挑战杯论文-基于3G技术的家居安防监控系统.doc

第一章 绪论1.1 作品背景随着社会的进步，人们生活水平逐渐提高，对家庭财产及家居安全重视程度也不断提高。在社会商品化进程中，由于社会体制转型而带来一些不稳定因素也在增进人们对家庭防盗报警器的需求，科技的普及进步，使得原来高贵神秘的防盗报警器开始走入寻常家庭。城市居民住宅小区的大量崛起，促使人们在家庭住宅的观念上逐步发生变化。人们不仅需要宽敞、豪华的住宅，同时也希望有一个安全的生活空间。所谓安全，就是有一个快速、有效、连动的防火、防盗、防爆的治安体系，同时要求家庭、社区管理中心及其有关单位部门都能及时获得相关信息并采取相应措施。然而，社会上还有不法分子在活动，他们置法律于不顾，人为地制造一些破坏和灾难。行凶、盗窃等违法犯罪活动还时有发生，严重地扰乱了人们正常的生活，给社会带来不安定因素。而且，伴随着着高科技产品的应用，相应地也带来了一系列不安全因素，如煤气管道、热水器使用以及其它许多大容量的家用电器的使用，都明显地增加了发生火灾的可能性、触电的不安全性以及煤气中毒、爆炸的危险等。这些不安全隐患潜伏在人们的身边，使人们逐渐地意识到家庭安防的重要。因此智能电子技术在现实生活中的智能家居电子产品中得到广泛应用。特别是计算机技术、网络通信技术、信息控制技术的迅猛发展与提高，促使家庭实现了生活现代化，居住环境舒适化、安全化。这些高科技己经影响到人们生活的方方面面，改变了人们生活习惯，提高了人们生活质量，智能化家居也正是在这种形势下应运而生的。智能家居的日渐兴起给人们的家居生活带来了全新的感受，家居智能化成为一种趋势。同时，随着手机用户越来越多，特别是3g网络的发展，手机上网用户量增加很快，越来越多的人希望能够通过手机查看远程监控现场的场景，基于这样的背景，联网手机的家居智能视频监控系统应运而生。1.2 国内外研究概况和应用前景1.2.1 家居安防系统概述随着我国国民经济和人民生活水平的不断提高，在全国建成了许许多多的现代化住宅小区。由于城市人口膨胀、外来人口的增加及煤气和大量家用电器设备使用中的不安全因素以及恶意侵害(如入室偷窃等)，对小区居民的生命和财产造成了很大威胁。因此，人们越来越迫切要求、采用有效的措施，以满足日益增长的安全防范需求。为了更有效地保证居民的生命和财产安全，在住宅和住宅小区内引入了智能化的手段，即家庭安防系统来进行安全防范管理。家庭安防系统是由安全对讲系统、防盗报警系统、防火灾报警系统和防煤气泄漏系统等组成，该安全防范系统是家庭、住宅小区防范外来侵害和自然灾害的一种最重要的、最有效的手段，它大大提高了居民自身的安全感，已成为社会治安的一个重要组成部分。经过多年的发展，智能小区家居智能化系统越来越成熟，功能越来越完善，安防报警系统已成为智能小区家居智能化重要组成部分。1.2.2国外研究现状 自从世界上第一幢智能建筑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、日本等国都有广泛应用。1998年5月新加坡举办的“98亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会”上，通过在场内模拟“未来之家”，推出了新加坡模式的家庭智能化系统。目前在新加坡也有近30个社区(住宅小区)近5000户的家庭采用了“家庭智能化系统”，美国已有近四万户家庭安装了这一类的“家庭智能化系统”。 在网络经济时代的大潮中，智能社区的安防建设显得越来越重要，国外的许多大公司已进入到该领域中，如微软公司投资一家itran公司，专业从事家庭安防和家庭自动化方法的开发设计。ibm公司与建筑商合作，为用户提供装备先进的安防系统的智能化住宅。美国联邦政府和以ibm，at&t等大型it企业为首，投资4000亿美元，为全国500万个小区和9000万个家庭提供全面的小区和家庭的安全防护和信息服务。1.2.3国内研究现状 “安全技术防范”作为一个专业领域，在国内已经历了数年的发展历程，它的发展历程分为三个阶段：1979-1983年为起步阶段；1984-1996年为发展阶段；1997年后为提高阶段，即探索安全技术防范的发展规律和方向的阶段。近两年来，安防行业又有了进一步的发展。视频监控系统随着社会的进步，近年来越来越广泛地被应用到各个领域。同时随着社会的发展，视频监控系统也随之经历了三个不同的阶段:模拟视频监控、基于微机平台的多媒体监控和基于嵌入式网络视频服务器的网络化数字视频监控。模拟视频监控系统主要是由摄像机、视频矩阵、监视器、录像机等组成。但模拟视频系统只适用于较小的地理范围，与信息系统无法交换数据，监控仅限于监控中心，基于gprs的主动式移动视频监控系统的设计和实现应用的灵活性较差，而且不易扩展。基于微机平台的多媒体监控系统以高性能的多媒体工控机为核心，采用模块化结构，将主控端的全部设备集成于一体，另外，该系统还具有友好的人机交互界面和基于网络的多级分控能力，每一级都有自我管理和控制的功能，并可以受上一级的控制。 dvr(数字视频录像机)是第二代多媒体监控系统的核心产品，采用微机和windows平台，在计算机中安装视频压缩卡和相应的dvr软件，不同型号视频卡可连接1/2/4视频，支持实时视频和音频，是第一代模拟监控系统升级实现数字化的可选方案。但存在许多缺陷，要实现远距离视频传输需铺设光缆、在光缆两端安装视频光端机设备，系统建设成本高，不易维护、且维护费用较大。网络数字视频监控系统将传统的模拟视频信号转换为数字信号，通过计算机网络来传输，通过智能化的计算机软件来处理。系统将传统的视频、音频及控制信号数字化，以ip包的形式在网络上传输，实现了视频/音频的数字化、系统的网络化、应用的多媒体化以及管理的智能化。目前，安防产品在市场结构方面呈现三个特点：第一是地区分布不均衡。第二是安防产品差别程度不大，国内安防产品企业，生产同类产品的差异性不大。这意味着产品容易替代，垄断程度低。第三是在市场进入障碍上呈现弱势。安防产品是境外企业争相进入的热点，进入障碍的高低，影响着市场内已有企业优势的大小。1.2.4存在问题以及发展方向(1)存在的问题电源可靠性差目前市场上的不少监控产品由电池提供电能，耗电状况既无限制又不做出真实说明，更无欠压指示或欠压报警功能，普遍存在实质性缺陷。无线防盗产品在各个布防点上的正常工作，至少应保证正常稳定的电源。 误报漏报现象严重由于传感器件的灵敏度问题，市场上的不少安防产品存在着严重的误报、漏报现像。国内一些安防监控系统大都采用常规的计算机与通讯技术，即以单片机为核心的区域控制器以及以rs-232或rs-485串行通讯总线为标准的系统连接，监控系统通过现场安装的传感器、控制器以及相应的变送器和执行机构对各种被监控对像进行自动检测和控制。这种系统虽然可以满足大多数用户的要求，但由于它的集成度较低、规范性差，而且又无统一标准，所以，系统的可靠性、维修性、互换性以及可扩充性均难以达到理想效果和规范要求。安装不方便市场上出售的家居安防产品多为有线，其主要的缺点是机动性差，不便适应用户及产品的多变要求,对于要在已装修好的房间内安装施工，是一件十分棘手的事情，所以很难被千家万户所接受。成本高，不适合家居监控 现行的许多视频监控系统，是采用在监控室里对着监视器浏览画面的模式，这种传统模式对于企业集团用户、学校、工厂、小区等来说，是很适用的，因为他们可以聘请专人坐在监视器前关注画面的情况，但是对于普通老百姓来说可行性不大，因为老百姓要上班、有自己的工作要做，不可能长时间盯着监视器。而且，这类监控安防产品成本高，性价比差。(2)发展方向低电压微功耗无线收、发组件的开发和应用在无线射频安防系统应该是安防系统研究的重点问题。该系统主要利用门缝探测器和红外探测器以及火灾探测器、煤气泄漏探测器探测人体入侵或感知事故发生时传输报警信息到系统主机，系统主机收到报警信号后立即按主机设定的报警号码，利用电话线路自动拨打报警电话和播报主机预设的报警救援录音及报警信息，通过接警人的监听、判断、控制警铃、阻吓求援，以及通过联网电脑监控中心接收报警信息，实现联网报警功能，该系统既可单家独户使用，也可以同时进行小区联网监控管理。无线防盗产品应重视低电压微功耗产品及部件的开发和采用，同时标准化是智能家居安防发展的一个方向。应用gsm/gprs传输技术是智能家居安防又一发展方向，gsm/gprs网络在应用上有广泛的全球化支持，它永远在线，永远连接，具有广阔的市场前景。短消息传送具有自动传送、费用低廉、稳定性高等优势，适用于智能家居安防领域。1.2.5家居智能安防的应用前景国内从事智能家居方面研究的企业还很少或是刚刚起步，市场上能见到的相关产品更少，而且大多产品还是国外产品的代销或oem生产，真正有自主知识产权的产品几乎没有。随着越来越多的智能住宅项目的启动，国内在数字社区、智能家居方面的需求却日趋旺盛。可见，国内智能住宅发展的春天已经到来。而在家居智能安防方面，其优越性已经明显体现出来，省却了布线的麻烦，大大的减少了工程量，特别是在家用市场方面显示出了极大的优越性。尽管智能家居在国内是一个新兴的行业，但是，它也正以不可抵挡之势迅速崛起。自智能家居走进中国以来，在短短几年的时间里，智能家居生产商由最初的几家公司增加到如今的百余家企业，其行业发展之迅速是目前国内任何其它行业所无法比拟的。目前，我国智能家居生产厂商、分销商、集成商与装饰公司都形成了相当规模，不少国内知名企业纷纷涉足智能家居行业，并涌现出一些较具影响力的智能家居专业厂商，智能家居产品已开始走进中国的普通家庭。随着智能家居热潮在世界范围内的日渐兴起，中国电子技术的飞速发展、人们生活水平的不断提高以及智能电子技术在生活中的广泛应用，智能家居已经成为未来家居装饰潮流发展的最新方向，在不久的将来，没有智能家居系统的住宅肯定不合潮流。从目前的发展趋势来看，在未来的20年时间里，智能家居行业将成为中国的主流行业之一，智能家居安防系统则是其中重要的一部分，其市场的发展前景是非常广阔的。1.3本文主要研究内容本文将在研究中深入探讨联网手机家居智能安防系统的工作原理和实现方法，并在实践中检验，解决出现的问题。其具体的研究内容如下：(1)系统概述；(2) 系统总体设计；(3) gprs简介；(4)嵌入式系统linux简介；(5) 热释电人体红外传感器；（6）图像采集、处理与传输；(7)试验结果与分析；(8）本文工作进行了总结和展望。1.4本章小结本章介绍了作品的科学意义以及当前国内外的研究现状、存在的问题和发展方向。正是因为家居智能安防在国内拥有良好的基础，以及网络、手机在人类生活中的普及，才使得联网手机家居智能安防系统应用前景广阔。最后从系统的工作原理和实现方法入手，简要概述本文主要研究内容。第二章 系统概述2.1系统概述根据调研结果显示，目前国内绝大部分家庭都对家庭监控设备有需求。但由于国内的经济发展和人们生活水平的不均衡性的特点，其所需求的档次存在着明显的不同。对于一部分用户只需要具有简单报警功能的安防设备；而对于高收入阶层，由于其对生活环境的要求较高，对监控系统业提出了更高的要求。家居舒适性，设备的智能性以及人性化就成了他们的首选要求。根据目前国内住宅小区的发展状况，如何远程监视家庭内部情况，防止陌生人的闯入都成了人们关注的焦点。在要求性能的同时，对产品的外观小、低耗能、经济以及扩展性等特点的要求在不断提高。手机联网智能家居监控系统主要针对家庭用户设计，其主要是使家庭的主人通过该系统方便的进行远程家庭的内部监视。本作品使用嵌入式linux操作系统。系统开始工作后，摄像头进行监控录像并将图像信息通过usb输入arm控制器,通过arm系统持续进行图像对比,期间，如果监控画面出现异常，输入arm中的数字信息发生改变,或者当人体红外传感模块获取到异常信息，arm控制系统立即驱动使用usb 接口的摄像头拍照进行图像采集，将图像信息经过gprs模块，传输到与arm服务端通过udp方式连接的远端用户绑定的手机中，实现远程图片报警。与此同时，arm控制系统将把从该时刻起直到十五分钟后的监控视频存储到sd卡中，以备以后查看。现在社会上已有许多监控系统，但由于没有远程图像传输，系统可能由于一些外界干扰而发出错误报警，给用户带来不必要的麻烦。此装置正好弥补了这一点，远程图像传输给用户最直观的图片展示，不仅让用户收到报警信息，还能了解警报产生的原因，避免不必要的麻烦。而且，本装置还增添了防火和燃气泄露预警模块，通过烟雾传感器和气敏传感器进行实时监测，保障家居安全。手机联网智能家居监测系统 2.2可行性分析随着人们生活水平的提高和对生活环境要求的提高，对智能化家居产品的需求在快速扩展。而随着技术水平的发展，相应的电子器件和外围设备的价钱又在不断的降低，这也为其良好的应用奠定了基础。相信在不久的将来，在中国广泛的小区建设中，会出现更多的智能家居安防产品，人们的生活水平和居住环境也将因此得到不断的提高。从技术上来讲，嵌入式技术在最近几年得到了广阔的发展。嵌入式处理器的性能得到了显著的提高，这就为以嵌入式为基础的智能化家居系统的发展奠定了硬件基础，使较复杂的检测和识别算法在系统中得到应用。在软件方面，出现了丰富的支持嵌入式设备的软件，使嵌入式系统的开发的难度降低。出现了大量专注于嵌入式的企业，使嵌入式开发中能得到良好的技术支持。同时智能化家居的概念也更加明确，相关的智能化技术得到了显著的发展，使开发能获得大量先进的资料。第三章 系统总体设计3.1系统设计原则 整个系统的设计中，为了使设计合理，确保系统的可靠性和后续升级，以获得最佳的设计效果，本系统设计中遵循以下几个设计原则：(1) 高性能的mcu芯片。本系统采用最新或是功能更完善的芯片，能够达到更高的精度和可靠性，可大大简化设计电路，使系统的精度和可靠性得到了保证。通过正确选用高性能的mcu芯片，提高了系统的可靠性，并使设计留有余地，为以后的升级提供了方便。(2)可扩展性。电路设计上应该留有余地，以考虑将来扩展和修改的需要因为软件的升级比硬件要方便得多，而且往往只要修改或添加软件中数据处理的模式或算法，就可以大幅度地提高系统的功能。因此，应该在硬件设计时尽可能地留有余地，以便将来的修改和扩充。例如在flash、sdram等芯片的选取上，既考虑了现在的实际要求，又在价格允许的范围内，选取了较大容量的型号，留有较大的存储空间，考虑到了以后添加数据的方便。(3)软件代替硬件。在实时性允许的条件下，能够用软件完成的功能，就不用硬件，这样不仅节省了成本；而且也提高了系统的可靠性。在实时性能够保证的情况下，用软件代替硬件是很合算的。(4)引入linux操作系统。软件设计中引入嵌入式实时操作系统，使得软件设计简单化、结构化、模块化。3.2系统开发平台的选择根据系统功能、性能要求，该系统基于arm9架构嵌入式芯片mini2440，稳定工作在202mhz主频，板载64mb sdram/64m flash。up-netarm2440主板资源包括： usb口，10m/100m以太网口，触摸屏、彩色lcd、6个用户按键， a/d、rtc电路，4个串口、一个jtag通用接口，音频模块，支持mpeg4、mp3编解码，三个168pin的扩展插座，32位的数据总线，保留充分扩展空间。 16kb数据cach，16kb指令cach，mmu内置外部存储器控制器 lcd控制器(最高4k色stn和256k彩色tft)，一个lcd专用dma 4个带外部请求线的dma 三个通用异步串行端口，2通道spi 一个多主iic总线 一个iis总线控制器 sd主接口版本1.0和多媒体卡协议版本2.11兼容 1个usb host，一个usbslave 4个pwm定时器和一个内部定时器 看门狗定时器 117个通用io 24个外部中断 电源控制模式：标准、慢速、休眠、掉电 8通道10位adc和触摸屏接口 带日历功能的实时时钟 芯片内置pll 设计用于手持设备和通用嵌入式系统 16/32位risc体系结构，使用arm920t cpu核的强大指令集 arm带mmu的先进的体系结构支持wince、epoc32、linux 指令缓存、数据缓存、写缓冲，减小了对主存储器带宽和性能的影响 arm920t体系结构 内部先进的位控制器总线(amba2.0，ahb/apb)3.3系统总体设计方案3.3.1功能设计考虑到系统的可扩展性，系统端主要有gprs无线传输模块、图像采集模块、无线人体探测模块。通过gprs模块进行彩信的发送，可以让家居主人随时了解室内情况等信息。系统以arm9(mini2440)为基础，将图像采集模块、人体感应传感器、等所采集的信号通过无线收发模块传到控制主机，主机对各路信号处理后借助gprs网络，以mms的形式传送到远程手机，家居主人可以更及时、更直观、更清晰的掌握家中安防情况。3.3.2系统硬件结构 根据选定的系统设计方案，参考s3c2410的数据手册等资料，系统的结构包括arm9(mini2440)核心处理器、16mflash、64msram、图像采集模块、无线人体感应模块、无线门磁模块和gprs模块，其总体结构如图3-1所示。系统硬件主要有以下几部分构成：(1) 中央控制部分采用arm9(mini2440)处理器，其中mini2440芯片集成了大量的功能单元。外围的存储器有64msram、16mflash。(2) gprs模块：以wap无线应用协议为载体，实现即时的系统端到手机端的多媒体信息传送。在现场监控终端，报警触发时，需要向用户的手机上发送包含当时家里状况的图片的mms，让用户能够及时了解家里的状况。其与mini2440的连接方式采用的是串口连接方式。(3)图像采集模块采用的是v3000的usb接口摄像头，主控芯片是ov511芯片，一个专用的数字摄像ic到usb的接口芯片，内含数字摄像ic接口、dram接口、实时图像压缩引擎、usb接口、i2c接口、fifo等功能，用于将摄取的数字视频图像直接通过usb接口送入cpu进行处理。(4)电源模块，用于系统供电。(5)无线人体感应模块用于检测状态信号。3.4本章小结本章介绍了联网手机智能家居系统的总体设计原则，系统开发平台的选择，功能分析设计以及系统的硬件结构。第四章 gprs模块简介4.1 gprs概念gprs的英文全称为general packet radio service，中文含义为通用分组无线服务，通常我们将移动通信分为三代，第一代是模拟的无线网络，第二代是数字通信如gsm等，gprs是介于第二代和第三代之间的一种技术，通常称为2.5g，它是利用“包交换”(packet-switched)的概念发展出的一套无线传输方式。现今，移动通信系统己经发展到了 3g （umts， cdma2000）系统，但 2.5g 系统在今后几年内仍将是覆盖范围最大应用最广的一种移动通信系统。gprs是在gsm基础上引入了三种新的逻辑网络实体服务gprs支持节点（sgsn）、网关gprs支持节点（ggsn）和分组控制单元（pcu）。可以方便、快速、低成本的为用户数据终端提供远程接入网络的部署。 gprs是一种基于 gsm的移动分组数据业务，面向用户提供移动分组的 ip 或者 x.25 连接。gprs 是在现有的 gsm 网络基础上叠加的一个新的网络，同时在网络设备上增加一些硬件设备，并对原软件升级，形成了一个新的网络逻辑实体。gprs 能给用户提供端到端的、广域的无线 ip 连接。gprs 以分组交换技术为基础，可以在移动状态进行数据传递业务。由于 gprs 系统使用现有的 gsm 无线网络，共用相同的基站，中国移动借助原 gsm 网络建设 gprs 网络，使得 gprs 覆盖非常广。gprs业务采用分组方式，增强了用户的容纳能力。且gprs网络接入速度快，分组交换接入时间缩短为少于1秒提供了与现有数据网的无缝连接。gprs业务具有较高的数据速率，在较高的数据速率条件下，除了传输文本外还使传输图片、话音和视频等成为现实。gprs的核心网络层采用ip技术，底层可使用多种传输技术，很方便地实现与高速发展的ip网络无缝连接。gprs 网络是在现有 gsm 网络中增加ggsn 和 sgsn 来实现的，使得用户能够在端到端分组方式下发送和接收数据。其系统结构如图所示。4.2 mms，ems，sms简介sms(短消息)，在第二代移动通信网络基础上开发出来的移动数据业务，它是一种使用手机发送和接收有限长度文本信息的通讯服务。ems(增强型短消息)，它是sms业务的升级和扩展。在传递内容上，除了更长的文本外还可以发送简单的图像、声音和动画，如钟声、屏保等信息。但是由于网络架构的局限，在要求传递的内容越来越丰富的情况下，ems越来越不能满足要求。mms(多媒体消息业务)是sms和ems的进一步发展。由于选择网络体系架构的不同，使其可以传送更大的数据量，因而其传递内容进一步丰富，包括图像、音频信息、视频信息、数据以及文本；在技术上，除了提供了更好的标准性和开放性、业务的扩展性外，同时较好地考虑了与现有消息类业务系统的兼容，定义了一系列标准接口以实现与现有sms以及其他消息系统的互操作，从而提供了更好的业务过渡和衔接，因此，mms是目前最具发展潜力的移动消息类技术。mms并非只能在3g网络中使用。mms可以用在2g或者2.5g网络中，支持mms的手持设备和网络已经出现。4.3 gprs模块mms发送方法mms(多媒体信息业务)是在gprs网络或者cdma2000lx网络的支持下，以wap无线应用协议为载体，传送视频片段、图片、声音和文字等信息内容，实现即时的手机端到手机端的多媒体信息传送。在现场监控终端，报警触发时，需要向用户的手机上发送包含当时家里状况的图片的mms，让用户能够及时了解家里的状况。4.3.1 wap协议概述wap(wireless application protocol)是一种向移动终端提供互联网内容和先进增值服务的全球统一的开放式协议标准，是简化了的无线internet协议。wap将internet和移动电话技术结合起来，使随时随地访问丰富的互联网络资源成为现实。4.3.2 gprs和wap的关系手机联网智能家居系统的彩信发送是通过wap协议借助于gprs网络，把远程的图像传输到终端手机。gprs是先进的2.5代网络，为用户通过手机访问互联网提供更高的速率、更短的连接时间、更优惠的资费。gprs的开通为wap业务的发展提供了更加广阔的空间，gprs网络好像是高速公路，wap好比是行驶在路上的汽车；在高速公路上汽车可以跑得更快，在gprs网络上，wap也将运行得更成功。4.4 gprs系统的优势作为移动数据业务最主要的承载方式，与其他无线通讯方式相比，gprs业务具有实时传输、运营费用低、网络覆盖范围广等优点。因此，基于gprs数据传输业务在多种行业中得到了广泛应用。作为2.5g网络，gprs技术是gsm网络由2g向3g平滑过渡的必由之路。与2g相比较，其具有以下技术优势：(1)资源利用率高gprs引入了分组交换的传输模式，使得原来采用电路交换模式的gsm传输数据方式发生了根本性变化，这在无线资源稀缺的情况下显得尤为重要。对于分组交换模式，用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源利用率。(2)实时传输gprs理论上可提供最高值为171.2kbit/s的传输速率，这意味着gprs用户能和isdn用户一样快速地上网浏览，同时也使一些对传输速率敏感的移动多媒体应用成为可能。(3)运营费用低gprs用户的计费以通信的数据量为主要依据，体现了“得到多少、支付多少”的原则。通常，传输1k字节的数据需0.010.03元，相对于短消息(sms)、拨号上网等方式而言，采用gprs方式能够有效降低运营费用。(4)支持ip协议和x.25协议gprs支持因特网上应用最广泛的ip协议和x.25协议。而且由于gsm网络覆盖面广，使得gprs能提供internet和其它分组网络的全球性无线接入。45 本章小结在本章中，首先介绍了gprs的基本概念、mms，ems，sm的s简介、gprs模块mms发送方法、以及gprs网络具有实时传输、运营费用低、网络覆盖范围广等优点。第五章嵌入式系统linux简介5.1嵌入式操作系统linux介绍从八十年代末开始，出现了一些嵌入式操作系统，如vxworks， psos，neculeus和windowsce，但这些专用操作系统都是商业化产品，且价格高昂；而且源代码封闭性也大大限制了开发者的积极性。linux作为嵌入式操作系统，与其它商业化的嵌入式操作系统相比有着与生俱来的优势。嵌入式linux具有以下特点：开放的源代码，丰富的软件资源。功能强大的内核，性能高效、稳定，多任务，易于裁减。支持多种体系结构，如x86，arm，mips，alpha，sparc等。完善的网络通讯、图形、文件管理机制。支持大量的周边硬件设备。良好的开发环境，不断发展的开发工具集。价格低廉，能够有效降低产品成本。对成本敏感的嵌入式系统来说，这一点至关重要，而linux恰好具有这一特性。根据开发经验，经过裁减了的linux内核，能够用在嵌入式系统上面的操作系统，可以成为嵌入式linux。正是linux的以上特点，为开发各种嵌入式应用软件提供了强大的平台支持。linux的模块设计技术给嵌入式linux提供了一个很有优势的竞争条件：对于嵌入式操作系统，很重要的一点，就是需要的资源少，并且能够对所加载的资源能够进行动态的管理和控制，而嵌入式linux的模块化设计恰好就是该特点的完美体现。 同时，linux具备一整套工具链，容易自行建立嵌入式系统的开发环境和交叉运行环境，并且可以直接使用内核调试器对操作系统的内核进行调试和查错。linux还提供了强大的网络功能。linux诞生于因特网，它支持所有的因特网协议，并且可以利用linux的网络协议栈将其开发成为嵌入式tcp/ip网络协议栈。5.2交叉编译环境的建立通常嵌入式系统的软件开发采用一种交叉编译的方式。交叉编译环境建立在宿主机上，对应的开发板叫做目标板。开发时使用宿主机上的交叉编译、汇编及连接工具形成可执行的二进制代码，然后把可执行文件下载到目标机上运行。调试时的方法很多，可以使用串口，以太网口等，具体使用哪种调试方法可以根据目标机处理器所提供的支持作出选择。宿主机和目标板的处理器一般都不相同，宿主机为intel处理器，而目标板为mini2440的开发板， gnu编译器提供这样的功能，在编译器编译时可以选择开发所需的宿主机和目标机建立开发环境。本系统中编译器安装路径下表所示。 编译器安装路径说明编写的程序当中，会出现许许多多想不到的错误，这个时候就要对程序进调试，最常用的调试软件是gdb，也可以在程序中输出中间变量的值来调试。如果每次将交叉编译的程序烧写到arm芯片中执行，发现问题再重新调试、交叉编译、烧写，这样就会很烦琐，因此可以使用nfs在线调试的方法，确认程序正确无误之后，只需进行一次烧写。5.3嵌入式linux系统的移植linux是一个可应用于多种硬件体系结构的操作系统，目前可以在arm等硬件体系结构上运行，但是实际工作到特定的硬件环境上都需要具体的移植。一个嵌入式linux系统需要下面三个基本元素：引导程序、linux微内核(由内存管理、进程管理和事务处理构成)和初始化进程。还需要添加硬件驱动程序、文件系统和tcp/ip协议栈、图形用户界面gui和设计精简的应用程序，并将其放在rom、ram或flash中启动。由于嵌入式linux操作系统的高度灵活性，开发者可以很容易地对它进行定制或适当开发，来满足实际应用需要。5.3.1 bootloader的移植bootloader引导程序是嵌入式开发十分重要的组成部分。它是嵌入式系统加电后执行的第一个程序，并由它最终将操作系统启动起来并将控制权交给操作系统。bootloader引导程序最基本的功能是对硬件系统的初始化和内核启动参数设置并启动内核。bootloader的主要功能有：(1)初始化cpu的主频、sdram、中断、串口等硬件；(2)启动linux内核并提供一个ramdisk；(3)通过串口下载内核或ramdisk到目标板上；(4)将修改过的内核或ramdisk写入到flash内；(5)为用户提供一个命令接口。bootloader的实现除了依赖于cpu的体系结构，还依赖于目标板的设置，本系统的bootloader引导程序分为stage1和stage2两个阶段。依赖于cpu的体系结构的代码，比如设备初始化等，放在stage1中，采用arm汇编语言来实现，这样可以达到短小精悍的目的。stage2用c语言来实现，可以实现复杂的功能，同时代码具有更好的可读性和可移植性。5.3.2内核配置和编译linux采用模块化程序设计方法，其内核由若干功能相对独立的程序模块组成。采用模块化程序设计方法的主要优点在于对内核功能的增加和修正十分方便，而且任何一个模块的变动都不会影响其它模块的功能。例如在需要增加系统调用、修改程序代码、加载设备驱动程序等情况下，只需修改有关程序模块，而不必改变系统结构。选择不同的程序模块，编译出来的内核有很大的差别。linux支持大量不同的硬件，如果在编译时全部都选上，则编译出来的内核将十分庞大。所以要完全理解编译时内核支持的选项，只选择需要的驱动和模块。对内核源代码作必要修改后，根据硬件情况和应用开发要求对内核进行重新配置。使用make xconfig启动内核配置界面如图所示，在配置过程中，将linux系统运行的必要选项和与s3c2410 arm系统板相关的配置项选上，其他功能根据应用要求选择、定制。5.3.3根文件系统的制作linux文件系统具有强大的功能，不仅负责管理文件和文件系统，并提供管理设备、屏蔽设备复杂性的手段，为系统的内核其他部分、用户命令和系统函数调用提供统一的服务接口。而且，linux文件系统可以支持不同类型的文件系统，如minix、ext、ext2、msdos、ntfs、fat、fat32、vfat等。其中，ext2是linux自行设计并具有较高效率的一种文件系统类型，并被称为linux系统的默认的文件系统。linux之所以能支持多种不同的文件系统，是通过引入虚拟文件系统来实现的。可以在一个临时ramdisk(/dev/ram)建立根文件系统，然后创建它的映像， linux内核在启动时根据这个映像再把它恢复出来(在initrd上)。 (1)配置linux内核支持下面的两项config_blk_dev_ram，config_blk_dev_initrd(2)建立根文件系统映像(3)改变ramdisks的大小要想使用ramdisk你必须或是得到内核的支持或是以模块的形式将他加载到系统中。其中内核的配置选项是config_blk_dev_ram，把ramdisk编译成一个可加载的模块的好处是你可以在加载是重新确定ramdisk的大小。当以模块的形式编译ramdisk时，可以在加载的时候决定ramdisk的大小。5.4本章小结本文介绍了在基于mini2440arm内核硬件平台上嵌入式linux系统及嵌入式软件移植过程。具体包括bootloader的移植、linux内核的配置编译以及根文件系统制作的具体过程。第六章 热释电人体红外传感器联网手机智能家居监测系统采用热释电人体红外传感器作为探头,可对人体的出入情况作自动检测。一旦系统的图像发生异常或者当人体红外传感模块获取到异常信息，arm控制系统立即驱动使用usb 接口的摄像头拍照进行图像采集，将图像信息经过gprs模块，传输到与arm服务端通过udp方式连接的远端用户绑定的手机中，实现远程图片报警。6.1 人体红外传感器简介 人体红外传感器主要由敏感单元、阻抗变换器和滤光窗等三大部分组成。它主要用于检测人体发射出的红外线，当有人进入开关感应范围时，人体红外传感器探测到人体红外光谱的变化，自动输出高电平，人不离开感应范围，将持续输出高电平；人离开后，开关延时自动关闭负载。该传感器灵敏度高，可靠性强。 该系统人体红外线传感器使用gp-10系列的人体感应传感器模块。该模块检测距离：5米，角度范围140度，被动式触发。将输入信号通过a/d转换，输入到arm进行相应处理。6.2 人体红外传感器放大电路人体红外线传感器所检测出的人体红外线信号还不足以进行单片机通讯， 其信号必须经过信号放大电路才能更好的被单片机识别， 信号放大电路原理图。 当人体进入pis 的探测区， 人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜聚焦到热释电红外传感器的敏感元件上， 因而在两个电极上产生电荷， 该电荷经源极跟随器后， 以电压信号输出， 反映控制区内的状态变化。当s 端有信号输出时， 该信号经过q1、q2 两级放大后驱动继电器rl1 动作， 从而使k1 端出现高电平， 故将其有人进入的信号传入mini2440arm，系统并做出相应的判断。 第七章 图像模块设计与实现7.1图像采集实现方案图像的采集部分的核心是摄像头，负责对模拟视频信号进行采集，同时直接输出的数字图像信号可以很方便地和后续处理电路接口，供数字信号处理器对其进行处理。目前，在嵌入式系统中，常用的图像传感器主要有两种：ccd图像传感器和cmos图像传感器。选择合适的图像传感器对系统很重要。7.2图像传感器的工作原理(1)ccd图像传感器的工作原理ccd(charge coupled device)，电荷耦合器件，是一种金属氧化物半导体结构的新型件，其基本结构是一种密排的mos电容器，能够存储由入射光在ccd像敏单元激发出的光号电荷，并能在适当相序的始终脉冲驱动下，把存储的电荷以电荷包的形式定向传输转移，实现自扫描，完成从光信号到电信号的转换。这种电信号通常是符号电视标准的视频信号，可在电视屏幕上复原成物体的可见光像，也可以将信号存储在磁带机内，或输入计算机，进行图像增强、识别、存储等处理。因此，ccd器件是一种理想的摄像器件。ccd图像传感器的特有结构，决定了这类器件有以下优点：体积小、重量轻、耗电少、启动快、寿命长和可靠性。光谱响应范围宽。一般的ccd器件可工作在400nm-1100nm波长范围内。最大响约900nm。在紫外区，由于硅片自身的吸收，量子效率下降，但采用背部照射减薄的ccd，工作波长极限可达100nm。ccd图像传感器灵敏度高，具有很高的单元光量子产率，正面照射的ccd的量子产率可达20%，若采用背部照射减薄的ccd，其单元量子产率高达90%以上。另外，ccd的暗电流很小，检测噪音也很低。因此，及时在低照度下(10-21x)，ccd也能顺利完成光电转换和信号输出。动态响应范围宽。ccd图像传感器可达很高的分辨率。线阵器件已有7000像元，可分辨最小尺寸7um；面阵器件已达4096像元，ccd摄像机分辨率已超过1000线以上。易与26微光像增强器级联耦合，能在低光条件下采集信号。(2)cmos图像传感器的工作原理cmos图像传感器的像素结构目前主要有两种:无源像素图像传感器pps(passive pixel sensor)和有源像素图像传感器aps(active pixel sensor)。出于pps信噪比低，成像质量差，目前实际应用中绝大多数cmos图像传感器采用是aps结构。aps结构的像素内部包含一个有源器件，该放大器在像素内部具有放大和缓冲功能，具有良好的消噪功能，且电荷不需要像ccd器件那样经过远距离移位到达输出放大器，因此避免了所有与电荷转移有关的ccd器件的缺陷。 图7-1 cmos图像传感器的像素结构7.3 图像传感器的选型ccd图像传感器和cmos图像传感器有各自的优点，使得二者互为补充。ccd图像传感器具有低信号噪声、高分辨率、高灵敏度等优点，将继续保持在高端摄像技术领域的应用，如天文观察、卫星成像、高分辨率数字照片、广播电视、高性能工业摄像、大部分科学与医学摄像等应用。ccd器件的灵活性体现为，与采用cmos器件相比，用户可构建更多不同的摄像系统。cmos摄像器件是用与cmos集成电路相同的工艺制造出来的，所有的电路如a/d转换、定时控制、信号处理、彩色编码与补偿和变换控制等都可以集成在同一芯片中，真正实现单片摄像头。正因为如此，与ccd摄像头相比，cmos摄像头就具有许多独特的优点，如集成度高、速度快、功耗低、价格便宜、体积小等。随着大规模集成电路技术的不断发展，过去cmos图像传感器制造工艺中不易解决的技术问题，现在都能找到相应的解决办法，从而大大改善了cmos图像pps像素结构。目前cmos单元面积的像素数已与ccd单元面积的像素相当，从而使cmos图像传感器也可以达到较高分辨率。与ccd比，cmos图像传感器具有体积小、重量轻、功耗低、高可靠、