1、硕士学位论文 I硕 士 学 位 论 文题 目:基于以太网的网络报警系统研究基于以太网的网络报警系统研究Dissertation Submitted to Hangzhou Institute of Electronics Engineering for the Degree of Master硕士学位论文 IIA Study on Alarm System for Network Based on Ethernet摘 要由于生活、生产的需要及通迅技术的发展，报警产品已由简单嵌入式报警装置发展至网络报警系统，其中包括通过电话网络的有线报警系统和通过无线发射的无线报警系统。随着宽带的普及和互联网技
2、术的进一步发展，基于互联网络的嵌入式网络报警系统由于具有传送信息量大、可实时远程监控等优点，正逐渐成为网络报警发展的新方向。本论文的研究课题正是在此背景下提出，开展的工作主要体现在三个方面：嵌入式系统、嵌入式实时操作系统、嵌入式网络系统。首先，本文通过对网络报警系统发展过程的探讨，引出嵌入式技术的最新发展方向：嵌入式实时操作系统和嵌入式网络系统。其次，对基于以太网的嵌入式报警系统进行分析，简单分析了硬件部分的各组成部件，详细分析了软件部分的实时操作系统和网络互联系统的实现方法，最硕士学位论文 II后给出了整个系统的框架。接着，在系统的实现时，对硬件部分只作了简单的介绍，着重点放在软件部分的嵌入
3、式实时操作系统 C/OS-和嵌入式网络互联之上。在详细分析了C/OS-工作原理的基础上，首先定制和裁剪出合适的 C/OS-内核，并实现其在 ARM 工作平台上的移植，再设计实现了符合本系统实际情况的多任务应用系统；在实现嵌入式网络互联时，首先分析其关键技术TCP/IP 协议，并针对本系统的工作特点，从中筛选出了一套精简、实用的利用 UDP 协议进行传输数据的协议族，并根据各协议的格式，按照网络数据流经的协议层，自下而上逐层进行编程实现；针对 UDP 协议传输数据时不能确保数据的准确到达，在传输双方的应用层设计了一种数据收发的确认机制，以弥补 UDP 协议的缺陷；另外，还设计了一套服务器端软件系
4、统，包括用户基于 UDP 协议访问、控制客户端的 UdpServer和基于浏览器查询客户端的 WebServer。最后，指出本论文的研究意义，同时分析论文的不足之处和其所具有的较为广阔的扩展应用方向。关键词： 嵌入式系统, 网络报警系统, 实时操作系统(RTOS) , 嵌入式网络技术 TCP/IP 协议ABSTRACTOwing to the need of living and production and the development of communication technology, alarm products have evolved from simple-embedded
5、 alarm devices to alarm system for network, which includes lineate alarm system based on telephone network and wireless alarm system by means of transmitter. With the popularization of broadband and the further development of Internet technology, the Internet-based embedded alarm system for network,
6、 featuring its great capability of information transmission and real-time monitor over long-distance, is leading the newly developing direction.In view of the above, this paper aims to probe into the following three aspects: 硕士学位论文 IIIembedded system, embedded Real-time OS and embedded network syste
7、m.Firstly, based on the discussion on the developing course of alarm system for network, the paper deduces the latest tendency of embedded technology: embedded Real-time OS and embedded network system.Secondly, this paper presents an analysis of the embedded alarm system based on Ethernet, in which
8、the hardware components are discussed briefly, the methods of realizing Real-time OS and network interlink system on software are expounded in great details, and thus the frame of the whole system is finally provided.Thirdly, in the aspect of the system implementation, this paper gives a brief intro
9、duction to the part of hardware and places more emphasis on the embedded Real-time OS C/OS- and network interlink on software. Based on the detailed analyses of the working principle of C/OS- , the appropriate C/OS- kernel is customized and cut out, then transplanted on the ARM work platform, and fi
10、nally the multitask application system according with this system is made out. In the aspect of implementing embedded network interlink, this paper analyzes the key technology-TCP/IP protocols and screens out a set of simple and practical protocols that transmit data by using UDP protocol. Then in t
11、he protocol layers through which the network data flows, the embedded network interlink is realized by programming from bottom to top layer according to the formats of protocols. In consideration of UDP protocols incapability of insuring right arrival of data, a confirming mechanism of data dispatch
12、ing and receiving is designed on the application layer of both transmission sides to make up the defects of UDP protocols. Furthermore, a set of server software system is designed, including UdpServer that accesses and controls the client based on UDP protocol and WebServer that queries the client b
13、ased on Browser.In the end, this paper points out the significance of the research，and analyzes the limitations of the paper and the extensive applied fields it bears.Key words: embedded system, alarm system for network, RTOS, Embedded network technology, TCP/IP protocols 硕士学位论文 IV目 录摘 要 .IABSTRACT.
14、II第一章 绪 论 .11.1 网络报警现状 .11.2 网络报警发展趋势 .21.3 嵌入式 Internet 报警技术的研究意义 .3第二章 以太网络报警系统关键技术分析 .42.1 嵌入式 Internet 系统概述 .42.2 网络报警硬件系统分析 .52.3 网络报警软件系统分析 .6第三章 硬件系统 .83.1 硬件系统构架 .83.2 硬件系统核心 ARM 处理器 S3C44B0X.93.2.1 ARM 结构微处理器特点 .93.2.2 ARM 微处理器 RISC 体系结构 .93.2.3 ARM 处理器工作模式 .103.2.4 S3C44B0X 特点 .103.3 硬件系统主
15、要接口芯片 .11第四章 嵌入式实时操作系统 C/OS-的移植与应用 .134.1 嵌入式操作系统标准 .134.2 嵌入式实时操作系统 C/OS-简介 .134.2.1 C/OS-任务管理 .144.2.2 C/OS-时间管理 .144.2.3 C/OS-任务之间通信与同步 .154.2.4 C/OS-内存管理 .164.3 C/OS- 的移植 .174.3.1c/os- 移植中的问题 .174.3.2 c/os- 移植中问题的处理 .174.3.3 c/os- 移植后的应用 .21第五章 网络互联的 TCP/IP 协议实现 .235.1 协议的分析与选择 .235.1.1 链路层协议的选择
16、 .235.1.2 网络层协议的选择 .245.1.3 传输层协议的选择 .255.1.4 整体选择方案确定 .265.2 TCP/IP 协议的框架设计 .275.3 链路层协议的实现 .305.3.1 ARP 协议概述 .305.3.2 ARP 协议编程实现 .33硕士学位论文 V5.4 网络层协议的实现 .345.4.1 网络层协议概述 .355.4.2 网络层各协议的实现 .385.5 传输层协议的实现 .405.5.1 UDP 协议概述 .405.5.2 UDP 的实现 .42第六章 服务器端软件 .446.1 服务器端总体构架 .446.2 UdpServer 设计 .446.3 W
17、ebServer 设计 .47第七章 结束语 .50致 谢 .52参 考 文 献 .53附录 .57杭州电子工业学院硕士学位论文 1第一章 绪 论本文研究在现有的宽带和互联网络资源下，利用嵌入式实时操作系统设计一套基于 ARM 的嵌入式以太网报警系统，以便用户可以通过互联网随时监控被监控对象。随着微处理器和微控制器性能提高、价格下降导致小型化的嵌入式控制系统广泛应用，并且由于网络技术的发展和 Internet 的普及，产生了广泛的研究和应用新领域，比如设备的远程诊断、远程维护、远程控制，组建智能家庭网络和个人网络，实现基于 Internet 网络的设备远程管理等。嵌入式系统和 Internet
18、 技术的结合，使非通用计算机系统的设备具有网络化、远程处理能力。本文所研究和实现的基于以太网络的报警技术正是这两种技术的结合。嵌入式技术和网络技术作为独立的技术都已发展的很成熟并已广泛应用。所以本论文的重点是对嵌入式系统与网络技术结合中有关的问题进行研究。1.1 网络报警现状近年来，有一个词频繁见诸于报端安防产业，即各种行业和人身、家居安全防范的产业。目前，我国安防从业企业已超过 1 万家，有 10 大类近百种安防产品已经广泛应用于居民小区和住宅。在中国安全防范产品行业“十五”发展规划中，确立了加快高科技安防产业发展的总体目标，指出了安防各领域发展的主要任务与方向。家庭安防产品中最主要的一项就
19、是报警产品，随着通迅技术的发展，报警产品已由原先的发出简单报警声和各种报警动作发展至网络报警，现有的国内外相应的家庭网络报警产品如：英国 MEMCO 公司的紧急报警设备 1、南韩吉爱斯可利亚公司的家庭安全报警设备 2、正格电子的电话网络报警系统 5、清华同方的无线防盗报警产品 8、安信阳光科技的彩信监控设备 9等诸多产品，相应的有关技术文献 10-21 也较多。这些家庭网络报警产品及相关技术文献所采用技术都是：在嵌入式系统中利用电话网络或无线网络，通过电话拨号到用户预先设定的号码方式或无线发送和接收形式进行报警。它们都具有以下优势：1、实现简单。大都采用 8 位、16 位单片机实现，再加上现有
20、的电话网络，由于两者的技术都已相当成熟，所以实现起来比较简单，产品也较成熟。2、价格便宜。8 位、16 位单片机已经非常普及大规模生产价格相当便宜，相应的外围集成电路也是如此，再加上电话网络的相关芯片集成度都不是很高，都已是通用多年的，因此没有含有太多的技术附加费，所以整个系统相对来说价格较低，只是不同系统具有不同的功能造成价格有偏差。杭州电子工业学院硕士学位论文 2随着社会的进步、技术的发展、生活质量的提高，用户对于安防产品的要求也逐步提高。所以原有的设备渐渐显示出其不足之处：1、不能进行双向交流。当用户接收到有警情时，不能通过远程网络立即对现场有关设备进行操控，以防止财产的进一步损失。只能
21、通过另外途径，通知相关人员或亲自赶赴现场。2、不能实时视频监控。不能实时传送现场监控录相，无法掌控现场的每一时刻情况。当然目前广泛用于金融系统的监控设备可以实现这一功能，但由于其系统庞大，需专用线路，价格昂贵，不适合用于普通家庭用户。3、不能传送大容量数据。利用电话网和无线网，只能即时传送少量数据，如数据量大，则传送时要耗费大量时间又易于出错。1.2 网络报警发展趋势中国安全防范产品行业“十五”发展规划 22中指出我国家居安全防范系统产品，按其产品功能分类，由出入口管理、周界报警、闭路视频监控、对讲与防盗门控、住户报警及巡更管理等基本单元组成。一体化的家用安全和自动化系统将是今后的发展趋势，如
22、入侵报警器和探测器、无线收发机和玻璃破碎探测器等。可以通过互联网和移动电话对家居状况进行智能监控并对家中设备实施远程控制。从中可以看出，从单纯的报警产品，发展到通过互联网和移动电话，对家居状况进行智能监控，并对家中设备实施远程控制是整个安防产品的主要发展方向。其中的重点是通过互联网进行智能监控和设备远程控制，在此网络报警只是作为智能监控中的一个功能来实现。基于互联网的嵌入式监控系统与其它嵌入式监控系统的比较，有以下优点：1、布控区域广阔。互联网的监控系统直接连入网络，没有线缆长度和信号衰减的限制，同时网络是没有距离概念的，彻底抛弃了地域的概念，扩展布控区域。2、系统具有几乎无限的无缝扩展能力。
23、所有设备都以 IP 地址进行标识，增加设备只是意味着 IP 地址的扩充。3、可组成非常复杂的监控网络。互联网的监控系统，在组网方式上与传统的模拟监控和基于 PC 平台的监控方式有极大的不同，由于采用统一的协议在网络上传输，支持跨网关、跨路由器的远程视频传输。4、性能稳定可靠，无需专人管理。互联网的监控系统直接连入局域网或广域网，即插即用，系统的实时性、稳定性、可靠性大大提高，也无需专人管理，非常适合于无人值守的环境。相对于其它安防产品，这一方面成熟的产品尚且不多：有瑞典 AXIS 公司基杭州电子工业学院硕士学位论文 3于 Internet/Intranet 技术的 AXIS 系列视频产品 23
24、、北京可视通电子技术的“守望者”MJPEG 网络视频监控系统 24、同天公司的“好望角”视频监控系统 25，但相应的研究文献 26-30却不少，说明了此技术正处于研究阶段，尚未广泛转化为成熟的产品。综上所述，以嵌入式和互联网络技术为基础的远程网络监控、控制技术，是整个安防产品的发展方向。网络报警作为安防产品之一，其发展的方向也应从传统的电话及无线网络转到互联网。但当实现网络监控后，网络报警就只能作为辅助功能，用于及时提醒用户注意监控现场的动态，配合网络监控和设备远程控制构成整个安防体系。在研究实现过程中，由于网络报警传送的数据量小、功能单一，易于我们进行研究实现，并作为进一步研究的基础。当实现
25、互联网上的网络报警之后，即可在此基础上增加其它功能，直至视频监控、远程控制的实现。1.3 嵌入式 Internet 报警技术的研究意义随着互联网在中国的发展，已有越来越多的家庭用户接入宽带。所以设计一套嵌入式 Internet 报警系统，充分利用现有的带宽和互联网络资源，便于用户通过互联网随时随地的了解被监控对象的情况，并进行简单的远程设备控制，是适应当前经济和技术发展形势的、也符合当前高生活质量下居民对自身居住环境安全保障提出的新要求。通过对这套系统的开发，为下一步实现视频监控乃至整个居民安防体系的形成作技术准备。嵌入式 Internet 技术就是实现嵌入式系统连接到 Internet 的技
26、术，要求嵌入式系统在软件上支持 TCP/IP 协议栈，实现有关的 Internet 通信协议；嵌入式Internet 技术的目标是将小型简单的低成本嵌入式系统连到 Internet，充分利用网络资源，实现更广范围的信息共享和更多类型的信息服务。过去嵌入式系统功能比较简单，采用汇编或 C 语言编写简单的任务循环程序就可达到性能要求。随着 32 位单片机的普及，应用系统的日渐宠大，在实时操作系统环境下开发嵌入式应用系统是必然的趋势。通过对这套系统的开发，熟练地掌握如何在实时操作系统环境下开发嵌入式应用系统、掌握嵌入式 Internet 的实现方法、以及掌握有关硬件芯片的实际应用。杭州电子工业学院硕
27、士学位论文 4第二章 以太网络报警系统关键技术分析嵌入式以太网络报警系统，是指嵌入式终端设备监测到的各种报警信号借助于以太网络进行传输，将本地报警数据传送至以太网内的任一地方，以太网可以是局域网、城域网、广域网。由于 Internet 是目前覆盖面最广、用户最多、应用最广泛的广域网，所以此类系统大多以嵌入式 Internet 系统来概括。2.1 嵌入式 Internet 系统概述嵌入式 Internet 系统，是指在一般的嵌入式系统中另外加上能实现 Internet 互联的网络部件，组成一个新的系统。由于此系统要求与以太网络互联，所以必须要实现 TCP/IP 协议，并且由于处理的信息量大对处理
28、器及存储系统要求也高，而且由于应用系统的复杂要求最好有操作系统的支持。鉴于此，此类系统须要涉及嵌入式系统、实时操作系统、嵌入式 TCP/IP 协议等三方面的内容。1、嵌入式系统（Embedded System）嵌入式系统被定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁减，适应对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统，嵌入式系统的基础使以应用为中心的芯片设计和面向应用的软件产品开发。典型的嵌入式系统由两部分组成：以微处理器（MPU）或者微控制器（MCU）为核心的硬件设计和基于嵌入式应用的实时操作系统（RTOS）的软件开发。嵌入式计算机系统在应用数量上远远超过了各种通用计算
29、机系统，一台通用计算机的外部设备中就包括了 510 个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显卡、网卡、打印机、扫描仪、数字相机、USB 集线器等均是由嵌入式处理器控制。制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。2、实时操作系统（Real- Time Operating System）嵌入式系统一般指非 PC 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器 /微处理器、存储器及外设器件和 I/O 端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件（OS） （要求实时和多任务操作）和应用程序。应用过程控制系统的运行和行为，而操作系统控制应用程序编程与硬件的交互。实时多任务操作系统（Real-Time Multitasking Operating System，缩略为RTOS）是嵌入式应用软件的基础和开发平台，它是一段嵌入在目标代码中的软件，用户的其它应用程序都建立在 RTOS 之上。RTOS 还是一个可靠性和可信性很高的实时内核，将 CPU 时间、中断、I/O、定时器等硬件资源包装起来，为用
