[硕士论文精品]基于arm的家庭信息化系统的研究

武汉理工大学硕士学位论文摘要2L世纪是“信息世纪”，随着人们生活水平的提高，传统的家庭模式无法满足现代家庭生活的需要，主要是传统家庭模式无法自动获取外界的信息，并且不同家庭节点之间无法协同工作进一步开发信息家庭控制系统已成为当前的迫切需要。与传统家庭产品相比，信息家庭集电脑、电信和消费类电子产品的特征于一身，使家电具有了信息的获取、加工、传递等功能，使人们能够拥有一个安全、舒适、便利的生活环境。与普通家庭相比，智能家庭不仅具有传统的居住功能，还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安捧时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。本文以研究信息家庭控制系统为切入点，以期能将其拓展成为完善的智能小区控制系统。现阶段家庭网关接入互联网的方式主要为有线接入。本文提出了一种基于GPRS网络的以嵌入式LINUX为操作系统的家庭网关无线接入INTERNET的方案，能通过手机短信息对控制节点进行远程控制，并能通过以太网接入INTERNET实现有线与无线相结合。结合ARM、现场总线、嵌入式LINUX、VC、无线统通信技术和GPRS网络等技术手段，进一步设计了一种较为完善的信息家庭控制系统，完成了系统硬件设计和软件设计，并进行了调试，验证了所设计系统的有效性和实用性。系统主要由基于ARM的家庭网关、GPRS模块、作为主机的NRF905模块和作为从机的NRF905模块几个部分组成。在家庭内部也采用了无线通信方式，能实现触摸屏、鼠标等输入终端对系统的控制及自动报警；在远端，能实现基于GPRS的远程控制及自动报警，能够通过手机短信息对控制节点进行控制。整个系统具有良好的通用性和可扩展性，方便在该硬件平台上进行二次开发和扩展。关键词家庭信息化，ARM，GPRS，LINUX武汉理工大学硕士学位论文ABSTRACT21STCENTURYISINFORMATIONCENTURY,WITHTHEIMPROVEMENTOFPEOPLESLIVINGSTANDARD,THETRADITIONALFAMILYMODEISUNABLETOMEETDEMANDSOFMODEMFAMILYMAINLYBCCAUSETHETRADITIONALFAMILYCANTOBTAINEXTERNALINFORMATIONAUTOMATICALLYANDCANTWORKINCOORDINATIONBCTWT圮NDIFFERENTFAMILYNODESFAMILYSCONTROLSYSTEMOF鼬盯DEVELOPMENTINFORMATIONHASALREADYBECOMETHEPRESENTURGENTNEEDCOMPAREWITHPRODUCTSOFTRADITIONALFAMILY,THEINFORMATIONFAMILYINCORPORATESTHECHARACTERISTICSOFTBECOMPUTER,TELECOMMUNICATIONANDCONSUMPTIONELECTRONICPRODUCTINTOANORGANICWHOLE，MAKETHEELECTRICALAPPLIANCESHAVEFUNCTIONOFOBTAINING,PROCESSING，TRANSMITTINGOFINFORMATION,ENABLEPEOPLETOHAVEASAFE，COMFORTABLE,CONVENIENTLIVINGENVIRONMENTCOMPAREWITHORDINARYFAMILY,THEINTELLECTUALFAMILYNOTONLYHASTRADITIONALINHABITANCYFUNCTIONSBUTALSOCHANGEDINTOTOOLSHAVINGDYNAMICINTELLIGENCEFROMTHEORIGINALPASSIVERESTINGSTRUCTURE，OFFERINGTHEOMNIDIRECTIONALINFORMATIONEXCHANGEFUNCTION,HELPINGFAMILYANDOUTSIDETOKEEPINFORMATIONINTERCHANGEUNBLOCKED,OPTIMIZINGPEOPLESLIFESTYLE，HELPINGPEOPLETOBUDGETTHEIRTIMEEFFECTIVELY,STRENGTHENINGTHESECURITYOFTHEFAMILYLIFE，IEVENSAVINGTHEFUNDFORVARIOUSENERGYO中S鼯THISPAPERREGARDSTHERESEARCHOFINFORMATIONFAMILYCONTROLSYSTEMASTHEBREAKTHROUGHPOINTANDITISCXPCCTCDTOEXPANDTOBECOMETHECOMPLETEINTELLECTUALDISTRICTCONTROLSYSTEMTHROUGHTHEEXPLORATION、STUDYINGOFTHISSUBJECT，ANDPUTITINTOPRODUCTIONTHEWAYINWHICHTHEFAMILYGATEWAYINSERTINTOINTERNETISMAINLYINSERTINGWIREDLYATTHEPRESENTSTAGE。THISPAPERHASPUTFORWARDAKINDOFFAMILYNETWIRELESSINSERTINGINTEMETSCHEMEWHICHTAKINGEMBEDDEDLINUXASOPERATINGSYSTEMBASEDONGPRSNETWORK,WHICHOARCONTROLTHECONTROLLINGNODETHROUGHTHEMOBILEPHONEMESSAGELONGRANGELY，ANDCALLINSERTINTOINTERACTTHROUGHETHEMETANDREALIZETHECOMBINESTOGETHERWITHTHEWIREDANDWIRELESSCONBININGWITILARM、FIELDBUS、EMBEDDEDLINUX、VC、WIRELESSTECHNOLOGY、仃ANSDUCERMEASURINGANDGPRSNETWORKTECHAOLOCMMEANSDESIGNAKINDOFCOMPARATIVELYCOMPLETEINFORMATIONFAMILYCONTROLSYSTEM，ACCOMPLISHTHEWORKLI武汉理工大学硕士学位论文OFSOFTWAREDESIGN、HARDWAREDESIGNANDETE，AND谢句THEDESIGNEDSYSTEMSVALIDITYANDPRACTICABILITYTHESYSTEMISMAINLYMADEOFTHEFOLLOWINGPARTSARMBASEDFAMILYNETS，GPRSMODULE，NRF905MODULEASTHEHOSTCOMPUTERANDNRF905MODULEASSUBSIDIARYCOMPUTERTHEWIRELESSCOMUNIEATIONWAYISADOPTEDINSIDETHEFAMILYTOOWECREALIZEIMPORTTERMINALSSUCHASTOUCHSENSITIVESCREEN,MOUSE，ANDETCCONTROLOFTHESYSTEMANDAUTOALARM；ONTHEFARCNA,WECANREALIZETHELONGRANGECONTROLANDAUTOALARMBASEDONGPRSANDCONTROLTOCONTROLLINGNODETHROUGHTHEMOBILEPHONEMESSAGE11舱WHOLESYSTEMSHOULDHAVEGOODEXPANSIBILITYANDCOMMONABILITY,SOITISCONVENIENTTOCARRYONTHESECONDARYDEVELOPMENTANDEXPANDONTHISHARDWAREPLATFORM，KEYWORDSFAMILYINFORMATIONSYSTEM,ARM，GPRS，LINUXNI武汉理工大学硕士学位论文11系统开发背景第1章绪论21世纪是“信息世纪”，随着人们生活水平的提高，传统家庭模式无法满足现代家庭的需要，主要是传统家庭无法自动获取外界的信息，并且不同的家庭节点之间无法协同工作。进一步开发信息家庭控制系统已成为当前的迫切需要。随着以计算机技术为核心的信息技术、数字技术、多媒体技术和网络技术的飞速发展，通信、计算机与消费类家用电器产业COMPUTER、COMMUNICATIOIL、CONSUMER，3C的进一步融合，必将带来数字化、智能化、网络化的信息家庭产业的更快发展。与传统家庭产品相比，信息家庭集电脑、电信和消费类电子产品的特征于一身，使家电具有了信息的获取、加工、传递等功能，使人们能够拥有一个安全、舒适、便利的生活环境。所谓安全、舒适、便利可以这样理解1安全家庭配有防火、防盗、防暴设施；2舒适家庭配备冷热水供应，空调等；3便利家庭配有足够的通讯设备和信息设备，能够实现家庭节点之间的协同工作及远程监控。与普通家庭相比，信息家庭不仅具有传统的居住功能，还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能，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，并能节约资金ILJ。12智能家庭的发展和研究概述121智能家庭的发展历程及研究现状1国外智能家居的发展情况20世纪70年代开始，国外许多国家开始针对家庭网络进行研究。自从世界上第1幢智能建筑1984年在美国出现后，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、日本等国都有广泛的应用。新加坡模式的家庭智能化系统包括武汉理工大学硕士学位论文三表抄送功能、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。几年前一些经济比较发达的国家提出了“智能住宅”的概念，住宅智能化是智能家居的先导，智能家居是住宅智能化的核心。那么达到一个什么样的标准才可以称之为智能化家庭呢智能化家庭与智能大厦概念与定义一样，至今尚没有取得一致的认同。美国电子工业协会于1998年编制了第1个适用于家庭住宅的电气设计标准，即家庭自动化系统与通讯标准，也有称之为家庭总线系标准HBS；我国也从1997年初开始制定小康住宅电气设计标准导则讨论稿。在导则中规定了小康住宅小区电气设计总体上应满足以下要求高度的安全性，舒适的生活环境，便利的通讯方式，综合的信息服务，家庭智能化系统。同时也对小康住宅与小区建设在安全防范、家庭设备自动化和通讯与网络配置等方面提出了三级设计标准，即第一级为“理想目标”，第二级为“普及目标”，第三级为“最低目标”。智能家居最终目的是让家庭更舒适，更方便，更安全，更符合环保。随着人类消费需求和住宅智能化的不断发展，今天的智能家居系统将拥有更加丰富的内容，系统配置也越来越复杂。智能家居包括网络接入系统、防盗报警系统、消防报警系统、电视对讲门禁系统、煤气泄露探测系统、远程抄表水表、电表、煤气表系统、紧急求助系统、远程医疗诊断及护理系统、室内电器自动控制管理及开发系统、集中供冷热系统、网上购物系统、语音与传真电子邮件服务系统、网上教育系统、股票操作系统、视频点播、付费电视系统、有线电视系统等等，各种新鲜的名词逐渐成为智能家居中的组成部分。在新加坡有近30个社区住宅小区近5000户的家庭采用了“家庭智能化系统”，美国已有近40000户家庭安装了这一类的“家庭智能化系统”。三星公司从2003年春节后，开始在中、韩两国同时推出其智能家居系统，通过机顶盒和网络，将家居自动控制、信息家电、安防设备以及娱乐和信息中心这四部分集成一个全面的、面向宽带互联网的家居控制网络。2国内智能家居的发展现状同国外相比，我国对家庭网络和信息家电的相关产品的研制起步较晚。从中国的国情来看，其中实用型与舒适型应当成为住宅建设的主流，因为实用型2武汉理工大学硕士学位论文住宅主要面向国内目前低收入者，舒适型面向中等偏上收入者。但是住宅是一项使用寿命较长、一次投资较大的特殊商品，因此，建设时的标准必须具有一定的超前性。我国将住宅小区智能化定义为利用4CBP计算机、通讯与网络、白控、IC卡技术，通过有效的传输网络，将多元信息服务与管理、物业管理与安防、住宅智能化系统集成，为住宅小区的服务与管理提供高技术的智能化手段，以期实现快捷高效的超值服务与管理，提供安全舒适的家居环境。目前智能家居一般要求有三大功能单元第一，要求有一个家庭布线系统；第二，必须有一个兼容性强的智能家居中央处理平台家庭信息平台；第三，真正的智能家庭生活至少需要三种网络的支持宽带互联网、家庭互联网和家庭控制网络。目前已经出现的智能家居家庭信息处理平台大致分为三类第一类平台是机顶盒技术，第二类平台是家庭网关，第三类平台是拥有自主知识产权的软组合家庭信息平台。软组合家庭信息平台以软组合方式与家用电器音像电器、摄像装置、上网装置、卫星接收装置、保安装置、照明装置以及功能扩展接口等结成一体，具有可供选择的机顶盒、电脑接口，它与机顶盒结成一体，就兼有第一类平台的功能；它与电脑结成一体，就兼有第二类平台的功能。这种平台除了具有家居平台的一般功能外，还具有独特优势。根据我国国情、民情，实现“智能化家居几步走”；可兼顾、激活目前家庭里已经大量存在的非智能家电；方便需要通过电视实现上网的几千万人，特别适于智能家居的DIY；对家庭电器具有多种功能开发、信息处理增值、人机保护等功能。但智能家居是一个大的社会系统工程，建立起清晰的产业链还尚需时日12J。122智能家庭的发展趋势随着集成技术、通讯技术、互操作能力和布线标准的实现而不断改进，智能家庭涉及到对家庭网络内所有的智能器具、设备和系统的操作和管理，以及计算机技术、通讯网络技术和自动控制技术的应用。家庭网络是信息社会的基本单元，是信息家庭的精髓。未来的家庭中，各种信息家电将组成一个家庭局域网，并通过家庭网关接入互联网。家庭网络的发展应紧密结合现代控制技术、计算机技术及通讯网络技术的飞速发展。其发展趋势主要有武汉理工大学硕士学位论文1基于控制器的智能家庭网络基于控制器的家庭网络符合当前多数家庭的实际需要，解决了当前家庭中大量存在的传统家电设备的互联问题，同时通过电话线实现对PSTN的拨号接入，可完成数据远传和异地控制。这种方式具有很大的市场价值和广阔的应用前景。整个控制器功能主要由四个部分组成和上位PC机通信、和家庭内部设备实现通信、完成远程拨号的操作、实现数据的检测和采集。在家庭中形成一个控制网络，构建一个家庭信息处理平台，完成对所有设备集中统一的监控和管理，同时还提供一个外部以太网或INTERNET的接口以便摆脱传统的单机运作模式，实现远程或异地的监控和访问。2基于家用电脑的智能家庭网络基于家用电脑的智能家庭网络把熟悉的PC技术简单地嫁接到新的家庭网络技术中，通过无线局域网，使用家用电脑作为中央控制单元，提供家庭与INTEMET之间的寻址和路由这种以家用电脑为基础的智能家庭网络，具有很多突出的优点如电脑具备强大的网络接入功能，是首屈一指的网络终端。利用电脑运行智能家居管理软件，能提供很多高级控制特性。以家用电脑为基础的智能家居系统。具有优秀的兼容性和扩展性，而且在技术上也能有效支持80211无线技术，蓝牙技术，以及HOMERF技术。3基于电力线通信的智能家庭网络电力线网络技术使用的是与插座直接相连的现有电力线，不需要电话线，只要用一个电力线适配器插入插座即可。基于电力线通信的智能家庭网络由于电力线网络拓扑及其电源插座用作接入点的方便性，使其成为智能家庭网络的一种很有吸引力的候选技术和新的发展趋势。基于电力线通信的智能家庭网络相对于其它技术具备诸多优点，如网络家电可以通过电力线进行通信，无需另外布线。在一个住宅内通常有多个接入点，即电源插座。用户可以用同一技术建家庭LAN，把PC机、打印机、扫描仪以及其他任何想连接的设备连接起来。而且建电力线通信网的成本比其它技术低。目前，电力线通信还须借助其它技术来向互联网发送数据以及与移动设备通信，在实施和市场方面也存在不少问题。用于家庭联网的电力线通信产品虽然已有提供，但对用户来说，可供选择的产品并不多，技术支持也较差，有待4武汉理工大学硕士学位论文于进一步的研究和发展。由上述国内外发展情况来看，信息家庭将是日后家居生活发展的方向。尽管信息家庭在有关核心技术、独立产品等多方面落后于发达国家，但由于国内外都处于探索阶段，尚未形成垄断，同时国内又有潜在的庞大的消费群体。因此，国内的芯片设计制造商、嵌入式软件供应商、信息家庭制造商、信息服务运营商正面临难得的市场机遇LJJ。13研究的目的与意义现阶段家庭网关接入互联网的方式主要为有线接入，本文提出了一种基于GPRS网络的以嵌入式LINUX为操作系统的家庭网关无线接入INTCRNET的方案，目的是能通过手机短信息对控制节点进行远程控制。并能通过以太网接入INTEMET实现有线与无线相结合；并使用无线射频技术实现家庭内部子网采集数据的无线传输。对信息家庭来说，其意义在于增加了另一种控制手段GPRS。可以随时随地通过手机短信息监控家庭的各个节点；而且家庭子网采取无线局域网的方式可减少布线，节约成本。14本论文研究的主要内容本系统以研究信息家庭控制系统为切入点，通过对该项领域的探索、研究，以期能将其拓展成为完善的智能小区控制系统。将控制系统分为远程控制级上位机、现场控制级下位机和GPRS通信级、控制节点网络四级。通过该系统，可通过INTERAET及时了解家里的各种运行状态，并能根据现场情况做出相应的调整和控制。现场控制设备将收集到的各种信息送到上位机；同时，能对数据进行处理并能够在设定的条件下产生报警。为了实现该目的，本文研究主要内容如下1信息家庭系统方案的选择和总体设计。2嵌入式UCLINUX、以太网芯片驱动程序编写、WEBSERVER的移植、MINIGUI的移植、界面编写及现场输入终端的实现。3嵌入式操作系统以及应用程序的开发。4基于LINUX和GPRS无线通讯的实现。武汉理工大学硕士学位论文5底层无线局域网的实现。6系统软硬件调试及实验测试。论文将分为七个章节来详细论述上面几部分工作。这七章分别为第L章介绍该信息家庭系统研究的背景、项目研究的主要目标和意义。第2章介绍整个信息家庭系统设计目标和总体方案，包括各个模块的分解及其相应的功能、系统软硬件的划分及相互联系等。第3章主要论述信息家庭系统硬件设计的相关内容。包括各个模块的具体实现方案、系统各个总线接口的定义与模块问的通信、系统硬件性能分析和有关数字电路的PCB板级设计等。第4章介绍系统的软件模块的设计与实现。除了说明底层软件模块的组成和结构之外，还详细讨论了各个软件驱动模块的具体设计与实现方法。第5章主要说明了整个系统的软硬件调试平台与环境，调试步骤及具体的软硬件调试结果。第6章是全文的一个总结，并提出了对该信息家庭系统可行的改进建议。6武汉理工大学硕士学位论文第2章家庭信息化系统解决方案基于ARM的家庭信息化系统以SAMSUNG公司的嵌入式ARMS3C44BOX芯片技术为基础，基于以太网ETHEMET和GPRS无线通讯的嵌入式家庭信息化系统。本章主要说明基于ARM的家庭信息系统设计的解决方案，包括系统功能分析、系统的结构设计、功能模块划分。21系统设计目标及设计原则本文所实现的目标是开发基于ARM的嵌入式系统，作为一个远程监控平台同时也可以作为现场控制的硬件平台。根据设计要求，结合ARM、现场总线、嵌入式LINUX、VC、无线技术以及GPRS网络等技术手段，设计一种较为完善的信息家庭控制系统，并完成其系统硬件设计、软件设计工作，验证所设计系统的有效性和实用性。具体的目标为在现场，能实现触摸屏、鼠标等输入终端对系统的控制及自动报警；在远端，能实现基于GPRS的远程控制及自动报警，能够通过手机短信息对控制节点进行控制。使整个系统具有良好的可扩展性和通用性，从而方便在该硬件平台上进行二次开发和扩展。本文设计原则是1安全性和可靠性安全和可靠是对家庭信息化系统的基本要求，是智能家居所追求的主要目标。2满足业主需求家庭信息化系统的设计将以业主需求分析着手，并以得到业主认可的需求为目标来开展工作。3理性和经济性在保持先进性的同时，充分考虑系统的实用和效益，争取获得最大的投资回报率。4标准化家庭信息化系统设计及其实施将按照有关标准进行，尽可能符合工业标准或主流模式。5结构化和可扩充性家庭信息化系统的总体结构将是结构化和模块化的，具有很好的兼容性和可扩充性，既可使不同厂商的设备产品综合在一个系统中，又可使系统能在日后得以方便的扩充，并扩展另外的设备产品14J。武汉理工大学硕士学位论文22系统预期实现的功能家庭信息化系统具有的功能如下1现场能通过LCD和触摸屏进行参数的设定和修改。2远端PC能使用IE通过互联网对系统进行远程监控。3能使用手机短信息配置系统参数及监控。4实现家庭内部无线局域网数据的采集及传输。23系统实现方案231系统简介家庭信息化系统是以SAMSUNG公司的嵌入式ARMS3C4480X芯片技术为基础，基于以太NETHEMET接口结构和GPRS无线通讯的嵌入式家庭信息化系统主要功能是在现场及远程监控家庭各个信息模块的工作状态，并在异常情况能自动报警。各个信息模块将各自采集的信号经过处理后通过家庭子网传输到嵌入式微处理器芯片A尉S3C4480X上，通过嵌入式微处理器的操作系统的TCPIP或UDP佃协议栈，将数据打包运行嵌入式WEB服务器，客户端通过以太网的网桥或交换机进行远程访问。也可通过嵌入式微处理器朋LMS3C4480X的液晶控制器将数据打包后直接输出到液晶上实现现场级监控家庭信息化系统带有GPRS无线通讯模块，能让用户方便的通过手机短信息进行控制，也能在异常的情况下将报警信息发送到预先设置好号码的手机卡上。家庭子网内部采用无线收发芯片组成无线局域网实现家庭子网与家庭网关的数据交换。232系统的总体设计家庭信息化系统总体分硬件和软件两大块，硬件部分主要包括各种功能的实现模块，软件部分主要包括UCLINUX操作系统、驱动程序及应用程序。其硬件整体框图如图21所示。武汉理工大学硕士学位论文图21家庭信息化系统整体框图233系统的主要模块整个家庭信息化系统从硬件上可以分为7个部分主处理器模块、LCD显示模块、以太网通讯模块、GPRS通讯模块、家庭子网模块、家庭防盗模块、电源模块1主处理器模块整个系统要运行嵌入式操作系统，采用ARM32位RISC处理器的内核，主要由SANSUNG的S3C“BOX构成，完成整个系统的调度及控制。2存储模块存储模块主要是2MBYTE的NORFLASH，用于存放BOOFLOADER和操作系统的代码，此外，为了加快系统的运行速度，片外扩展了8MBYTC的SDRAM存储器。3LCD显示模块主要由液晶屏及触摸屏、鼠标构成，完成系统现场级输入输出功能。4以太网通讯模块9I一武汉理工大学硕士学位论文由以太网芯片RTL8019AS完成物理层的转换。实现嵌入式微处理器与远程监控计算机数据的交换。5GPRS通讯模块主要由GPRS模块SIM300C构成，通过PPP点对点协议可实现无线上网及短信息的收发，实现整个系统的无线监控6家庭子网模块家庭信息化系统的底层子网包括三表的计量节点、温湿度控制节点、火警信号采集节点、家电控制节点、灯光控制节点、煤气泄漏报警节点等。底层网络选择无线局域网控制，通过家庭网关接入INTERNET，实现远程监控。7家庭防盗模块在防盗方面，采用了驻极体话筒、红外传感器、被动热释电传感器的手段进行监控，从而达到声、光、热等综合监控声音传感有可变电阻器控制其临界声音分贝，恰当的调节可变电阻器后，就导致系统的反应。在红外传感方面，安装好红外对接管后，用通断红外发射接收就可以测试报警结果。遮断式红外监控头的发射头与接受头不能相距的太远，只能达到2米左右，安装时最好离地L米高，防止动物走动引起误报警。采用的热释电监控头可以监控7米的范围。8电源模块对于嵌入式系统硬件来说，电源质量的好坏直接影响到整个系统工作的稳定性。系统有一个12V开关电源输入，采用了一片LM2596S提供所需要的5V电压，由LMILL7芯片为系统的其它部件供电33V。另外LCD液晶需要12V的背光电源，由总电源提供。24本章小结本章分析了家庭信息化系统的设计目标，给出了系统的具体功能设计和性能指标。在此基础上，本章详细论述了系统设计的总体方案，包括系统总体设计框图、系统功能与模块的划分的设计。10武汉理工大学硕士学位论文第3章家庭信息化系统的硬件设计正确可行的硬件设计是整个嵌入式家庭信息化系统开发的基础和重要部分。一个好的可靠的系统硬件设计，不仅能够实现系统分析时确定的功能目标，还应该为整个系统调试和升级留下足够的冗余设计和自由度。另一方面，硬件设计的同时要考虑到与软件开发相协调的问题，在保证软件设计正确和简明的同时，也必须考虑到该硬件基础上进行软件开发的可行性和难度。31功能模块的实现311主处理器模块主处理器模块主要由家庭信息化系统的核心部分S3C44BOX芯片，以及时钟电路、复位电路等ARM外围辅助器件组成。S3C44BOX芯片是SANSUNG公司生产的S3C44BOX32位的RISCREDUCEDINSTRUCTIONSETCOMPUTER指令系统的ARM微控制器。其性价比高、功耗低，目前已广泛应用于手持设备、因特网设备、网络、调制解调设备等领域。其主要特点包括扩展存储控制器、8KBCACHESRAM、LCD控制器、2通道UART波特率可高达115200BS，并内置16字节FIFO、12C和12S接口、71个通用I0端口和8个外部中断、8通道10位ADC、看门狗、实时时钟等州FLASH存储器是一种可带电能在线进行修改，掉电后数据不丢失的新型存储器。几乎同时具有所有存储器的优点低功耗、大容量、低价格、密度高、不挥发、可更新、擦写速度快、可整片或分扇区编程或擦除，并且由内部嵌入的算法完成对芯片的操作，因而在各种嵌入式系统中得到广泛的应用。FLASH存储器作为一种非易失性存储器，在系统中通常用来存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的重要数据等。常用的FLASH为8位或16位的数据宽度，编程电压为33V。主要的生产厂商为ATMEL、AMD、HYUNDAI等，他们生产的同种型号器件通常具有相同的电气特性和封装形式。本文中FLASH存储器采用一片39VFL601存储器，大小为2M字节，用于武汉理工大学硕士学位论文存放已调试好的用户应用程序、嵌入式操作系统以及其他在系统掉电后需要保存的用户数据等。为了加快系统的运行速度采用一片SDRAM存储器HY57V641620，大小为8M字节，可满足嵌入式操作系统及各种相对较复杂的运行要求。与为了加快系统的运行速度存储器相比较，SDRAM不具有掉电保持数据的特性，但存取速度远远高于FLASH存储器，且具有读，写的属性。因此，SDRAM在系统中主要用作程序的运行空间，数据区及堆栈区。当系统启动时，CPU首先从复位地址0X00000000H处读取启动代码，在完成系统的初始化后，程序代码一般应调入SDRAM中运行，以提高系统的运行速度。同时，系统运行代码、用户堆栈、运行数据也都放在SDRAM中SDRAM具有单位空间存储容量大、价格便宜等优点，已广泛应用在各种嵌入式系统中。SDRAM工作原理可以理解为一个电容，总是倾向于放电，为避免数据丢失，必须定时进行刷新因此，在系统中使用SDRAM，要求微处理器具有刷新控制逻辑，或在系统中另外加入刷新控制逻辑电路。S3C44BOX微处理图31主处理器模块12武汉理工大学硕士学位论文器片内具有独立的SDRAM刷新控制逻辑，很方便的与SDRAM存储器接口。目前常用的SDRAM存储器芯片大都为8位16位数据宽度，工作电压一般为33V主要生产厂家有HYLINDAI、WINBOND等。各厂家生产的同型号的器件一般具有相同的电气特性和封装形式。系统选用的芯片HY57V641620是4MX16BIT的SDLUM，存储容量是8MB。用SDRAM当作系统内存，只有BANK6BANK7能支持SDRAM，所以将SDRAM接在BANK6上。312LCD显示模块S3C44BOX处理器集成了LCD控制器，支持4位单扫描、4位双扫描和8位单扫描方式。内置的LCD控制器的作用是将显示缓存在系统存储器中的LCD数据传输到外部LCD控制信号。它支持灰度LCD和彩色LCD。在灰度LCD上，使用基于时间抖动算法和帧速率控制FRCFRDMERATECONTR01方法，可以支持单色、4级灰度和16级灰度模式的灰度LCD。在彩色LCD上，可以支持256种色彩STN液晶。数据的传送采用DMA直接内存访问方式，以达到最小延迟。不同尺寸LCD具有不同数量的垂直和水平像素、数据接口、数据宽度、接口时间和刷新率。LCD控制器可以进行编程控制相应的寄存器值，以适应不同的LCD显示板。LCD控制器主要提供液晶屏显示数据的传送、时钟和各种信号的产生和控制功能。LCD显示模块还包括对触摸屏的输入信号的处理，这里采S3C“BLCDVO701VD7OLVF丸恤BAIOLVCLKVCUCVUNEVLINE一VMNRESETNRES盯NIBE2NWBE3TPXGPE0TPRADS7843GPE7TPYGPF7TPYEQ帕图32LCD显示模块武汉理工大学硕士学位论文用ADS7843。这里有一点特别值得注意，如果LCD是5V电压驱动，因为S3C44BOX的IO电平为33V，故需用74HC244进行总线驱动。S3C44BOX处理器的LCD控制器主要部分框图如图32所示。313以太网通讯模块3C4480X内嵌入了一个以太网控制器，支持MIIMEDIAINDEPENDENTINTERFACE和带缓冲DMA接口BUFFEREDDMAINTERFACE，BDI，可在半双工或全双工模式下提供10100MBPS的以太网接入。但S3C44BOX并未提供物理层接13，需外接一片物理层芯片以提供以太网的接入通道。本文中采用RTLS019AS作为以太网的物理层接口，采用20F001N隔离变压器将其与UIPRJ45接口相连。RTL9019AS是性价比高且带有即插即用功能的全双工以太网控制器，可以以中断的方式来报告自身的工作状态。S3C44BOX在收到EXINTI后，进入相应的中断处理程序后，对RTL8019内部寄存器ISR的值进行读取，从而判断是什么引发了中断。RTLS019AS是高度集成以太网控制器，这种适配器具有二重和功率下降特性。通过三电平控制特性，RTL9019AS是已知的对网络设备GREENPC理想的选择。全二重功能能够模拟传播和接收在双绞线到全二重以太网交换机。这个特性不仅将带宽从10MBPS加强到20MBPS，而且避免了由于以太网频道争夺特性导致的读出多路存取协议的问题。微软公司的即插即用功能能减轻用户较差的营业收入而注意适配器资源，如IRQ、输入输出存储器地址等等。然而，为了特殊的应用而得不到即插即用功能的兼容性，RTL8019AS支持JUMPER和JUMPERLESS选项。为了提供完全解决即插即用方案，RTLS019AS集成了10BASET收发器、BNC、和AUI接口之间的自动检测功能。此外，8条IRQ总线和16条基本地址总线为大资源情况下提供了宽松的环境。RTL8019AS支持16K、32K、64K字节的BROM和闪存接口。它仍然提供页面模式功能，这种功能能支持在仅16K字节内存系统空间下的4M字节的BROM。此外，BROM的无用命令被用来释放BROM内存空间。RTL8019AS用16K字节SRAM设计在单片芯片上，它的设计不仅提供了更多友好的功能，而且节省了SRAM存储资源。具体电路连接图如图33所示。14武汉理工大学硕士学位论文3C4480XR几19ASDATA15O】SD15伽RM520啪1NADDR5ISA4OIENTLD丌O616L8142瞄10RBNWEIO帅LIL3D0CS3删639砌墟S耵陟一RESET314GPRS通讯模块图33以太网通讯模块移动通信和因特网的发展，使得人们对话音通信以外的数据通信，特别是无线数据通信提出了越来越迫切的需求。于是，全球移动通信领域引发了一场新的技术革命，运营商在发展话音业务的同时，希望通过提供移动计算机和数据通信设备及业务开辟新的业务增长点，增加收入。但现有移动网大多仍为第二代技术，仅能满足话音和低、中速数据业务的需求，难以满足高速数据业务的要求，以提供移动多媒体业务为特征的第三代移动通信，恰恰可以适应这一发展，提供了高达2MBITS的业务。第三代移动通信网明显比第二代无论是GSM还是CDMA在频谱利用率和业务能力上都有明显的提高，所以运营商会争取尽早提供第三代业务，以取得竞争的优势，第三代移动通信系统是发展的必然趋势。GPRSGENERALPACKETRADIOSERVICE是通用分组无线业务的简称，它是一种基于分组交换传输数据的高效率方式。GPRS将深刻的改变终端用户使用移动数据计算的体验。GPRS最显著的优点就是能够提供比现有GSM网96KBITS更高的数据率，可达170KBITS。巨大的吞吐量改变了单一的面向文本的无线应用，使得包括图片，话音和视频的多媒体业务成为现实。移动用户再也不必通过拨号专门的ISP来收发EMAIL和浏览WEB网页，GPRS提供了无缝，直接的INTERACT网连接。GPRS支持X25协议和对INTERACT有深远影响的口协议。根据用户需要灵活的动态分配无线资源，从而实现多用户共享，提高频率利用率。同时，武汉理工大学硕士学位论文计费也将由传统的按时方式改为根据用户数据的传输量来计费。GPRS不仅被欧洲的第二代移动通信系统GSM支持，同时也被北美的IS136支持。它的高数据率能够提供第三代中的部分多媒体业务且在时间进程上提前几年，并且当第三代真正到来的时候，对于那些没有第三代经营权的运营商来说，GPRS不失为一种竞争业务，因此GPRS被认为是第二代移动通信系统向第三代演进的重要的一步，目前几大通信公司如NOKIA、MOTOROLA、SIEMENS等都在积极参与GPRS的提供II川。GPRS模块一般是指带有GPRS功能的GSM模块，可以利用GPRS网进行数据通信。GPRS是“通用分组无线业务CNERAIPACKETRADIOSYSTEM的英文缩写。它以分组交换技术为基础，采用口数据网络协议，使现有GSM网的数据业务突破了最高速率为96KBITS的限制，最高数据速率可达1712KBITS，实际的传输速率为30KBPS到50KBPS左右GPRS可以充分利用现有的移动通信网络，即在现有的GSM网络上增加一些硬件设备和软件升级，形成一个新的网络逻辑实体，相当于在现有GSM网络上叠加一个新的网络。GPRS的主要优点有四个方面1永远在线。2高速传输。3减少无线资源浪费。4按量计费。目前市场上用于工业系统的GPRS数据传输模块很多，从是否内部集成TCPIP协议栈看，大体上分为两类一类是早期不具有TCPIP协议栈的模块，主要有SIEMENS公司的MC35、SONYERICSSON公司的GM47，MOTOROLA公司的G18，WAVECOM公司的Q2403等；另一类是具有TCPIP协议栈的模块，主要有SIEMENS公司的TC45，SIMCOM公司的SIM300C，MOTOROLA公司的G20，WAVECOM公司的Q2406等。不带协议的模块在开发GPRS应用过程中需要开发人员自己编写TCPIP协议栈或者在外部增加TCPIP协议转换模块如E5112、MC35以及串行接口芯片来实现，E5112系统应用开发周期相对较长，而MC35从价格和性能使用上来看，与内嵌协议的模块相比，其优势不是很大，因此在本文都没有被采用。从开发时间以及性能稳定性上综合考虑后，选用了SIMCOM公司提供的具有内置TCP，IP协议栈的SIM300C模块，它功能强大、使用方便、性能稳定、具武汉理工大学硕士学位论文有良好的技术服务支持，性价比高，向用户提供了标准的AT命令接口和丰富的AT指令集，用户可以很方便地将其集成到各种数据终端之中。它的优势是始终保持在线连接、数据传输快速稳定，具备快速GPRS技术，根据实际测试，掉线几率非常小。SIM300C是可以配置的，使得外部输入、输出接口提供的外部控制应用更有效。嵌入式的控制器对于在报警、仪表采集和应用发布等应用领域是可以访问的，并且支持C语言编程。本身具有TCPIP协议栈功能，还可以开放内部CPU资源，同时拥有所有M2M通信必需的功能啪J。串口IAT命令串口2调试程序用审口3应用程序使用图34SIM300C模块实时操作系统框图图34显示了SIM300C的内部实时操作系统RTOS及外部硬件接口框图。控制器位于SIM300C的内部，运行实时操作系统。RTOS给用户提供了GSM处理程序，AT指令信道函数，TCPIP协议，UART、IO口、12C、SPI总线等外部接口的驱动函数及一些其它的应用函数。微控制器在后台运行，所以并不影响模块的GSM功能。用户将应用程序以脚本的形式下载到模块的NVMFLASH中，模块使用了一个解释器，解释器从NVMFLASH中读入脚本，并且逐行解武汉理工大学硕士学位论文释，使之执行所需功能。SIM300C的外部有2个串行端口，即SERIALPORTL和SERIALPORT2。串口L包括7根线数据线TXD和RXD，状态线RTS和CTS，控制线DTR，DCD和RING。它可以用作CSDFAX，GPRS服务和发送AT指令，它有多种功能，但是在使用它时不能同时使用PORT2。串口2只有两根数据线TXD和RXD。它只用作AT命令的传输，没有其它的功能。0SIM300C模块开关模块通过引脚17PWRR,EY来控制模块的开关，其时序如图35。管脚必须在设置为低电平之后一段时间释放，使管脚处于高电平状态，因为系统需要一定时间来启动内部软件。模块开关信号保持低电平时间要大于1500MS。模块上电时间大约在100毫秒与200毫秒之间。这也是在程序设计中需要注意的参数P职硪CY，启动时间15001S、ISFUTVILO7VB。VDDERR篷喳竺，图35SIM300C模块开关时序2SIM300C与CPU接口SIM300C的开关机、工作方式、工作状态及工作内容等均由S3C44BOX控制，设计中，S3C4480X通过GPAL引脚控制SIM300C模块的PWRKEY引脚，从而控制模块的开关机过程。S3C4480X与SIM300C的数据传输均通过异步串行通讯接口实现，采用二线制连接，即一收一发。系统中使用SIM300C的UART2与S3C44BOX的UART0相联接来实现串口通信，默认通信协议采用115200BPS波特率，1个起始位，8个数据位，无校验位及一个停止位。OSIM卡接口电路SIM卡是SUBSCRIBERIDENTITYMODEL客户识别模块的缩写，也称为智能卡、用户身份识别卡，GSM数字移动电话机必须装上此卡方能使用。SIM卡韵18武汉理工大学硕士学位论文主要作用是身份识别、安全保密功能、基本的信息存储、鉴权功能。普通SIM卡接口有8个引脚，但通常只使用其中的L6引脚。SIM卡接口引脚定义与SIM300C模块相应引脚定义一致，对应连接即可。需要注意的是，SIM卡与模块连接要保持在15CM之内，实验测试发现数据线SIMDATA必须连接上拉电阻。SIM卡各引脚定义如下0SLMVCCPINLSIM卡输入电源2SLMRSTPIN2SIM卡复位0SIMCLKPIN3SIM卡输入时钟4DONDPIN4SIM卡接地端5SIMVPPPIN5用于对SIM卡编程，无连接6SIMDATA0AIN6SIM卡串行数据输入输出SIM300C模块的NETWORK_LED引脚PINL6控制指示灯，用于指示模块的不同工作状态，当连接上GPRS网络后，将闪亮。SIM300C模块的STATUS引脚PINL9控制指示灯，用于指示模块的不同工作状态。SM300C模块的VDDEXT引脚PINL5为外部电路提供30V电压，此引脚用于显示系统是否正常工作。315家庭子网模块Q家庭信息化系统的底层子网包括三表的计量节点、温湿度控制节点、火警信号采集节点、家电控制节点、灯光控制节点、煤气泄漏报警节点等。底层网络选择无线局域网控制，通过家庭网关接入INTERNET，实现远程控制。射频RADIOFREQUENCY，简称RF技术是一种无线通信技术，其利用电磁波为载波来传输信息。RF技术使用几个特定频率中的一个频率传输数据，相邻的WLAN用不同频率。其产品既可工作在1819GHZ的特许频带，也可以在低功率的情况下工作于ISMINDUSTRIALSCIENTIFICMEDICAL，工业科学医学频段。目前使用的射频芯片大多工作在433868，915，2400MHZ频段，24GILZ的高频段使服务器与终端之间的通讯速率可达12MBPS，而且这个频段由于干扰小，在绝大部分国家都不受无线管制。NRF905单片无线收发器工作在433868915MHZ的工作频段。由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体震荡器和一个调节器组成。SHOCKBURST工作模式的特点是自动产生前导码和CRC，9武汉理工大学硕士学位论文可以很容易通过SPI接口进行编程配置。电流消耗很低，在发射功率为10DBM时，发射电流为1LMA，接收电流为125MA。进入POWEITD0、N模式可以很容易实现节电。NRF905片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器、功率放大器等模块，曼彻斯特编码懈码由片内硬件完成，无需用户对数据进行曼彻斯特编码，因此使用非常方便。NRF905的详细结构如图36所裂161。由于工作在RF频段，走线对无线通信模块的质量会有很大影响，即使一根很短的导线也会如电感一样。粗略估算，每毫米长度导线的电感量约为LNH，而接收电路中的高增益放大器对噪声相当敏感。因此，要使无线通信模块有好的通信效果，PCB设计在NRF905收发系统的开发过程中是主要的工作之一，在PCB设计时，必须考虑到各种电磁干扰，注意调整电阻、电容和电感的位置，特别要注意电容的位置。NRF905的PCB一般都是双层板，底层一般不放置元件，为地层；顶层的空余地方一般都敷上铜，这些敷铜通过过孔与底层的地相连。直流电源及电源滤波电容尽量靠近VDD引脚。NILF905的供电电源应通过电容隔开，这样有利于给NRF905提供稳定的电源。在PCB设计时，尽量多打一些通孔，使顶层和底层的地能够充分接触。NRF905在使用中，根据不同需要，其电路图不尽相同，该电路天线部分使用的是差分连接的环形天线。在NRF905的电路板设计中，把天线布在P