结果
　　　　4.3 串口设备支持
　　　　　　4.3.1 软件设计与程序编译
　　　　　　4.3.2 测试应用程序
　　　　　　4.3.3 实验现象及结果
　　　　4.4 本章小结
　　第五章 性能测试
　　　　5.1 性能测试要点
　　　　5.2 strace 工具
　　　　　　5.2.1 strace 介绍
　　　　　　5.2.2 strace 编译与使用
　　　　5.3 实时性测试
　　　　　　5.3.1 测试方法
　　　　　　5.3.2 LED 设备实时性测试
　　　　　　5.3.3 串口设备实时性测试
　　　　5.4 本章小结
　　第六章 总结与展望
　　　　6.1 工作总结
　　　　6.2 创新内容
　　　　6.3 进一步的工作
　　参考文献
　　攻读学位期间取得的研究成果
　　致谢

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