基于嵌入式Linux的智能家居网络监控系统的研究与实现

要 随着科学技术的进步和国民经济的发展，人们对于家 庭安全，居住舒适，生活便捷等方面的要求越来越高。本论文正 是在顺应了人们这些需求之下，以嵌入式 操作系统，以 硬件基础，设计并实现了一个由中央处理器集中控制和管理的家庭网络系统。该 系统向互联网提供服务器功能，不仅可以通过互联网终端上的 览器网络控制和访问连接在家居网络中所有的电器设备（如照明，家电，温湿度监控，空气监测，视频监控等） ，还实现了对家居温湿度环境和室内空气质量情况的实时监测。 本文是在分析了各种家居网络监控产品设计方案的优 缺点，并对各种实现技术进行了深入研究之后，研究并开发了一 个基本可以满足用户需求的嵌入式智能家居网络监控系统，主要研究内容如下： 1. 给出了一个完整的 能家居网络监控系统设计方案，并从硬件和软件两个方面对整个系统的方 案选型（包括嵌入式处理器的选型，硬件平台的搭建，嵌入式操作系统的选型， 整个系统的软件架构设计）和确定都做了详细的论证。 2. 在 代码的基础上，根据具体的硬件配置重新设计了与 系结构紧密相关的代码， 实现了 启动方式。添加了 载功能，修改了 卡驱动。添加了 动，实现了烧写任意字节大小的的内核和 件系统的功能。实现了直接引导式的内核镜像的功能。 3. 对各个硬件模块的控制原理都进行了详细的分析，开发了电灯驱动程序，直流电机驱动程序，步进电机驱动程序， 温湿度监控驱动程序以及空气监测驱动程序，并对驱动程序开发所涉及到的如内核定时器，中断处理，阻塞型输入输出，并发控制等技术及设计技巧都进行了研究 。最后对各个模块驱动的设计都做了测试和验证。 4. 在嵌入式 务器的基础上， 使用 术为整个系统开发了一整套应用程序，并在实验室环境下对该 系统进行了整体测试。测试结果表明，该系统完成了预期功能，具有良好的稳定 性和可靠性，易于使用。相比于同类嵌入式家居网络监控系统方案，在软硬件成本和开发周期方面有一定的优势。 关键词： 智能家居，网络监控，嵌入式 备驱动程序 of of of is In is to of It is PU a by a to on E to is to (as , of of a of to as 1. a a s of of in of 2. On of on of is to 3PU to a a to a to in of is 3. a of of DC as as a of as a of of . On of EB to a of an in of to in 录 第一章 绪论 . 1 究背景及意义 . 1 内外研究现状 . 2 课题研究内容 . 3 第二章 系统总体设计及方案确定 . 5 言 . 5 统设计目标 . 5 统硬件方案选型 . 7 控制器选型 . 7 统硬件平台选型 . 7 统模块扩展 . 9 统硬件方案确定 . 9 统软件方案选型 . 10 入式操作系统选型 . 10 统软件方案确定 .统整体方案确定 . 12 结 . 12 第三章 系统 植 . 13 言 . 13 网络监控系统上的移植 . 13 一阶段关键技术研究 . 15 二阶段关键技术研究 . 21 结 . 27 第四章 嵌入式 作系统移植 . 29 言 . 29 入式 作系统移植 . 29 文件系统制作 . 32 入式 务器移植 . 33 结 . 34 第五章 系统硬件接口设备驱动程序开发 . 35 言 . 35 符设备驱动程序的框架分析 . 36 符设备驱动程序简介 . 36 符设备驱动程序的运作方式 . 36 灯驱动程序 . 39 灯控制原理 . 39 灯驱动程序设计 . 40 试结果 . 43 调驱动程序 . 44 流电机控制原理 . 44 流电机驱动程序设计 . 46 果分析 . 48 帘驱动程序 . 49 进电机控制原理 . 50 进电机驱动程序设计 . 51 果分析 . 56 湿度驱动程序 . 57 湿度传感器的数据传输 . 57 湿度驱动程序设计 . 59 果分析 . 62 气检测驱动程序 . 63 气检测模块的工作原理 . 63 气检测驱动程序设计 . 64 果分析 . 65 第六章 系统应用程序开发及性能测试 . 67 言 . 67 统应用程序设计 . 67 统主页面设计 . 69 络家电控制程序设计 . 71 湿度环境监控程序设计 . 72 气质量检测程序设计 . 73 络视频监控程序设计 . 73 统性能测试 . 75 第七章 结论与展望 . 77 结 . 77 望 . 77 致 谢 . 79 参考文献 . 80 攻硕期间取得的研究成果 . 83 目录 图 2统整体结构示意图 . 5 图 2统主板的硬件配置图 . 7 图 2展板总线接口图 . 9 图 2统硬件结构框图 . 10 图 2统软件结构图 . 3基本功能 . 13 图 3启动流程 . 14 图 3存器的格式 . 15 图 3操作流程图 . 19 图 3内存分布图 . 20 图 3动中个层之间的函数调用关系 . 21 图 3层驱动中函数修改情况 . 22 图 3启动界面 . 28 图 4间分配结果图 . 30 图 4统 启动界面 . 34 图 5备驱动整个系统中随处的位置 . 35 图 5符设备读取数据流程图 . 36 图 5用程序调用字符设备驱动程序的方式图 . 37 图 5-4 数和 数之间的调用关系 . 37 图 5-5 数和 数之间的调用关系 . 38 图 5-6 数和 数之间的调用关系 . 38 图 5-7 数和 数之间的调用关系 . 38 图 5-8 数和 数之间的调用关系 . 39 图 5灯控制电路 . 39 图 5灯驱动程序测试 . 43 图 5调控制电路 . 45 图 5的函数调用关系图 . 46 图 5核定时器中断处理函数 . 48 5调驱动程序测试结果 . 49 图 5帘控制电路 . 50 图 5数的调用关系图 . 52 图 5数的执行流程 . 55 图 5进电机驱动测试结果 . 56 图 5- 19 路接线图 . 57 图 5位时序 . 58 图 5 据流程 . 58 图 5号 0时序图 . 59 图 5号 1时序图 . 59 图 5动程序框架 . 60 图 5)函数的程序流程 . 62 图 5湿度驱动程序测试结果 . 62 图 5气检测模块电路 . 63 图 5D 转换驱动程序的执行流程 . 64 图 5- 29 空气检测驱动测试结果 . 66 图 6作流程示意图 . 67 图 6统应用程序结构框图 . 68 图 6统的登陆界面 . 70 图 6-4 序处理过程 . 70 图 6统主页 . 71 图 6络家电 序结构框图 . 71 图 6络家电控制页面 . 72 图 6湿度监控页面 . 72 图 6湿度监控页面 . 73 图 6气质量检测页面 . 73 图 6作流程 . 74 图 6络视频监控测试结果 . 75 X 表目录 表 3处理器中 存器的格式 . 16 表 5灯控制真值表 . 40 表 5流电动机的功能描述 . 44 表 5流电动机的控制电路真值表 . 45 表 5进电动机的功能描述 . 49 表 5极步进电动机正转操作顺序表（ 1 相励磁法） . 50 表 5极步进电动机正转操作顺序表（ 2 相励磁法） . 51 表 5极步进电动机正转操作顺序表（ 1励磁法） . 51 表 6统页面文件功能说明 . 68 1第一章 绪论 究背景及意义 近年来，随着人民生活水平的提高和科学技术的进步 ，特别是互联网技术、嵌入式技术、电子通信技术、自动控制技 术的日新月异和迅猛发展，大大促进了社会信息化网络化的加速。在信息化网络 化的浪潮中，人们的生活习惯与工作方式也在悄然发生着变化。住宅自动化，网 络化，智能化、可随时随地远程控制化也逐渐成为了社会的迫切需求，智能家居 网络监控系统正是在适应了人们的这些需求之下应运而生。 当前，以 为代表的 32 位嵌入式处理器正经历了前所未有的发展，处理速度和控制能力都在朝着 方向发展，甚至已经越来越接近桌面电脑；而功耗却越来越低，价格也越来越便宜。 未来智能家居监控装置是否可以长期有效和不间断地稳定运行，并且在性价比方 面能否吸引更多的客户，使用超低功耗的嵌入式处理器设计实现的智能家居网络 监控产品发展空间很大；又因为互联网的介入彻底改变了传统智能家居产品的设 计和应用。因此采用面向特定应用，面向互联网，在功能、可靠性、成本、体积、功耗都占有绝对优势的 理器设计的智能家居网络监控系统将大有可为。 同时在软件方面， 以嵌入式 为代表的嵌入式操作系统技术正迅速崛起，主要是由于人们对自由软件的渴望与嵌入 式系统应用的特制性，要求提供系统源码层次上的支持，而嵌入式 适应了这一需求，相比其它几种商用操作系统(如 )，它不仅具有免费开源、系统内核小、效率高、内核网络结构完整等特点，而且在开发工具 成熟，可以自由裁剪，更容易得到技术支持等方面的优势也非常明显。 因此使用嵌入式 作系统是降低产品成本和缩短开发周期最重要的因素。毫无疑问，嵌入式 最适于开发性价比更高的智能家居网络监控设备的操作系统。 总而言之，使用 控制器和嵌入式 作系统开发的嵌入式智能家居网