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嵌入式资讯网系统平台设计与实作

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1 嵌入式资讯网系统平台设计与实作张国基、奕安、咏新,杨翔斌、魏志颖国台科技大学电子工程系摘要嵌入式系统(Embedded Systems) 但充满在我们的日常生活中、而且扮演著重要的角色.传统的嵌入式系统为独作业平台的装置, 具备网际网线及组态介面的设定功能,其应用范围受到相当大的限制.随著网际网(Internet) 应用的普及,具有可上资讯网的(Web-enabled) 的嵌入式系统之需求日渐殷.本研究的主要目的即为设计一个以网服务(Web Services)为基础的嵌入式ARMLinux资讯网平台,以补足传统嵌入式平台在网上的足,并提供系统晶片 SoC) 整合内容之考.藉由此平台所提供的网设备,我们可以使嵌入式系统装置线上网,达到远端资讯存取及组态设定功能.为验证此嵌入式平台之可用性,我们使用开原始放码(open source)软体,实作一个低成本高效能家庭保全系统.使用者可在任意计算平台,设定家中的保全系统态、并由远端接收监控资讯.
关键词:嵌入式系统,网服务,ARMLinux,系统晶片.
1.简介具线能的嵌入式系统虽然为我们带少之处,但嵌入式系统各自发展独的接协定,使得设与别人同的接协定就无法跟另一方沟通.使用特殊接协定也使得通讯管道被防火墙阻隔、无法进接.分散式物件服务著名的CORBA及DCOM,其重新建构一新的结方式,想要与CORBA,DCOM的发展者必须先有与CORBA和DCOM 结的能,因此发展者必须放弃自己所设计的接协定.在程式发展上,原先所使用的程式语言、必须为CORBA,DCOM所支援才能继续使用,这使得部份发展者被迫放弃原先的程式语言.加上CORBA与DCOM彼此相容、这样的服务共享代价实在是太高.而升阳公司所提出的Jini架构,虽然使用简单的Java RMI技术并整合CORBA,在分散式物件服务上呼声极高,但在软体的发展上却限制使用Java语言、违背分散式物件服务多语言、多平台发展的初衷对嵌入式系统的多项设计设下多的限制,具实用价值.目前、大部分的嵌入式系统在网际网的接上, 采简单且轻巧的HTTP(Hypertext Transport Protocol)协定.Web-based的网服务在嵌入式系统相当容达成,也是目前所有嵌入式系统所采取的方案.Web-based的网服务虽然有能解决质平台问题,但相较丰富的远端物件存取功能,Web-based的网服务在分散式物件服务就显得相当足.用XML(eXtensible Markup Language)标记语言、而建构在Web-based的网服务之上的网际服务(Web Services),统合所有分散式物件服务.嵌入式系统大多使用Web-based的网服务,为Web Services在嵌入式系统建深厚的发展根基.深入家庭的Web Services嵌入式系统,将可以与目前现有的商业Web Services系统形成一个无接缝的巨型服务网, 生活的每一天.
2.相关研究由於ARM的低耗电高效能特性,以及Linux的开放原始码、高移植性(portability) 等优点、使用ARMLinux做为系统平台者极为普遍.但是许多系统平台并没有考虑到嵌入式系统的资源限制.万明[12]选用的ARMLinux其kernel
2 及Ramdisk需2.5M位元组(Byte, 简称B) 以上,对一个要兼顾成本的嵌入式系统而言、将是一个沉重的负担.以Web为基础的嵌入式系统之实作以美国UCSC Montague等人[5[6]所研发的Javacam最具代表性,其平台选择一个客制的结合TCPIP程式等、总共需要45KB的记忆体,而加上Java Virtual Machine (JVM)共需2MB以上的庞大记忆体.再者、Java的执速慢,进较为复杂的应用,性能将大为低,同时Java执所需的时间较长,功消耗跟著大为增加.泉[13]使用Web Services 实做一个PDA上的资撷取系统,但是却延袭旧有的HTML(HyperText Markup Language)文件作为传递资的方式,没有配合XML的优点抽出新闻稿的华,他使用回圈的方式把HTML的标记抽丝剥茧,最后得到所要的子.反观直接使用XML标记语法就可以除这些困扰,从自定的标签中我们可以快的得到所要的子.虽然它号称采用Web Services但却无法善用XML 做讯息的传递,反而采用较死板的HTML 取代XML,适合在网服务使用.张楷等人[14]的网化自动贩卖机使用Jini,发展环境完全使用Java语言、无法符合真正跨平台,跨语言的要求.他们选用的硬体平台:aJile 100 EVB,其执环境为pure Java,还必须将JVM移植到嵌入式平台上,使整个软体系统变得很大,而且JVM是属直译式作业平台,系统执的效是较差的,进较为复杂的应用,性能将大为低.彭仕钧[15]等使用CORBA,并没有达到真正跨平台.CORBA难以跟其他的中介(middleware)沟通,限於特殊的协定, 适合质平台的整合,而且硬体平台使用工业电脑建置,在成本及功消耗上将大打折扣.
3.1嵌入式作业系统的选择我们选用Linux作业系统,主要是因为Linux
能符合我们下的需求:(1) Linux可以免费或以低的价格取得;(2) Linux是以开放原始码的形式释出、我们可以调整Linux以完全符合本应用特殊的记忆体及通讯介面需求;(3) Linux支援的硬体元件相当多;(4)强健且完善的网协定;(5)完整且价的发展工具[7.Linux是一个符合POSIX标准的核心、应用程式具备平的移植性.在硬体系统还未建置完成前、先透过符合POSIX标准的桌上型(desktop)Linux进应用程式的开发,之后再进核心移植的工作.在此同时,可以寻找符合POSIX标准的程式加速软体的开发,以达到软体硬体同时开发的目的.虽然使用Linux需要付出root file-system约500KB的代价[11,但档案系统有助於组态资的储存,提高系统存取资的效,以方系统组态及设定的实现[7.因此,Linux必须使用档案系统才能运作的特性,反而使得上述的优点无需额外的软体就得以实现,这是其他的嵌入式作业系统所缺少.减少系统软体对记忆体的需求,将有效的低硬体建置的复杂与成本,有助於SoC的发展.为达到这个目的,我们选定uCLinux作为作业系统核心、uCLinux对记忆体的需求,仅需500KB[11,并且可以保有所有Linux的通讯能.
3.2处器的选择虽然家庭监控事务所需的计算高,但所监控的项目却颇为繁杂.因此,一般8位元单晶片微控制器是无法胜任的,加上系统有可能进一些智慧型的控制,需要一个32位元单晶片微控器才能达到较好的效果.此外,家庭监控事务项目繁多,硬体的介面自然相对增多,过多的额外电,将在成本优势上大打折扣,所以高整合周边电的32位元SoC是本系统最佳的选择,硬体平台的比较如表(一).平台PC-based单晶片微控器本系统成本极高较低较低体积较大较小较小耗电与散热极高较低较低整合性难以整合难以整合整合较高稳定性较低较高较高网际网具备无具备表(一) 本系统与其他硬体平台的比较32-bit RISC架构的CPU是最能符合体积小,高效能,与低耗电需求的最佳选择.本系统选择以ARM作为嵌入式处器,ARM的核心是以矽智产(Silicon Intellectual Property, SIP) 方式授权给多家半导体厂商,我们可挑选以ARM为核心且符合系统需求的高整合系统晶片.此外,ARM的SIP品质管控相当严谨,所以在进核心移植时,遇到的问题会比较少,使得软体硬体的开发工作可以同时进、必担心将把软体移植到硬体时,会有软硬体相容的情形发生[3.在这些考下,ARM是在使用Linux核心下的最好选择.
3.3嵌入式软体的考客户端发展环境区分成具可移动性多用途的手持装置(如PDA), 具可移动性的网际网系统平台(如PC).这种发展环境与家庭监控系统间的沟通,使用者的性,皆是设计上的考
.
1. 一致的通讯协定-Web Services 系统间的沟通,往往因为大相迳庭的平台,资库软体等、造成资讯通的困难.开启一个socket做为传送资讯的通讯协定,除会受到防火墙的限制,当需要整合同平台或元件模型时,这样的作带许多困扰,每个应用系统可能使用同的接埠(port) 或程式呼叫方式,於是我们需要一个标准化的通讯协定,让系统使用并传送这些封装的资讯.家庭监控系统,PC与PDA三种同的平台, 只使用HTML 文件作为传递资的方式,并适於家庭监控系统与PC,PDA间互动,复杂的资传递.XML在质系统之间,其格式简单,对於各型的资能加以描述,做为资讯交的各大小系统上,只须结合XML的解析器, 可使用共通的描述语言达到资讯传递的目的.於是我们选用Web Services做为三种质性平台(家庭监控系统,PC与PDA)间的沟通协定,如图(一).图(一) 以XML做为平台间沟通协定
2. PC端毋须安装任何软体Java applet在网页间具有优的互动性,且具有跨平台,安全性高等优点.因此,以Java applet作为嵌入式系统的组态介面是极佳的选择.嵌入式系统平台本身需支援JVM,Java applet可以由Web server透过网际网传递给client端,藉由任意具可移动性计算平台的浏览器即可执.而且、藉由Java applet可建Web Services 接,提供客户端与伺服端间的互动机制.至於控制嵌
4 入式系统平台与受控装置间通讯的程式,则宜选用Linux CC语言、以准地控制整个系统,节开发时间与记忆体的需求并提升系统性能[1.采用Java applet,使用者只需要安装Webbrowser, 可以在任一平台上远端监控家庭事务.当客户端线至伺服器时,Java applet才被下载至客户端并且执.整个下载及执的过程,使用者只知道自己开启一个网页,完全感受到系统已经安装能接取伺服器服务的软体.
3. PDA的软体设计因为频宽,成本,安全性以及方性的考、使用PDA的远端监控,并适合使用下载,并提供以XML为基础的Web-based架构.我们选择C进远端监控程式的开发,只要使用Pocket PC系统的PDA 可以顺执远端监控.
4. 设备间的通讯方式家庭自动化及监控系统日重要、许多硬体介面标准续提出、包括X.10,IUSB等、是相当优的介面, 过,这些介面有实体布线及成本高昂的缺点.无线及低成本且可容纳各种特殊通讯协定的介面,是较为适宜於家庭监控系统. 芽(Bluetooth)正好符合无线的特性,而且芽的Profile让发展者自由定义通讯方式及服务形式,将有助於家庭监控系统与家中各式各样的装置进沟通及结.如图(二)、家庭控制器用芽微网(Bluetooth Pico net)装置间各种同的通讯方式.
3.4系统软体控制程使用者使用PC或PDA监控家中的情况,首先要上家中homer controller进帐号密码的登与确认,接著才能控制家电设备,如图(三).家庭控制器收到使用者的资(命) 后, 会遵循与受控装置通信的协定,将使用者需求的命透过芽介面或其他的协定传给受控装置[4,如图(四)、图(五).图(二) 家庭装置透过芽微网与系统接图(三) 使用者操作程
5 图(四) 家庭控制器运作程一图(五) 家庭控制器运作程二
4.系统实作在客户端,我们实作出种同的发展环境、一种是具可移动性的手持装置(如PDA),另一种是常的PC.系统的动作可以区分为一般控制,灾害与突发况应变.系整体架构如图,实际硬体装置如图(七).PC端使用者登画面如图(八)、PDA使用画面如图(九).图硬体设计架构图图(七) 实际硬体装置图(八) PC端使用者登入画面
6 图(九) PDA使用画面
4.1 一般受控装置一般装置控制内容、如表(二).受控装置接收到家庭控制器的资(命)后,即进组态工作,并传回结果给家庭控制器.系统运作后,摄影机监控画面如图(十)、仓储室受控实况如图(十一).受控组态动作描述仓储室可远端得知目前家庭用品的存空调系统感测室温,自动开启,暖器装置洒水器定时洒水电系统关闭、开启电源监视器远端监控家中的情况窗户关闭窗户表(二) 一般控制内容与动作描述图(十) 摄影机监控画面图(十一) 仓储室受控实况
4.2 灾害与突发况灾害与突发况应变方式如表(三)、反应程如图(十二).当窗户被侵入者打开、此时系统会启动警,藉以引起附近住户的注意,并以手机
7 简讯的方式通知外出的主人、家中情况危急,如图(十三)、且向警察局通报发现可疑份子. 迟迟没有得到主人的回应简讯,则系统会断以手机响的方式警告主人.事件感测装置家庭监控系统应变通报主人方式通报单位陌生入侵窗户被打开警大响手机简讯主人、警察局电线走火浓烟警示器启动洒水器启动,关闭瓦斯主人、消防单位、警察局有感地震地震感测关闭瓦斯,电器设备瓦斯外泄一氧化碳警示器启动关闭所有电器设备,瓦防单位意停系统突然断电取消电子钥匙功能表(三) 灾害与突发况应变图(十二) 灾害与突发况反应程图(十三) 系统以简讯方式通知主人家中情况
4.3 电子钥匙开启家中大门的动作需要相当高的安全机制,才能避免网骇客入侵家庭监控系统开启家门.打开家中大门,必须先透过网际网启始芽进与家庭监控系统点对点的接,如图(十四).之后,以DES加密传出今天开门的密码给家庭监控系统,如图(十五)、密码验证无误后,家
8 门就可以打开、如图(十).开门密码会以有专门用加密开门密码的DES primary key加密后后, 同传输使用的DES primary key一起存在PDA中、使用者无须记忆任何的密码资讯.开门用的密码及传输使用的DES primary key是有时效性的,使用者在出门前必须进新的动作,否则无法通过密码验证.图(十四) PDA向系统提出开门要求图(十五) 资传递过程中以DES加密图(十) 开启大门DES加密使用的钥(primary key)每天变,并维持一定的,加密过的资就会轻被破解.家庭监控系统产生每天的开门密码中加入无效的混淆位元、让有心撷取资的闯入者、能用明文法破解密码、使开门的动作能够加安全. 芽的高速随机跳频(frequency hopping)技术增加的难,资传输过程中并配合使用次DES加密,在多重安全机制的保护下,如图(十七)、则开门的密码在传输中遭到窃取,如此,使用者就可在极高安全性的开门系统下,放心使用无线的摇控开门,实际操作画面如图(二十).图(十七) 多重安全机制图(十八) 以PDA取代实体开门用的钥匙
5.结本次研究的主要目是要建构出一个可靠高,成本低,且具可跨平台特性的嵌入式资讯网系统平台,在系统发展的过程中、我们探讨出适
合於嵌入式系统的发展环境:ARMLinux平台,并运用Web Services整合质平台的发展环境.在系统制作中、所有软体采开放式架构,兼具功能及成本的弹性,也避免入封闭的软体架构的限制.硬体方面,系统可以选择的硬体平台几乎是受限制的,透过Linux的移植、我们自发展的软体无须改写就可以顺在同的硬体平台继续执.综合上述,我们的系统有以下几个
特色:1. 使用上, 需安装任何软体,2.跨平台,
3.使用一致的通讯协定,4.低成本及丰富的效能,
5.高扩充性,6.支援多种硬体及标准,7.开放式的软硬架构,8.方SoC实,9.资讯家电的发展原型及框架.考文献[1] Mitchell Bunnell, Mixing Java andCinEmbedded Systems, Available in the site of:
[2] Peter Doudley, Beyond the Embedded WebServer, Available in the site of:dley.html[3] Steve Furber , ARM 1st Ed, [4] Craig Hollabaugh, Embedded Software, and Interfacing, Indianapolis[5] Javacam: Trimming Javadown to size, IEEE Internet Computing, Vol2,No
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[12]万明,ARMLinux上建构具服务品质保证之网环境、国成功大学工程科学研究所硕士文,民89.
[13] 泉、以Web Services为基础之PDA智慧型网页撷取技术,国虎尾技术学院资讯工程系硕士文,民92.
[14]张楷政旺郑炯,网化自动贩卖机的设计与实作,大同大学资讯工程系硕士文,民91.
[15]彭仕钧胡竹生,分散式物件网中即时影像传输系统的设计与实现,国交通大学电机与控制工程学系硕士文,民89.

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