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1、. 畢業(yè)設(shè)計(jì)<論文> 題目 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居系統(tǒng) 學(xué)院<全稱> 信息科學(xué)與工程學(xué)院 專業(yè)、年級(jí) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)09級(jí) 學(xué) 生 姓 名 學(xué)號(hào) 指 導(dǎo) 教 師 論文評(píng)閱人 XX交通大學(xué) 2013年 前言 既互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之后,物聯(lián)網(wǎng)作為一個(gè)信息技術(shù)綜合應(yīng)用的代名詞,掀起信息產(chǎn)業(yè)第三浪潮,大國紛紛將其納為重點(diǎn)領(lǐng)域,顯而易見,它將影響到政治,軍事,經(jīng)濟(jì),環(huán)境等方方面面,必在未來極大地改變?nèi)藗兊纳睢? 物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分。其英文名稱是"The internet of things"。顧名思義,"物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)"。這里包括兩層意思：第

2、一,物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng),它是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)；第二,其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物體與物體之間,進(jìn)行信息交換和通信。因此可總結(jié)出,物聯(lián)網(wǎng)的定義是：通過射頻識(shí)別〔RFID、光電感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器信息傳感設(shè)備,按約定的協(xié)議,把任何物體與互聯(lián)網(wǎng)相連接,進(jìn)行信息交換和通信,以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。 物聯(lián)網(wǎng)上部署了海量的多種類型傳感器,每個(gè)傳感器都是一個(gè)信息源,不同類別的傳感器所捕獲的信息內(nèi)容和信息格式不同。傳感器獲得的數(shù)據(jù)具有實(shí)時(shí)性,按一定的頻率周期性的采集環(huán)境信息,不斷更新數(shù)據(jù)。其目的是實(shí)現(xiàn)物與物、物與人,所有的物品與網(wǎng)絡(luò)

3、的實(shí)時(shí)連接,方便識(shí)別、管理和控制。其在2011年的產(chǎn)業(yè)規(guī)模超過2600億元人民幣,行業(yè)競爭將會(huì)越來越激烈。在市場應(yīng)用方面,2011年從整體來看,占據(jù)中國物聯(lián)網(wǎng)市場主要份額的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)橹悄芄I(yè)、智能物流、智能交通、智能電網(wǎng)、智能醫(yī)療、智能農(nóng)業(yè)、智能環(huán)保和智能家居等。本文研究的是基于物連網(wǎng)技術(shù)的智能家居系統(tǒng)。 "智能家居",又稱智能住宅,是通過采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和綜合布線技術(shù),建立一個(gè)由家庭安全防護(hù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)和家庭自動(dòng)化系統(tǒng)等組成的家庭服務(wù)與管理集成系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)全面、安全、舒適的居住環(huán)境以及便利的通訊網(wǎng)絡(luò)家庭住宅。把與家庭生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合在一起統(tǒng)一管理,使生

4、活舒適、安全、和高效,具有良好的發(fā)展前景。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和物質(zhì)生活水平的提高,人們對(duì)家居生活環(huán)境的要求也越來越高。家居不再是生活起居的場所,同時(shí)也是休閑、娛樂的地方。目前,高科技技術(shù)已經(jīng)融入智能建筑當(dāng)中,智能的概念也不斷得到深化和更新。建設(shè)部要求根據(jù)不同消費(fèi)者的需求,推動(dòng)家居數(shù)字化、建筑智能化,產(chǎn)品便利化的發(fā)展,未來智能家居市場潛力巨大。 智能家居是一個(gè)多功能的系統(tǒng),它包括可視化對(duì)講、家庭內(nèi)部的安全防范、家電遠(yuǎn)程監(jiān)控,遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷及護(hù)理系統(tǒng),網(wǎng)上教育系統(tǒng)、家庭影星系統(tǒng)等。智能家居的基本目標(biāo)是將家庭中各種信息相關(guān)的通信設(shè)備、家用電器和家用安防等裝置連接到一個(gè)智能化系統(tǒng)上進(jìn)行集

5、中或異地監(jiān)視、控制和家庭事務(wù)性管理,并保持這些家庭設(shè)施與住宅環(huán)境的和諧與協(xié)調(diào)。隨著人類的應(yīng)用需求和住宅智能化的發(fā)展,智能家居系統(tǒng)將擁有更豐富的內(nèi)容,系統(tǒng)也越來越復(fù)雜,功能也越來越齊全。 在當(dāng)前市場中,智能家居相比傳統(tǒng)家居、建材行業(yè)所占的市場份額還是微乎其微。在目前的智能家居市場中不少企業(yè)均是發(fā)展項(xiàng)目與渠道建設(shè)并行發(fā)展,其中項(xiàng)目合作占據(jù)著相當(dāng)重要的位置,這些項(xiàng)目往往也是定位相對(duì)高端的別墅、復(fù)式樓和大戶型高檔小區(qū)住宅居多。隨著信息技術(shù)和Internet技術(shù)的飛速發(fā)展,智能家居技術(shù)在實(shí)現(xiàn)成本上大幅度降低,同時(shí)人們永不停步地追求生活智能化和舒適化,如果技術(shù)更加成熟、成本更加低廉,功能更加完美,其市場

6、需求將會(huì)非常巨大。 目錄 摘要I ABSTRACTII 第1章緒論1 1.1 智能家居的簡介1 1.2 國內(nèi)外的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)2 1.2.1 國外的發(fā)展現(xiàn)狀2 1.2.2 國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀3 1.3 本課題研究的目的和意義4 1.4 本課題研究的基本內(nèi)容4 1.5 本章小結(jié)5 第2章系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)6 2.1 系統(tǒng)需求分析6 2.1.1 系統(tǒng)功能需求分析6 2.1.2 性能需求分析6 2.1.3 用戶界面及其他需求分析6 2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則7 2.3 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)7 2.4 系統(tǒng)主要硬件介紹8 2.4.1 ARM處理器8 2.4.2 TC35模

7、塊10 溫度傳感器11 2.4.4 MQ-2煙霧傳感器12 光電傳感器13 2.4.6 ISD1760語音芯片14 繼電器15 2.5 軟件系統(tǒng)介紹15 2.5.1 幾種嵌入式操作系統(tǒng)的比較15 2.5.2 選擇嵌入式操作系統(tǒng)的依據(jù)17 2.6 本章小結(jié)19 第3章建立Linux開發(fā)環(huán)境20 3.1 搭建開發(fā)環(huán)境20 3.1.1 安裝虛擬機(jī)、Linux操作系統(tǒng)、源代碼及其他工具20 3.1.2 建立交叉編譯環(huán)境20 3.1.3 配置網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)NFS21 3.2 嵌入式軟件開發(fā)層次21 3.2.1 BootLoader介紹22 3.2.2 定制Linxu內(nèi)核2

8、2 3.2.3 根文件系統(tǒng)23 3.3 本章小結(jié)24 第4章系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)25 4.1 GSM遠(yuǎn)程控制模塊的實(shí)現(xiàn)27 4.1.1 mini2440串口的配置和實(shí)現(xiàn)27 4.1.2 通過串口發(fā)送短信28 4.2 溫度采集模塊的實(shí)現(xiàn)29 4.3 煙霧傳感器模塊的實(shí)現(xiàn)32 4.4 具有語音提示功能的密碼鎖防盜模塊的實(shí)現(xiàn)34 4.5 預(yù)防小孩墜樓模塊37 4.6 本章小結(jié)39 第5章系統(tǒng)測試40 5.1 整體界面測試40 5.2 模塊功能測試41 5.2.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控家電模塊功能測試41 5.2.2 密碼鎖防盜模塊功能測試43 5.2.3 煙霧報(bào)警模塊功能測試43 5.

9、2.4 預(yù)防小孩墜樓模塊功能測試44 第6章總結(jié)與展望45 6.1 總結(jié)45 6.2 展望46 致謝47 參考文獻(xiàn)48 35 / 42 . 摘 要 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起和發(fā)展,不僅改變了我們的工作方式、也逐漸地改變我們的生活方式。不僅要求辦公自動(dòng)化、智能化,也需要家居生活逐漸地變得自動(dòng)和智能起來。智能家居就是在這樣的背景下產(chǎn)生的。智能家居系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)、嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將各種家用設(shè)施通過家庭網(wǎng)絡(luò)連接到一起,從而為人們提供更為便利舒適的生活環(huán)境。 本設(shè)計(jì)利用32位嵌入式ARM處理器S3C2440作為智能家居控制系統(tǒng)的核心控制器,運(yùn)用高性能、接口豐富、方便移植與擴(kuò)展

10、性好等優(yōu)點(diǎn),并且利用嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、資源豐富等優(yōu)勢(shì),將嵌入式技術(shù)作為智能家居控制器的開發(fā)平臺(tái),使智能家居控制系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)能夠變?yōu)樵谇度胧狡脚_(tái)上的二次開發(fā),從而縮短開發(fā)周期,并且節(jié)約資源。 該設(shè)計(jì)通過對(duì)智能家居系統(tǒng)的分析,確定了總體架構(gòu)設(shè)計(jì)。針對(duì)智能家居系統(tǒng)的特點(diǎn)和所要實(shí)現(xiàn)的基本功能,分析了智能家居控制器的基本結(jié)構(gòu),然后對(duì)各個(gè)模塊電路進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。最終利用人體紅外傳感器、GSM模塊、溫度傳感器、光電傳感器,煙霧傳感器,繼電器等,結(jié)合電

11、路組裝成系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)房屋的遠(yuǎn)程監(jiān)控,以及保護(hù)人員、物體的安全,方便用戶隨時(shí)在最短的時(shí)間內(nèi)了解并掌握房屋情況。 關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng),智能家居,遠(yuǎn)程監(jiān)控 . ABSTRACT The rise and development of the Internet of things technology, especially highlydeveloping of computer and networking technologies, not only change oureveryday work, but also ourlife. Automation and intelligence i

12、n office will notenough, it’s a trend to ask for more intelligent everywhere, home life included.That is why smart house come out.The smart home system is using computer and network communication, embedded system technology will all kinds of household facilities via home network connection together,

13、 so as to provide more convenient and comfortable life for people. We utilize the 32-bit embedded ARM processor S3C44B0X as thecontrolling core of the smart home system in this paper. It has characteristics ofhigh performance, plentiful interfaces and convenient transplantation andextension. And a

14、lso we adopt embedded technology as the platform of the smarthome controller owing to its high real-time ability, high reliability and richresourses. Thus the application of smart home system becomes the secondarydevelopment on the embedded platform so that the developing period is cut downand resou

15、rce is saved. This design through the analysis of the intelligent household system, determine the overall architecture design. According to the characteristics of the intelligent household system and to achieve the basic functions, the basic structure of smart home controller are analyzed, then has

16、 carried on the detailed design to each module circuit, the final body using the human body infrared sensor, GSM module, temperature transmitter, photoelectric sensor, smoke sensors, etc. combining with the circuit assemble system, realize the remote monitoring of the building, as well as to protect

17、 the safety of personnel, objects, convenient to the user at any time in the shortest possible time to understand and grasp housing situation. Keywords:Internet of things, Smart home, Remote control . 第1章 緒 論 隨著人們生活水平的提高,電子技術(shù),通信技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的日趨完善,家居智能化相應(yīng)也就出現(xiàn)在了人們的生活中。它既能給我們營造了溫馨舒適、安全便捷的生活環(huán)境,還能夠?qū)译娫O(shè)備

18、進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控以及管理,當(dāng)家庭安全問題出現(xiàn)后還能及時(shí)給我們相應(yīng)的警報(bào)。智能家居系統(tǒng)是將大大小小的各種家用電器以及家庭安全保護(hù)設(shè)備通過有線或無線的方式連接起來,可以進(jìn)行集中或遠(yuǎn)程的監(jiān)控、管理,為家庭住宅環(huán)境的安全提供了高效的管理方式。與普通的家居相比,智能家居不僅包括了普通家居的全部功能,更重要的是它提供給了我們溫馨快樂,且安全高效的高質(zhì)量生活環(huán)境,還將一個(gè)看似靜止的生活空間變成了一個(gè)有一定高智能的生活小幫手,更加進(jìn)一步優(yōu)化了我們的生活質(zhì)量。 1.1智能家居的簡介 智能家居系統(tǒng)的概念起源于上世紀(jì)70年代的美國[1],隨后,傳播到歐洲、日本等國并且得到了很好的發(fā)展。在我國,智能家居這一概念推廣較

19、晚,約在90年代末家居智能化系統(tǒng)才得以進(jìn)入國內(nèi),但發(fā)展速度驚人,至今已存在相當(dāng)數(shù)量的智能化小區(qū)及住宅。 所謂智能家居〔Smart Home是現(xiàn)代電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)及通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它是以家為平臺(tái),兼?zhèn)浣ㄖ?、自?dòng)化,智能化于一體的高效、舒適、安全、便利的家居環(huán)境。自動(dòng)化的智能家居不再是一幢被動(dòng)的建筑,相反,成了幫助主人盡量利用時(shí)間的工具,使家庭更為舒適、安全、高效和節(jié)能。 智能家居是現(xiàn)代社會(huì)最熱門的話題之一,它的目標(biāo)是通過網(wǎng)絡(luò)等信息通信技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)對(duì)家居電器等的智能控制,使其能夠按照人們的設(shè)定工作運(yùn)行,而不論距離的遠(yuǎn)近。智能化與遠(yuǎn)程控制是智能家居的兩大特點(diǎn)。目前,已經(jīng)有越來越多的機(jī)構(gòu)

20、和個(gè)人開始了對(duì)智能家居進(jìn)行研究 。 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,特別是無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)化智能家居系統(tǒng)可提供遙控、家電〔空調(diào),熱水器等控制、照明控制、室內(nèi)外遙控、窗簾自控、防盜報(bào)警、電話遠(yuǎn)程控制、可編程定時(shí)控制及計(jì)算機(jī)控制等多種功能和手段,使生活更加舒適、便利和安全。 它能夠自動(dòng)控制和管理家電設(shè)備,對(duì)家庭環(huán)境的安全進(jìn)行監(jiān)控報(bào)警,并且能夠?yàn)樽籼峁┌踩孢m、高效便利的學(xué)習(xí)生活及工作環(huán)境。家居智能化系統(tǒng)將家庭中各種與信息相關(guān)的通信設(shè)備、家用電器以及家庭保安裝置通過有線或無線的方式連接起來,并進(jìn)行集中或異地的監(jiān)控、管理,保持家庭住宅環(huán)境的舒適、協(xié)調(diào)。 1.2 國內(nèi)外的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 智能家居的

21、發(fā)展分為三個(gè)階段[2]： 首先是家庭電子化〔Home Electronics階段,這個(gè)時(shí)期主要是面向單個(gè)的電器,家庭電器之間并沒有形成網(wǎng)絡(luò),亦沒有大的聯(lián)系。 其次是住宅自動(dòng)化〔Home Automation階段,這個(gè)時(shí)期是面向功能的階段,一部分的家庭電器之間形成了簡單的網(wǎng)絡(luò),主要是為了實(shí)現(xiàn)某個(gè)特定單一的功能,例如單一的自動(dòng)抄表功能。 最后是家居智能化〔歐洲稱為Smart Home,美國稱為Wise House階段,這個(gè)時(shí)期是面向系統(tǒng)設(shè)計(jì)的階段,系統(tǒng)通過家庭分布總線把住宅內(nèi)各種與信息相關(guān)的通信設(shè)備、家用電器、報(bào)警裝置并到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行集中的監(jiān)控、管理,保持家電與環(huán)境的協(xié)調(diào),提供生活、工作、

22、學(xué)習(xí)以及娛樂的各種優(yōu)質(zhì)服務(wù),營造一種溫馨舒適的家庭氛圍。 智能家居控制系統(tǒng)提供高效、舒適的家居環(huán)境,確保住戶的生命財(cái)產(chǎn)安全；集中或遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)家居環(huán)境的溫度、濕度以及風(fēng)的速度等,同時(shí)檢查空氣成分,提高空氣質(zhì)量；調(diào)節(jié)音響,電視等娛樂設(shè)施,愉悅心情；合理利用太陽能活周遭環(huán)境的變化,盡可能的節(jié)約能耗,達(dá)到合理利用資源；提供現(xiàn)代化的通信、信息服務(wù)。 1.2.1 國外的發(fā)展現(xiàn)狀 1984年,世界上第一幢智能建筑在美國康涅迪格州落成,這棟意義非凡的建筑只是對(duì)一座舊式大樓的一定程度的改造而完成的。它只是采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)大樓的空調(diào)、電梯、照明等設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控,并提供語音通信、電子郵件、情報(bào)資料等方面的信息服務(wù)

23、。2000年,新加坡有近30個(gè)社區(qū)的約5000戶家庭采用了這種家庭智能化系統(tǒng),而美國的安裝住戶高達(dá)4萬戶。2003年,網(wǎng)絡(luò)化家居的建設(shè)帶來了高達(dá)4500億美元的市場價(jià)值,這其中有3700億美元是智能家電硬件產(chǎn)品的價(jià)值,剩余的部分則是軟件和技術(shù)支持服務(wù)的費(fèi)用?，F(xiàn)在,國外的智能家居系統(tǒng)技術(shù)己日趨成熟,預(yù)計(jì)今年,50%以上的新房將具有一定的"智能型家居"功能。于此同時(shí),由于技術(shù)的日益標(biāo)準(zhǔn)化,這些新型智能家居系統(tǒng)將比比爾.蓋茨耗資6000萬美元的高端別墅便宜得多。 在智能家居系統(tǒng)研發(fā)方面,美國及一些歐洲國家一直處于領(lǐng)先地位。近年來,以美國微軟公司及摩托羅拉公司等為首的一批國外知名企業(yè),先后擠身于智能

24、家居的研發(fā)中。例如:微軟公司開發(fā)的"夢(mèng)幻之家"、摩托羅拉公司開發(fā)的"居所之門"、IBM公司開發(fā)的"家庭主任"等均已日趨成穩(wěn)。此外,日韓新等國的龍頭企業(yè)紛紛致力于家居智能化的開發(fā),對(duì)家居市場更是躍躍欲試。 目前市場上出現(xiàn)得智能家居控制系統(tǒng)主要有： 〔1X-10系統(tǒng)〔美國,該系統(tǒng)是利用電力線作為網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),采用集中控制方式實(shí)現(xiàn)。這套系統(tǒng)的功能較為強(qiáng)大,與其它家居控制系統(tǒng)如ABB、C_BUS等比起來更容易接收,使用也相對(duì)簡單。因?yàn)閷?shí)現(xiàn)同樣的功能,X-10家居控制系統(tǒng)是利用220v電力線將發(fā)射器發(fā)出的X-10信號(hào)傳送給接收器從而實(shí)現(xiàn)智能化的控制,因此采用這套系統(tǒng)不需要額外的布線,這也是這套系統(tǒng)的最大

25、的一個(gè)優(yōu)勢(shì),因?yàn)槠渌到y(tǒng)基本上都需要布低壓線,在墻上或地面開槽、鉆孔,施工難度大、費(fèi)用高、工期長。但由于缺乏在國內(nèi)市場推廣的條件且價(jià)格昂貴,該系統(tǒng)在國內(nèi)應(yīng)用極少。 〔2EIB系統(tǒng)〔德國,該系統(tǒng)采用預(yù)埋總線及中央控制方式實(shí)現(xiàn)控制功能。但由于其工程要求復(fù)雜嚴(yán)苛,并且價(jià)格較高,因此一直無法打開國內(nèi)市場。 〔38X系統(tǒng)〔新加坡,該系統(tǒng)采用預(yù)處理總線跟集中控制方式來實(shí)現(xiàn)功能。它的優(yōu)點(diǎn)在于利用的產(chǎn)品對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展,系統(tǒng)較為成熟,比較適合中國國情。但是由于系統(tǒng)架構(gòu)、靈活性及產(chǎn)品價(jià)格等方面還難以達(dá)到要求,所以目前在國內(nèi)還較少應(yīng)用。 1.2.2國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀 20世紀(jì)90年代后期,我國的智能小區(qū)日益興起

26、。眾所周知,我國的智能化住宅建設(shè)最早起于上海、XX和XX等沿海城市,并逐漸向內(nèi)陸發(fā)展[3]。在97香港回歸之際,在建設(shè)部"97跨世紀(jì)住宅小區(qū)案競賽活動(dòng)"中,上海中皇廣場被建設(shè)部科技委員會(huì)列為全國首家"智能住宅示范工程",揭開了全國智能小區(qū)發(fā)展的序幕。1999年,建設(shè)部勘察設(shè)計(jì)司、建設(shè)部住宅產(chǎn)業(yè)化辦公室聯(lián)合組織實(shí)施全國住宅小區(qū)智能化技術(shù)示范工程,標(biāo)志著我國住宅小區(qū)智能化進(jìn)入了一個(gè)新階段。隨著信息化走進(jìn)了千家萬戶,由國家經(jīng)貿(mào)委牽頭成立了家庭信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)委員會(huì),而信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系研究及產(chǎn)品開發(fā)已經(jīng)被列為了國家技術(shù)創(chuàng)新的重點(diǎn)專項(xiàng)計(jì)劃。據(jù)建設(shè)部要求,截止今年,我國將有70%以上的家庭擁有Internet

27、入網(wǎng)設(shè)備,大中城市中50%的住宅要實(shí)現(xiàn)智能化。 我國的智能家居相對(duì)于國外起步較晚, 尚未形成一定的國家標(biāo)準(zhǔn)。目前,主要采用國外的一些技術(shù)產(chǎn)品,但也有一些企業(yè)推出了自己的產(chǎn)品,主要有： 〔1e家庭〔海爾,該系列產(chǎn)品以海爾電腦作為控制中心,各種網(wǎng)絡(luò)家電作為終端設(shè)備,海爾移動(dòng)電話作為移動(dòng)數(shù)字控制中心。海爾在技術(shù)上同微軟合作,利用微軟的Windows Me技術(shù)和海爾的網(wǎng)絡(luò)家電,使"e家庭"已具雛形,已推出了網(wǎng)絡(luò)洗衣機(jī)、網(wǎng)絡(luò)冰箱、網(wǎng)絡(luò)空調(diào)、網(wǎng)絡(luò)微波爐等一系列網(wǎng)絡(luò)家電。 〔2e-home數(shù)字家園〔清華同方,該智能家居控制系統(tǒng)是專門針對(duì)中國家庭設(shè)計(jì)的,遵循國際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),采用嵌入式軟、硬件技術(shù),提供網(wǎng)絡(luò)

28、、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及末端設(shè)備。產(chǎn)品以功能模塊開發(fā)為主,基于國外成熟的智能家居標(biāo)準(zhǔn)之上。其智能家居控制系統(tǒng)主要有以下三個(gè)部分： A系列：遵循EIB協(xié)議的家庭控制產(chǎn)品,適用于中高檔住宅區(qū)。 B系列：遵循X-10協(xié)議的家庭控制產(chǎn)品,適用于中檔住宅區(qū)。 易家三代：配電箱集中安裝式家庭控制產(chǎn)品。 國內(nèi)各大軟、硬件機(jī)構(gòu)正在積極的研制、開發(fā)更為符合市場的智能化家居設(shè)備,以解決當(dāng)前智能化產(chǎn)品實(shí)用性差、使用復(fù)雜及產(chǎn)品價(jià)格昂貴等缺點(diǎn),而技術(shù)創(chuàng)新性也逐步向國際先進(jìn)水平靠攏,這樣的未來值得期待。 1.3 本課題研究的目的和意義 根據(jù)前面提到的一些調(diào)查結(jié)果及數(shù)據(jù)可以看出,雖然目前智能家居系統(tǒng)有了一定的發(fā)展,并且市場

29、上也開始出現(xiàn)相應(yīng)的產(chǎn)品,但從總體的發(fā)展來看,不容樂觀,特別是統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和權(quán)威產(chǎn)品的缺乏嚴(yán)重影響了家居智能化的發(fā)展。隨著科技的提高,經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人們的物質(zhì)生活水平的提高,對(duì)家居環(huán)境的要求也越來越高,作為家居智能化的核心部分——智能家居控制系統(tǒng)也越發(fā)顯得重要。家居智能化控制的開發(fā)和建設(shè)是未來國家、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì)[4]。 智能家居控制器可以為系統(tǒng)提供智能控制方案,使住戶的控制更便捷,更高效,更能為家庭的日?；顒?dòng)節(jié)約不必要的能耗。而且在現(xiàn)在這個(gè)注重綠色環(huán)保的世界里,智能地為住戶控制好空氣的濕度、溫度等,檢查分析空氣成分,讓住戶安心入住。同時(shí),智能家居控制器可以根據(jù)住戶的要求調(diào)整方案,加強(qiáng)緊急處理,

30、危機(jī)救護(hù)等急救控制,充分達(dá)到只要是"用戶想要的,就是我們追求的"宗旨。 1.4 本課題研究的基本內(nèi)容 本次設(shè)計(jì)是基于ARM9的S3C2440核心處理器,以Linux嵌入式系統(tǒng)為家居總中心監(jiān)控系統(tǒng),使用Linux Qt完成控制程序及人機(jī)界面的編寫,采用ds18b20溫度傳感器、MQ-2煙霧傳感器、光電傳感器為數(shù)據(jù)采集源,采用西門子公司的AT35GSM模塊完成通信及監(jiān)控功能,實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控、實(shí)時(shí)監(jiān)控家居溫度、空氣質(zhì)量,以及家居重要財(cái)產(chǎn)防盜的功能。 1.5 本章小結(jié) 本章主要分析了智能家居的研究背景,以及國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì),以及智能家居平臺(tái)系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)。最后簡單介紹了本智能家居系統(tǒng)

31、的基本內(nèi)容和設(shè)計(jì)思路。 第2章系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì) 2.1系統(tǒng)需求分析 針對(duì)國內(nèi)市場的實(shí)際情況分析,消費(fèi)者對(duì)遠(yuǎn)程抄表和物業(yè)管理興趣索然,但是對(duì)家電控制、家居安防報(bào)警網(wǎng)絡(luò)卻情有獨(dú)鐘,所以目前眾多企業(yè)都往這一方向發(fā)展。而嵌入式技術(shù)在最近幾年得到了廣闊的發(fā)展[5]。嵌入式處理器的性能得到了顯著地提高,這就為以嵌入式為基礎(chǔ)的智能化家居系統(tǒng)的發(fā)展奠定了硬件基礎(chǔ),使較復(fù)雜的檢測和識(shí)別算法在系統(tǒng)中得到應(yīng)用。在軟件方面,出現(xiàn)了豐富的支持嵌入式設(shè)備的軟件,使嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)的難度降低,出現(xiàn)了大量專注于嵌入式的企業(yè),使嵌入式開發(fā)中能得到良好的技術(shù)支持。同時(shí)智能化家居的概念也更加明確,相關(guān)的智能化技術(shù)得到了顯著

32、地發(fā)展,使開發(fā)能獲得大量先進(jìn)的資料。 設(shè)計(jì)本智能家居系統(tǒng),需要滿足以下需求。 2.1.1 系統(tǒng)功能需求分析 〔1能用手機(jī)通過收發(fā)短信的方式檢測家電,打開、關(guān)閉家電的工作狀態(tài)。 〔2在家居的門口安裝了4*4鍵盤,當(dāng)用戶輸入正確的密碼可以把門打開,用戶通過其他非法手段比如撬開鎖時(shí),系統(tǒng)及時(shí)啟動(dòng)報(bào)警模塊,達(dá)到防盜的功能。 〔3能實(shí)時(shí)測量家居內(nèi)溫度、煙霧情況,當(dāng)室內(nèi)煙霧濃度偏高時(shí),系統(tǒng)可以打開室內(nèi)抽風(fēng)機(jī)把室內(nèi)有害氣體抽出室外,當(dāng)室內(nèi)煙霧濃度過高,系統(tǒng)啟動(dòng)火災(zāi)報(bào)警模塊,提示家居主人預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生。 〔4當(dāng)有小孩靠近窗戶時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)把窗戶關(guān)上,避免小孩可能發(fā)生墜樓的危險(xiǎn),當(dāng)小孩離開時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)

33、把窗戶打開。 2.1.2 性能需求分析 智能家居系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí),幾乎每時(shí)每刻都在運(yùn)行,必須高度重視系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,盡量提高系統(tǒng)的容錯(cuò)能力,同時(shí)一定要保證系統(tǒng)安全,性能良好。 2.1.3 用戶界面及其他需求分析 智能家居相關(guān)的設(shè)備都是跟人們生活息息相關(guān)的,因而智能家居系統(tǒng)必須要求用戶界面友好,用戶體驗(yàn)效果良好,并且使用戶可以很容易掌握操作流程,同時(shí)要求實(shí)用、舒適和有個(gè)性等。 2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則 智能家居又稱智能住宅,它的最基本目的是為人們提供一個(gè)舒適、安全、高效、方便、實(shí)用的生活環(huán)境。對(duì)智能家居產(chǎn)品來說,最重要的是應(yīng)立足于客戶的對(duì)家居環(huán)境的具體需求,以實(shí)用為核心,摒棄掉那些

34、華而不實(shí)的功能。同時(shí)還要充分考慮到用戶體驗(yàn),注重操作的便利化和直觀性,注重完美的圖形化控制界面。智能家居系統(tǒng)大部分時(shí)間都在運(yùn)行,必須高度重視系統(tǒng)的安全性、可靠性和容錯(cuò)能力,保證系統(tǒng)正常安全使用、質(zhì)量、性能良好,具備應(yīng)付各種復(fù)雜環(huán)境變化的能力。 根據(jù)目前國內(nèi)外智能家居系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀,人們不僅關(guān)注家居內(nèi)部控制,更加注重對(duì)家用電器內(nèi)部情況進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。在要求智能家居控制系統(tǒng)方便快捷的同時(shí),還要求產(chǎn)品外觀小、功耗低、成本低和擴(kuò)展性號(hào)的特點(diǎn)。本系統(tǒng)主要針對(duì)用戶家庭內(nèi)部進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,主要實(shí)現(xiàn)的功能有：通過遠(yuǎn)程監(jiān)控家電運(yùn)行情況、通過溫度、煙霧傳感器檢測家居溫度、空氣質(zhì)量的情況,通過光電傳感器監(jiān)控家庭重

35、要財(cái)產(chǎn),具有防火防盜的功能。 2.3系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì) 本課題旨在設(shè)計(jì)一套智能家居系統(tǒng),根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求,本控制系統(tǒng)采用分布式控制方式對(duì)智能家居的各部分進(jìn)行統(tǒng)一控制,主要包括遠(yuǎn)程監(jiān)控家電 <包括臺(tái)燈、風(fēng)扇> 部分,具有語音提示功能的密碼鎖防盜部分,窗戶自動(dòng)關(guān)窗預(yù)防小孩墜樓部分,煙霧濃度監(jiān)測自動(dòng)報(bào)警部分。各個(gè)模塊相互獨(dú)立,某個(gè)模塊出現(xiàn)故障不影響其他模塊運(yùn)行。本智能家居系統(tǒng)整體架構(gòu)框圖如圖2.1所示。 圖2.1智能家居系統(tǒng)整體架構(gòu)框圖 該智能家居系統(tǒng)用S3C2440處理器,控制器控制遠(yuǎn)程監(jiān)控家電模塊,檢測溫度、煙霧模塊,密碼鎖模塊等。在實(shí)際開發(fā)中先在ARM Linux中編寫每個(gè)模塊的驅(qū)動(dòng)程

36、序,編譯加載驅(qū)動(dòng)后應(yīng)用層方能操作硬件模塊,手機(jī)通過收發(fā)短信的方式通過應(yīng)用層程序與硬件模塊通信達(dá)到控制硬件的目的。 2.4系統(tǒng)主要硬件介紹 2.4.1 ARM處理器 嵌入式系統(tǒng)常用的處理器有單片機(jī)和ARM,由于考慮到單片機(jī)引腳少、功能簡單以及后續(xù)學(xué)習(xí)研究等原因,故選擇功能更強(qiáng)大的ARM處理器[6]。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,ARM處理器經(jīng)歷了包括ARM7、ARM9、ARM11等在內(nèi)的多個(gè)發(fā)展階段,不斷成熟的ARM處理器的應(yīng)用必將為嵌入式的發(fā)展帶來新的活力,是更高端的產(chǎn)品應(yīng)用成為可能。 Mini2440ARM是一款真正低價(jià)實(shí)用的ARM9開發(fā)板,它采用Samsung S3C2440為微處理器,并采

37、用專業(yè)穩(wěn)定的CPU內(nèi)核電源芯片和復(fù)位芯片來保證系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性。它采用了更多的晶體管,能夠達(dá)到兩倍以上于ARM7處理器的處理能力。 本系統(tǒng)初期采用友善之臂公司集成的mini2440開發(fā)板,開發(fā)板硬件資源如下所示。 圖2.2 開發(fā)板硬件資源 開發(fā)板的硬件資源包括： ? Samsung S3C2440A處理器： n 主頻400MHz,最高533Mhz。 ? SDRAM內(nèi)存： n 在板64M SDRAM,32bit數(shù)據(jù)總線,SDRAM 時(shí)鐘頻率高達(dá)100MHz。 ? FLASH 存儲(chǔ)： n 256M Nand Flash, 掉電非易失。 n 在板2M Nor Flash,掉電非

38、易失,已經(jīng)安裝BIOS。 ? LCD顯示： n 板上集成4線電阻式觸摸屏接口,可以直接連接四線電阻觸摸屏, 支持黑白、4級(jí)灰度、16級(jí)灰度、256色、4096色STN液晶屏,尺寸從3.5寸到12.1寸。 n 屏幕分辨率可以達(dá)到1024x768象素,支持黑白、4級(jí)灰度、16級(jí)灰度、256色、64K色、真彩色TFT液晶屏；尺寸從3.5寸到12.1寸,屏幕分辨率可以達(dá)到1024x768象素。 n 標(biāo)準(zhǔn)配置為統(tǒng)寶3.5 真彩LCD,分別率240x320,帶觸摸屏。 ? 接口和資源： n 1個(gè)100M以太網(wǎng)RJ-45接口<采用DM9000網(wǎng)絡(luò)芯片> 。 n 3個(gè)串行口。 n 1個(gè)U

39、SB Host 。 n 1個(gè)USB Slave B型接口。 n 1個(gè)SD卡存儲(chǔ)接口。 n 1路立體聲音頻輸出接口,一路麥克風(fēng)接口。 n 1個(gè)2.0mm間距10針JTAG接口。 n 4 USER Leds 。 n 6 USER buttons<帶引出座> 。 n 1個(gè)PWM控制蜂鳴器。 n 1個(gè)可調(diào)電阻,用于AD模數(shù)轉(zhuǎn)換測試。 n 1個(gè)I2C總線AT24C08芯片,用于I2C總線測試。 n 1個(gè)2.0 mm間距20pin 攝像頭接口。 n 板載實(shí)時(shí)時(shí)鐘電池。 n 電源接口<5V>,帶電源開關(guān)和指示燈。 n 系統(tǒng)時(shí)鐘源： n 12M無源晶振。

40、? 實(shí)時(shí)時(shí)鐘： n 內(nèi)部實(shí)時(shí)時(shí)鐘〔帶后備鋰電池 。 ? 擴(kuò)展接口： n 1個(gè)34 pin 2.0mmGPIO接口。 n 1個(gè)40 pin 2.0mm 系統(tǒng)總線接口。 ? 規(guī)格尺寸： n 100 x 100 。 ? 操作系統(tǒng)支持： n Linux2.6.32.2 + Qtopia-2.2.0+QtE-4.6.1<獨(dú)創(chuàng)雙圖形系統(tǒng)共存,無縫切換> 。 n WindowsCE.NET 6.0。 2.4.2TC35模塊 TC35是西門子公司出的一款雙頻900/1800MHZ高度集成的GSM模塊。在GSM網(wǎng)絡(luò)日臻完善的今天,它易于集成,可以在較短的時(shí)間內(nèi)花費(fèi)

41、較少的成本開發(fā)出新穎的產(chǎn)品。在遠(yuǎn)程監(jiān)控和無線公話以及無線POS終端等領(lǐng)域您都能看到TC35無線模塊在發(fā)揮作用。 本系統(tǒng)采用TC35對(duì)家電進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控,TC35的主要特征如下： ? 信息傳送內(nèi)容：語音和數(shù)據(jù)。 ? 電源：單電源 3.3V ～ 5.5V 。 ? 頻段：雙頻GSM900MHz 和 DCS1800 MHz 。 ? SIM 卡連接方式：外接。 ? 天線：由天線連接器連接外部天線。 ? 短信息：MT, MO, CB 和 PDU 模式。 ? 音頻接口：模擬信號(hào)〔麥克風(fēng),耳麥,免提手柄。 ? 通訊接口：RS232〔指令和數(shù)據(jù)的雙向傳送。 ? 模塊復(fù)位：采

42、用AT指令或掉電復(fù)位。 ? 串口通訊波特率： 300bps...115kbps 。 要實(shí)現(xiàn)發(fā)短信或語音功能主要是通過開發(fā)板串口發(fā)送AT指令經(jīng)max232把TTL電平轉(zhuǎn)換成RS232電平并處理TC35反饋回來的信息來進(jìn)行的。下面圖2.3是TC35模塊和max232串口轉(zhuǎn)換電路。 圖2.3 TC35模塊和max232串口轉(zhuǎn)換電路 2.4.3溫度傳感器 本系統(tǒng)選擇DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20溫度傳感器進(jìn)行開發(fā)。DS18B20以超小的體積、超低的硬件開銷,具有耐磨耐碰,體積小,使用方便,封裝形式多樣,適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。DS18B20的主要特征和引腳封裝原理圖如

43、下： ? 全數(shù)字轉(zhuǎn)換及輸出。 ? 先進(jìn)的單總線數(shù)據(jù)通信。 ? 測量結(jié)果以9~12位數(shù)字量方式串行傳送。 ? 不需要外圍任何元件。 ? 測溫范圍-55℃~+125℃,固有測溫分辨率為0.5℃。 ? 工作電壓：3~5V/DC。 ? PVC電纜直接出線或德式球型接線盒出線,便于與其它電器設(shè)備連接。 圖2.4 DS18B20封裝及原理圖 DS18B20引腳功能說明如下： 〔1DQ為數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端。 〔2GND為電源地。 〔3VDD為外接供電電源輸入端〔在寄生電源接線方式時(shí)接地。 DS18B20與ARM處理器的接口十分簡單,只需要將DS18B20的信號(hào)線與控制線的一位雙向

44、端口連接即可。本系統(tǒng)將DS18B20的信號(hào)線與S3C2440的GPE0引腳連接,如下面圖2.4所示。 圖2.4 DS18B20引腳電路圖 2.4.4 MQ-2煙霧傳感器 MQ-2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí),傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。MQ-2氣體傳感器對(duì)液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高,對(duì)天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體,是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。MQ-2的主要特征如下： ? 工作溫

45、度：-10℃～+50℃ ? 報(bào)警濃度：0.65～15.5%FT ? 工作濕度：10～90% ? 工作電源：12VDC/9VDC ? 信號(hào)輸出：常開/常閉 ? 安裝方式：吸頂 ? 外殼：阻燃樹脂 ? 產(chǎn)品尺寸：直徑105mm 厚度32mm 圖2.4 MQ-2 引腳接線圖 根據(jù)MQ-2的工作原理〔其電導(dǎo)率隨著氣體濃度的增大而增大,其電阻是電導(dǎo)率的倒數(shù),所以隨著煙霧濃度的增大其電阻是減小的并且參考圖MQ-2Datasheet上的測試電路,在根據(jù)圖2.4的電路圖,可以得到煙霧傳感器的輸出電壓如式2.1所示。 <式>2.1 2.4.5光電傳感器 光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)

46、光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件,它是把光信號(hào)〔紅外、可見紫外光輻射轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)的器件。光電傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。它可以用于檢測直接引起光量變化的非電量,如光強(qiáng)等。 本設(shè)計(jì)試圖把光電傳感器安裝在家庭保險(xiǎn)柜或其他重要的財(cái)產(chǎn)出,當(dāng)小偷或其他非家庭主人試圖靠近保險(xiǎn)柜等重要財(cái)產(chǎn)處能自動(dòng)觸發(fā)語音報(bào)警,從而達(dá)到防盜的目的。 圖2.5 光電傳感器引腳圖 光電傳感器簡單易用,正確接好線之后輸入3.3V高電平,當(dāng)檢測到有障礙物時(shí)會(huì)一直輸出低電平信號(hào)。我們把光電傳感器的輸出引腳接單片機(jī)的EINT5/GPF5中斷引腳,程序中設(shè)定低電平觸發(fā),當(dāng)有小偷靠近保險(xiǎn)柜或家居其他重要財(cái)產(chǎn)時(shí),系統(tǒng)能捕捉到這一信號(hào)

47、從而做出反應(yīng)。 2.4.6 ISD1760語音芯片 語音報(bào)警部分采用isd1760語音芯片來完成。ISD1700系列錄放芯片可工作于獨(dú)立按鍵模式和SPI控制模式。芯片內(nèi)有存儲(chǔ)管理系統(tǒng)來管理多段語音,這樣在獨(dú)立按鍵模式下也能進(jìn)行多段語音錄放。此芯片內(nèi)有振蕩器,可通過外部電阻來調(diào)節(jié)其振蕩頻率；還有帶自動(dòng)增益控制〔AGC的話筒運(yùn)放,模擬線路輸入。本設(shè)計(jì)采用獨(dú)立按鍵模式,連接好電路后給芯片的23腳一個(gè)電平信號(hào)即可播放提前錄好的聲音。 圖 2.6 isd1760語音芯片接線引腳圖 2.4.7繼電器 由于家電電器工作電壓是220V,而單片機(jī)工作電壓是5V,因而監(jiān)控家電時(shí)需要引入繼電器。繼電器是一

48、種控制器件。它具有控制系統(tǒng)〔又稱輸入回路和被控制系統(tǒng)〔又稱輸出回路之間的互動(dòng)關(guān)系。通常應(yīng)用于自動(dòng)化的控制電路中,它實(shí)際上是用小電流去控制大電流運(yùn)作的一種"自動(dòng)開關(guān)"。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。當(dāng)收到特定的短信要把家電打開時(shí),MCU通過打開繼電器給插座上電,即可打開家電,當(dāng)需要關(guān)閉家電時(shí),也是通過繼電器關(guān)閉家電。 圖 2.7 繼電器原理圖 ARM是一個(gè)弱電器件,一般情況下它們大都工作在電壓為5V甚至更低、驅(qū)動(dòng)電流在mA級(jí)以下,而要把它的輸出用于一些大功率場合,比如控制步進(jìn)電機(jī),很顯然是不可行的。因此,就要設(shè)計(jì)一個(gè)環(huán)節(jié)來銜接,這個(gè)銜接環(huán)節(jié)就是"功率驅(qū)動(dòng)"。一個(gè)典型簡單的

49、功率驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)就是繼電器的驅(qū)動(dòng)。此處,繼電器驅(qū)動(dòng)含有兩層意思：一是通過GPIO口對(duì)繼電器本身進(jìn)行驅(qū)動(dòng),因?yàn)槔^電器對(duì)于ARM來說是一個(gè)功率器件；另一個(gè)就是繼電器去驅(qū)動(dòng)其它負(fù)載,比如繼電器可以驅(qū)動(dòng)中間繼電器,也可以直接驅(qū)動(dòng)接觸器,因此繼電器驅(qū)動(dòng)就是ARM與其塔大功率負(fù)載的接口。ARM的I/O口輸出電壓高電平為3.3V,直接接上繼電器后電平被拉低,無法控制繼電器的閉合。三極管具有良好的信號(hào)放大功能,信號(hào)經(jīng)過三極管的放大后,再接入繼電器,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的控制,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電路的控制. 2.5軟件系統(tǒng)介紹 2.5.1 幾種嵌入式操作系統(tǒng)的比較 目前市場上流行的嵌入式操作系統(tǒng)比較多,下面對(duì)其進(jìn)行性

50、能比較: ? 嵌入式Linux Linux是1991年由荷蘭人LinusTorvalds發(fā)明的,從誕生到現(xiàn)在的短短幾十年時(shí)間,Linux已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)功能強(qiáng)大、設(shè)計(jì)完善的操作系統(tǒng),不僅在通用操作系統(tǒng)領(lǐng)域與Windows等商業(yè)系統(tǒng)分庭抗?fàn)?而在在新興的嵌入式操作系統(tǒng)領(lǐng)域也獲得了飛速的發(fā)展。嵌入式Linux是指對(duì)標(biāo)準(zhǔn)Limix進(jìn)行小型化裁剪處理后,可固化在存儲(chǔ)器或單片機(jī)中,適合于特定嵌入式應(yīng)用場合的專用Linux操作系統(tǒng)。商品化嵌入式操縱系統(tǒng)大都沒有公開其核心源代碼[7],這種源代碼的封閉性大大限制了開發(fā)者的積極性,當(dāng)前國家隊(duì)研制自主核心源代碼大力支持,為源碼開

51、發(fā)的Linux的推廣提供了廣闊的發(fā)展前景。 嵌入式Linux的主要特征如下： 〔1高性能、可裁剪的內(nèi)核:其獨(dú)特的模塊機(jī)制使用戶可以根據(jù)自己的需要,實(shí)時(shí)地將某些模塊插入到內(nèi)核或從內(nèi)核中移走,很適合與嵌入式系統(tǒng)的小型化需要。 〔2優(yōu)秀的開發(fā)工具:嵌入式Linux提供了一套完整的工具鏈 〔3免費(fèi),開發(fā)源代碼：Linux是開發(fā)源碼的自由操作系統(tǒng),用戶可以根據(jù)自己的應(yīng)用需要方便對(duì)內(nèi)核進(jìn)行修改和優(yōu)化。 〔4完善的網(wǎng)絡(luò)通信和文件管理機(jī)制：Linux 支持所有標(biāo)準(zhǔn)的Internet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,并且很容易移植到嵌入式系統(tǒng)當(dāng)中。 〔5廣泛的硬件支持： 支持x86、ARM、MIPS等多種體系結(jié)構(gòu)。 〔6

52、軟件資源豐富：幾乎每一種通用程序在Linux上都能找到,從而減輕了開發(fā)的工作量。 目前,網(wǎng)絡(luò)上無論是研究Linux操作系統(tǒng)還是研究嵌入式Linux的開發(fā)團(tuán)隊(duì)都有很多,各種相應(yīng)的程序以及文檔也比較豐富。 ? μC/OS II μC/OS是美國人Jean Labrosse 在1992年開發(fā)的一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)[8],并于1998年推出了它的升級(jí)版本μC/OS-II。μC/OS-II是一種免費(fèi)、開放源代碼、結(jié)構(gòu)小巧、基于可搶占優(yōu)先級(jí)調(diào)度的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),其內(nèi)核提供任務(wù)調(diào)度與管理、時(shí)間管理、任務(wù)間同步與通信、內(nèi)存管理和中斷服務(wù)等功能。 μC/OS-II主要面向中小型嵌入式系統(tǒng),具有執(zhí)行效率高、占

53、用空間小、結(jié)構(gòu)簡潔、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn),最小內(nèi)核可編譯至2KB,一般情況下占用10KB數(shù)量級(jí)。它的內(nèi)核本身并不支持文件系統(tǒng),但它具有良好的擴(kuò)展性能,如果需要的話可以自行加入。由于免費(fèi)、源碼開放、規(guī)模較小,μC/OS-II不僅在眾多的商業(yè)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用,而且被大學(xué)所接納,作為教學(xué)用的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。 ? VxWorks VxWorks是美國WindRiver System 公司開發(fā)的一款嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性,是目前嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中使用最廣泛、市場占有率最高的商業(yè)系統(tǒng)。VxWorks支持各種主流的32位處理器,如X86、Motorola MC

54、68xxx、Clodfile、PowerPC、MIPS,ARM等。它基于微內(nèi)核的體系結(jié)構(gòu)、整個(gè)系統(tǒng)有四百多個(gè)相對(duì)獨(dú)立、短小精煉的目標(biāo)模塊組成,用戶可以行剪裁和配置,根據(jù)自己的需要來選擇適當(dāng)?shù)哪K。VxWorks采用GNU類型的編譯和調(diào)試器,它的大多數(shù)API函數(shù)都是專有的。VxWorks以其良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空航天等高精尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中。 ? PalmOS 在個(gè)人數(shù)字助理〔PDA市場上,PalmOS全球知名、使用人數(shù)最多的PDA操縱系統(tǒng)。它是由PDA操作系統(tǒng)開發(fā)的先驅(qū)者Palm Computing公司開發(fā)的。從1996年4月PlalmOS1.

55、0發(fā)布至今,PlamOS逐步鞏固了其在PDA市場上的霸主地位。它的一個(gè)最大的特點(diǎn)就是省電以及系統(tǒng)資源開銷較少,速度也很快,但不支持多線程,長遠(yuǎn)發(fā)展受到影響。但由于PalmOS采用開發(fā)式架構(gòu),全球有很多PlamOS用戶都投入到其軟件開發(fā)工作中,使其應(yīng)用軟件非常豐富,這也成為PlamOS操作系統(tǒng)成功的一個(gè)重要因素之一。 ? Windows CE Windows CE 是微軟公司在嵌入式操縱系統(tǒng)市場上的一個(gè)重要的產(chǎn)品,它是一個(gè)開放的、可升級(jí)的32位操作系統(tǒng),是基于掌上型電腦類的電子設(shè)備操作系統(tǒng),它可以移植能夠開發(fā)多種企業(yè)和客戶類設(shè)備。Windows CE為工作、家庭及其間的任何一部分開啟了動(dòng)態(tài)的

56、、嶄新的開發(fā)遠(yuǎn)景。這個(gè)模塊化、可自訂的作業(yè)系統(tǒng)將Windows平臺(tái)延伸到桌面之外,到達(dá)更小、更機(jī)動(dòng)性、更特別的裝置之上,然而它的Windows血統(tǒng)則確保了它的相容性,并且支援了更廣泛的開發(fā)基礎(chǔ)。目前,網(wǎng)絡(luò)上研究WinCE的開發(fā)團(tuán)隊(duì)越來越多,其資源也逐漸豐富起來,可以說是新的趨勢(shì)。 2.5.2 選擇嵌入式操作系統(tǒng)的依據(jù) 在選擇軟件開發(fā)方式和操作系統(tǒng)的時(shí)候,不僅要考慮到對(duì)硬件系統(tǒng)的支持,還要考慮軟件開發(fā)的周期等問題。 一般而言,在選擇嵌入式操作系統(tǒng)時(shí),可以遵循以下原則[9]。 〔1市場進(jìn)入時(shí)間。制定產(chǎn)品時(shí)間表與選擇操作系統(tǒng)有關(guān)系,實(shí)際產(chǎn)品和一般演示是不同的,上市時(shí)間和功能完善同樣重要。Li

57、nux出現(xiàn)時(shí)間較早,現(xiàn)成資源較多。 〔2可移植性。也就是平臺(tái)無關(guān)性。當(dāng)進(jìn)行嵌入式軟件開發(fā)時(shí),可移植性是要重點(diǎn)考慮的問題。良好的軟件可移植性,可以在不同平臺(tái)、不同系統(tǒng)上運(yùn)行,跟操作系統(tǒng)無關(guān)。軟件的通用性和軟件的性能通常是矛盾的,即通常以損失某些特定情況下的優(yōu)化性能為代價(jià)。很難設(shè)想開發(fā)一個(gè)嵌入式瀏覽器而僅能在某一特定環(huán)境下應(yīng)用,反過來說,當(dāng)產(chǎn)品與平臺(tái)和操作系統(tǒng)緊密結(jié)合時(shí),往往你的產(chǎn)品的特色就蘊(yùn)含其中。 〔3可利用資源。產(chǎn)品開發(fā)不同于學(xué)術(shù)課題研究,它是以快速、低成本、高質(zhì)量的推出適合用戶需求的產(chǎn)品為目的的。集中精力研發(fā)出產(chǎn)品的特色,其他功能盡量由操作系統(tǒng)附加或采用第三方產(chǎn)品,因此操作系統(tǒng)的可利用

58、資源對(duì)于選型是一個(gè)重要的參考條件,Linux和WinCE都有大量的資源可以利用,這是他們被看好的重要原因。其它有些實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)由于比較封閉,開發(fā)時(shí)可以利用的資源比較少,因此多數(shù)功能需要自己獨(dú)立開發(fā),從而影響開發(fā)進(jìn)度。近來的市場需求顯示,越來越多的嵌入式系統(tǒng),均要求提供全功能的Web瀏覽器。而這就要求有一個(gè)高性能、高可靠的GUI的支持。 〔4系統(tǒng)定制能力。信息產(chǎn)品不同于傳統(tǒng)PC的Wintel結(jié)構(gòu)的單純性,用戶的需求是千差萬別的,硬件平臺(tái)也都不一樣,所以對(duì)系統(tǒng)的定制能力提出了要求。要分析產(chǎn)品是否對(duì)系統(tǒng)底層有改動(dòng)的需求,這種改動(dòng)是否伴隨著產(chǎn)品特色。Linux由于其源代碼開放的天生魅力,在定制能力方

59、面具有優(yōu)勢(shì)。 〔5成本。成本是所有產(chǎn)品不得不考慮的問題。操作系統(tǒng)的選擇會(huì)對(duì)成本有著重要的影響。Linux免費(fèi),WinCE等商業(yè)系統(tǒng)需要支付許可證使用費(fèi),但這都不是問題的答案。成本是需要綜合權(quán)衡以后進(jìn)行考慮的,選擇某一系統(tǒng)可能會(huì)對(duì)其它一系列的因素產(chǎn)生影響,如對(duì)硬件設(shè)備的選型、人員投入、以及管理和與其它合作伙伴的共同開發(fā)之間的溝通等許多方面的影響。 〔6中文內(nèi)核支持。國內(nèi)產(chǎn)品必然需要對(duì)中文的支持。由于操作系統(tǒng)多數(shù)是采用西文方式,是否支持雙字節(jié)編碼方式,是否遵循GBK,GB18030等各種國家標(biāo)準(zhǔn),是否支持中文輸入與處理,是否提供第三方中文輸入接口是針對(duì)國內(nèi)用戶的嵌入式產(chǎn)品的必需考慮的重要因素。

60、 智能家居系統(tǒng)并不需要很嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性,而且在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,關(guān)鍵任務(wù)將可以由可編程器件實(shí)現(xiàn),僅向系統(tǒng)提供一個(gè)狀態(tài)信息。操作系統(tǒng)的主要目的是方便開發(fā)友好的人機(jī)界面,縮短開發(fā)周期,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。嵌入式操作系統(tǒng)選擇了嵌入式Linux[10]。Linux作為一款開源軟件,具有功能強(qiáng)大,與硬件兼容性好,可任意裁減等諸多特點(diǎn),同時(shí)在Linux系統(tǒng)下支持很多開源軟件,在一定程度上減小了開發(fā)的難度。在版本方面,選擇2.6.32.2內(nèi)核的arm- linux,該內(nèi)核在原有內(nèi)核的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定程度的裁減,同時(shí)也是專門支持ARM系統(tǒng)芯片的Linux版本,這也為后期的進(jìn)一步裁減做好了鋪墊的工作。 在文件系統(tǒng)

61、方面,目前FLASH上常用的文件系統(tǒng)主要有JFFS2、CRAMFS、Yaffs2、ROMFS以及ROMFS等。目前,Mini2440開發(fā)板支持Yaffs2。YAFFS2是第一個(gè)專門為Nandflash存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)的嵌入式文件系統(tǒng),適用于大容量的存儲(chǔ)設(shè)備；并且是在GPL〔GeneralPublicLicense協(xié)議下發(fā)布的,可在其網(wǎng)站免費(fèi)獲得源代碼。CRAMFS文件系統(tǒng)是專門針對(duì)閃存〔如NorFlash>設(shè)計(jì)的只讀壓縮的文件系統(tǒng),采用實(shí)時(shí)解壓縮方式,小巧且速度快。 本設(shè)計(jì)采用YAFFS2文件系統(tǒng),可以讀寫保存。系統(tǒng)主要采用C語言作為基本開發(fā)語言,在嵌入式開發(fā)中,語言的可移植性很重要。因?yàn)長inu

62、x是用C語言編寫的,對(duì)C語言有良好的函數(shù)庫的支持,其編譯出的代碼精簡,具有運(yùn)行速度快和對(duì)底層開發(fā)支持好的特點(diǎn)。 2.6本章小結(jié) 本章通過對(duì)智能家居的分析,確定了系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì),然后針對(duì)其方案進(jìn)行軟硬件選型。首先確定了SAMSUNG公司的32位RISC處理器S3C2440作為微控制器芯片；其次是介紹本智能家居各模塊所使用到的硬件設(shè)備,接著介紹幾種嵌入式操作系統(tǒng)和選擇嵌入式操作系統(tǒng)的依據(jù),最后確定了適合CPU的最佳嵌入式操作系統(tǒng)。 第3章 建立Linux開發(fā)環(huán)境 3.1搭建開發(fā)環(huán)境 3.1.1 安裝虛擬機(jī)、Linux操作系統(tǒng)、源代碼及其他工具 本設(shè)計(jì)是在虛擬機(jī)上安裝Linux操作系統(tǒng)

63、Fedora 9.0版本而進(jìn)行。首先安裝vmware并下載Fedora-9-i386-DVD.iso鏡像,安裝好Fedora 9.0操作系統(tǒng)。 在操作終端上創(chuàng)建工作目錄/opt/FriendlyARM/mini2440,在此終端上解壓安裝源代碼,此次用的是內(nèi)核自帶的內(nèi)核源代碼: linux-2.6.32.2-mini2440-20100106。此次設(shè)計(jì)用開發(fā)板自動(dòng)的arm-qtopia設(shè)計(jì)qt運(yùn)行界面。 建立交叉編譯環(huán)境 在Linux平臺(tái)下,要為開發(fā)板編譯內(nèi)核,圖形界面Qtopia,bootloader,還有其他一些應(yīng)用程序,均需要交叉編譯工具鏈。 之前的系統(tǒng),要使用不同的編譯器版本才

64、能正常編譯各個(gè)部分,因此要在開發(fā)過程不斷切換設(shè)置,這十分不利于初學(xué)者使用,也降低了開發(fā)的效率；自從Linux-2.6.2開始,我們把交叉編譯器統(tǒng)一為arm-linux-gcc-4.4.3,下面是它的安裝設(shè)置步驟。 <1>將arm-linux-gcc-4.4.3.tgz復(fù)制到某個(gè)目錄下如tmp\,然后進(jìn)入到該目錄,執(zhí)行解壓命令： #cd /tmp #tar xvzf arm-linux-gcc-4.4.3.tgz –C / <2> Step2：把編譯器路徑加入系統(tǒng)環(huán)境變量,運(yùn)行命令 #gedit /root/.bas

65、hrc 編輯/root/.bashrc文件,在最后一行添加： 保存退出,注銷系統(tǒng)后,使設(shè)置生效,重新登錄系統(tǒng)<不必重啟機(jī)器,開始->logout 即可>,在命令行輸入arm-linux-gcc –v,若沒有輸出錯(cuò)誤信息即表示建立交叉編譯環(huán)境成功。 配置網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)NFS NFS是Network File System 的簡寫,即網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng),NFS允許一個(gè)系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)上與他人共享文件。通過使用NFS,用戶和程序可以像訪問本地文件一樣訪問別的系統(tǒng)上的文件。 在嵌入式開發(fā)環(huán)境中,通過NFS服務(wù)器,可以把NFS作為根文件系統(tǒng)來啟動(dòng)開發(fā)板,通過使用NFS作為根文件系統(tǒng),不僅使開發(fā)板的"硬盤"

66、變得很大,還可以減少程序燒寫的次數(shù),提供程序開發(fā)速度[11]。下面介紹NFS服務(wù)器的安裝和配置。 ? 首先安裝NFS服務(wù)器 一般情況下系統(tǒng)默認(rèn)按照好NFS服務(wù),系統(tǒng)不默認(rèn)安裝的話,只需要下載兩個(gè)安裝包安裝即可： n nfs-utils-*<包括基本的NFS命令與監(jiān)控程序?> n portmap-*<支持安全NFS RPC服務(wù)的連接> ? 接著需要共享Linux系統(tǒng)和開發(fā)板目錄。 必須解壓安裝好root_qtopia目標(biāo)板文件系統(tǒng)包。接著在Fedora 9.0 的終端上運(yùn)行命令 #gedit /etc/exports,編輯nfs服務(wù)的配置文件,添加以下內(nèi)容/opt/FriendlyARM/mini2440/rootfs_qtopia_qt4 *〔rw,sync,no_root_squash,其中/opt/FriendlyARM/**/rootfs_qtopia_qt4表示nfs共享目錄。 ? 最后啟動(dòng)NFS服務(wù)。 在命令行下運(yùn)行以下命令即可：/etc/init.d/nfs stop。 3.2 嵌入式軟件開發(fā)層次 本設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng) 一個(gè)嵌入式Linux系統(tǒng)從軟件角度來