（交通信息工程及控制专业论文）智能家庭监控系统的设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着科技的不断进步，特别是通信技术，计算机技术及嵌入式系统技术的迅猛发 展，智能家居已经开始逐步进入寻常百姓的家庭之中。智能家居系统也逐步成为现代 家庭必备的家用系统。智能家居从诞生之日起，到现在不过短短的二、三十年时间， 其功能也从单一的防盗报警，在内容上不断更新，现在已经包括到家电智能化，信息 网络家电，网络通信，智能监控等领域。在不远的将来，智能家居系统会提供给人们 更多地方便。现在的智能家居系统旨在为人们提供一个舒适，便捷，安全，环保的家 居环境。 本设计提出的基于嵌入式系统的智能家居监控系统，能适应不同需求的设计，完 成智能监控，传感器数据采集，数据多通道发送及系统数据智能判别等功能。系统智 能化程度高，能根据不同的需求来定制相应的功能，这个定制过程可以由用户通过一 个友好的人机界面直接设置。系统配备完善的接口电路，包含u s b ，i i c ，s p i ，i i s 等， 可以根据不同的设备自由连接，具有很好的市场前景。 本设计主要是在a r m 9 平台上，基于嵌入式系统进行设计。硬件平台的搭建及硬 件电路的设计与调试是本文的核心。系统硬件电路主要由处理器、3 g 模块电路，z i g b e e 模块电路，网卡电路，电源电路等组成，本文对各模块电路进行了详细的分析，论述 了硬件电路的实现过程，并对系统中部分电路的调试及问题解决作出了系统的分析。 整个智能监控系统功能较为完善，数据采集及备份可靠，实现了视频监控的网络传输 及无线3 g 网络数据传输。系统还可以通过远程连接进行访问，以方便用户查看系统的 工作状态，远程连接可以通过i n t e m e t ，3 g 或者是z i g b e e 接口进行，访问过程有较为 严格的安全措施对系统的数据加以保护。整个系统经过测试，功能均已实现，系统的 工作也较为稳定，实现了预期的目标。 关键词：智能家居；嵌入式系统；智能监控；数据传输 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n e o u s p r o g r e s so ft h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , p a r t i c u l a r l yr a p i d d e v e l o p m e n ti nc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y , c o m p u t et e c h n o l o g ya n de m b e d d e ds y s t e m t e c h n o l o g y , s m a r th o m ei sm o v i n gt o w a r dt h ef a m i l ya m o n gt h eo r d i n a r yp e o p l e t h es m a r t h o m es y s t e mh a sb e e ng r a d u a l l yb e c o m ea ne s s e n t i a lo fm o d e m f a m i l yh o m es y s t e m t h e r e w o u l db ej u s tt w oo rt h r e ed e c a d e sf r o mt h ed a t eo fs m a r th o m eb i r t h i t sf u n c t i o nc o n t i n u l l y u p d a t e df r o ms i n g l ea l a r m ，n o wt h ef u n c t i o no fs m a r th o m eh a si n c l u d e di n t e l l i g e n th o m e a p p l i a n c e s ，i n f o r m a t i o nn e t w o r ka p p l i a n c e s ，n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n s ，i n t e l l i g e n tm o n i t o r i n g a n do t h e rf i e l d s t h ei n t e l l i g e n th o m e s y s t e mw i l lp r o v i d em o r ea n dm o r ec o n v e n i e n c ei nt h e n e a rf u t u r e t h em o r d e ns m a r th o m es y s t e me s s e n t i a l l yp r o v i d eac o m f o r t a b l e ，c o n v i n e n t ， s a f e ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i v eh o m e t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t sa ni n t e l l i g e n th o m e s u p e r v i s o r yc o n t r 0 1s y s t e mo nt h eb a s i so f e m b e d d e ds y s t e m t h i ss y s t e mc a na c h i e v et h ef u n c t i o ns u c ha si n t e l l i g e n ts u p e r v i s o r y c o n t r o l ，s e n s o rd a t ac o l l e c t i o n ，d a t am u l t i c h a n n e lt r a n s m i s s i o na n ds y s t e md a t ai n t e l l i g e n t e s t i m a t i o n t h i ss y s t e mi sh i g h l yi n t e l l e c t u a l i z e da n dd i f f e r e n tf u n c t i o n sc a nb ee s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt od i f f e r e n tr e q u i r e m e n t t h i sp r o c e s sc a nb es e tu pb yc l i e n t st h r o u g haf r i e n d l y h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e t h es y s t e mp r o v i d et h ee n o u g hc i r c u i ti n t e r f a c e s ，i n c l u d i n gu s b ， i i c ，s p i ，i i s ，a n ds oo n ，t h es y s t e mf r e e l yc o n n e c t e d 埘t l lo u td e v i c e ，i th a sg o o dm a r k e t p r o s p e c t s t h i sd e s i g nb a s e do ne m b e d d e ds y s t e mm a i n l yd e p e n do nt h ea r m 9 p l a t f o r m t h i s p a p e rm a i n l yd e a l sw i t hd e s i g n i n ga n dd e b u g i n gt h eh a r d w a r eo ft h es y s t e m t h es y s t e m h a r d w a r ei sm a i n l yc o m p o s e db yt h em i c r o p r o c e s s o r , 3 gm o d u l ec i r c u i t ，z i g b e em o d u l e c i r c u i t ，n e t w o r kc a r dc i r c u i t ，a n dp o w e rs u p p l yc i r c u i t t h ed e t a i l e d a n a l y s i sa n dt h e r e a l i z a t i o no fe a c hm o d u l ec i r c u i ta r ep r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n a n dt h ed e b u g g i n ga n d p r o b l e ms o l v i n go ft h es y s t e ma r ea l s op r e s e n t e d t h ew h o l ei n t e l l i g e n tm o n i t o rs y s t e mh a s p e r f e c tf u n c t i o n ，r e l i a b l ed a t ac o l l e c t i o na n db a c k u p ，a n di tr e a l i z et h en e t w o r kt r a n s m i s s i o n o fv i d e os u r v e i l l a n c ea n dd a t at r a n s m i s s i o nb a s e do nt h ew i r e l e s s3 gn e t w o r k t h es y s t e m c a na l s oc o n n e c tr e m o t e l yt oa c c e s sb a s e do nt h ei n t e m e t ，3 ga n dz i g b e ei n t e r f a c ew h i c hh a s t h ec o n v e n i e n c ef o ru s e r st ov i e wt h es y s t e m sw o r k i n gs t a t e t h er e m o t ea c c e s sh a sm o r e s t r i n g e n ts e c u r i t ym e a s u r e st op r o t e c tt h ed a t ao ft h es y s t e m t h i ss y s t e mh a sp a s s e dt h et e s t , a n dt h er e s u l ts h o w st h a ta l lf u n c t i o ni s r e a l i z e d ，a n dt h es y s t e mc a nw o r ks t a b l y t h e e x p e c t e dg o a li sa c h i e v e d k e yw o r d s ： s m a r th o m e ；e m b e d d e ds y s t e m ；i n t e l l i g e n tm o n i t o r ；d a t at r a n s m i s s i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密团，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“、”) 学位论文作者签名：盘建 指导老师签名： 日期：知，0 6 尸 彤物 强。啼几f io 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 、设计并制作出一个智能家居系统平台，改变了以往智能家居无法自由配置的 问题； 2 、完成了全部硬件电路的调试工作； 3 、实现了智能监控的动态捕捉功能； 4 、实现了静态画面的3 g 网络传输。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：( 迄 日期：刃o 6 f ) 走 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景与意义 第1 章绪论 智能家居对于现代化的城市来说，已经不再陌生，随着科技的不断发展，智能家 居已经越来越多地进入了现代化的生活。智能家居出现于2 0 世纪8 0 年代，通常在国 外用s m a r th o m e 表示【l 】。智能家居包含的范围非常广泛，通常以家庭电器智能化，智 能化监控为主，涉及到网络通信、信息网络家电等领域，集系统、服务、管理为一体， 为人们提供一个环保、舒适、安全、便捷的居住环境【2 】。在不远的将来，我们可以想象 得到的智能化家庭系统将非常广泛地应用到千家万户，使您可以在家只通过一个小小 的遥控装置，或者通过你的声音等来控制家中的电器。当你下班回家时，系统会自动 开启空调系统，让室内的温度合适；当你坐在沙发上的时候，电视会自动打开播放您 喜爱的节目，并且会有自动调节光线的设备来调节室内的光线强度，使您的观看效果 最佳，这个自动调节器还会在你拿起报纸的时候调整亮度适合您的阅读。 智能家居的发展非常迅速，从出现开始，就显示了他强有力的市场需求，随着技 术的发展，智能家居的发展已经进入了数字化、网络化的阶段 3 1 。以往的单- - i - j 禁，识 别身份等功能在不断被优化，而新增的网络功能，可以使用户在世界上任何一个地方， 控制自己家中的录像机录下自己喜爱的节目，随着3 g 网络的普及，我们可以更方便的 使用自己的手机等设备，查看家中的情况，让家也变得触手可得。目前市场的是智能 家居设计都是不可裁剪的，大多数都针对一个或几个特殊的要求来设计，建立一个可 裁剪的智能家居设计平台就显得犹为重要，随着市场的需求，这也将会是智能家居设 计的一个趋势1 4 】。 1 2 国内外研究现状 国外智能家居的发展起步较早，而由于国外的住宅居住多以分散型为主，家居系 统多数直接与市政系统相连，这样导致国外的智能家居系统多数是独立安装，个性化 比较强【5 】。比如在美国流行的x 1 0 系统，利用电力线实现对电子设备进行远程控制， 由于使用电力线作为通信线路，因此不需要再重复布线，目前该技术已经得到了比较 广泛的使用，据统计，该模块仅在美国就出售了1 亿只【6 】。在欧洲比较流行的基于e i b ( 智能分布式总线系统) 协议的智能家居系统也广泛应用于家庭中。e i b 协议最先由 西门子公司提出，现在在欧洲市场上占有比较大的比重【7 j 。 国内在智能家居的发展上起步较晚，由于国内的住宅多以住宅小区为主要方式【8 j ， 因此，目前常常会从一个小区的智能化角度来看待家庭的智能化，这也就是目前国内 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 比较流行的“智能小区”。随着智能家居系统在国内的逐步发展，越来越的家庭认识到， 目前的这种智能小区系统，不能很好地体现出个体的需求，对于有些家庭来说，监控 系统显得比较重要，而另外的家庭会更加注重家电设备的智能化，这样的问题就使得 智能家居的发展逐步迈向个性化和人性化的方向。目前国内市场上的智能家居系统多 采用以下的几种方式： 1 、拼凑型智能家居系统【9 1 。在这种系统中，监控，设备自动化，安保等方面是由 不同的系统来完成的，各个系统之间是独立的，也就像买家具一样，需要什么 买什么，这样的系统是不完善的，也会随着市场的要求逐步被淘汰。 2 、一机总控式系统。这种系统是由一个c p u 来作为主控机，采集的数据来自各 个传感器，各传感器将数据送回到c p u 中，由c p u 来处理数据，并实现报警 等一系列的动作，这样的系统可以将传感器采集来的数据综合分析，但是缺点 是系统一旦做好，不可以由用户随意的调整，如果用户的功能需求发生了改变， 那么就必须重新设计c p u 系统的软件，用户的个性化需求得不到很好的解决 【l o 】。 3 、多级总控系统。这样的系统比上面的系统可移植性增强了，但是数据的采集由 各自的处理器来处理，使得数据无法综合分析，使得很多联动系统无法共同工 作。 国内的智能家居还没有得到广泛的应用，目前只在一些高端人群中使用。另外， 行业标准的建立也在逐步完善之中1 1 】，相信在不远的将来，智能家居会越来越多地进 入寻常人家。 1 3 本文主要研究内容 1 3 1 建立一个智能家居系统平台 建立一个可裁剪的智能家居系统平台，是为了适应智能家居的发展。智能家居是 一个多功能，多技术的系统平台，众多的系统之间需要协调工作，这些系统包括照明 系统，电器控制系统，视频监控系统，家庭娱乐系统，门禁系统，通信系统，监护系 统等【l2 1 。建立这样的一个智能家居系统平台就可以通过嵌入式系统，将所有的的这些 小系统统一起来，让它们协同工作，使得智能化的家居环境被建立，并且，根据家庭 的需求不同，用户可以通过简单的界面操作，增强某部分的功能，或者去除某个功能。 比如你是个摄影爱好者，你在自己的暗房里就不需要自动调节光线强度到合适阅读的 程度；你的家中有老人独处，那智能监控系统就可以设置为2 4 小时工作，使得老人即 使独自在家，他的情况也可以被随时掌握；当然如果你对电器的控制要求较高，你可 以自己方便的设置家中的电器，当你回到家时，一杯鲜榨的果汁就可以直接饮用了。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 3 2 主要的研究工作 通过对目前智能家居监控系统的现状分析，设计并完成了一个智能家庭监控系统 的硬件平台，提出了一个可裁剪的智能家居系统的设计方案，并最终实现了这个设计 方案，主要的研究工作包括以下几个方面的内容： l 、建立一个基于a r m 9 的嵌入式系统平台，在这个平台上可以很好地对系统进行 测试和调试； 2 、设计并调试了智能家居系统，主要偏重硬件电路的设计和组建，完成了全部硬 件电路的调试，进行了驱动程序的测试； 3 、对l i n u x 嵌入式系统进行了研究和学习，了解了系统软件平台的基本知识； 4 、编写了一部分硬件电路驱动程序和测试程序，对软件设计提出了一些自己的想 法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章家庭智能监控系统概述2 1 系统简介 目前，市场上现有的家庭智能监控系统，以及智畿家居系统，都侧重于安保，门 禁等方面，并且，系统的可移植性不好。从设计角度来说，系统一旦设计出来后，不 能体现不同用户的需求不能适应用户对系统的个性化需求。本设计采用a r m 9 处理 器作为系统的核心，使用l i n u , x 操作系统进行软件设计，建立一个智能家居系统平台， 用户可以根据自己的需求，接入不同的设备，从而自己组建自己的智能家居系统，这 些设备的接入，仅仅象拔插u 盘一样简便。 下面是一个智能监控系统的结构图( 图2 1 ) 。 【e ! ! 日 幽2 - 1 智能监控系统结构圈 我们可以通过传感器将家居内的信息采集进来，智能监控系统会根据这些信息 通过对信息的分析，综合各方面的情况，得到具体的操作指令，这些指令可能是报警 用的，也可能是对设备的一些控制。报警信息通过多种通信方式发送出去，包括电话 呼出，网络，3 g 等。同时用户在任何地方，可以通过i n t e m e t ，g p r s ，3 g 等方 式，随时查看家中的情况，也可以随时设置这个智能监控系统。 对于标准化的一些智能家居系统，不可以根据个人的偏重来自己配置智能家居系 统，一般都重点在门禁系统，安保系统等方面，而本系统主要的设计思路重点是故在 网络，监控以及无线数据采集和传输上。现在互联网的发展已经到了很成熟的阶段， 在网络上人们可以自由地查找资料学习，购物视频通话本设计正是通过 网络或者无线数据通信系统，完成远程的视频监控，控制及其他操作，使你即使离家 万里之外，都能第一时问知道家庭中的状况以便于进行一些特殊状态的处理。随着 。鎏橐夸。一塞 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 住宅小区的智能化程度不断提高，家居的安全系统，门禁系统都会逐步由整个小区来 提供，个性化的家居设计将会是发展趋势【l 钔。针对不同的用户，系统的资源可以更加 合理的利用，不必购买些没有用的组件，如果你对智能家电设备要求较高，而对温度 控制系统要求不高，那你完全可以不必支付温控系统部分的设备费用，而只需要智能 家电连接装置就可以工作了，这样一来，你的智能家居就完全由自己来掌握，当然你 不用担心设置的过程会很复杂，其实，连接装置的方法就像拔插u 盘一样简单，而设 置，有非常友好的界面供你选择，这个选择比你设置你的网络博客的界面还要简单。 本设计采用多通信手段来处理信号传输。当系统出现需要传输的数据时，首先通 过网络向主机传送信息，而当主机未给系统响应信号时，系统自动选择无线方式进行 传输，系统自动标记网络出现故障，并同时把故障信息通过无线网络传送出去，无线 网络包括3 g 、g s m 短信、z i g b e e 等。 系统工作时使用外部电源供电，当外部电源故障停止供电时，电源自动切换电路 将开始工作，自动将电源切换为电池供电，同时发送信息给主机，请求确认是人为损 坏，还是电力故障，电池平时由一块充电板来进行充电及电池电量检测，当电池电量 低时，充电板会自动对电池进行充电，如果电池损坏无法充电，由电池充电板向系统 发送一个警告信号，系统则向外发送电池故障信号，提醒检测更换电池。 1 9 7 9 年，美国的斯坦福研究所提出了将家电及电气设备的控制线集成在一起的家 庭总线( h o m e b u s ) ，并成立了相应的研究会进行研究【l5 1 ，1 9 8 3 年美国电子工业协会 组织专门机构开始制定家庭电气设计标准，并于1 9 8 8 年编制了第一个适用于家庭住宅 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统标准 ( h b s ，h o m eb u ss y s t e m ) t 1 6 1 。在其制定的设计规范与标准中，智能住宅的电气设计要 求必须满足以下三个条件，即【1 7 】： 1 、具有家庭总线系统； 2 、通过家庭总线系统提供各种服务功能； 3 、能和住宅以外的外部世界相连接。 2 2 系统方案分析 对于现有的智能家庭监控系统，其组成主要是以单片机或者a r m 7 作为主处理器， 在系统功能上较为简单，其智能化程度也不高，主要使用范围比较窄。系统多是进行 一些开关量的检测，比如使用红外对管来判断是否有人非法进入，没有系统的分析功 能。对于硬件电路来说，系统的电路唯一，不能随意增加减少设备，如果需要增加设 备，软件部分需要重新编写，软件也不可以自动升级或者更新，使用比较麻烦，并且 软件的很多设置必须专业人员才能操作，普通用户根本无法自己设置。 本系统在选择处理器上优先选择了能很好支持嵌入式系统的处理器，a r m 9 处理 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 器不管是在功能上，还是性价比上都很有优势。硬件电路的方案选择是通过软件仿真， 硬件实验进行的，其功能均能达到系统的要求。对于嵌入式系统的选择，没有使用图 形界面较好的w i n c e 是因为在软件开发过程中，发现网络功能和硬件电路的驱动方面， l i n u x 具有非常大的优势；而u c o s i i 虽然在实时操作系统中以其小巧，简便而著称， 但是其文件处理功能较弱，故没有选用，最终选择使用a r m 9 处理器配合l i n u x 操作 系统来实现整个电路功能。 根据智能住宅的电器设计要求，系统与外界的联系显得犹未重要，因此在搭建系 统硬件平台时，通信手段的多样化也是系统硬件电路设计的一个重点，在设计中采用 了普通的i n t e m e t 网络进行数据传输【l8 1 ，现在的家庭，网络已经成为一个必备的要素， 当然这个也成为智能家居数据通信的首选，系统不再需要另外布线，可以直接利用家 中的网络即可。当网络故障时，通信就会中断，在系统中还预留了无线传输的部分， 无线传输部分硬件分为两个部分，一个是利用现有的无线通信网络，如3 g ，之所以选 择3 g 网络是因为在数据传输时，会有图片等较大的数据量传输，如果使用g s m 传输， 速度会受到很大影响。网络由于有网络运营商的维护，对于网络的维护不再由用户或 者是产品制造商完成。如果出现网络运营商的故障，数据还可通过z i g b e e 模块送出， 该模块功耗低，维护费用便宜，作为无线数据传输还具有自组网功能，可以进行系统 的数据传输。有了以上的多条数据传输通道，可以保证系统与外界的联系紧密并且可 靠。 目前市场上的智能监控系统大多只有单一功能，只是将图像信息存入设备中，而 智能家居系统的功能大多数只是门禁系统，门窗破坏系统报警等功能【1 9 】，不能够根据 环境的变化而自动调节系统。本设计的重点是系统的智能化及可裁剪化。系统能智能 地根据环境条件的变化而采取相应的动作，比如，当用户出门不在家时，突然降雨， 此时系统会自动检测到天气的变化，从而做出自动关闭开启的窗户的工作，当雨停后， 系统也会自动打开窗户，保持室内空气的流通，这样就可以避免由于忘记关窗而造成 的不必要损失。系统的可裁剪化体现在系统可以根据设备的情况自动组合设备，从而 达到用户的需求。比如，在用户购买系统时，系统中没有连接u s b 摄像头，那么监控 的界面就会显示未安装摄像头，当用户需要监控时，只需要连接上一个u s b 摄像头， 系统会自动检测到有新的设备加入，从而启动视频监控程序，而不需要另外给控制信 号。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 3 拟解决的核心问题 要建立一个这样的智能家庭监控系统，就需要首先建立一个能完成监控，环境状 态采集( 包括温湿度、门窗开关等信息) ，数据分析存储，报警信号产生，数据的远程 发送以及用户的远程控制等功能的硬件电路平台，有了这个硬件平台，才能在此基础 上进行软件的开发设计，因此，硬件平台的搭建是首要解决的问题。 在本设计中需要解决的核心问题主要有以下几个： l 、选择什么样的c p u 来完成这个控制核心的工作。系统的功能完全依靠c p u 来 完成，选择一个合适的c p u 就显得非常重要； 2 、监控设备的选择，如果要让系统成为一个可裁剪的自由系统，那么设备不能是 唯一的，而应该是多种多样的，那设备驱动的开发势必比较麻烦，在设计中， 众多设备的驱动程序放在一起，怎么能够相互协调，也是本设计中需要认真思 考和解决的问题之一； 3 、硬件电路的结构怎么才能合理，方便用户的操作，接口种类的分布，常用的家 用设备接口怎么与系统相融合也是硬件电路设计中必须解决的； 4 、数据的存储备份的安全性和可靠性，是硬件电路设计及软件设计需要考虑的一 个重要问题； 5 、怎么根据环境的状态来判断系统目前要做的工作，也就是系统的智能化程度需 要由软件来实现，系统的软件设计必须考虑该部分的内容； 6 、当产生报警信号时，系统怎么将这个信号发送出去，如果系统选择的通道出现 故障，系统怎么处理这种情况，在硬件电路设计时需要考虑到数据发送通道的 多样化，而软件设计时需要考虑到怎么判断通道的通畅程度，从而选择最为合 理的方式发送也是一个难点问题。 以上提出的这些问题，是本设计应该解决的问题，同时也是本设计的重点和难点， 要完成这些要求，需要进行合理的硬件电路设计以及相应的软件与之配合，这样，系 统的功能才能得到很好的实现，从而达到系统的设计要求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第g 页 第3 章家庭智能监控系统硬件电路设计 家庭智能监控系统主要由c p u 模块，智能传感器模块，数据传输及通信模块和存 储器模块几部分构成。系统主要完成智能传感器信息采集，数据分析及数据传输视 频监控等功能。电路的整体设计框图如图3 - i 所示： oo 倒 $ 3 c 2 4 4 0 处理器 冈 c p u d 0 u s b s p i 接口接口 o0 i i c4 8 5 接。 = ；曾 仁冷匿囹 仁匦圆 圈3 - ! 电路设计框田 硬件电路p c b 设计图如图3 - 2 ，3 3 所示。电路图设计使用p r o t e l 9 9 s e 。由于电路 在调试中投现一些问题，以及系统稳定性上还不够理想，加之对系统的功能设计上进 行了一些改进，因此p c b 图设计有两个版本。 翻3 - 2 系统p c b 电路图( 第一版) 圜。 一加耵一 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 囤3 - 3 系统p c b 电路酗( 第 系统硬件电路实物图如图3 - 4 所示。 幽3 4 崾仆电路实物h 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 3 1 核心c p u 电路设计 为了能更好地完成系统的工作，处理器的选择是关键的问题，为了便于操作可以 选择单片机作为系统的主c p u ，单片机的控制能力较好，这样系统的开发过程会比较 短，程序编写也相对简单，系统的构架也相对成熟。但是，单片机本身的处理速度不 高，很难完成一个复杂的系统，并且，单片机内部的资源比较有限，不足以应对更新 速度很快的系统，因此，单片机没有作为最终的选择。接下来选择a r m 7 内核的a r m 处理器，a r m 7 的功能上较单片机有了很大的提高，处理复杂事件的能力也较强，a r m 内核采用精简指令集计算机( r i s c ) 体系结构【2 0 】，软件设计更加灵活，r i s c 大大降低 了处理器中指令执行部件的硬件复杂程度，考虑到智能家居系统平台的升级速度较快， 需要使用嵌入式系统，综合考虑实时性和操作性，选用l i n u x 操作系统，而a r m 7 的 资源有限，不能适应快速的发展和系统扩展要求，故最终选用了a r m 9 内核处理器 s 3 c 2 4 4 0 a 。 $ 3 c 2 4 4 0 a 采用a r m 9 2 0 t 内核，具有功耗低，处理速度快，低功耗，高性能等特 点【2 1 1 。芯片的整体设计上融合了m m u ( m e m o 巧m a n a g e m e n tu n i t ) 、a m b a ( a d v a n c e d m i c r o c o n t r o l l e r b u s a r c h i t e c t u r e ) b u s 和h a r v a r d ( 哈佛) 高速缓冲体系结构结构。具有 独立的1 6 k b 指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e 。$ 3 c 2 4 4 0 a 的系统资源相当丰富，在完 成系统的硬件电路设计时给设计带来了很大的方便，它包含以下的组件： 3 个u a r t 串口，其中一个串口支持i r d a l 0 标准，这个可以直接和很多红外 接口的设备进行通信，大大方便了硬件电路的设计； a c 9 7 解码器接1 2 1 ，i i s ( i n t e r - i cs o u n db u s ) 音频编解码器接口，用于智能家居 中语音的处理； 两个u s b 主机端口和一个u s b 设备端口( 1 1 版本) ，使设备的即插即用功能 得到很好地体现； 具有8 通道1 0 位的a d 转换器； 2 个s p i ( s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ) 接h ，1 个i i c 接口( 支持多主结构) ； 4 通道d m a ( d i r e c tm e m o r ya c c e s s ) ，并且具有外部请求接口； 兼容s d ( s e c u r ed i g i t a l ) 卡主接i e l 协议1 0 版，m m c ( m u l t i m e d i ac a r d ) 卡协议2 1 1 版： 1 3 0 个通用i o 口，2 4 通道外部中断源； 具有普通，慢速，空闲和掉电模式，使系统功耗很低； 具有日历功能的r t c ( r e a l t i m ec l o c k ) 1 2 2 。 其内部结构如图3 5 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 暑e 鲁寡墨皇置鼍蔓皇皇鼍imm, 一一f。一一量m 皇皇皇皇鼍奠 l l c dl c d | c o n t d m a 图3 - 5 $ 3 c 2 4 4 0 a 内部结构图【2 3 】 体系结构： 为手持设备和通用嵌入式应用提供片上集成系统解决方案。 1 6 1 3 2 位r i s c 体系结构和a r m 9 2 0 t 内核最强大的指令集。 增强的a r m 体系结构m m u 用于支持w i n c e ，e p o c 3 2 和l i n u x 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 指令高速存储缓冲器( i c a c h e ) ，数据高速储存缓冲器( d c a c h e ) ，写缓冲器 和物理地址t a gr a m 减少主存带宽和响应性带来的影响。 采用a r m 9 2 0 tc p u 内核支持a r m 调试体系结构。 内部高级微控制总线( a m b a ) 体系结构( a m b a 2 0 ，a h b a p b ) 2 3 】。 系统管理器 支持大d , 端模式。 支持快速总线模式和同步总线模式。 支持可编程的数据总线带宽。 所有的存储器b a n k 都具有可编程的操作周期。 支持外部等待信号延长总线周期。 支持掉电时的s d r a m 自刷新模式。 支持各种型号的r o m 引导。 时钟电源管理 片上m p l l 和u p l l ；采用u p l l 产生操作u s b 主机设备的时钟；m p l l 产 生最大4 0 0 m h z ( 在1 3 v 内核电压下) 操作m c u 所需要的时钟。 通过软件可以有选择的为每个功能模块提供时钟。 电源模式，包括正常，慢速，空闲和休眠模式。正常模式，指正常运行模式； 慢速模式，指不加锁相环的低时钟频率模式；空闲模式，指停止c p u 的时钟； 休眠模式，指所有外设和内核的电源都被切断。 可以通过e i n t 1 5 ：0 或r t c 报警中断来从休眠模式中唤醒处理器。 中断控制器 6 0 个中断源( 包括1 个看门狗定时器，5 个定时器，9 个u a r t s ，2 4 个外部中 断，4 个d m a ，2 个r t c ，2 个a d c ，1 个i i c ，2 个s p i ，1 个s d i ，2 个 u s b ，1 个l c d ，1 个电池故障，1 个n a n d 、1 个a c 9 7 和2 个摄像头) 。 电平边沿触发模式的外部中断源。 可编程的边沿电平触发极性。 支持为紧急中断请求提供快速中断( f i q ) 服务。 具有脉冲宽度调制功能的定时器( p w m ) 4 通道1 6 位具有p w m 功能的定时器，1 通道1 6 位内部定时器，可基于d m a 或中断工作。 可编程的占空比周期，频率和极性。 能产生死区。 支持外部中断源。 r t c ( 实时时钟) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 全面的时钟特性：秒、分、时、日期、星期、月和年。 工作频率为3 2 7 6 8 k h z 具有报警中断。 具有节拍中断。 通用i o 端口 2 4 个外部中断端口。 多功能输入输出端口。 u a r t ( 串行口) 3 通道u a r t ，可以基于d m a 模式或中断模式工作。 支持5 位、6 位、7 位或者8 位串行数据发送接收。 支持外部时钟作为u a r t 的运行时钟( u e x t c l k ) 。 可编程的波特率。 支持i r d a l 0 具有测试用的回还模式。 每个通道都具有内部6 4 字节的发送f i f o 和6 4 字节的接收f i f o 。 看门狗定时器 1 6 位看门狗定时器。 在定时器溢出时发生中断请求或系统复位。 i i c 总线接口 1 通道多主i i c 总线。 可进行串行，8 位，双向数据传输，标准模式下数据传输速度可达l o o k b i t s ， 快速模式下可达到4 0 0 k b i t s 。 i i s 总线接口 1 通道音频i i s 总线接口，可基于d m a 方式工作。 串行，每通道8 1 6 位数据传输。 发送和接收各具备6 4 字节f i f o 。 支持i i s 格式和m s b - j u s t i f i e d 数据格式。 u s b 主设备 2 个u s b 主设备接口。 遵从o h c ir e v l 0 标准。 兼容u s bv e r l 1 标准。 u s b 从设备 1 个u s b 从设备接口。 具备5 个e n d p o i n t 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 兼容u s b v e r ll 标准。 s d 卡接口 基于普通、d m a 或中断传输模式( 字节、半字、字) 。 支持d m a 脉冲访问( 只是字传输) 。 兼容s d 存储卡协议10 版。 兼容s d i o 乍协议10 版。 6 4 字节发送和接收f i f o 。 兼容多媒体卡协议2 1 1 版。 s p i 接口 兼容2 通道s p i 协议2 1 1 版。 发送和接收具有2 8 位的移位寄存器。 可以基于d m a 或中断模式工作。 操作频率 f c l k 最高可达到4 0 0 m f l z 。 h c l k 最高可达到1 3 6 m h z 。 p o l k 最高可达到6 8 m h z i 埘。 利用$ 3 c 2 4 4 0 a 处理器可以很好地完成系统的功能，同时，由于其内部丰富的资 源，也可以使得硬件电路的设计相对简便，同时更好地提高了系统的稳定性。 系统中采用友善之臂m i c r 0 2 4 4 0 核心板电路作为系统的c p u ，核心板如图3 - 6 所 币。 醪了习 ；港堋“d 蝴f l a 3 掣卟：f _ l a s “弱 醚兰渊羯 ；：墨面珏一画赢椭而两；胃 ；篓c ! p u 。s s 0 9 8 k l i 硝h 。蛰 ： ：；。 5 嗣 - 爹攥翻t 1 1 蒜澜 。 一( 攀i 置1 圃阻e 兰兰堂皇i 一l - ，n n 啊l 【n 艮碉 篆蓥酌；。塑。，涸 囱3 缶核心扳实物圈【圳 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 核心板电路图主要分为以下几个部分。 复位电路( 如图3 7 所示) 图3 7 核心板复位电路图 该部分电路主要完成核心板的复位，当按下按键时，m a x 8 1 1 的第3 脚得到一个 低电平，在其第2 脚会送出一个复位信号到$ 3 c 2 4 4 0 的复位引脚。 j t a g 接口电路( 如图3 8 所示) 图3 8 核心板j t a g 下载电路图 j t a g 下载电路主要作用是是当核心板的b o o t l o a d e r 损坏后，使用该接口将新 的b o o t l o a d e r 下载到$ 3 c 2 4 4 0 中，从而通过b o o t l o a d e r 下载操作系统的内核，驱动 程序等内容到c p u 中。 f l a s h 存储系统电路( 如图3 - 9 所示) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 认d o l t , 1签 l o d r z l 口o t 3 筮 2 1 l o o l o 口t s l o 口r d 口r 7 l 口d r l a 口d r ，8 l a d o 囊 l d o t 6 l o d r 土5 l o o r ， i d o r l 43 u d d r # l o d k l 4 8 1 7 1 5 l a 口d t ， l 口o r t d 口矗 u 口口r 2 9 l 囊0 4 r 2 o 口盘z l 2 7 4 6 u l o 柚 l 2 3 “ 5 a 6 ， 8 9 l o 1 l 1 2 1 3 l l 1 5 a 1 6 1 7 1 8 1 9 塌c a 2 l 羽c 懿 粒 嘏s z 堪e v 嚣脚 覃嚣 口a t l n a t 1 d t 2 l o a t 矗， l o a t a ar n bj7 l o t 口 t d t 7 l d a t a o a 了 l o 直t a l l d t 1 1 l d 了 1 聋 l d 鱼t a l 口a t 1 4 t 事 v d d 3 择 麓- o t l li n 眦 2 6 l _ 0 c