IPv6環(huán)境下信息家電系統(tǒng)網(wǎng)絡終端設計

　　1 概述
　　
　　所謂信息家電（IA—Information Appliance），也稱網(wǎng)絡家電，是指將微型計算機和通信技術融入到傳統(tǒng)的家用電器中，使之智能化并具有網(wǎng)絡終端的功能，可以隨時隨地獲取與處理信息。目前的信息家電產品大多是基于IPv4的，而IPv4面臨著地址資源緊缺的困境，下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議---IPv6的誕生彌補了這方面的不足。首先，它擴大了地址空間，使用128bit表示一個IPv6地址，可以保證家庭內的冰箱、空調等所有家電都擁有一個獨立的IP地址，而不必擔心地址不足的問題。其次，利用IPv6的地址自動配置功能，與網(wǎng)絡連接的每個裝置均可自動獲得IP地址，可以簡化家庭網(wǎng)絡的構建和IP地址的管理，降低用戶操作的難度。另外，IPv6全面支持IPSec安全協(xié)議，利用認證擴展報頭和加密擴展報頭可以提高網(wǎng)絡互連和訪問的安全性[1]。因此，在信息家電中引入IPv6將具有更為廣闊的前景，它必將對信息家電行業(yè)產生深遠的影響。
　　
　　本文給出了一種基于IPv6的信息家電系統(tǒng)網(wǎng)絡終端的軟、硬件設計方法。該方法以高性能的32位ARM核微處理器S3C2410為硬件平臺，通過移植嵌入式操作系統(tǒng)linux，并在配置操作系統(tǒng)內核時加入對TCP/IPv6協(xié)議棧的支持，然后在其上開發(fā)應用程序，實現(xiàn)了基于IPv6的信息家電網(wǎng)絡終端。
　　
　　2 信息家電系統(tǒng)結構
　　
　　信息家電系統(tǒng)一般由客戶機、交換機、網(wǎng)絡終端和家電控制器組成。其結構示意圖如圖1所示：

　　圖1  系統(tǒng)結構示意圖
　　
　　圖1中客戶機是遠程用戶和該系統(tǒng)的接口部分，任何一臺連入互聯(lián)網(wǎng)的PC機均可作為客戶機；網(wǎng)絡終端模塊接收來自網(wǎng)絡的控制信息并通過RS232串口與家電控制模塊通信；家電控制模塊連接家電的執(zhí)行機構，它接收來自網(wǎng)絡終端模塊的控制命令，并對家電進行操作。以上各模塊中，網(wǎng)絡終端模塊是信息家電系統(tǒng)的核心，它使家電接入IPv6網(wǎng)絡，并作為一個嵌入式Web服務器來響應客戶端的請求，完成控制數(shù)據(jù)在網(wǎng)口和串口之間的相互轉換。
　　
　　3 硬件設計
　　
　　本文所設計的網(wǎng)絡終端主要由ARM內核的微處理器模塊、存儲器模塊、串行口模塊、以太網(wǎng)模塊、電源管理和復位電路模塊、LCD及觸摸屏模塊和JTAG模塊幾部分組成。其結構示意圖如圖2所示。

圖2  網(wǎng)絡終端模塊示意圖
　　
　　其中微處理器模塊采用三星公司32位ARM9內核的微處理器S3C2410；存儲器模塊包括一片E28F640構成的8MB容量的16位NOR型Flash存儲器和兩片HY57V281620構成的32MB容量的32位SDRAM存儲器，F(xiàn)lash存儲器主要用于存儲操作系統(tǒng)內核、引導啟動代碼bootloader、根文件系統(tǒng)以及應用程序；以太網(wǎng)模塊選用8/16位以太網(wǎng)控制器DM9000AE；串行口模塊包括兩個異步串口，分別用于與家電控制模塊連接和用戶登錄系統(tǒng)；LCD屏采用夏普公司生產的256色、分辨率為320×240的STN液晶模塊LM057QC1T01；JTAG模塊用于下載操作系統(tǒng)的引導啟動代碼bootloader。
　
　　4 軟件設計
　　
　　S3C2410平臺上的軟件設計一般需要運行嵌入式操作系統(tǒng)。linux具有穩(wěn)定、源碼開放、網(wǎng)絡功能強大的優(yōu)點。因此本文選用linux作為操作系統(tǒng)。
　　
　　4.1 linux開發(fā)環(huán)境的建立

　　基于linux操作系統(tǒng)的應用開發(fā)環(huán)境一般由硬件目標板和宿主PC機構成。目標板用于運行操作系統(tǒng)和應用程序，而目標板所用到的操作系統(tǒng)的內核編譯、應用程序的開發(fā)調試則需要通過宿主機來完成，雙方通過串口或以太網(wǎng)接口建立連接關系。
　　
　　本系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境建立在運行Red Hat 9.0 linux的宿主機上，從網(wǎng)站下載并安裝交叉編譯工具鏈和linux源代碼包后就可以進行操作系統(tǒng)內核和應用程序的編譯、調試。
　　
　　4.2 配置內核
　　
　　目前IPv6的應用尚處于實驗階段，本文選用目前較新版本的內核linux 2.6.14，它可以很好的支持IPv6。
　　
　　為了使遠程用戶以IPv6訪問家電，本文選用開源的、支持IPv6和CGI的小型web服務器---mini_httpd,它可以很好的支持用戶的IPv6訪問，且編譯后的代碼體積很小。
　　
　　為了配置和測試IPv6網(wǎng)絡環(huán)境，需要有支持IPv6的配置工具，如ifconfig、ping、traceroute等。linux里自帶的網(wǎng)絡配置工具并不支持IPv6協(xié)議，因此需要重新編譯包含這些工具程序的源碼包，以確保其支持IPv6。本文選用的是busybox 1.1.2，它包含大多數(shù)支持IPv6的網(wǎng)絡配置工具，但體積卻很小。
　　
　　4.3 編寫CGI程序
　　
　　本文中客戶機與網(wǎng)絡終端間的信息交互，是利用公共網(wǎng)關接口(CGI)技術來實現(xiàn)的。CGI提供了客戶機與服務器交互的接口。通常，服務器響應客戶端請求后執(zhí)行相應的CGI程序，并把執(zhí)行結果返回給客戶端，從而實現(xiàn)了動態(tài)Web。編寫Web頁面代碼時，由ACTION屬性來指定服務器需要執(zhí)行的CGI程序，METHOD屬性指明客戶機提交數(shù)據(jù)的方法（POST或GET）。

　　CGI程序分為以下幾部分：①根據(jù)POST方法或GET方法從提交的表單中接收數(shù)據(jù)；②URL編碼的解碼；③用printf（）函數(shù)來產生HTML源代碼，并將經(jīng)過解碼后的數(shù)據(jù)正確地返回給瀏覽器。[2]
　　
　　由于本系統(tǒng)中網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，因此采用了較為簡單的get方法來提交Web頁面數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中網(wǎng)絡接口模塊和家電控制模塊之間采用串口通信，此串口對應linux下的設備文件：/dev/ttySAC1。完整的CGI程序流程圖如圖3所示。

圖3  CGI程序流程圖
　　
　　5  IPv6信息家電系統(tǒng)的組網(wǎng)及測試
　　
　　本文根據(jù)信息家電系統(tǒng)特點和要求組建了一個純IPv6環(huán)境的小型信息家電系統(tǒng)測試網(wǎng)絡，網(wǎng)絡拓撲結構與圖1類似，測試網(wǎng)絡沒有接入公網(wǎng)。
　　
　　它包括兩臺計算機、兩個HUB和冰箱、空調、風扇、洗衣機四種家用電器及其相應的網(wǎng)絡終端與控制電路。兩臺計算機中PC1安裝了Windows XP作為客戶端，PC2安裝了Windows Server 2003和雙網(wǎng)卡，并被配置為路由器，它用于為每個接入網(wǎng)絡的家電自動分配64位的IPv6路由前綴3FFE:FFFF:0:1::/64。兩臺PC機均配置IPv6協(xié)議，并且安裝了瀏覽器Firefox，這是因為目前的IE瀏覽器尚不支持IPv6訪問。
　　
　　各家電網(wǎng)絡終端均配置了由其MAC地址派生出來的64位IPv6接口標識符。以空調的網(wǎng)絡終端模塊為例：其MAC地址為00-60-35-01-c1-10，根據(jù)IEEE EUI-64格式，其IPv6接口標識符將為260:35ff:fe01:c110。當家電接入該測試網(wǎng)時，可以自動獲得由IPv6路由器PC2分配的64位IPv6路由前綴，這樣連同已有的64位接口標識符共同組成了每個家電全球唯一的128位IPv6地址。
　　
　　測試時，在PC1的瀏覽器里鍵入家電的IPv6地址后就可以進入相應的家電控制界面，用戶通過點擊按鈕可以對家電進行操作，家電執(zhí)行用戶命令后會把執(zhí)行結果回傳給瀏覽器。以訪問空調為例，在瀏覽器里輸入空調的IPv6 地址http://[3ffe:ffff:0:1:260:35ff:fe01:c110]得到其操作界面，如圖4所示，用戶通過點擊相應按鈕可以對家電進行控制。

圖4  IPv6信息家電操作界面
　　
　　6 小結
　　
　　本文對IPv6在信息家電中的應用進行了探索，設計了一個基于IPv6的信息家電網(wǎng)絡終端。在IPv6局域網(wǎng)環(huán)境下，用戶可以通過網(wǎng)絡實現(xiàn)對家電的控制，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。該方法具有一定實用價值。
　　
　　本文作者創(chuàng)新點：設計了基于ARM和Linux的IPv6環(huán)境下的信息家電系統(tǒng)網(wǎng)絡終端
　　
參考文獻

[1]  張瑾,顧軍. IPv6在信息家電中的應用[J]. 計算機與信息技術，2005；10(9)

[2]  劉國梅,鄭安平. uClinux下動態(tài)Web技術的實現(xiàn)方法[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)，2004；10(2)

[3]  周遜. IPv6--下一代互聯(lián)網(wǎng)的核心[M]. 北京：電子工業(yè)出版,2004

[4]  栗大超，宋光德，靳世久.嵌入式系統(tǒng)的Internet互連技術[J].微計算機信息, 2003；13(12）

[5]  李駒光,聶雪媛等. ARM應用系統(tǒng)開發(fā)詳解--基于S3C4510B的系統(tǒng)設計[M]. 北京：清華大學出版社, 2003

[6]  O’Reilly Taiwan譯. 構建嵌入式LINUX系統(tǒng)[M]. 北京：中國電力出版社,2004