嵌入式系统课程设计报告样例1.doc

嵌入式系统课程设计报告 设计课题：基于web的嵌入式智能家居控制系统 专业班级： 09电气（1）班 学生姓名： 黄礼智 指导教师： 雷必成 设计时间： 2012学年第一学期 物理与电子工程学院摘 要基于web的嵌入式智能家居控制系统采用了三星公司生产的S5PV210AH_A01141芯片，是一款ARM11芯片。将嵌入式WEB远程控制系统应用在智能家居方面是未来发展的必然趋势。智能家居、嵌入式系统和WEB服务器三者结合, 通过构建嵌入式WEB服务器, 研究设计通过WEB控制家电设备, 以及在linux系统下搭建WEB服务器，使得用户可以随时随地地通过浏览器实现对家电设备的控制。本文介绍了在ARM嵌入式系统上搭建boa服务器的方法，分析了各种控制方法,得出了实现基于web的嵌入式智能家居控制系统的最直接可行的方案。最后利用C语言编译出了CGI程序和服务程序。关键词WEB ; linux嵌入式; boa服务器; CGI目 录1智能家居控制系统总体方案设计11.1系统总体架构设计12.嵌入式WEB服务器BOA的建立13界面设计、CGI程序和驱动程序编写33.2CGI简介43.3网页提交数据的两种方式：GET/POST53.4CGI程序的编写63.5驱动程序的编写83.5.1传感器信息采集驱动83.5.2模拟开关控制驱动104WEB嵌入式只能家居控制系统测试和应用124.1软件系统测试125总结与展望15参考文献16附件171智能家居控制系统总体方案设计1.1系统总体架构设计 本文中整个控制系统那个分为3个模块：中央处理器（ARM11），室内信号监测模块，控制执行模块。中央处理器所在的模块由于涉及到高频信号，普通制板均达不到要求，因此直接采用ARM核心板，设计相应的控制板，两者结合使用。从系统稳定性和搭建服务器难度上考虑，linux系统成为不二的选择。Linux系统平台下容易搭建服务器，linux系统也不断在被优化，它的稳定性更是经受住了时间检验。linux设备驱动都是用C语言编写的，对于学过C语言的我们更有利于深入。下面是系统的整体结构图：传感器家 居 控 制 系 统BOA服务器Linux控制客户端浏览器开关显示 图2-1系统结构图2.嵌入式WEB服务器BOA的建立搭建BOA的主要步骤如下2：（1） 下载BOA服务器源码，我们可以从网上下到boa-0.94.13.tar.gz 。将压缩包解压到linux系统任意目录下。（2） 打开BOA位于内核源码中Boa/src/define.h，查看其DocumentRoot 后面的目录，默认为ect/boa。此目录为Boa服务器的根目录，当boa服务器运行后，会从该目录读取配置文件，配置文件中保存着服务器配置信息。用户可根据需要对define.h中的根目录进行修改，一般情况下木有修改必要，本次设计也没有对该项进行修改。（3） 生成makefile文件：在boa/src/目录下执行./configure命令。（4） 修改该makefile文件：因为要在arm环境下建立BOA服务器，所以要将makefile中的编译器gcc改成arm-linux-gcc，在PC机上建立则无需修改。具体修改如下：找到CC=gcc 改为CC=arm-linux-gcc；找到CPP=gcc -E改为CPP=arm-linux-gcc -E。（5） 执行#make命令。make编译时用2.95.3以上的版本会出错：util.c: 100: 1: pasting “t” and “-” does not give a valid preprocessing token make: util.o Error1。解决方法:修改compat.h中的#define TIMEZONE_OFFSET(foo) foo#-tm_gmtoff为：#define TIMEZONE_OFFSET(foo) foo-tm_gmtoff 。（6） 去除调试编译信息：#/boa程序所在目录/arm-linux-strip boa（7） 配置BOA配置文件，配置文件中指定了网页和cgi程序所在目录等信息，具体如下3：l Port 80 /侦听端口 l User root /用户名l Group root /用户组l ErrorLog /dev/console /错误日志l AccessLog /dev/null /访问日志l ServerName friendly-arm/服务器名称l DocumentRoot /home/plg/指定文件根目录l DirectoryIndex index.html/指定默认首页名称l KeepAliveMax 1000/最大连接数l KeepAliveTimeout 10/设置连接超时时间 单位：Sl MimeTypes /etc/mime.types/设置媒体类型路径l DefaultType text/plainl CGIPath /bin/cgi 程序所在位置l AddType application/x-httpd-cgi cgi以上是本次毕业设计的配置，一般需要更改的地方有：User 和 Group 通常设为0 ；DocumentRoot 项，根据实际情况设置网页等文件所在的路径，默认在/www目录下，考虑到ftp传输，故将其设置在了ftp传输的根目录下面/home/plg。CGIPath项设置cgi程序所在位置，若根目录下没有bin 这个目录，自动会在根目录下寻找cgi文件，也可以不修改，如果不修改，则需要将cgi程序同index.html一起放在根目录下。其余采用默认，但需要注意的是，/etc/目录下必须有mime.types文件，若没有，只需要去linux PC系统里复制即可。接下来运行BOA服务器，在PC端输入开发板设置的静态IP地址（这里默认是：30）。就可以看到index.html页面了！至此BOA服务器搭建完成。3界面设计、CGI程序和驱动程序编写3.1界面设计网页页面主要有各种表格和图片组成，用frontpage软件足够实现。页面的内容可以根据实际需要进行添加或删减。对于我们电气工程专业的学生来讲，有两个关键问题需要解决：1、 网页用什么样的格式向服务器提交数据。2、 服务器反馈回来的信息如何在网页上表现出来。1) 网页提交数据表格类型选取：在参考类似设计的时候，看到友善之臂的tiny210用户手册中的网页管道控制LED例子1，其网页控制输入表格是用radio的：input type=radio value=ping name=type，这种一组可以包含多个不同值的输入方式对设计是很有利的，因此，直接选用radio作为网页提交数据的表格类型。2) 服务器反馈信息显示：一般情况下，网页数据更新需要用到其它语言编写网页脚本，现有的知识水平无法直接解决这个问题。退而求其次，决定使用C语言文件操作函数来对网页源码进行修改。为了方便实现这个操作，在网页设计时，做了如下约定：1 网页需要更新显示的内容用图片显示；2 网页所调用的图片采用统一命名，同一类图片文件名仅相差一个字符；3 网页要具备自动刷新功能；这样做的好处是，用C语言文件操作函数修改一个字符，就能更改整个状态显示。3.2CGI简介1. 定义4：CGI(Common Gateway Interface)是HTTP服务器与你的或其它机器上的程序进行“交谈”的一种工具，其程序须运行在网络服务器上。2. 功能：绝大多数的CGI程序被用来解释处理杰自表单的输入信息，并在服务器产生相应的处理，或将相应的信息反馈给浏览器。CGI程序使网页具有交互功能。3. 运行环境：CGI程序在UNIX操作系统上CERN或NCSA格式的服务器上运行。在其它操作系统（如：windows NT及windows95等）的服务器上也广泛地使用CGI程序，同时它也适用于各种类型机器。4. CGI处理步骤：通过Internet把用户请求送到服务器。服务器接收用户请求并交给CGI程序处理。CGI程序把处理结果传送给服务器。服务器把结果送回到用户。总结下，cgi程序就是网页和PC机交谈的工具，它没有特定的语言规范，只是一种中间程序，我们可以用shell语言编写，也可以用C语言编写编程生成cgi文件。网页在执行ACTION=*.cgi的时候会调用*.cgi程序。本文设计最初参考网页控制led例程，故仍然采取命名leds.cgi，以表对原作的感谢。一下是网页部分源码1： 类型 速率   跑马灯 慢速   计数器.这段源码的第一句表示：当用户按下提交按钮时，网页会以GET的方式向服务器传输提交的数据，提交的数据保存在网页环境变量QUERY_STRING中，然后调用leds.cgi程序，在CGI程序中用指令读出QUERY_STRING中的内容:用C语言很简单，令指针变量data=getenv(QUERY_STRING)即可。3.3网页提交数据的两种方式：GET/POST从效果上讲GET和POST都是用来提交网页数据的，而我们也只是讨论到它们传输数据格式不同而已。在对数据处理时，用GET方式比POST方式来的简单，因为POST必须用单表单，这处理起来相对麻烦5。在传输数据量方面，GET最多只能传输1024字节，而且数据是以明文形式跟在url后面的，很显然，这也会导致数据安全问题，因为你的账户名和密码可以在历史记录中被看到，造成泄漏5。POST没有数据长度上的限制，理论上可以无限大，只是受服务器处理能力限制。如果数据是以POST提交的话，则需要先读取CONTENT_LENGTH环境变量, 取得输入数据的长度后, 再由标准输入设备取得这个长度的数据5。两种方式提交的数据都有自己的编码格式，在网上可以查到相关资料，本次设计提交的数据比较简单，暂时也不用考虑安全问题，因此采用了GET的传输格式5。3.4CGI程序的编写为了避免更多错误，提高编程效率，在用CGI处理GET提交的数据之前，我用fprint函数对指针data获取到的变量输出到文本文件上，以此确定GET数据的真实格式，同样的方法也适用POST，因为网上的资料只提供了编码方式，却没有具体的实际数据给出。用fprint函数输出后，得到了字符串：type1=ping3&type2=ping3&type3=ping2&type4=ping3.这样一来就很好处理了：char *data;/指针变量，用于储存环境变量QUERY_STRING的字符串FILE *fp;/文件指针int type8=;/用来保存type的组别int ping8=;/用来保存type组相应的值char i,j,k;data=getenv(QUERY_STRING);/获取环境变量的字符串for(i=0,j=4,k=10;i8;i+,j+=12,k+=12)/截取组别和相对应的值typei=(int)*(data+j)-48;/获取组别，转化为整型变量pingi=(int)*(data+k)-48;/获取值，转化为整型变量注：指针变量data保存的是字符串，数值1和字符“1”的ASCII值相差48，因此将字符串里的字符强制转化为整形后，减去48就为实际数值。经过上面程序处理后，数组type和ping元素是一一对应的。这样处理能够简化解码步骤，方便后续程序处理。解码步骤完成后，接下来就是要将数据保存在文本文档中，供系统读取：if(fp=fopen(007.txt,w+)=NULL)/打开一个007.txt文件，若不存在则新建。exit(0);/文件操作失败则退出for(i=0;i8;i+)/把组名按顺序输出到007.txt中fprintf(fp,%d,typei);for(i=0;i8;i+)fprintf(fp,%d,pingi);/把各组对应的值按顺序输出到007.txt中。fclose(fp);/关闭文件以上cgi程序实现了对网页提交的数据解码和保存。但在实际操作时，调用cgi程序后，需要载入新的页面或者刷新网页，所以要求cgi程序能够向服务器返回一段网页源代码。按照我目前掌握的C语言水平，向浏览器返回源代码只能通过printf()函数，但是如果要求返回的是一个完整的页面的话就需要成百上千条printf()语句，而且，网页源代码中的特殊符号和格式控制符会干扰C语言编译，处理起来相当麻烦。当了解到shell语言能够很方便的将一个文件返回时，就采用程序调用的方式解决上面的问题：1) 建立一个文本类型的文件（led-result.template），文件的命名也是采用参考例程原来的命名。将网页源代码保存在这个文件里。2) 用shell语言编写一个cgi程序：#!/bin/shecho Content-type: text/html; charset=gb2312/一定要先返回的标签echo/bin/cat led-result.template/将文本文档led-result.template里的数据输出exit 0并将其命名为led.cgi。3) 在leds.cgi里调用led.cgi Leds.cgi是由C语言编写的，linux C语言中程序调用十分方便，仅用一个system()函数就可以实现：system(/home/plg/led.cgi)。调用时需要将被调用程序的路径一起作为参数输入。至此为止，CGI程序编写任务就完成了。3.5驱动程序的编写3.5.1传感器信息采集驱动这套智能家居系统信息交互是通过嵌入式芯片的GPIO口电平信号实现的。传感器最终传给IO口的是高或者低电平信号，驱动程序的任务就是读取连接着传感器的IO口电平信号，根据信号信息更新网页信息。GPIO口的电平读取原理和按键读取原理是一样的。因此不必再自己编写底层驱动，传感器信息采集驱动只需要调用按键驱动读取GPIO口即可。下面是一个按键例程1：int buttons_fd;/保存设备编号char buttons8 = 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0;/用于保存按键当前状态buttons_fd = open(/dev/buttons, 0);/打开按键驱动设备if (buttons_fd 0) perror(open device buttons);/打开失败则退出exit(1);for (;) char current_buttons8;/按键值读取缓存int count_of_changed_key;/输出格式控制/用read()函数读取实际按键值放入缓存中if (read(buttons_fd, current_buttons, sizeof current_buttons) != sizeof current_buttons) perror(read buttons:);/读取失败则显示错误信息exit(1);/循环比较数组buttonsi和current_buttonsi中的值，若不相等说明按键i状态改变for (i = 0, count_of_changed_key = 0; i sizeof buttons / sizeof buttons0; i+) if (buttonsi != current_buttonsi) buttonsi = current_buttonsi;/更新button中的值，为下次比较做准备printf(%skey %d is %s, count_of_changed_key? , : , i+1, buttonsi = 0 ? up : down);/输出按键状态count_of_changed_key+;if (count_of_changed_key) printf(n);/格式控制close(buttons_fd);return 0;了解了按键例程功能后，我们就可以对它进行移植了。在执行buttonsi = current_buttonsi;后，buttoni已经保存了相应按键的最新状态，因此可以在这条语句后面加上判断语句，用于更新网页信息：FILE *fp;if(fp=fopen(led-result.template,r+)=NULL)/以读写方式打开网页源码文件exit(0);switch (i)/定位到网页源代码中的指定位置case 0:fseek(fp,1864L,0);break;case 1:fseek(fp,2064L,0);break;case 2:fseek(fp,2264L,0);break;case 3:fseek(fp,2464L,0);break;case 4:fseek(fp,4495L,0);break;case 5:fseek(fp,4695L,0);break;case 6:fseek(fp,4895L,0);break;case 7:fseek(fp,5095L,0);if(buttonsi=1)/判断按键状态fprintf(fp,”1”); /根据案件状态修改网页源码的值，以更改网页显示elsefprintf(fp,”0”);fclose(fp);注：fseek(fp,nL,0)函数是文件定位函数，这里它的作用是定位到fp文件从头开始第n个位置。这里实际上是对网页源码进行修改。至此，传感器传来的电平信息都会在网页源码中体现，只要刷新网页，就能够看到端口的最新信息。最后，用交叉编译成生成驱动程序button。3.5.2模拟开关控制驱动模拟开关控制驱动也是通过GPIO口控制模拟开关的，其本质是控制GPIO口的高点电平的输出。与传感器信息采集驱动一样，也有现存的驱动可供调用，就是LED灯控制驱动，是在/dev下的leds。也就是说我们可以直接通过调用驱动控制，举个简单例子：fd = open(/dev/leds, 0);/打开led驱动程序if (fd 0) perror(open device leds);/显示错误信息exit(1);ioctl(fd, 0, 3);/关闭第三盏led灯 （IO口状态为高电平）close(fd);/关闭驱动程序打开leds这个驱动后，只需要用ioctl()函数就可以实现对IO口状态控制。模拟开关驱动主要负责读取cgi程序生成的007.txt文件中的数据，根据数据内容改变GPIO口的状态，同时将GPIO口的状态反馈给网页。数据读取：char type_tmp8=;/用于存放读取的组别字符信息char ping_tmp8=;/用于存放对应组别字符数值int type8=;/用于存放转化为整形后的组别信息int ping8=;/用于存放转化为整形后的数值信息int i,fd;if(fp=fopen(007.txt,r)=NULL)/用读的方式打开007.txt文件exit(0);fread(type_tmp,1,8,fp);/在fp文件中读取8个1个字节大小数据，保存在type_tmp中fread(ping_tmp,1,8,fp);fclose(fp);for(i=0;i8;i+)typei=(int)*(type_tmp+i)-48;/转换为数值pingi=(int)*(ping_tmp+i)-48;数据读取后重新分类保存在type和ping中，根据数值改变GPIO口状态：for(i=0;i=4)num-=4;if(pingi=1)/根据组别和数据控制led端口的状态。ioctl(fd, 1, num);else if(pingi=2)ioctl(fd, 0, num);端口状态改变后，向网页反馈状态信息，同样利用更改网页源码实现：if(fp=fopen(led-result.template,r+)=NULL) /原理同传感器信息采集驱动中部分程序exit(0);for(i=0;i8;i+)switch (i)case 0:fseek(fp,2589L,0);break;case 1:fseek(fp,2704L,0);break;case 2:fseek(fp,2819L,0);break;case 3:fseek(fp,2934L,0);break;case 4:fseek(fp,5220L,0);break;case 5:fseek(fp,5335L,0);break;case 6:fseek(fp,5450L,0);break;case 7:fseek(fp,5565L,0);break;if(pingi=1)fprintf(fp,1);else if(pingi=2)fprintf(fp,0);fclose(fp);不管是传感器信息采集驱动还是模拟开关驱动程序，都是需要运行在while(1)循环中，编译完成后在终端中同时打开运行。网页的源码修改后需要刷新才能看到最新信息，因此在可接受范围之内对实时性方面做了如下处理：1 网页程序中设定网页每十秒钟自动刷新，这样用户看到网页上的信息至少是10内的。2 用户在网页页面设定完成点击提交时，cgi程序让页面重新载入，提交后更改会立即被显示出来。以上处理能够在将设计难度降低到自己的能力范围之内，又不影响系统正常运行。最后用交叉编译器生成驱动程序read_type4WEB嵌入式只能家居控制系统测试和应用4.1软件系统测试1. 将编译好的驱动程序、网页、cgi程序、图片包发送到开发板/home/plg2. 在嵌入式系统的终端运行传感器信息采集驱动（button）和模拟开关控制驱动（read_type）。3. 在客户端浏览器输入开发板静态IP：30，可以看到欢迎界面。4. 点击“进入系统”进入到简介控制界面，如图8.2。5. 查看核心板的初始状态：电源指示灯亮，其余不亮.。6. 在浏览器中选中第一项“洒水”和第二项的“开空调”，点提交后，核心板LED端口电平发生变化，网页也做相应的指示，如图8.3.1和图8.3.2所示。7. 按下开发板上的K1、K4、K8按键按钮，手动刷新网页（或者等待网页自动刷新），网页上的信息如图8.4所示。8. 松开按键后，状态恢复安全状态，与图8.3.2一样。9. 网页上选中“关水”“关空调”选项后，状态重新恢复到图8.2状态。浏览器提交的设置数据都会被保存在服务器里，因此再一次登陆后可以看到之前的设置。详情在驱动程序中可以看到。图8.2智能家居控制系统简介界面图8.3.1提交后核心板LED灯情况（第一盏是电源灯）图8.3.2提交后网页信息更新情况图8.4按下K1、K4、K8后网页显示的信息5总结与展望伴随着人们生活的水平的提高，家居智能化成为人们新的需求，将嵌入式WEB远程控制系统应用在智能家居方面是未来发展的必然趋势。实现基于WEB嵌入式智能家居控制系统最主要的步骤就是将嵌入式、web服务器、家电控制三者结合。传统的PC机服务器存在诸多弊端，嵌入式系统的引入刚好可以解决这方面问题，自然而然的，下一步工作就是在嵌入式下建立服务器，通过cgi程序和服务程序将网页和家电控制结合起来这也是引导本次毕业设计的主要思路。本次设计虽然完成了，但仅仅算是一个模型，在这个模型基础上还可以做很多改进，如增强网页数据传输安全性，改善网页动态特性，脱离局域网使之能真正在Internet网络上登陆等，这些是智能家居必然要实现的过程，也是今后继续深入的方向。参考文献1Tiny210用户手册J.广州友善之臂计算机科技有限公司，2012,08,142/hnrainll/archive/2011/05/31/2064907.html，boa服务器移植-凌阳教育 Leo chin -博客园。3戴峻峰,宋玉玺.基于嵌入式WEB服务器的智能家居远程监控系统J.盐城工学院学报(自然科学版),2010,04:50-52+62.4/question/4200172.html,百度知道.5/hyddd/archive/2009/03/31/1426026.html.浅谈HTTP中Get与Post的区别-hyddd-博客园附件1、 传感器信息采集驱动程序:button#include #include #include #include #include #include #include #include #include #include int main(void)int buttons_fd;char buttons8 = 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0;buttons_fd = open(/dev/buttons, 0);if (buttons_fd 0) perror(open device buttons);exit(1);for (;) char current_buttons8;int count_of_changed_key;int i;struct timeval step; if (read(buttons_fd, current_buttons, sizeof current_buttons) != sizeof current_buttons) perror(read buttons:);exit(1);for (i = 0; i sizeof buttons / sizeof buttons0; i+) if (buttonsi != current_buttonsi) buttonsi = current_buttonsi;FILE *fp;if(fp=fopen(led-result.template,r+)=NULL)exit(0);switch (i)/定位到网页源代码中的指定位置case 0:fseek(fp,1864L,0);break;case 1:fseek(fp,2064L,0);break;case 2:fseek(fp,2264L,0);break;case 3:fseek(fp,2464L,0);break;case 4:fseek(fp,4495L,0);break;case 5:fseek(fp,4695L,0);break;case 6:fseek(fp,4895L,0);break;case 7:fseek(fp,5095L,0);if(buttonsi=1)/判断按键状态fprintf(fp,”1”); /根据案件状态修改网页源码的值，以更改网页显示elsefprintf(fp,”0”);fclose(fp);close(buttons_fd);return 0;2、 模拟开关驱动程序：read_type#include#include #include #include #include #include #include #include main()FILE *fp;char type_tmp8=;char ping_tmp8=;int type8=;int ping8=;int i,fd;for(;)if(fp=fopen(007.txt,r)=NULL)exit(0);fread(type_tmp,1,8,fp);fread(ping_tmp,1,8,fp);fclose(fp);for(i=0;i8;i+)typei=(int)*(type_tmp+i)-48;pingi=(int)*(ping_tmp+i)-48;fd = open(/dev/leds, 0);if (fd 0) perror(open device leds);exit(1);for(i=0;i=4)num