计算机科学与技术毕业论文-基于ARM平台的智能家居控制终端设计与实现.doc

装订线 中山大学南方学院 本科生毕业论文（设计）题目：基于ARM平台的智能家居控制终端设计与实现系 名：电子通信与软件工程系 专 业：计算机科学与技术学 号：091031321姓 名：曾远波指导教师：Dr. chen 二一三年三月58中山大学南方学院2013届本科生毕业设计摘 要随着时代的进步、嵌入式技术和网络信息技术的发展，针对人们对方便的居家生活的追求。为了实现这一目的，人们提出了智能家居的概念。而建立一个成本低、效率高的智能家居控制系统也将成为未来的发展趋势。本文首先简单介绍了智能家居的概念和国内外发展现状与趋势，着重对智能家居的相关技术进行设计与实现，提出了一种智能家居控制系统的实现方案。提出了利用ZigBee，GSM模块通信，在基于Linux操作系统和S3C2440的ARM嵌入式开发板上实现了智能家居控制系统，本设计主要技术：（1） 通过ARM平台及其系统建立智能家居平台系统。ARM平台是智能家居的核心部分，主要完成控制系统的实现，界面切换与实现，信息的共享，以及数据间的交换。（2） 通过外部模块实现家电控制。通过ZigBee模块的协调器与ARM通过串口通信进行数据传输，继而控制家电。通过GSM模块，通过短信的方式，可以控制家电。（3） 嵌入式系统应用。除了利用QT3编写的智能家居主控制界面外，还添加了数码相册、播放器和拼图小游戏界面，以作为系统的娱乐功能。（4） 通过GPRS模块实现手机拨号、接听，和收发短信功能。并对收到的短信进行解析，实现手机远程控制家电。本文的创新部分主要是在控制系统中融入了相当于手机的功能，实现了普通手机的拔号、接听来电、收发短信的功能，可以自由输入要拔打的电话号码（包括长号和短号集群网的短号），接听语音来电，接收并显示短信息。本文完成了智能家居控制系统的硬件设计和软件设计，经过系统调试之后，得到了预期的结果，实现了家电控制和用手机短信控制的智能家居控制系统，由此论证了本文的智能家居系统的设计方案是可行的。关键词：ARM，智能家居，嵌入式，GSM/GPRSABSTRACTWith the progress of The Times, embedded technology and network the development of information technology, in view of the people to the pursuit of the life that occupy the home is convenient. In order to achieve this objective, people put forward the concept of the smart home. And to establish a cost is low, the efficiency high intelligent home control system will also become the future trend of development.This paper first introduced the intelligent household concept and the domestic and foreign development present situation and the trend, and focuses on the smart home relevant technology design and implementation, and put forward a kind of intelligent home control system scheme.This paper put forward by using ZigBee, GSM communication module, based on the Linux operating system and in the S3C2440 ARM embedded development board realized intelligent home control system, the design of main technology:Through the ARM platform and its system in intelligent household platform system. ARM platform is intelligence household core part, mainly to complete the realization of the control system, and realize the switch interface, information sharing, and between the data exchange.Through the external modules realize home appliance control. Through the ZigBee module coordinator and ARM through the serial interface communication for data transmission, and then control household appliances. Through the GSM module, through text messages of way, can control household appliances.The embedded system application. In addition to using QT3 write intelligent household master control interface outside, still added digital photo albums, player and puzzles small game interface, as the system of entertainment function.Through the GPRS module achieve mobile phone dial, answer, and use of text messages function. And the message to receive system, realize remote control household appliances mobile phone.This paper is mainly in the innovation of the control system in the function of the mobile phone is equivalent to, realized the normal cell phone dialing, answer the call, the function of the use of text messages, free to enter phone calls out number (including the trombone and the cornet cluster nets of cornet), answer voice call, receiving and display the short messages.We completed a intelligent household control system hardware design and software design, through after system commissioning, got the expected results, realize the home appliance control and use mobile phone short message control intelligent household control system, this paper demonstrates the intelligent household design scheme of the system is feasible.Keywords：ARM,smart home,Embedded,GSM/GPRS目 录摘 要IABSTRACTII目 录III第1章 绪论11.1智能家居的概念11.2智能家居国内外研究现状11.2.1国外智能家居的研究现状11.2.2国内智能家居的研究现状21.3 智能家居的发展趋势31.4主要研究内容与创新31.5本文的组织结构41.6本章总结4第2章 系统总体设计方案52.1系统的组成52.2功能描述52.2本章总结7第3章 相关技术综述83.1嵌入式系统的概念与技术特点83.1.1 嵌入式处理器93.1.2 嵌入式Linux103.1.3 GSM通信技术123.2 本章总结12第4章 智能家居硬件平台设计134.1 嵌入式Linux硬件环境构建134.1.1 主机与目标板结合的交叉开发模式134.2 硬件资源134.2.1 ARM核心板134.2.2 核心板电路说明144.2.3 GPRS模块154.2.4 RFID模块154.3 本章小结16第5章 智能家居软件设计175.1系统软件平台搭建185.1.1引导程序移植185.1.2 Linux内核移植185.1.3 QTE应用程序交叉编译215.2智能家居终端的设计215.2.1 家居控制界面215.2.2 数码相册界面225.2.3 播放器界面255.2.4 游戏界面285.3 主要技术设计315.3.1 GSM模块设计315.3.2摄像头模块设计365.3.3与ZigBee的串口通信模块设计395.3.4虚拟键盘的设计425.3.5温湿度模块455.4本章小结49第6章 系统调试506.1系统调试环境506.2系统调试方法与结果506.3本章小结53总结与展望54致 谢55参考文献56中山大学南方学院2013届本科生毕业设计第1章 绪论1.1智能家居的概念智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、智能家居-系统设计方案安全防范技术、自动控制技术、音视频技术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。它利用先进的计算机技术网络通讯技术综合布线技术将与家居生活有关的各种子系统有机地结合在一起通过统筹管理让家居生活更加舒适安全有效与普通家居相比智能家居不仅具有传统的居住功能还能由原来的被动静止转变为具有能动智慧的功能它能提供全方位的信息交换帮助家庭与外部保持信息交流畅通优化人们的生活方式帮助人们有效安排时间增强家居生活的安全性甚至节约各种能源和资金起到绿色环保节约的功效2。家居智能化系统将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器以及家庭保安装置通过有线或无线的方式连接起来，并进行集中或异地的监控、管理，保持家庭住宅环境的舒适、协调。与普通的家居相比，智能家居不仅具备传统的居住功能，提供舒适温馨，高效安全的高品位生活环境，还将一个被动静止的居住环境提升为一个有一定智慧协助能力的体贴的生活帮手，进一步优化住户的生活质量。1.2智能家居国内外研究现状1.2.1国外智能家居的研究现状直到1984年美国联合科技公司（United Techno1ogies Building System）将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康乃迪克州（Conneticut)哈特佛市（Hartford）的CityPlaceBuilding时，才出现了首栋的“智能型建筑”，从此也揭开了全世界争相建造智能家居的序幕又称智能住宅，在国外常用Smart Home表示。自从世界上第1栋智能建筑在美国出现后，美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案，智能家居在美国、德国、新加坡、日本等国都有了广泛的应用。新加坡模式的家庭智能化系统包括三表抄送功能、安防报警功能、可视对讲功能、监控中心功能、家电控制功能、有线电视接入、住户信息留言功能、家庭智能控制面板、智能布线箱、宽带网接入和系统软件配置等1214。进入21世纪以后，国外智能家居技术的发展达到了高潮。德国弗劳恩霍夫研究会建成一座内部完全实现了电子化和网络化的样板智能住宅；2004年，美国已有近4万户家庭安装了“家庭智能化系统”，同样在新加坡也有近30个社区的5000户家庭采用了“家庭智能化系统”；2005年最受关注的当属美国微软公司总裁比尔盖茨花费巨资构建的智能家居系统，堪称当今智能家居的经典之作6。目前，无论从技术还是标准的制定来看，发展基于网络的智能家居系统的时机己经成熟。根据IDC的统计，截至2007年，在美国家庭网络设备和与家居有关的网关市场规模己达57亿美元，美国的家庭网关己达450万个15。1.2.2国内智能家居的研究现状与国外相比，智能家居在中国的发展时间要晚很多。很多人将智能家居在国内的发展过程划分为概念年、研发年、实验年、推广年以及普及年几个阶段3。中国的3G牌照在2009年正式发放，这加速了智能家居和3G技术的融合 ，和互联网技术一起推动智能家居向互联一体化的方向发展。在某厂家推出的针对单户的智能家居系统中，TCP/IP协议发挥了重要作用。该系统中，温湿度传感器、亮度传感器、红外传感器、火灾/煤气报警器、震动传感器和玻璃破碎传感器的检测信号通过基于TCP/IP 协议的网络传送到控制中心，推动相应的执行机构发出动作。为方便居住者设定家居模式，设置了一键调整的功能 ，借助于 3G 网络 ，通过无线遥控器或手机达到一键调整的目的。ZigBee技术、蓝牙技术等也为智能家居的发展提供了更为广阔的空间16。2010上海世博会吸引了全世界的目光，“城市，让生活更美好”的主题更是将未来美好生活诠释得淋漓尽致。世博馆里的“高智商”家居频频亮相，你如果想从冰箱里取食品，甚至都不需要打开冰箱门，安装在冰箱外部的显示屏直接就向你提供从存取食物到网上订购等一条龙服务一切都显得那么的方便舒适。智能家居亮相世博园，预示着智能家居离人们的生活越来越近，世博再一次让智能家居发烧18,19。在国内，智能家居尽管起步较晚，但大有风行正健的趋势。目前，北京市已经计划建设30个网络社区，总户数将达到3万户，按照建设部的要求，到2012年，大中城市中60的住宅要实现智能化17。随着高科技和信息技术的广泛应用，安全、舒适、便利的生活环境已经不再是一个遥远的梦想。由于智能家居系统能够为人们提供更加轻松、有序、高效的现代生活环境，因此已经成为房地产商追逐的热点。在未来，没有智能家居系统的住宅将像今天不能上网的住宅那样不合潮流。相信不远的将来，智能家居一定会更好地造福人类。 1.3 智能家居的发展趋势功能多元化是智能家居的发展载体：智能家居厂家以家居生活的某一个方面为主要载体，融合更多方面的控制功能，为用户提供高性价比和有完善售后的智能家居解决方案。较为典型的案例是，围绕家居智能安防系统这个中心，配备灯光调节系统、背景音乐系统、温湿度控制系统等，让智能扩展到家居生活的更多方面。再如，在楼宇对讲系统的基础上，加入可视通信、物业管理、多媒体控制和信息服务，使小区管理更加人性化16。有专家预测，智能家居系统将向着高度智能化高度灵活性和互操作性的方向发展更具感知特性更具智能化物联网就是要实现全面的感知感知人物的各种基本特征行为以此能将现有智能家居系统功能和性能带来质的提升这使得现有智能家居技术难以满足其要求一系列新技术将应用到智能家居行业中更多的数字化前端设备将取代既有非数字化产品网络摄像机网络型报警器数字化探测器等日益成为主流人工智能云计算嵌入式芯片等将大量被使用到智能家居产品中这些都伴随着大量新技术的更新就如同入侵报警系统从传统的信号驱动技术逐渐被下一代目标驱动技术所取代模拟摄像机逐渐被网络摄像机所取代1。智能家居能够很好的满足人们对居住环境安全、舒适、智能的要求，在不断标准化的前提下，在3G和互联网技术的推动下，它的功能日臻完善和成熟，在“数字生活”的构建中将发挥更加重要的作用。1.4主要研究内容与创新本文以现有的智能家居系统为研究对象，提出了一种以传统住宅为基础的智能家居控制系统。该系统完成的主要工作内容如下：（1） 借鉴现有技术方案的基础上，提出了自己的设计方案；（2） 以2440开发板为硬件平台完成了中央控制器的设计与实现；（3） 控制模块方面，实现了与ZigBee间通信、温湿度采集、视频监控、GSM、RFID等模块的集成工作。（4） 娱乐模块方面，实现了数码相册、Mplayer播放器、拼图小游戏模块的集成工作。（5） 通过家庭子网将各个模块与中央控制器紧密的联系在一起组成了一套完整的控制系统。本文的创新部分主要是在控制系统中融入了相当于手机的功能，实现了实现了普通手机的拔号、接听来电、收发短信的功能，可以自由输入要拔打的电话号码（包括长号和短号集群网的短号），接听语音来电，接收并显示短信息。1.5本文的组织结构本文的内容结构如下：第1章 绪论介绍了智能家居的基本概念、并深入调研了智能家居在国内外的发展现状及发展趋势。第2章 系统总体设计方案阐述了本系统的设计方案并对系统的主要功能进行简单的介绍。第3章 相关技术综述对相关技术进行简单阐述。第4章 智能家居硬件平台设计对主要嵌入式Linux硬件环境构建和硬件资源进行了具体说明。第5章 智能家居软件设计介绍智能家居软件设计。首先介绍了如何搭建嵌入式系统开发环境；接着介绍了智能家居终端的家居控制、数码相册、播放器、小游戏4个部分；最后详细介绍了主要的技术设计GSM、摄像头、与ZigBee的串口通信、虚拟键盘的设计以及温湿度模块设计与实现。第6章 系统调试介绍了系统调试运行的环境以及系统的运行结果。1.6本章总结本章主要介绍了智能家居的基本概念、并深入调研了智能家居在国内外的发展现状和发展趋势以及本文主要研究内容与创新。第2章 系统总体设计方案2.1系统的组成基于层次化、模块化的搭建和开发，本系统分为4个部分：家居控制、安防检测、娱乐功能和语音通话。同时，按显示界面来分，有4个界面：家居控制界面、数码相册界面、播放器界面、游戏界面。本系统以ZigBee无线传感器模块为主的基层和以S3C2440 ARM板作为开发平台以Linux系统作为操作系统的界面及控制层。其中以家居控制界面为主体，基层包括：多个ZigBee网络路由节点、ZigBee网络协调器，系统扩展板、RFID门监、红外、传感器、窗帘控制、GSM模块、USB摄像头等。界面及控制层包括：S3C2440 ARM开发平台、ARM终端、PC服务器端、手机、7寸LCD触摸屏。系统总体结构，如图2-1所示。图2-1 系统总体结构图2.2功能描述按系统终端显示的4个界面来分：1) 家居控制界面（1） 显示：用于显示家居控制界面的所有内容，如：当前家电状态、当前环境温湿度、收到的短信内容、摄像头拍摄内容、虚拟键盘等，提供一个友好的显示界面。（2） 摄像头：用户可以选择开启或关闭摄像头的监控功能。当用户开启了摄像头，用户可以看到系统实时监控的视频图像显示在LCD触摸屏上；用户亦可以选择关闭摄像头。实时的视频监控，让用户可以实时的查看到家中情况，达到安全监控的效果。（3） GSM：包括通话功能和短信功能。用户可以在编辑框中输入要拔打的号码，然后按下拔打的按钮，即可拔出对应的号码；同时若有来电，蜂鸣器会响，用户可以直接接听或挂断。用户可以接收短信息，并将短信息进行系统设定格式匹配，若匹配成功，则可直接控制家电状态，信息内容如：“GSM ON”，则匹配成功，可直接控制。同时将收到的短信内容以文本的形式显示。若家中出现异常，则会自动发送短信息到指定手机号码。如出现报警信息等，尽量的减少用户的损失，让用户提早做出安全措施。（4） Linphone：IP电话工具，用与呼叫服务器，实现与服务器端的语音通话。（5） 温湿度：通过DHT11温湿度传感器检测当前环境温度，并实时显示在LCD上。（6） 开关或状态控制：各用电器的状态控制，如打开/关闭摄像头、打开/关闭GSM、打开/关闭网络、打开/关闭红外等。用户可以通过控制模块直接控制系统的各功能。（7） 虚拟键盘：当双击编辑框时，弹出虚拟的数字键盘供用户输入。设计出数字虚拟键盘是为了方便用户输入号码和IP地址的功能。人性化的虚拟键盘，达到了容易操作，大众化的效果。（8） 串口：主要用于与ZigBee网络协调器间的数据交换，继而与若干个ZigBee网络节点通信并控制连接网络节点的灯、红外等设备。实现了无线连接的控制系统。2) 数码相册（1） 图片显示：系统通过读取指定路径的图片文件，并将所有图片自动排列成从左到右，并显示出选中的图片。图片显示的方式给用户一种新颖的感觉。（2） 切换操作：即切换图片的操作，用户可以通过点击触摸屏的左半屏或右半屏，则图片会向右或向左移一下，并选择上一张图或下一张图，显示于屏幕正中部。操作模式与当今社会上的主流电子相册相似，具有一定的普遍性。3) 播放器（1） 图像显示：系统通过用户添加的视频文件，并执行播放操作，则其视频的内容将显示出来。当打开的文件是音频文件时，则只能听到声音，无图像显示。（2） 控制操作：播放器有播放、暂停、停止、快进、快退、静音、曲目选择、上一曲/下一曲、音量控制、拖动进度条以调节播放位置。实现了一般的播放器功能。（3） 曲目列表：用户可以通过系统添加很多条曲目，并按添加顺序排列。用户可以自身的选择曲目。4) 拼图游戏（1） 显示效果：系统提供了友好的界面，并对用户操作进行实时显示。智能家居中能用的，当用户完成了图片的拼接后，系统会弹出“胜利”的对话框。（2） 操作控制：用户可以通过系统本身带有的上、下、左、右方向键来对拼图游戏的操作。2.2本章总结本章主要阐述了本系统的设计方案并对系统的主要功能进行简单的介绍。第3章 相关技术综述3.1嵌入式系统的概念与技术特点1) 嵌入式系统的概念5根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：嵌入式系统是”用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（Devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。这个的定义是从嵌入式系统的用途方面进行定义的。嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适用应用系统的对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。同时具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系。嵌入性、专用型、与计算机系统是它的三个基本要素。（1）嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才会具有生命力、才更具有优势。因此可以这样理解上述三个面向的含义，即嵌入式系统是与应用紧密结合的，它具有很强的专用性，必须结合实际系统需求进行合理的裁减利用。 （2）嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。所以，介入嵌入式系统行业，必须有一个正确的定位。例如Palm之所以在PDA领域占有70%以上的市场，就是因为其立足于个人电子消费品，着重发展图形界面和多任务管理；而风河的Vxworks之所以在火星车上得以应用，则是因为其高实时性和高可靠性。 （3）嵌入式系统必须根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。所以，如果能建立相对通用的软硬件基础，然后在其上开发出适应各种需要的系统，是一个比较好的发展模式。目前的嵌入式系统的核心往往是一个只有几K到几十K微内核，需要根据实际的使用进行功能扩展或者裁减，但是由于微内核的存在，使得这种扩展能够非常顺利的进行。 2) 嵌入式系统的特点5嵌入式设备常应用于“特定”场合，与“通用的”个人电脑相比，具备以下特点：（1） 软件、硬件可裁剪。将市面上的手机拆开，会发现虽然它们的功能是相似的，但是所用芯片多种多样，所用的操作系统也有多种，操作界面更是千变万化，操作的舍不得性各有千秋。这不同于个人电脑，CPU除了INTEL就是AMD公司的，操作系统多用Windows。功能、成本、开发效率等条件决定了嵌入式设备的选材多样化，软件、硬件可裁剪，即当不需要某项功能时，可以去除相关的软硬件。（2） 对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求。功能、可靠性、功耗这3点是软件开发人员最关注的地方。仍以手机为例，当选定硬件平台之后，处理器的性能已经被限定了，怎样使得手机的操作更人性化、菜单响应更快捷、具备更多更好的功能，这完全取决于软件。需要驱动程序和应用程序配合，最大程序地发挥硬件的性能。3.1.1 嵌入式处理器在智能家居系统中，嵌入式控制中心是整个家居系统的核心处理模块，而嵌入式处理器则是家庭控制中心的核心部件，其性能的好坏直接决定了整个系统的运行效果。 嵌入式系统硬件的设计围绕嵌入式处理器进行。嵌入式处理器根据从各种外部设备接收到的输入信息来完成必要的计算和处理工作，并把计算结果送到输出接口，驱动外部设备6。嵌入式微处理器是整个家居系统的核心，目前各种嵌入式处理器层出不穷，嵌入式处理器市场呈现出百花齐放的景象。目前常用的嵌入式处理器的主要结构归结起来有：8051体系结构、ARM体系结构、MIPS体系结构、PowerPC、DSP、x86等20：1) 8051体系结构8051单片机最早由Intel公司推出。它在一块超大规模集成电路芯片上同时集成了CPU、ROM、RAM以及TIMER、COUNTER等部件，具有64KB的寻址能力。由于某些原因，8051在国内的使用非常普遍，但总的来说8051因其微处理器性能落后，仍然是一款低端产品。2) ARM体系结构ARM处理器遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于ARM技术的处理器应用约占据了32位RISC微处理器75%以上的市场。目前市面上常见的ARM处理器架构，可分为ARM7、ARM9、ARM11和Cortex系列。I-Phone、NOKIA、HTC等智能手机中的微处理器，就是由高通和德州仪器授权生产的ARM处理器。3) MIPS体系结构MIPS是美国历史悠久的RISC处理器体系，分为32-bit以及64-bit两大家族，以技术授权作为主要营利方式。MIPS除了在手机中应用的比例极小外，其在一般数字消费、网络语音、个人娱乐、通讯、与商务应用市场有着相当不错成绩，不过近年来因为其它IP授权公司的兴起，其占有比率稍有衰退。MIPS应用最为广泛的应属家庭视听电器（包含机顶盒）、网通产品以及汽车电子方面。4) PowerPC体系结构PowerPC是早期Motorola和IBM联合为Apple的MAC机开发的CPU芯片，PowerPC的体系结构也是RISC（精简指令集计算），有200多条定长32位的指令，通常只执行一个单一的操作（比如将内存加载到寄存器，或者将寄存器数据存储到内存），同时支持字节（8位）、半字（16位）、字（32位）和双字（64位）数据类型。5) DSP体系结构DSP是一种专用微处理器，主要对数字信号进行实时处理，以得到相应的处理结果。DSP在存储容量和运算速度上都很高，成为语音处理、图像硬件处理技术的基础，同时在高端的工业控制方面也得到广泛应用，如空间矢量PWM控制系统，电机的DSP控制系统等。6) x86体系结构x86处理器应用在嵌入式系统的历史相当悠久，但其普遍都有功耗过高且芯片数量庞大的缺点，因而不适合应用在要求精简省电的嵌入式架构中。可是在有些对于能耗控制要求不高的领域，如工控电脑产业中，可以看到许多x86处理器仍然在被使用。同时Intel最新的嵌入式处理器Atom系列也是兼容x86结构的。从上述可知，ARM 系列较适合应用在智能家居的控制管理系统中。本文针对具体实现家居内红外线报警系统及智能温度监测的功能，对处理芯片设定了一些要求，如具有丰富的可扩展性和较高的处理速度，要求具有体积小、功耗低、成本低等特点，鉴于此，本系统选择 ARM9 处理器作为控制中心的嵌入式微处理器，选用了三星公司推出的 16/32 位RISC 微处理器 S3C2440 芯片，以 S3C2440 芯片为核心设计控制中心的软硬件。3.1.2 嵌入式Linux嵌入式linux 是将日益流行的Linux操作系统进行裁剪修改，使之能在嵌入式计算机系统上运行的一种操作系统。嵌入式linux既继承了Internet上无限的开放源代码资源，又具有嵌入式操作系统的特性。嵌入式Linux的特点是版权费免费;购买费用媒介成本技术支持全世界的自由软件开发者提供支持网络特性免费，而且性能优异，软件移植容易，代码开放，有许多应用软件支持，应用产品开发周期短，新产品上市迅速，因为有许多公开的代码可以参考和移植，实时性能RT_Linux Hardhat Linux 等嵌入式Linux支持，实时性能稳定性好安全性好9。嵌入式操作系统有Palm OS，Windows CE，EPOC，Linux CE，QNX，ECOS，LYNX，高端嵌入式系统要求许多高级的功能，如图形用户界面和网络支持。很多高端RTOS供应商已经提供了这些功能，但其价格也很昂贵。微软的Windows CE也有此类功能，却不具备大多数嵌入式系统要求的实时性能，而且难以移植。嵌入式Linux操作系统以价格低廉、功能强大又易于移植而正在被广泛采用，成为新兴的力量，所以，众多商家纷纷转向了嵌入式Linux。与其他的操作系统相比，采用Linux作为嵌入式操作系统有着明显的优势5：（1）低成本开发系统Linux是自由的操作系统，它的开放源代码使用户获得了最大的自由度。由于嵌入式系统千差万别，往往需要针对特定的应用修改和优化系统，这样一方面大大降低了开发的成本，另一方面又可以提高产品的开发效率。并且还可在Linux社区中获得支持，用户只需要向邮件列表发一封邮件，即可获得作者的支持。（2）支持多种体系结构Linux可支持X86、PowerPC、ARM、XSCALE、MIPS、SH、68K、Alpha、SPARC等多种体系结构，目前Linux已被一直到数十种硬件平台上，几乎所有流行的CPU Linux都支持。这对于经费、时间受限制的研究与开发项目极具吸引力。现在Linux已经可以在没有MMU（内存管理单元模块）的处理器上运行，这种没有MMU的处理器在嵌入式领域中应用得相当普遍。这就进一步促进了Linux在嵌入式系统中的应用。（3）大小功能可定制Linux具有独特的内核模块机制，它可根据用户的需要，实时地将某些模块插入到内核中或者从内核中移除，并能根据嵌入式设备的个性需要量体裁衣。裁剪后的Linux内核最小可达到150KB以下，尤其适合嵌入式领域中资源受限的情况。（4）性能优异Linux系统精简、高效和稳定，能够充分发挥硬件的功能，因此它比其他操作系统的运行效率更高。在个人计算机上使用Linux，可以将它作为工作站。它也非常适合在嵌入式领域中应用，对比其他操作系统，它占用的资源更少，运行更稳定，速度更快。（5）完善的网络通信、图形和文件管理机制Linux是首先实现TCP/IP协议栈的操作系统，它的内核结构在网络方面是非常完整的，并提供了对包括十兆位、百兆位及千兆位的以太网，还有无线网络、Token ring（令牌环）和光纤甚至卫星的支持，这对现在依赖于网络的嵌入式设备来说无疑是很好的选择。3.1.3 GSM通信技术1) GSM概述21GSM，全称是Global System for Mobile Communiations，中文为:全球移动通讯系统，是当前应用最为广泛的移动电话标准。GSM是一种起源于欧洲的移动通信技术标准，是第二代移动通信技术，其开发目的是让全球各地可以共同使用一个移动电话网络标准，让用户使用一部手机就能行遍全球。全球超过200个国家和地区超过10亿人正在使用GSM电话。GSM标准通过“漫游协定”使得移动电话在不同运营商之间自由漫游变得平常。GSM较之它以前的标准最大的不同在于GSM使用的信令和语音信道都是数字式的，因此GSM被看作是第二代(ZG)移动电话系统。 2) GSM模块中的AT指令22AT即Attention，AT指令集是从终端设备(Terminal Equipment，TE)或数据终端设备(Data Terminal Equipment，DTE)向终端适配器(Terminal Adapter，TA)或数据电路终端设备(Data Circuit Terminal Equipment，DCE)发送的。通过TA、TE发送AT指令来控制移动台(Mobile Station，MS)的功能，与GSM网络业务进行交互。用户可以通过AT指令进行呼叫、短信、电话本、数据业务、传真等方面的控制。用户可以通过串口发送AT命令，即可使用GSM模块。串行线对端的应用设备包括终端设备TE、数据终端设备DTE（Data Terminal Equipment）或其他应用设备。这些终端或应用设备一般运行在嵌入式系统里。3.2 本章总结本章主要对相关技术进行简单阐述。第4章 智能家居硬件平台设计4.1 嵌入式Linux硬件环境构建4.1.1 主机与目标板结合的交叉开发模式开发PC机上的软件时，可以直接在PC机上编辑、编译、调试软件，最终发布的软件也在PC机上运行。对于嵌入式开发，最初的嵌入式设备是一个空白的系统，需要通过主机（即PC机）为它构建基本的软件系统，并烧写到设备中；另外，嵌入式设备的资源并不足以用来开发软件。所以需要用到交叉开发模式：在主机上编辑、编译软件，然后在目标板（即嵌入式设备）上运行、验证程序。烧写、启动Bootloader后，就可以通过Bootloader的各类命令来下载、烧写、运行程序了。启动嵌入式Linux后，也是通过执行各种命令来启动应用程序的。一般通过串口来进行输入/输出。所以交叉开发模式中，主机与目标板通常需要3种连接：JTAG、串口、网络，如图4-1所示：图4-1 交叉开发模式图 4.2 硬件资源4.2.1 ARM核心板1) CPU处理器选用Samsung S3C2440,内核为ARM920T，主频为400MHZ，最高533Mhz；2) SDRAM支持64M-128M，DDRSDRAM；32bit数据总线；SDRAM时钟频率高达100MHz；可根据客户要求更改；3) FLASH Memory支持64M-1GNANDFLASH; 板载64MNandFlash,掉电非易失；可根据客户要求更改；4) 系统时钟源12M无源晶振。4.2.2 核心板电路说明S3C2440A微处理器是一款由Samsung半导体公司为手持设备和各种多用途应用设计的，低功耗、成度的微处理器，采用289脚FBGA封装，包含ARM920T内核。 其内部包含以下功能模块：1) 1.2/1.3内部供电，1.8V/2.5V/3.3V存储器，3.3V外部I/O供电。具有16KB 一体化的Cache/MMU； 2) 具有外部存储器控制器（SDRAM控制和片选逻辑）； 3) LCD 控制器（支持高达 4K色的 STN屏和 256K色的 TFT 型液晶屏，具有 LCD专用DMA）； 4) 4通道DMA控制器，具备外部请求脚； 5) 3通道UART（支持IrDA1.0，64字节的发送 FIFO，64 字节的接收FIFO）； 6) 2通道SPI； 7) 1路多主模式的IIC总线； 8) 1路IIS音频编解码器接口； 9) 兼容V1.0的SD主接口协议和 V2.11的 MMC 卡协议； 10) 2路全速USB主设备，其中1路可以作为 USB 从设备（V1.1 协议）； 11) 4路 PWM定时器/1路内部定时器/看门狗定时器； 12) 8路10位ADC，其中4路可以作为触摸屏接口； 13) 具有日历功能的RTC时钟； 14) 摄像头接口（最大输入支持40964096 像素，画面缩放最大输入支持2048 2048 ；15) 具有130路通用I/O口和24 路外部中断源； 16) 电源控制：正常模式，慢速模式，空闲模式和掉电模式； 17) 片内倍频锁相环PLL，MPLL产生的操作MCU的时钟最大为400MHz1.3V。4.2.3 GPRS模块硬件功能介绍： 1) 采用 BENQ M23G GSM/GPRS Class 10 三频模块，符合 ETSI GSM phase 2+,通讯功能：支持 GSM 语音，传真，短消息及 GPRS 数据传输等； 2) 一个 SIM卡卡座； 3) 两个串口接口，一个是 RS232 电平，另一个是TTL电平，通过跳线选择； 4) 音频输入和音频输出，可以进行接听电话； 5) 一个蜂鸣器，有带电提醒功能； 6) 一个复位按钮，一个启动按钮； 7) 一个电源指示灯，一个 GSM/GPRS网络信号灯； 8) 电源输入直流 512V。 9) 外观如图4-2所示：图4-2 GPRS模块外观图 4.2.4 RFID模块采用GIRF500读卡模块， 1) 其模块特征 （1）读写ISO14443A协议的Mifare One卡； （2）UART串行接口，能外接RS232或RS485； （3）发光二极管驱动引脚指示模块当前状态；2) 数据传输协议描述（1）模块采用的通信协议用于计算机(PC)或别的 CPU 和模块之间连接,标准的 RS232 接口； （2）协议标准起始格式是(19200,N,8,1)：波特率 19.2K 无校验,8 位数据位,1 位结束位； （3）通信必须先由主机发送命令和数据给GiRF500, GiRF500收到并执行命令后将命令执行的状态和响应数据发回主机。主机需设最长1s的等待响应时间。 3) 外观如图4-3所示：图4-3 RFID模块外观图4.3 本章小结本章对主要嵌入式Linux硬件环境构建和硬件资源进行了具体说明。第5章 智能家居软件设计本系统的软件设计环境包括两个方面：PC机与S3C2440 ARM开发平台。编译环境分为两种，一种是本机编译，另一种是交叉编译。本机编译是为了让服务器端的软件在PC机上可以运行，交叉编译时为了让客户端的软件可以再ARM平台上运行。Linux操作系统具有硬件和文档支持丰富、源码开放、内核稳定及网络功能丰富等特点，成为嵌入式操作系统的理想选择。基于Linux的智能家居系统的基本软件平台开发过程主要包括:引导程序的移植、Unix内核的修改、配置和移植、文件系统的选择及图形界面GUI的移植、驱动程序的设计等。在完成嵌入式软件基本平台的搭建后，需要进行Boa的移植，以支持WEB访问。最后，还需要根据目标应用的不同，编写应用程序实现特定的功能。智能家居系统的软件架构如图5-1所示:图5-1 智能家居系统的软件架构图PC机上通过VMware Workstation 虚拟机来运行Red Hat Enterprise Linux 5操作系统，选用的开发工具为Redhat自带的Qt/Embedded。Qt是一个跨平台应用程序和UI开发框架。使用Qt只需一次性开发应用程序，无须重新编写源代码，便可跨不同桌面和嵌入式操作系统部署这些应用程序。5.1系统软件平台搭建5.1.1引导程序移植作为系统加电后运行的第一段软件代码，引导加载程序即Bootloader，完成初始化硬件设备、建立内存空间映射图等工作，将系统的软硬件环境创造合适的状态，为最终调用操作系统内核准备好正确的环境必。在嵌入式系统中，Bootfoader是严重依赖于硬件而实现的。不同的处理器架构，不同的嵌入式系统板级设备的配置都需要不同的Bootloader。常见的Bootloader有:vivi，U-Boot，RedBoot，ARMBoot，Blob等。在本系统中采用U-Boot。U-Boot是目前功能最多、灵活性最强并且开发最积极的开源Bootloader，支持PowerPC、ARM、MIPS、x86等体系结构，支持多种嵌入式操作系统内核，由DENX的wol龟 angDenk维护。移植U-Boot工作就是添加开发板硬件相关的文件、配置选项，然后配置编译。开始移植之前，需要先比较出硬件配置最接近的开发板，原则是，首先处理器相同，其次处理器体系结构相同，然后是以太网接口等外围接口10。移植U-Boot的基本步骤如下：1) 获取U-Boot源码；2) 修改U-Boot目录下的Makefile；3) 建立自己的目录；4) 在include/configs/中建立配置头文件，针对要进行移植的目标板进行正确的配置，并测试编译能否成功；5) 添加驱动和功能选项；6) U-Boot编译及下载。5.1.2 Linux内核移植Linux具有功能强大、高性能、稳定性好以及源码开放等优势，使其成为一种流行的嵌入式操作系统。同