（通信与信息系统专业论文）基于arm和linux的智能家居网络监控系统研究.pdf

摘要 摘要 智能家居系统通过计算机技术、嵌入式技术、传感器技术、网络通信技术的融合， 集远程监控、安全防范、照明控制、网络连接等功能于一体，满足信息时代人们对高 品质的生活追求。智能家居系统在国内的应用正处在发展阶段，有着广泛的市场，因 此，对智能家居监控系统的研究有着重要的意义。 本文介绍当前国内外智能家居系统发展的现状，并对现有智能家居系统中存在不 足进行分析，提出了一种基于a r m 和l i n u x 的智能家居网络监控系统解决方案。 首先详细分析了系统硬件平台构建包括a r m 微处理器的结构体系、基于a r m 9 的$ 3 c 2 4 4 0 的存储器、d m 9 0 0 0 芯片、数字温度传感器d s18 8 2 0 、红外传感以及步 进电机等外围电路，并进行了需求分析和整体设计。 其次对l i n u x 系统内核和引导程序进行裁剪和移植，并制定了相应的文件系统， 并在文件系统中添加嵌入式w e b 服务器b o a 、c g i 等应用程序。 再次完成了智能家居软件设计与实现，主要完成了相关模块驱动设计的设计与编 程以及各个基于c g i 语言应用模块的设计与实现，并对系统进行了软硬系统测试，呈 现了智能家居监控系统的监控效果，达到智能家居监控的目的。 最后总结了以嵌入式方法实现智能家居网络监控，并且讨论了嵌入式系统在智能 家居领域发展的方向、前景和意义。 关键词：智能家居；智能家居；a r m ；l i n u x ；嵌入式w e b 服务器；监控； 广东工业大学硕士学住论文 a b s t r a c t t h es m a r th o m es y s t e mt a k ea d v a n t a g eo fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , e m b e d d e dt e c h n o l o g y , s e n s o rt e c h n o l o g y , n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi n t e g r a t i o n , w h i c hs e t sr e m o t e m o n i t o r i n g ，s a f e t yp r e c a u t i o n s ，l i g h tc o n t r o l ，n e t w o r kc o n n e c t i v i t yf u n c t i o n st om e e tt h e p e o p l en e e d o fh i g hq u a l i t yl i f ei nt h ei n f o r m a t i o na g e t h es m a r th o m es y s t e mi si nt h e s t a g eo fd e v e l o p m e n ti nt h ec o u n t r y , w h i c hh a saw i d er a n g eo fm a r k e t , t h e r e f o r e ，t h es t u d y o fs m a r th o m eh a sa l li m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n ts t a t u so fs m a r th o m ei nt h ec u r r e n td o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a l ，a n da n a l y s i st h ei n a d e q u a t eo fs m a r th o m e ，a n da d v a n c e sas o l u t i o no f a r m a n dl i n u x b a s e ds m a r th o m en e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e m f i r s t l y , t h ep a p e ra n a l y s i st h ec o n s t r u c t i o no f t h eh a r d w a r ep l a t f o r m ，i n c l u d et h e s t r u c t u r eo ft h ea r m m i c r o p r o c e s s o rs y s t e m ，$ 3 c 2 4 4 0m e m o r yw h i c hi sb a s e do na r m 9 ， t h ed m 9 0 0 0c h i p ，d s18 8 2 0o fd i g i t a lt e m p e r a t u r es e n s o r , i n f r a r e ds e n s o r ，t h es t e p p e r m o t o ra n do t h e rp e r i p h e r a lc i r c u i t s ，f u r t h e r m o r e ，i ta n a l y s i ss y s t e m sn e e d sa n dc o m p l e t et h e o v e r a l ld e s i g n s e c o n d l y , t h ep a p e rc o m p l e t et h ec u t t i n ga n dt r a n s p l a n to f t h el i n u xk e r n e la n db o o t l o a d e r , a n dd e v e l o p e dac o r r e s p o n d i n gf i l es y s t e m ，a n da d dab o ao fe m b e d d e dw e bs e r v e r , c g ia p p l i c a t i o ni nt h ef i l es y s t e m f o l l o w i n g ，t h ep a p e rc o m p l e t et h es o f i a v a r ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fs m a r th o m e ， m a i n l yt oc o m p l e t er e l a t e dd r i v e nd e s i g na n dp r o g r a m m i n g ，a sw e l la sd e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no f v a r i o u sa p p l i c a t i o nm o d u l e sw h i c hi sb a s e do nt h ec g il a n g u a g e ，a n d c o m p l e t e st h es y s t e mt e s t i n go f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，s h o w i n gt h em o n i t o r i n gr e s u l t so f s m a r th o m ec o n t r o ls y s t e m , a n dr e a c ht h ep u r p o s e so fs m a r th o m em o n i t o r i n g l a s t l y , t h ep a p e rs u m m a r i z et h en e t w o r km o n i t o r i n go fe m b e d d e ds m a r th o m e ，a n d d i s c u s s e st h ed i r e c t i o n ，p r o s p e c t sa n ds i g n i f i c a n c eo ft h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e d s y s t e m si nt h ef i e l do fs m a r th o m e k e y w o r d s ：s m a r th o m e ；a r m ；l i n u x ；e m b e d d e dw e bs e r v e r , m o n i t o r i n g ； 广东工业大学硕士学位论文 co n t e n t s a b s t r a c t i a b s t r a c t 。i i c o n t e n t s i i i c o n t e n t s v i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n do fr e s e a r c h 1 1 2d e v e l o p m e n ts t a t u so fs m a r th o m e 2 1 2 1d e v e l o p m e n ts t a t u so f t h ef o r e i g n 2 1 2 2d e v e l o p m e n ts t a t u so ft h ec o u n t r y 2 1 3t h ed e v e l o p m e n tt r e n do fs m a r th o m e 4 1 4t h ec o n t e n ta n dm a j o rw o r ko f t h e s i s 4 1 5s u m m a r y 5 c h a p t e r2d e s i g no fc o n t r o l l i n gs y s t e mo ns m a r th o m e 6 2 1n e e d sa n a l y s i so ft h es m a r th o m e 。6 2 2d e s i g no fs m a r th o m e 6 2 3e m b e d d e ds y s t e m s 7 2 4s t r u c t u r eo fh a r d w a r cf r a m e 8 2 4 1e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r 8 2 4 2a r mp r o c e s s o r 8 2 4 3s 3 c 2 4 4 0p r o c e s s o r 9 2 4 4 $ 3 c 2 4 4 0p e r i p h e r a lc i r c u i t s 10 2 5p r o j e c t - r e l a t e dt e c h n i c a la n da n a l y t i c a l 13 2 5 1e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m 二13 2 5 2e m b e d d e dw e b s e r v e l 14 2 5 3c g it e c h n i c a l 1 4 2 6d e s i g n i n gp r i n c i p l e so fs m a r th o m es y s t e m 1 4 2 6s u m m a r y 15 c h a p t e r3e m b e d d e dl i n u xs y s t e mt r a n s p l a n ta n dr e a l i z a t i o no f f i l es y s t e m 16 3 1s o f t w a r ep l a t f o r mo f s m a r th o m es y s t e mc o n t r o l l e r ”1 6 3 1 1u - b o o ts y s t e mb o o tp r o g r a mt r a n s p l a n t 1 6 3 1 2e m b e d d e dl i n u xk e r n e lt r a n s p l a n t 1 7 3 2b o at r a n s p l a n t ”2 5 3 2 1s t e po ft r a n s p l a n t 2 5 3 3e m b e d d e df i l es y s t e ms e tu p 2 8 3 3 1r o o tf i l es y s t e m 2 9 3 3 2s e tu pt h ef i l es y s t e m 3 0 3 4s u m m a r y 3 3 c h a p t e r4s o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o no ft h es m a r th o m e s y s t e m 3 4 4 1m a i nd r i v e ro fs o f t w a r ed e s i g n 3 4 4 1 1m a i nd r i v e ro fs o f t w a r ed e s i g n 3 5 4 1 2l e dd r i v e rd e s i g n 3 7 4 1 3t e m p e r a t u r es e n s o r - d r i v e ns o f t 3 , v a r ed e s i g n 3 7 4 1 4i n f r a r e ds e n s o r - d r i v e ns o f t w a r ed e s i g n 4 1 4 1 5s t e p p e rm o t o r - d r i v e ns o f t w a r ed e s i g n 4 1 4 2m o d u l a rd e s i g no fa p p l i c a t i o ns o f t w a r e 4 3 4 2 1t e m p e r a t u r em o n i t o r i n gm o d u l es o f t w a r ed e s i g n 一4 4 4 2 2i n f r a r e dm o n i t o r i n gm o d u l es o f t w a r ed e s i g n 4 4 4 2 3l i g h t i n gc o n t r o lm o d u l es o f h , v a r ed e s i g n 4 5 4 2 4a p p l i a n c em a n a g e m e n tm o d u l es o f t w a r ed e s i g n 4 6 4 2 5c u r t a i nc o n t r o l l i n gm o d u l es o f t w a r ed e s i g n 4 7 4 3t h ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ta n dt o o l so f t h es u b j e c t 4 8 4 4s u m m a r y 4 8 c h a p t e r5s y s t e mo p e r a t i o na n dt e s t i n g 4 9 5 1s y s t e mp r o f i l e 4 9 5 2m o d u l et e s t i n g 4 9 5 2 1l o g i ni n t e r f a c e 4 9 v 。垒窒兰垒璧兰墼丝耋盘冒声一 5 2 2t e s t i i l g 。f t e m p e r a t u r em o n i t o r i n 4 9 5 2 3t e s t i n go fi n f r a r e dm o n i t o r i n g j u 5 2 4t e s t i n go fl i g h t i n gc o n t r o l 。j ” 5 2 5t e s t i n go f a p p l i a n c em a n a g e m e n t 。1 5 6s u m m a r y 。 s u m m a r ya n dp r o s p e c t 。 r e f e 心n c e s o r i # n a ls t a t e m e n t 一 t h ed i s s e r t a t i o nc o p y r i g h tl i c e n s es t a t e m e n t 一 p a p e 体p u b l i s h e dd u r i n gt h e m a s t e rd e g r e e “ t h a n l s ”一 a p p e n d 6 u v i l l 第l 章引言 1 1 课题研究的背景 第1 章引言 科技服务生活，随着科学技术的高速发展，电子信息通信技术与网络技术带给人 们远程监控家庭管理的技术支持。同时，现代职业劳动者工作的强度与压力不断增加， 营造轻松愉快的工作心态和家庭舒适幸福的家庭氛围的生活愿景，激发了家庭远程监 控管理的现实消费需要，智能家居正是适应现代家庭生活的现实需要和通信网络技术 支持下应运而生的。 智能家居是以住宅为平台，集系统、结构、服务、管理、控制于一体，利用先进 的网络通信技术、电力自动化技术、计算机技术、无线电技术，将与居家生活有关的 各种设备有机地结合起来，通过网络化的综合管理家中设备，来创造一个优质、高效、 舒适、安全、便利、节能、健康、环保的居住生活环境空间。i j 】 智能家居的主要功能有： 1 安全监控：包括各种报警探测器的信息采集，开关门报警等如门磁、紧急按钮、 红外探测、煤气探测、火警探测等，并完成与住宅小区物业管理和1 l o 报警的联网。 1 2 】 2 家电控制：利用计算机、移动电话、p d a 通过高速宽带接入i n t e m e t ，并对灯 具、窗帘、空调、冰箱、电视、洗衣机等家用电器进行远程控制、定时控制。 3 家居商务和办公：实现网上购物、网上商务联系、视频会议。基于i n t e m e t 的 电子商务使每天的工作事务变得更加容易和简单。网上娱乐同样简单方便。如：家庭 影院、无线视频传输系统、在线视频点播、交互式电子游戏等，在智能家居中，你可 以和家庭成员或其它游戏爱好者一起通过计算机、电视、甚至可以用p d a 在线玩各 种网络游戏。【3 】 4 家庭医疗保健和监护：利用i n t e m e t ，实现家庭的远程医疗和监护。i n t e m e t 在 智能家居医疗保健中的作用有很大的潜力，不仅可以帮助人们身心更加健康，而且会 降低医疗保健成本。每天，人们都可以在家中将测量的血压、体温、脉搏、葡萄糖含 量等参数传递给医疗保健专家，并和医疗保健专家在线咨询 和讨论，省去了许多在医院排队等候的麻烦。而对于家有老人和孩子的家庭，配备求 广东工业大学硕士学位论文 助系统( 按键) ，保障家人的健康和安全。【4 l 5 通信服务：通过i n t e r n e t 可在任何时间任何地点获得和交换信息，信息传输可 以以多种形式，从静态文本、图形到动态的音频、视频信息。同时，i n t e r n e t 改变了 人们的通信交流方式，使人们能通过文本、图形、多媒体迅速地沟通信息。e m a i l 、 短信息、聊天室等通讯方式对生活产生了很大影响；在旅行中父母可使用聊天工具和 视频会议工具保持和孩子联系。在智能家居中，人们还可以用手提电话或p d a 通过 无线网络收发e m a i l ，接受最新的股市行情。【5 】 6 网络教育：网络教学将课堂带进了家庭，可帮助老师巩固课程，激发孩子们的 好奇心。现在学校和家长通过家居中的基于i n t e m e t 的教育工具可以合作得更加紧密， 并在家庭和课堂之间建立了桥梁。同时，在智能家居中，不管那个年龄段的人都可以 享受教育资源，可进行终生教育和学习。 1 2 智能家居的现状 1 2 1 国外的发展现状 自2 0 世纪7 0 年代开始，国外许多国家开始针对家庭网络进行研究。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方案， 智能家居在美国等发达国家都有广泛的应用。 1 9 8 4 年，美国c i t yp l a c eb u i l d i n g 是全世界首栋智能型建筑，它是美国联合科技公 司将建筑设备信息化，可谓开创了全世界智能家居建设的历史。 时至今天，国外的智能家居系统已非常流行及不断成熟，开发应用系统也已转向 嵌入式领域。从日本最早将智能化引进居住小区，到世界一批知名企业先后挤身于智 能家居的研究与开发，如微软的“梦幻之家”、i b m 公司开发的“家庭主任”、摩托罗 拉公司开发的“居所之门 等，智能家居正在全球兴起一股新的家居市场需求，安全， 舒适，便利，开放，人性化的智能居家环境已经成为了人们的居住追求。 1 2 2 国内的发展现状 国内的智能家居环境与国外有所不同，在国外，由于居住的环境多以别墅、独体式 2 第l 章引言 房屋为主，所以智能家居发展就更侧重信息网络的联通，家庭娱乐的控制等方面；而 我国的居住环境多以住宅小区式为主，所以发展的重点主要集中在安防监控的方面。 安防控制又叫智能安防，智能安防系统主要包括门磁、红外探测器、烟感探测器、燃 气探测器和指纹门锁，房间内都有智能监控，当有外人闯入，顿时铃声大作，系统将不 停的拨打预设的电话报警或与物业联动，保障主人的财产或人身的安全。另外，在天 然气漏气、家里出现明火都会被探测器探测到，自动通知主人和物业公司或报警，在 最短时间内挽救主人的生命并降低财产损失。1 6 j 在我国，智能安防的需求高于智能家居的另外几项功能需求，所以智能安防的发展 比较迅速，并独成一派，可以独立推广。另外，智能安防不仅用于家庭，在商品房也 有良好的应用，以及仓库管理等等，由于财产无处不在，所以安防需求也无处不在。 由于这种需求非常广泛，所以其发展的范围没有受区域的限制，智能家居在上海深圳 应用比较多，但是指纹门锁得以普遍应用。1 7 1 近几年，物联网的发展成为智能家居发展的催化剂，智能家居系统逐步朝着网络化、 信息化、智能化方向发展，智能终端设备的产品也将逐步走向成熟，由于应用r f i d 无 线射频识别设备，产品逐渐向着无线的方向发展，也从一定程度上降低了产品的成本， 更容易推广和接受。此外，由于物联网异常火热，国内外的各大通信运营商也将物联 网提上了日程，同时，传统的家电企业在进入智能家居领域这方面有了新的进展，除 海尔u h o m e 是比较早进入智能家居市场的企业，海信也在0 7 年推出了d n e t h o m e ，而在 0 8 年，t c l 、韩国l g 两大家电企业也纷纷涉足国内的智能家居市场，尤其是l g 智能家 居，还取得了不俗的成绩，荣获了2 0 0 8 年度中国国际智能化峰会颁发的“智能家居突出 贡献奖”。随着中国电信推出“我的e 家”、中国移动推出的“信息家园”，及诺基亚宣布打 造智能控制中心，广东移动于2 0 1 0 年3 月正式宣布将迈入包含智能家居在内的八大物联 领域。可见未来至少2 0 年时间里，智能家居行业将成为中国的主流行业之一，其市场 的发展前景非常广阔。 智能家居是蓝海产业，未来发展前景无限，但目前来讲还处于摸索阶段而未到成 熟期。智能家居要想健康稳定的发展，必须要注意以下几点问题：首先，由于无线射 频识别等设备被用于智能家居系统中，应解决标准问题，只有统一标准，行业才能健 康发展。其次，应保证智能家居产品质量和售后服务水平，不应由于产品质量差和服 务不到位而扰乱市场，阻碍行业发展。第三，应解决产品价格居高不下的问题，智能 3 广东工业大学硕士学位论文 家居生产商可以与建筑开发商合作，打造智能建筑、智能小区，大范围推广应用从而 降低成本。 1 3 智能家居的未来发展趋势 智能家居是信息时代的产物，以计算机和网络技术为核心，渗透并应用到建筑行 业，它的发展趋向于将建筑艺术与信息技术完美地结合，形成既有安全、舒适和高效 等特性，又能将科学技术与文化艺术相互融合的综合体。如今智能家居产业界所体现 的两大技术趋势正是发展方向：【8 】 1 领先的无线移动； 2 不依靠p c 的独立形态。即由模拟向数字化转变；功能模块化向系统平台综合化 转变：接入与控制单一化向多样化转变。 从技术角度讲，未来的智能家居将朝以下几个方向发展： ( 1 ) 自适应控制实现节能，智能家居系统可以针对不同的受控设备，采用相应的 节能控制技术或控制策略，提高机电设备的运行效率。 ( 2 ) 网络远程控制，通过手机或者电脑或其他上网设备，实现对家庭内部的远程 监视与控制。 ( 3 ) 无线与有线控制系统将会无缝结合。干线区域采用布线控制系统，小区域采 用无线控制系统，这将是未来智能家居控制系统与技术的发展方向。 从市场角度来看，未来的智能家居将朝以下方向发展： ( 1 ) 智能家居将成为家庭版的物联网，实现系统内部所有物体的相互通讯将是智 能家居未来发展方向。 ( 2 ) 智能家居将于智慧国家智能系统，智能城市系统，智能楼宇与智能小区， 实现无缝连接，所有的智能家居系统，都必然会兼容与以上大系统的无缝控制联动。 1 4 论文的研究内容和主要工作 本课题以网络与通信技术为基础，根据无限网络系统可由用户选配需用的控制部 件组成系统，组成的系统规模和布置灵活可变。 主要研究方法：采用系统开发的研究方法对嵌入式系统进行研究，采用现在日益 4 第1 章引言 发展的l i n u x 和a r m 嵌入式技术，采用的具体技术路线有： 1 b o o t l o a d e r s u 作：利用成熟的u b o o t 框架，定制一个的符合本系统运行环境的引 导程序，以完成必要的硬件初始化和内核加载等工作； 2 操作系统：针对a r m 9 裁剪l i n u x 2 6 3 0 4 内核； 3 根文件系统制作：包括b a s h 、b u s y b o x 等的移植； 4 驱动程序开发：基于a r m 9 和l i n u x 2 6 3 0 4 开发驱动程序； 5 嵌入式w e b j 艮务器的搭建：收集嵌入式网络智能终端系统的数据，应答广域网主 机的访问； 6 动态页面的设计( c g i ) ：创建界面良好，操作方便的用户界面； 7 家电控制模块的搭建：基于a r m 9 搭建性能稳定的控制平台； 8 建立嵌入式网络家电控制系统模块，包括：控制模块、执行模块、监测模块、显 示模块、服务器模块、访问终端模块。 1 5 本章小结 本章介绍了课题的研究背景，智能家居的发展以及国内外研究情况和未来的发展趋 势，最后介绍了论文的研究内容以及研究方法。 5 广东工业大学硕士学位论文 第2 章智能家居控制系统方案设计 2 1 智能家居系统需求分析 智能家居控制系统的应用对家庭生活方式带来很大影响，让人们在家中能够享受 到更安全、更舒适、更方便的生活，同时生活的环境更加符合环保要求，随着人们对 生活品质的不断追求以及住宅智能化技术的不断发展，根据需要，系统主要完成以下 功能： 1 温度控制：实时采集室内的温度，用户可以根据需要自行控制室内温度； 2 照明控制：根据需要控制家庭的任意灯光； 3 门窗控制：根据需要控制门窗的开关，无需再为每天开关窗帘而心烦，结合定时 控制器，窗帘每天自动定时开关，如每到晚上就自动关上，天亮时自动打开； 4 家电控制：实现对家用电器的定时控制、电脑控制等多种智能控制； 5 安防控制：完成室内防盗、防火、防燃气泄漏以及紧急救助等功能。 本系统可以采用构建嵌入式系统，采用a r m 为处理器、l i n u x 为操作系统，模拟实 现网络通信、家电控制、窗帘开闭、防盗报警等等。 2 2 智能家居系统设计 该设计采用了a r m 硬件平台，操作系统l i n u x 2 6 3 0 4 ，服务器采用b o a ，服 务器程序利用c g i 语言编写，设计目标是通过互联网远程登录服务器，通过b s 的运 行方式远程监测和控制家居情况，图2 1 为设计目标。 6 第2 章智能家居控制系统方案设计 ，_ ”“”一_ 、 ( 显示界面) 曩墓曼曩喾 鲨l j i i 鋈二 - 豳 2 3 嵌入式系统 图2 1 总体架构 f i g u r e2 - 1o v e r a l la r c h i t e c t u r e 网络控制p c 蜗i 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，以适应应用系 统对功能、可靠性、成本、体积和功耗等有严格要求的专用计算机系矧1 1 。嵌入式系统 由硬件、软件构成。 硬件组成：微处理器、存储器、i o 接口、输入输出设备； 软件组成：嵌入式操作系统、应用软件。 有硬件软件组成的基本架构有硬件层、硬件抽相层、操作系统和相关接口函数以 及应用层，图2 2 为基本架构图。 应用 ( a p p l i c a t i o n ) 标准接口函数 ( p i ) 操作系统 ( 0 s ) 硬件抽象层 ( h a l ) b s p 、驱动 硬件 ( 微处理器) 图2 2 基本架构 7 广东工业大学硕士学位论文 2 4 硬件框架结构 f i g u r e2 - 2b a s i ca r c h i t e c t u r e 嵌入式系统上的处理器单元称为嵌入式微处理器。嵌入式微处理器是嵌入式系统 硬件的核心、运行嵌入式系统的系统软件和应用软件，要能够正常的运行一个操作系 统，即最小系统，硬件方面至少应该包括微处理器m p u 、电源模块、时钟模块、复位 电路、以及f l a s h 、s d r a m 和j t a g ，最小系统由微处理器、电源模块、时钟模块、复 位模块以及存储模块构成，图2 3 为最小系统构成。 2 4 1 嵌入式微处理器 图2 - 3 最小系统 f i g u r e2 - 3m i n i m u ms y s t e m 嵌入式微处理器比较广泛地用于交换设备的p o w e r p c 、高性能的m i p s ，用于运动 控制和算术运算的d s p 以及一般应用的a r m ，a r m 因为其成本低和能耗省的特点，适 用于嵌入控制、消费电子和移动式应用等，本项目采用的a r m 处理器。 2 4 2a r m 处理器 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 是一类嵌入式微处理器，a r m 将其设计的高性 能、廉价、耗能低的r i s c 处理器，以及相关软件技术授权给世界上许多著名的半导 体、软件厂商，每个厂商得到的都是一套独一无二的a r m 相关技术及服务。各大半导 体生产商根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，形成自己的a r m 微处理器 8 第2 章智能家居控制系统方案设计 芯片进入市场。 a r m 处理器采用r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，精简指令计算机) 体系， 采用r i s c 指令集的微处理器处理能力强，并通过采用超标准和超流水线结构，大大增 强并行处理能力，a r m 处理器是面向低成本市场设计的一款r i s c 微处理器，是一种可 扩展、可移植、可集成的处理器。采用r i s c 架构的a r m 微处理器的特点包括：体积小、 低功耗、低成本、高性能：支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好地兼容8 位1 6 位器件：大量使用寄存器，指令执行速度快：大多数数据操作都在寄存器中完成； 寻址方式灵活简单，执行效率高。【9 】 目前，a r m 微处理器包含a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m ll 系列、c o r t e x m 系列、 c o r t e x r 系列、c o r t e x a 系列，除了具有a r m 体系结构的共同特点以外，每个系列的 a r m 微处理器都有各自的特点和应用领域。 2 4 3 $ 3 c 2 4 4 0 处理器【l o 】【1 1 1 $ 3 c 2 4 4 0 是三星公司推出的1 6 3 2 为r i s c 微处理器，它为手持设备和一般类型应用 提供了低价格，低功耗、高性能微处理器方案。$ 3 c 2 4 4 0 采用了a r m 9 2 0 t 的内核，采 用了新的总线架构a d v a n c e dm i c r oc o n t r o l l e rb u sa r c h i t e c t u r e ( a m b a ) ，实现了m m u 、 a m b ab u s 和哈佛高速缓冲体系结构，具有丰富的外设接口，有6 0 个中断源，2 4 个外 部中断以及1 3 0 个多功能输入输出口，有a h b 、a p b 总线。支持n a n df l a s h 启动、 d m a 控制、l c d 以及t f t 彩色显示，支持1 2 c 总线、1 2 s 总线和s p i 以及u s b 主从 设备等等，图2 4 是s 3 c 2 4 4 0 时钟图。 9 广东工业大学硕士学位论文 图2 4 时钟图 f i g u r e2 - 4c l o c kd i a g r a m 1 0 第2 章智能宋居控制系统方案设计 2 4 4 $ 3 c 2 4 4 0 外围电路 本课题所用到的主要外围电路有d m 9 0 0 0 完成网络t c p i p 通信，数字温度传感器 d s l 8 8 2 0 完成温度采集监控功能、红外感d y p m e 0 0 3 室内安全监测，步进电机模拟实 现窗帘开闭功能等等。 2 4 4 1d m 9 0 0 0 接口电路 板上集成一个1 0 0 m 以太网接口，在使用开发板进行开发的过程中，以太网接口 可以用来下载、l i n u x 内核和根文件系统等，在实际应用中t c p i p 协议，实现与远 程网络的交互，图2 5 为d m 9 0 0 0 电路图。 图2 5d m 9 0 0 0 电路图 f i g u r e2 5s c h e m a t i co fd m 9 0 0 0 2 4 4 2d s l8 8 2 0 接口电路设计 本项目采用数字温度传感器d s l 8 8 2 0 采集温度，获取室内温度，d s l 8 8 2 0 具有耐磨 耐碰、体积小、使用方便，适用于各种设备数字测温和控制领域，特点如下：【1 2 】 1 采用单总线接口，与微处理器连接时仅需要一条数据线： 2 坝0 温范围在- - 5 5 1 2 5 ； 3 多个d s l 8 8 2 0 可以并联在三线上，但最多也只能并联8 个可以实现多点测温： 4 测量结果以数字方式串行传送： 该传感器通过板上的g p i o 连接数据接口，电源线相应接板上提供的电源接口，图 2 - 6 为器件的封装图。 g n di ，0u d d p r - 3 5 封装 s o s i 封装 v c c n c n c n c 图2 6d s l 8 8 2 0 封装图 f i g u r e2 - 6p a c k a g eo fd s18 8 2 0 2 4 4 3d y p m e 0 0 3 本项目采用d y p - m e 0 0 3 监测智能家居室内安全状态，d y p m e 0 0 3 是热释电红外传 感器，是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器，人进入其感应范 围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。 1 3 1 感应模块在每一次感应输出后由高电平变成低电平，可以紧跟着设置一个封锁时间 段，在此时间段内感应器不接受任何感应信号。此功能可以实现“感应输出时间，和“封 锁时间”两者的间隔工作，可应用于间隔探测产品。 该传感器通过板上的g p i o 连接数据接1 2 1 ，电源线相应接板上提供的电源接口。 2 4 4 4 步进电机 本项目采用步进电机模拟实现窗帘的拉开和关闭，步进电机是一种将电脉冲转化为 角位移的执行机构，当步进驱动器接收到脉冲信号，可以驱动步进电机按设定的方向 转动一个固定的角度，它的旋转是以固定的角度一步一步运行，通过控制脉冲个数来 控制角位移量，达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的 速度和加速度，从而达到调速的目的。0 4 1 步进电机还有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启 动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，然后按一定加速度升到 所希望的高频( 电机转速从低速升到高速) 。 1 2 第2 章智能家居控制系统方案设计 本项目采用步进电机完成转动和翻转以及加减速的的工作。 2 5 项目相关技术与分析 2 5 1 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是操作系统的一种分类，支持嵌入式系统应用的操作平台，它是 嵌入式系统极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、 设备驱动接口、通信协议、图形界面等。i ”1 嵌入式操作系统负责嵌入系统的全部软硬件资源的分配、调度、控制和协调并发 活动。随着i n t e r n e t 技术的发展、信息家电的普及应用，嵌入式操作系统开始从单一功 能向高专业化的强功能方向发展。嵌