（通信与信息系统专业论文）基于arm的智能家居管理系统设计.pdf

东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 呼 g 1 步为 了，r亡 ：吖， 名 弓 锛 明 者 手 储 峰 文 川 披 杪 位 抓 靴 嗍 东华大学学位论文版权使用授权书 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 论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：锄目颦 指导教师签名： f 日期：w f 年侗佃日期：b | 年渺日 胆毡 摘要 基于a r m 的智能家居管理系统设计 摘要 随着科学技术与社会经济的快速发展和人们物质生活水平的不断提 高，人们开始期盼拥有一个安全、舒适、节能、便捷的家居环境。智 能家居正是要满足人们对家居生活的新的追求而出现的。本文的目标 是在满足家居环境更安全、更健康、更便捷、更舒适的前提下，设计 出一套更加智能、成本更加低廉的智能家居管理系统。 针对智能家居系统的特点和所要实现的基本功能，本文利用目前发 展迅速的嵌入式技术，采用a r m 处理器的嵌入式平台作为主控制平 台，使整个系统更加小巧。本系统除了拥有传统智能家居所能实现的 功能外，还采用了图像监控模块来完成对非法闯入者的实时监控。本 系统还建立了一个i n t e m e t 服务器，使用户或者小区的安全监控中心， 可以借助远端的p c 终端，通过i n t e m e t 网接入智能家居系统，实现对 家用电器的管理、调控与对家庭的监控。此外，本系统还采用 g s m g p r s 网络作为用户与智能家居系统通信的另一种媒介。这样用 户可以在室外以短信息的形式，第一时间获得家中报警的信息。本系 统通过多种手段最大限度地满足居家用户人性化的要求。 关键字：嵌入式，q t ，g s m ，o p e n c v ，l i n u x ，网络服务器与客户 端 a b s t r a c t s m a r th o m ec o n t r o ls y s t e mb a s e do na r m a b s t r a c t a ss c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n ds o c i e t y se c o n o m i cr a p i d l y d e v e l o p ，p e o p l e sl i v i n g s t a n d a r d sc o n t i n u et oi m p r o v e ，p e o p l e b e g a nt ol o o kf o r w a r dt oh a v eas a f e ，c o m f o r t a b l e ， e n e r g y - s a v i n ga n dc o n v e n i e n tl i v i n ge n v i r o n m e n t s m a r th o m ea p p e a r si no r d e rt om e e t p e o p l ep u r s u i to ft h en e wl i f e t h i sa r t i c l e sg o a li st od e s i g na ni n t e l l i g e n t ，l o wc o s t s m a r th o m es y s t e mt oo f f e rp e o p l eas a f e r ，h e a l t h i e r ，m o r ec o n v e n i e n ta n dm o r e c o m f o r t a b l eh o m ee n v i r o n m e n t a c c o r d i n gt os m a r th o m e sf e a t u r e sa n di t sb a s i cf u n c t i o n s ，i nt h i sp a p e r ，w eu t i l i z e d r a p i dd e v e l o p m e n to fe m b e d d e dt e c h n o l o g y o u rs y s t e mu s e de m b e d d e da i 洲p r o c e s s o r p l a t f o r ma st h em a i nc o n t r o lp l a t f o r n q w h i c hm a k e st h ew h o l es y s t e mm o r ec o m p a c t o u r s y s t e mn o to n l yc a na c h i e v et r a d i t i o n a lf u n c t i o no fs m a r th o m es y s t e m ，b u ta l s oh a sv i d e o s u r v e i l l a n c em o d u l ew h i c hc a nc o m p l e t er e a l t i m em o n i t o r i n go fi l l e g a ii n t r u d e r s t h e s y s t e ma l s oc r e a t e dai n t e r n e ts e r v e r w i t ht h i sf u n c t i o n ，t h er e m o t ep ct e r m i n a l s ，s u c ha s s a f e t ym o n i t o r i n gc e n t e ro fc o m m u n i t y , c a na c c e s ss m a r th o m et h r o u g hi n t e m e ta n d m a n a g eh o u s e h o l da p p l i a n c e s ，c o n t r o la n dm o n i t o r i n go ft h ef a m i l y i na d d i t i o n ，t h e s y s t e ma l s ou s e sg s m g p r sn e t w o r ka st h es e c o n dc o m m u n i c a t em e d i u m w i t hg s m m o d u l e ，o u t d o o ru s e r sc a no b t a i na l a r mi n f o r m a t i o no fh o m eb ys m s t 1 1 r o u g l lv a r i o u s m e a n s ，t h i ss y s t e mc a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fh o m eu s e r s g u oh u i ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m s ) s u p e r v i s e db yp r o fc h e ng u a n g k e yw o r d s ：e m b e d d e d ；q t ；g s m ；o p e n c v ；l i n u x ；w e bs e r v e ra n dc l i e n t 目录 目录 第1 章绪论1 1 1课题背景1 1 2 智能家居国内外的发展现状1 1 。2 。1 国外发展现状1 1 2 2 国内发展现状：2 1 3 目前智能家居所存在的问题3 1 4 课题研究内容4 第2 章智能家居系统整体设计5 2 1 智能家居系统的设计概述5 2 2 智能家居a r m 主控平台的硬件7 2 2 1 供电模块8 2 2 2s d r a m 9 2 2 3f l a s h 9 2 2 4 以太网卡1 0 2 2 5c p l d 1 1 2 2 6r t c 实时时钟n 2 3 智能家居系统软件平台的构建1 1 2 3 1 智能家居操作系统的选择1 2 2 3 2 交叉编译1 3 2 3 3b o o tio a d e r 的移植1 2 3 4li1 3 u x 移植1 6 2 3 5o t o t o pia 移植2 1 2 4 本章小结2 4 第3 章视频数据采集模块2 5 3 1 图像监控模块功能描述2 5 3 2 视频模块关键技术2 5 3 2 1v i d e 0 4 l j n u x 简介2 5 3 2 2o p e n c v ( i n t e l o p e ns o u r c ec o m p u t e rv js i o nl ；b r a r y ) 简介2 6 3 3v i d e 0 4 l i f l u x 和u s b 摄像头驱动配置2 6 目录 3 3 1vid e 0 4 lin u x 配置2 6 3 3 2u s b 摄像头驱动配置2 7 3 。4 o p e n c v 移植2 9 3 5 摄像头采集程序设计3 0 3 5 10 t 窗体的设计与实现方法3 0 3 5 2 视频图像处理与显示3 1 3 6 本章小结3 5 第4 章g s m 模块设计3 7 4 1g s m 模块功能描述3 7 4 2g s m 模块的简介3 7 4 2 1a t 指令3 7 4 2 2p d u 数据格式分析3 8 4 3g s m 模块功能实现4 1 4 3 1g s m 模块程序框架4 1 4 3 2g s m 模块程序设计4 3 4 4 本章小结5 4 第5 章网络服务器与客户端5 5 5 1 网络传输的关键技术。5 5 5 1 1 网络的基本概念5 s 5 1 2s o c k e t 简介5 6 5 1 3o ts o c k e t 简介一5 8 5 2 客户端与服务器端的程序设计5 9 5 2 1 客户端( a r m 端) 程序的设计6 1 5 2 2 服务器端( p c 端) 程序的设计6 8 5 3 本章小结7 2 第6 章系统测试7 3 6 1 客户端( a r m 端) 测试7 3 6 1 1a r m 端的界面测试7 3 6 1 2a r m 端视频监控测试7 4 6 1 3g s m 模块短信收发是否正常7 4 目录 6 2 服务器端( p c 端) 测试7 6 6 3 网络通信测试7 7 6 4 本章小结7 8 第7 章结论与展望7 9 7 1 结论：7 9 7 2 展望：7 9 参考文献：8 1 致谢8 4 攻读学位期间发表的论文和参与的项目8 5 v 目录 v i 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 当今社会，科技已深刻地改变了人们的工作方式，极大地提高了企业的牛产效 率，为社会创造了巨大的财富，然而相比之下，对人们家庭牛活的改变却极为有 限。随着社会经济的发展，人们开始追求家居环境的安全、健康、便捷、舒适。计 算机技术、自动控制技术、通信技术以及嵌入式技术的发展，使家居生活的智能化 变得具有现实可能性。 2 0 世纪八十年代初，随着大量采用电_ 了技术的家用电器的面市，住宅电了化 的出现，8 0 年代中期，将家用电器、通信设备与安全防范设备各自独立的功能综 合为一体后，形成了住宅自动化概念。8 0 年代末，随着通信与信息技术的发展， 出现了通过总线技术对住宅中各种通信、家电、安防设备进行监控与管理的商用系 统，这在美国称为s m a r t h o m e ，也就是现在智能家居的原型。 目前通常把智能家居定义为利用电脑、网络和综合布线技术，通过家庭信息管 理平台将与家居生活有关的各种了系统有机地结合的一个系统。也就是说，首先， 都要在一个家居中建立一个通讯网络，为家庭信息提供必要的通路，在家庭网络的 操作系统的控制下，通过相应的硬件和执行机构，实现对家庭网络上的家电和设备 的控制和监测。其次，要通过一定的媒介平台，构成与外界的通讯通道，以实现与 家庭以外的世界信息的沟通，满足远程控制监测和交换信息的需求。最终目的是为 满足人们对于安全、舒适、方便和符合绿色环境保护的需求殴。 1 2 智能家居国内外的发展现状 1 2 1 国外发展现状 智能化住宅小区在发达国家起步较早，始于2 0 世纪8 0 年代，装备有各种通 信、家电、安保等设施，通过总线技术应用计算机和信息技术，实施监视、控制与 筒；理等智能功能。最早建设的智能化小区在美国，当时由于美国国内经济发展良 好，人们生活富足，普通的传统的家居牛活条件无法满足人们对智能化生活的向 第l 章绪论 往。因此，当时的美国总统宣布成立了“智能化住宅技术合作联盟”，一个由美国 政府、房地产开发商、家居制造商、保险公司、财政机构等组成的组织，主要的职 责就是对智能化住宅技术、解决方案、应用系统等进行测试、并确定一个相对规范 的行业准则，同时也把新技术引入住宅的设计和建设中去。在发达国家，智能化的 居住小区己经形成了规模，国际上也已经制定了一些相关的质量认证体系”1 。美 国、意大利、西班牙等发达国家的产品，很大一部分已经通过国际质量认证，从而 在国际市场的竞争中占有相当明显的优势。美国的朗讯公司、西蒙公司、奥地利公 司等已经拥有家庭综合布线系统的成熟产品，但其造价却非常昂贵。国外智能家居 系统中比较有代表性的是： 1 ) n e y w e l l 公司的智能家庭产品：它可以通过设在家庭内的控制主板、电话 或连网的计算机来监控智能家居的保安系统、灯光系统、智能家用设备和智能温控 设备。 2 ) j d s 推出的s t a r g a t e j i 家居智能系统：它集中了室温调节、安保、灯光 照明、家庭影院、视频音频、监控、灌溉等系统，它还允许在线更新控制程序， 进行在线软件升级。 3 ) h a l 公司的a l d e l u x e 智能家居系统：它在p c 机上集成了家屠系统的所 有控制，包括灯光、空调、电话、安保系统、家庭影院和瓦联网系统等。在任意地 点，使用者都可以通过声控对这些系统实施远程控制。 4 ) v a n t a g e ( 旺帝) 公司出品的v a n t a g e 家居自动化系统：v a n t a g e 是唯一一家同 时与微软、i n t e r 和惠普合作的智能家居品牌。其家居控制系统是把被控制的设 备群视为一个有机的整体，既分别对它们进行相对独立的有针对性的控制，又能协 调它们共同完成某项工作，所以不但功能非常强大，而且质量可靠。整个控制系统 完全实现设备及功能的模块化，组建系统非常灵活、易升级、易扩展、性价比极高 4 1 1 2 2 国内发展现状 相对于国外的发展情况而言，智能家居在我国只能算是刚刚发展起来，虽然在 中国还没能像美国、日本那样对住宅智能系统技术指定标准，但已经借助智能建筑 技术开始推行智能化住宅小区的建设了。采用“以智能住宅为基本建筑单位，智能 物业管理中心为中心节点，有限电视宽带网为数据传输媒介”的智能住宅小区系统 模式，具有安全自动化、通信网络和管理自动化等适合用户需要的功能。我国政府 部门制定的信息产业“十五计划纲要”和“2 0 1 0 远景目标框架思路”中提出了推 第1 章绪论 进电信网、广播电视网和计算机网的三网融合以及信息的综合利用，这将是智能家 居发展的一个良好契机b 1 。 2 0 0 0 年以来，国内一些企业开始研究网络家电，并且相继推出了自己的产品。 但是由于没有统一的技术标准，各个j + 家所用的技术差异较大，不利于相互融合和 搭配。为了加快形成有自丰知识产权的网络家电技术体系，国家有关部门及数家企 业于2 0 0 0 年联合成立了工作组，讨论制定一个统一的技术标准。2 0 0 3 年1 月中国 家庭网络系统技术规范已提交信息产业部，相关技术规范将进入标准制定程 序。2 0 0 8 年1 月，建设部住宅产业化促进中心发布了居住小区智能化系统建设 要点与技术导则( 0 8 版) 。家庭自动化的市场己被多数家电j 。商看好，目前全国家 电市场的规模约在2 0 0 0 亿元左右，在未来的几年，具备家庭联网功能的电予信息 产品出货量将迅速提高，p c 机、多媒体家电、通信设备和数码产品中，预计将有 具备互连互通的功能。虽然我国的智能家居相对于国外起步较晚，尚未形成一定的 国家标准，但国内的一些企业如清华同方、海尔、海信、科龙等在智能家居领域也 推出了不少好的产品6 1 。国内智能家居系统中比较有代表性的是： 1 ) 清华同方的e h o m e 数字家园。其职能家居控制系统丰要有三个部分：a 系 列、b 系列和易家三代。 2 ) 海尔的“e 家庭”，以海尔电脑为控制中心，各种网络家电作为终端设备， 以海尔电话为数字控制中心。 3 ) 科隆的“现代家居信息服务集散控制系统”，有效集成了家电控制、远程故 障诊断和远程互联网控制。 1 3 目前智能家居所存在的问题 智能家居系统己经有了二十多年的发展，政府的支持和规范、企业的参与与推 广以及广大消费者的需求，都推动着智能家居系统的逐步完善。目前，己有很多比 较成熟的智能家居系统解决方案推出，并成功应用于实际项目中。但同时，传统智 能家居系统中存在的一些不足也限制了其在市场上的推广，主要体现在： 1 ) 用户无法对智能家居系统进行远程监视与控制 目前智能家居的工作模式为：首先用户在家中对智能家居系统进行设置后，系 统按照预先设置好的程序进行工作。由于没有网络的支持，用户离开家后就失去了 对系统的操控或者变更的权利，并且当系统发现家中存在问题或者报警时，用户也 无法第一时间得到通知，只能在其回到家后再进行解决。 2 1 利用p c 作为智能家居系统的i 丰控制器 第1 章绪论 p c 机在处理速度、系统功能以及稳定性上确实具有明显优势，但是作为智能 家居系统控制器，必须一天2 4 小时都处于工作状态，耗电量大，资源浪费比较严 重，并且移动不方便、成本高。 3 ) 控制方法单一，人机交互差 目前智能家居系统的控制通常是通过按键的，没有液晶屏也没有人机交互的图 形界面，因此对于那些初次使用该系统的用户，老人和孩子不容易入门，极易造成 不便。 1 4 课题研究内容 本论文研究的目的是实现一个低成本、高效率、体积小、便于移动，同时具有 多种网络接口( 有线i n t e r n e t 、g s m 等) ，并且可以实现远程监控的智能家居系统。 主要工作包括以下几个部分： 1 ) 基于嵌入式的系统硬件与软件平台搭建 本智能家居系统采用i n t e l 公司的嵌入式a r m1 0 处理器p x a 2 7 0 作为智能家居 控制系统的控制核心，同时要在此系统上移植嵌入式l i n u x 操作系统，并在操作系 统下构建q t 作为图形用户界面( g u i ) ，这样可以大大的简化用户对系统的操控。 2 ) 视频采集模块 视频图像的采集同样是系统的重要的组成部分，它对家庭中的环境进行实时监 视，并获得视频图像数据。本文视频的视频监控模块采用的是数字u s b 摄像头， 要想使摄像头正常工作，需要通过在嵌入式l i n u x 系统上调用v i d e 4 l i n u x 驱动与 o p e n c v 图形处理库才能完成视频图像采集的全过程。 3 ) g s m 通信模块 在智能家居系统中，g s m 通信模块的作用是，当用户不在家中，并且附近没 有i n t e r n e t 接入点时( 即用户无法通过i n t e m e t 网络对智能家居系统进行监控) 。 一旦智能家居系统检测到家内有异常情况出现，进而报警后，系统会立刻通过 g s m 网络以短信息的形式通知用户。 4 ) 智能家居系统i n t e r n e t 服务器端与客户端 通过网络建立i n t e m e t 服务器与客户端，使这两者之间实现视频数据、传感器 等信息的传输。这样，用户或者小区安全中心，就可以通过视频数据观看到家庭内 外情况，通过传感器信息了解到家中各种家用电器运转是否正常。 4 第2 章智能家居系统整体设计 第2 章智能家居系统整体设计 2 1 智能家居系统的设计概述 本智能家居控制系统的基本目标是以最低的成本为人们提供一个舒适、安全、 方便和高效率的牛活环境。因此智能家居系统基本组成中的硬件和软件应具有先进 性，避免短期内因技术陈旧造成整个系统性能不高和过早淘汰。同时，应立足于用 户对整个系统的具体需求，具有实用性。 智能家居系统由a r m 开发平台、系统扩展板、g s m 模块、u s b 摄像头、以 太网口等i n t e m e t 接1 2 1 设备组成，如图2 1 所示。对各部分的介绍如下所示： 1 ) a r m 平台为系统核心，_ 丰要完成视频数据采集、网络视频数据传输、对 g s m 收发的短消息进行解析和处理、以及通过系统扩展板对家内的电器以及各种 传感器进行监控鸭钔。 2 ) 扩展板电路丰要负责传感器数据的采集、家用电器开关的控制、接收和处 理来自a r m 开发平台的控制信息以及将传感器报警信息、家用电器开关状态信息 反馈给a r m 平台。情况的监测。 扩展板是由单片机控制的，它是a r m 平台与外围控制接v i 通信桥梁。扩展 板，通过r s 2 3 2 接口接收来自a r m 平台对各种家用电器设备的控制命令，同时还 将各传感器的报警状态信息发送给a r m 平台，实现对家用电器设备的控制和异 常。 传感器控制子系统完成对家居异常报警状态信息( 如烟雾、煤气、异常入侵) 的监测，并将报警状态信息传送到扩展板相应的检测端口上，然后由扩展板将报警 状态信息发送到a r m 主控系统进行相应的处理。 3 ) u s b 摄像头负责视频数据的采集 摄像头监控子系统实现对家居环境的安全监视，在异常情况发生时，摄像头控 制了系统实时采集家居环境的视频图像，并通过有线网络传输到服务器进行保存， 为事后跟踪调查提供依据，实现系统的安全监控功能。 第2 章智能家居系统整体设计 圳守飘 图2 1 智能家居系统 鞭努耩 4 ) g s m 模块与网络服务器模块 网络传输予系统包括g s m 无线通信和以太网传输。用户可通过g s m 通信的 s m s 实现对家居电器设备的开启和断开，同时可以实时掌握家居异常情况的发牛 与否，实现家居安全的远程监控；所有的视频信息与家居内的各种状态信息可以 霪 。，鏖 通过太网口传输到远端的p c 机上。这样户外的用户或者小区的安全中心都可以对 家中情况进行有效监控，进而避免除了火灾、煤气泄漏、外人非法入侵等情况的发 生，实现对异常情况视频图像和异常控制数据的保存。 2 2 智能家居a r m 主控平台的硬件 本平台平台包括c p u ，f l a s h ，s d r a m ，c p l d 核心系统部分和外围的接口 部分，其中核心芯片p x a 2 7 0 是i n t e l 开发的高度集成的片上系统微处理器，结合 了i n t e lx s c a l e 技术，具有动态电压调整、动态频率调整以及成熟的电源管理，提 供业界领先的m i p s m w 性能。具体型号采用f w ( n h ) p x a 2 7 0 c 5 c 5 2 0 ，主频 5 2 0 m h z ，工作温度范围4 0 。c 8 5 ，完成程序运行。资源调配，内存管理，中断 处理，控制着整套系统运行“伽。系统的硬件参数如表2 1 所示。本小节接下来将 对丰要硬件模块进行详细介绍。 表2 1 系统硬件参数 2 7 0 s 系统硬件参数 处理器 i n t e lx s c a l ep x a 2 7 05 2 0 m h z s d r a m6 4 m b y t e f l a s h3 2 m b y t e 电源管理 l p 3 9 7 l 以太网 l a n 9 1 c l l 3 液晶屏s h a r p3 5 ”t f t3 2 0 木2 4 0 触摸屏3 5 ”四线式触摸屏，u c b l 4 0 0 b e 控 制 j t a g 接口2 0 p i n 串口 2 个r s 2 3 2 接口，1 个全功能串口 u s bh o s t 1 个主端接口 u s bc l i e n t1 个u s b 从端接口 l e d 灯8 路l e d 灯 按键8 个按键，使用了2 7 0 的矩阵键盘 实时时钟使用r t c 4 5 1 3 来保存系统的时间 第2 章智能家居系统整体设计 2 2 1 供电模块 p x a 2 7 0 处理器作为嵌入式系统应用，对电源的要求很高，本身系统的运行也 需要多路电压的支持。同时p x a 2 7 0 加入了i n t e ls p e e d s t e p 动态电源管理技术，在 保证c p u 性能的情况下，最大限度地降低移动设备功耗，所以这里使用了美国国 家半导体公司的电源管理芯片l p 3 9 7 1 s q b 4 1 0 。 整个2 7 0 s 系统是通过外部电源或者电池供电，外部d c 电源的参数为 + 5 v 2 a ，电池为3 5 0 0 m a h 。5 v 进来经过防过流保险管f u s l ，防过压保护二极 管d 4 ，再通过电池充电芯片b q 2 4 0 7 0 ，2 7 0 s 核心系统所需电平全部由专用电源 管理芯片一l p 3 9 7 1 来提供。其缺省电压范围和上电时序控制适合p x a 2 7 0 的要求 1 。可以通过其1 2 c 接1 3 访问其内部寄存器，调节工作模式、电压等参数。其工 作温度范围是4 0 。c 8 5 。以下是各路电压的数值和具体作用： 1 ) d c 5 v ：从5 v 电源板上输入的5 v 电压。 2 ) v c c3 v ：3 v ，c p u 及板上外设的工作电源。 3 ) v c c1 p 8 v ：1 8 v ，驱动存储器系统总线。 4 ) v c c1 p 4 v ：1 4 v ，驱动c p u 核心的电源。 5 ) v c cs r a m1 p 1 v ：1 1 v ，驱动c p u 的内部s r a m 。 6 ) v c cp l l1 p 3 v ：1 3 v ，驱动c p u 的内部p p l 。 7 ) v c cu s i m3 v ：3 v ，驱动外部u s i m 卡。 8 ) v c c，电源芯片给的肩动电压。_ b a t t ( 3 v ) ：3 v l p 3 9 7 1c p u 2 7 0 s 平台系统供电芯片l p 3 9 7 1 连接方式如图2 2 所示。l p 3 9 7 1 可以根据用 户的具体要求进行初始状态的修改，芯片的重要控制信号如下所示： 1 ) l p 3 9 7 1 的1 2 c 接口连接到p x a 2 7 0 的电源管理1 2 c 接口p w rs c l p w r s d a 。 2 ) l p 3 9 7 1 的复位输出信号提供p x a 2 7 0 的复位信号，n r s t i 则作为系统的复 位输入。 3 ) l p 3 9 7 1 的n b a t tf l t 直接连接到p x a 2 7 0 的n b a t tf a u l t ；p x a 2 7 0 的 n v d df a u l t 可由l p 3 9 7 1s y se n 产生的一组电压如b u c k 2 的输出电压直接 提供。 4 ) l p 3 9 7 1 的p w re n 、s y se n 直接由p x a 2 7 0 的p w re n 、s y se n 控 制，高电平为允许输出，低电平关闭输出。 第2 章智能家居系统整体设计 2 2 2s d r a m 图2 2l p 3 9 7 1 连接示意图 本系统采用s d r a m 的是q i m o n d a 公司h y b 2 5 l 2 5 6 1 6 0 a f 7 5 ，单片是 3 2 m b y t e 的容量。通过p x a 2 7 0 芯片的相关的寄存器的设置，可以分配s d r a m 的 速度以及类型。如图2 所示，c a s 、r a s 以及c l k 与s d r a m 单独相连。初始化 以后，c l k 、r a s 以及c a s 信号就产生了。系统上有两个1 6 m b i t 4 b a n k 1 6 b i t 的s d r a m 连接到数据总线上。一个是高1 6 位部分，另一个是低1 6 位部分，总共 组成6 4 m 的内存空间，供系统工作时程序的运行和各种数据的保存”。图2 3 为 p x a 2 7 0 芯片和s d r a m 的接口图。 2 2 3f l a s h 系统的f l a s h 选用的是i n t e l 的r c 2 8 f 1 2 8 p 3 0 t 双片3 2 m b y t e 的n o r f l a s h ，用来存储程序，在掉电情况下保持数据不丢失。p x a 2 7 0 复位后访问的是 低地址空间( 第一条指令在o x 0 0 0 00 0 0 0 处) ，因此b o o tf l a s h 的片选采用 n c s 0 ，其缺省地址空间是0 x 0 0 0 00 0 0 0 0 x 0 3 f ff f f f 共6 4 m b y t e s ”。单片f l a s h 为1 6 位数据总线，采用两片f l a s h 数据总线并行连接，与p x a 2 7 0 的3 2 位数据 总线连接。p x a 2 7 0 的b o o ts e l 0 接低，配置为3 2 位数据总线肩动方式。支持 第2 章智能家居系统整体设计 异步读模式和同步突发读模式，在同步突发读模式下，p x a 2 7 0 的s d c l k 0 提供时 钟，n s d c a s 提供地址有效信号。 f l a s h 的硬件连接比较简单，只要将读写，片选，c l k 信号线和c p u 直接相 连臣p - q - 。并且加装v c x l 6 4 2 4 5 ，将c p u 的3 2 位数据线和外围的器件隔离，起到 缓冲数据和增强驱动能力的作用。 2 2 4 以太网卡 图2 3s d r a m 连接示意图 本系统网络控制芯片l a n 9 1 c 1 1 3 是由s m s c 公司生产。l a n 9 1 c 11 3 集成了介 质访问控制m a c 子层和物理层的性能，可以方便的设计基于i s a 总线的系统。 l a n 9 1 c 1 1 3 即u 1 3 的数据传输使用的是1 6 位的数据传输方式，l a n 9 1 c 11 3 通过 地址、数据总线、中断、读、写以及片选等信号与c p u 进行数据交互。 u 1 4 t g l1 0 是信号变压器，负责将l a n 9 1 c 11 3 和外界通信的信号进行隔离和转换 相应的电压。u 1 5 是可以保存设置的e e p r o m ，暂不使用。在根据芯片手册分配 相关的管脚的时候需要注意，系统设计用到d m a ，然而p x a 2 7 0 芯片不使用 d m a 方式。p x a 2 7 0 芯片把用作d m a 控制的管脚以及寄存器作为控制使用，如 果有必要的话，需要修改控制信号以适应p x a 2 7 0 没有使用d m a 的通信方式。图 2 4 是c p u 与以太网控制芯片l a n 9 1 c 1 1 3 的连接框图。 1 0 第2 章智能家居系统整体设计 r1 ，、 a d d r a 鲢b i j sa l a 1 9l ， 一 d a t ab i j sd o d 1 s - l 、， x s c a l e c a u - le t h e r n e tc o n t r o l l e r ， l a n 9 1 c 1 1 3 p x a 2 7 x ，c 1 一k ，一、 t w o w e | ：o rg a t e ) 7 暑酸i 磊吣 7 、_ 、-j l 一一 2 2 5c p l d 图2 4 以太网卡连接示意图 c p l d 采用x i l i n x 公司的复杂可编程逻辑器件x c 2 c 1 2 8 ，起着丰富核心系统 片选资源和加密的作用，通过修改其中的硬件逻辑也可以很方便的完成对系统的配 置和升级。使用x i l i n x 公司的专用编译软件p r o j e c tn a v i g a t o r 来设计编译硬件逻 辑文件，再使用专用的下载线缆连接到接口c o n l 即可把硬件逻辑文件下载到 c p l d 中了。 2 2 6r t c 实时时钟 r t c 实时时钟：p x a 2 7 0 处理器采用实时时钟芯片r t c 4 5 1 3 ，u 3 8 实现实时时 钟，它由电池供电，可以一直保存系统的时间。p x a 2 7 0 通过串行总线设置和读取 r t c 4 5 1 3 的时钟信息，由数据线的最低2 位提供r t c 4 5 1 3 片选信号，时钟信号， g p i o e 9 提供双向数据线信号。2 7 0 s 平台上电后，c p u 通过g p i o 9 读取保存在 r t c 4 5 1 3 的时钟信息作为现在系统的时间信息。 2 3 智能家居系统软件平台的构建 一个完善的嵌入式控制系统，除构建性能适宜的硬件平台外，嵌入式软件的设 计也至关重要。本节将详细分析平台软件层的设计与实现，丰要包括，建立交叉编 第2 章智能家居系统整体设计 译环境、b o o t l o a d e r 的设计与移植、嵌入式l i n u x 操作系统的移植、q t 图形界面 的的移植。 2 3 1 智能家居操作系统的选择 这些年来随着嵌入式技术持续快速的发展，嵌入式操作系统已经从简单走向成 熟。代表性产品主要有v x w o r k s 、w i n c e 、, c o si i 、嵌入式l i n u x 等。近两年 来，随着3 g 无线通信技术的大力推广以及智能手机的飞速发展，各大知名企业竞 相大力投入嵌入式操作系统的研发，使得嵌入式操作系统取得了前所未有的高速发 展，如苹果公司推出了i p h o n eo s 、g o o g l e 公司推出了a n d r i o d 、i n t e l 公司和 n o k i a 公司也于今年联合发布了m e e g o 操作系统，下面简单介绍目前常用的几款嵌 入式操作系统钔。 1 ) v x w o r k s v x w o r k s 操作系统是w i n d r i v e r 公司设计的一个实时操作系统，具有良好的可 靠性和卓越的实时性，支持多种处理器，广泛应用于通信、军事、航空等多个领 域，占据了嵌入式操作系统的绝大部分市场份额。f u 是，v x w o r k s 本身及相关开发 工具的价格都很高”。 2 、w i n d o w sc e w i n d o w sc e 是微软公司推出的嵌入式操作系统，在短短几年时间内占据了较 大的市场份额，尤其是在p d a 和手机等领域，其开发环境继承了微软一贯的风 格，使得其开发难度大大下降，但它不具备真正的实时性，并且没有足够强大的任 务处理能力，尤其是w i n d o w sc e 在内核结构的设计中并未考虑适应系统高度可裁 减性的要求们。 3 1 9 c o si i 目前，i t c o si i 已被很多大学选为教学使用的实时操作系统，这丰要是由于 u c o si i 源代码公开且代码简单，适合作为入门者学习实时操作系统原理的案例， 但其功能有限，在实际中使用的较少。 4 ) 嵌入式l i n u x 嵌入式l i n u x ( e m b e d d e dl i n u x ) 是一个开源操作系统，具有良好可裁减性和可移 植性，在嵌入式系统中已被广泛应用。嵌入式l i n u x 内核精悍，运行所需资源少， 且支持数量庞大的硬件，所以十分适合嵌入式应用，此外，嵌入式l i n u x 和普通 l i n u x 并无本质区别，普通l i n u x 上支持的硬件在嵌入式l i n u x 上也几乎都支持， 由于是开源操作系统，所以驱动程序源代码也都很容易获得，为用户自己编写专有 第2 章智能家居系统整体设计 硬件的驱动程序带来很大方便。另外，它拥有强大的网络功能，丰富的语言编译 器，如g c c 、g + + 等，这些工具不仙成熟、完善、而且使用方便7 1 。 由于l i n u x 操作系统以价格低廉、功能强大又易于移植而正在被广泛采用，成 为嵌入式领域丰要操作系统之一。故本智能家居系统选用嵌入式l i n u x 作为操作系 统1 阳。 2 3 2 交叉编译 在嵌入式开发中，由于嵌入式系统的硬件局限性，即不可能具有很大的存储能 力和友好的人机交互界面，所以一般开发环境都必须安装在p c 上，而通过 t o o l c h a i n 生成的目标文件将可以运行在相应的目标平台上蛐。a r m 交叉编译环 境不同于x 8 6 系列桌面的编译环境。因为本智能家居系统采用的p x a 2 7 0 芯片是 基于a r m 体系结构的，所以在基于x s b a s e 的开发过程中必须使用a r m 的交叉 编译环境，如图2 5 所示。 t 一 溺 幽 h o s ts v s t e m x s b a s c 2 7 0 在主机平台上用交叉编译环境生成二进制代码( 较9 q 鹞9 暴曼翳k r n e l ，a n d l i c a t i o n s ) 通过以太网或串口下载到x s b a s e 2 7 0 。# 图2 5 交叉编译 交叉开发编译环境的建立，主要是建立g n ug c c 开发工