（微电子学与固体电子学专业论文）物联网智能家居监控系统平台的设计与研究.pdf

物联网智能家居监控系统平台的设计与研究 摘要 物联网是新一代信息技术的重要组成部分。随着物联网在各个领域的飞速发 展，研究物联网智能家居已被列入了国家未来规划发展。 本文研究分析了物联网的现状和国内外的发展趋势，详细分析了智能家居在国内的 应用前景和发展条件。依赖于嵌入式操作系统平台，提出了应用于物联网智能家居监测、 控制系统平台的设计方案。 根据嵌入式系统和无线通讯技术，本文设计出一种稳定、可靠、实用的家庭 监控设计方案。文中主要完成了以下几方面的内容： 首先，提出课题的选题意义和系统设计具体方案。应用a r m 9 与互联网连接，可 以通过i n t e m e t 登录系统主页，进行照明系统的控制和视频图像的实时监控。同时，可 调节画面的属性以及在特殊情况下的拍照和存储设备数据的保存。另一方面，单片机控 制温、湿度传感器数据的采集和显示，以及单片机向g s m 模块发送指令进行报警。设 计实现了智能家居的监测和控制两项功能。 其次，文中给出了系统平台设计的硬件和软件方法。硬件部分包括l i n u x 系统环境 的搭建，交叉编译的配置，b o a 服务器和c g i 的移植，传感器的选择和无线通信网络的 连接。软件部分包括页面的代码设计，c g i 程序和l e d 驱动的编写，单片机控制传感 器的显示和g s m 通讯的程序。 最后，编译自启动脚本并运行系统。测试结果运行稳定，基本实现了设计的目标， 达到了监测和控制功能。在局域网内任何一台计算机上都可以监控该系统。 关键词：物联网；控制；监测；a r m 9 ；g s m i i 物联网智能家居监控系统平台的设计与研究 a b s t r a c t t h ei n t e r n e to ft h i n g si sa ni m p o r t a n tp a r to fn e wg e n e r a t i o ni ni n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y a st h ei n t e r n e to ft h i n g sr a p i d l yd e v e l o p m e n ti nv a r i o u sf i e l d s ，t h er e s e a r c h s m a r th o m el i s t e di nt h en a t i o n a ld e v e l o p m e n tp l a n n i n g t h i sa r t i c l en o to n l ya n a l y t ei nd o m e s t i ca n da b r o a dn e t w o r k ，a n di n t r o d u c e st h e d e v e l o p i n gs i t u a t i o no fs m a r th o m ed e v e l o p m e n tc o n d i t i o n s b a s e do ne m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e mp l a t f o r m ，t h ea r t i c l ep r o p o s e sam o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e md e s i g ni ns m a r th o m e a c c o r d i n gt ot h ee m b e d d e ds y s t e ma n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，t h i sa r i c l e d e s i g nas t a b l e ，r e l i a b l e ，p r a c t i c a lf a r r n i l ys u r v e i l l a n c ep r o g r a m s t h ea r t i c l em a i n l yc o m p l e t e s t h ef o l l o w i n ga s p e c t so fw o r k f i r s t ，t h i sd e s i g np r o p o s e st h et o p i cs i g n i f i c a n c ea n dt h es y s t e md e s i g nc o n c r e t ep l a n u s i n ga r m 9a n di n t e r n e tt e c h n o l o g y ，t h es y s t e mc a nl o g i ns y s t e mh o m ep a g et o c o n t r o ll i g h t i n gs y s t e ma n dm o n i t o rt h ev i d e oi m a g e st h r o u g hi n t e r n e t a tt h es a m e t i m e ，s t o r a g ed e v i c e sc a ns t o r ep i c t u r e sa n dd a t ai np a r t i c u l a rs i t u a t i o n o nt h eo t h e r h a n d ，s i n g l e c h i pc o m p u t e rc o n t r o l sa n dd i s p l a y st e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ys e n s o rd a t a a c q u i s i t i o n m c us e n d si n s t r u c t i o na l a r mt og s mm o d u l ea sw e l l d e s i g nr e a l i z e s m o n i t o r i n ga n dc o n t r o lt w of u n c t i o n si ns m a r th o m e s e c o n d l y ，t h ea r t i c l eg i v e st h es y s t e mp l a t f o r md e s i g nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e m e t h o d h a r d w a r ep a r ti n c l u d sl i n u xs y s t e mc o n s t r u c t i o no ft h ee n v i r o n m e n t ，c r o s s - c o m p i l i n gc o n f i g u r a t i o n ，b o aa c c o u n ts e r v e ra n dc g it r a n s p l a n t a t i o n ，t h ec h o i c eo f t h e s e n s o r ，a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kc o n n e c t i o n s o f t w a r ep a r ti n c l u d e sp a g e c o d ed e s i g n ，ac g ip r o g r a ma n dl e dt h ew r i t i n go ft h ed r i v e r , m i c r o c o n t r o l l e rc o n t r o l o fs e n s o rd i s p l a ya n dg s mc o m m u n i c a t i o np r o g r a m f i n a l l y , c o m p i l ea n dr u ns y s t e ms i n c e t h el a u n c ho ft h es c r i p t t e s t so p e r a t e s t a b l e l y ，b a s i c a l l ya c h i e v e dt h eg o a lo fd e s i g n ，t om o n i t o r i n ga n dc o n t r o le f f e c t s i n t h el o c a la r e an e t w o r ki na n yo n ec o m p u t e rc a nm o n i t o ra n dc o n t r o lt h es y s t e m k e yw o r d s ：t h ei n t e r n e to ft h i n g s ；c o n t r o l ；m o n i t o r i n g ；a r m 9 ；g s m i i i 硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 物联网英文全称为t h ei n t e r n e to f t h i n g s ，一般简称为l o t 。物联网的基本定 义如下：通过各种传感信息设备，例如射频识别装置( r f i d ) 、温湿度传感器、 气体传感器、全球定位系统装置、激光扫描技术等等与互联网相结合从而形成一 个巨大的网络系统，把所有物品与物品之间形成网络连接，进行物与物之间的通 信。达到可以实时采集任何需要监控连接，互感信息采集声音、光、电、热、化 学、生物等一切的信息。最终实现物与物、物与人，所有物品与网络的连接。“物 联网”这一概念一经提出，立即受到了各国政府、企业和学术界的重视，在需求 和研发的相互推动下，迅速热遍全球。 物联网是各种技术的综合应用，是建立在互联网上的一种网络。它的重要核 心还是互联网，通过各种无线的、有线的网络融合，把物体的信息传递出去。不 仅具备数据传输海量存储、c p u 、操作系统，还有专用的应用程序和通信协议以 及唯一的可识别的二位编码。从技术上物联网分成三个层次：其一，感知层：其 二，网络层；其三，应用层。感知层由海量传感器及相关结构组成，包括常见的 红外线传感器、温湿度传感器、二氧化碳传感器、r f i d 标签和读卡器、摄像头、 g p s 等感知终端，主要功能是识别物体采集信息来源。网络层主要由互联网、网 络管理平台及云计算系统组成，负责传递和处理获取来的物体信息。应用层为物 联网和用户的接口，实现物联网的智能应用。 随着人们对于物联网的高度重视和研发，物联网的研究和技术已经成为了十 分热门的前沿课题，下一代新兴技术当属“物联网时代”。物联网的本质就是借助 于网络智慧化的实现，把各种事物以信息化的方式通过网络表现出来；通过互联 网实现物品的自动识别和信息的互联与共享【2 j 。物联网涉及的技术很多，需要各 类业务和复杂合成业务提供支撑，实现与底层异构无关性的分发机制，面向信息 化业务为主，个人业务服务为辅，共同建立起公共技术信息平台。 1 2 国内外发展及现状概要 物联网最早起源于1 9 9 0 年施乐公司的网络贩卖机。就全球物联网发展现状来 看，“物联网”与下一代信息技术和信息网络的掌控息息相关，预计会成为继互联 网后又一大网络，所以受到全球各国政府、企业、专家的高度重视、响应。时至 今同，以美国、日本、欧盟为主的一些国家都在大力投入巨资研究物联网这一新 兴技术。与此同时，我国政府也在中国高调发展物联网，促进其建设。在某种意 硕七学位论文 义上讲，全球已经掀起了一股“物联网 的研究浪潮。 在国外，物联网从2 0 0 9 年在美国被i b m 推出“智慧地球”这一概念之后，“智 慧地球 框架下的多个典型智能解决法案已经在全球开始推广【3 j 。智慧地球最终 的目标是利用物联网的技术改变政府、企业以及人与人之间的交流方式。不在单 一的对着冰冷的互联网，而是实现更加广泛的互相沟通、深入感知和更加智能化 的交流方式。正是因为美国看清了这一优势，现在正积极筹备搭建物联网平台， 抢先占领市场，定制行业标准，美国的众多企业也积极的加入到该产业链，想要 通过技术应用创新来促进物联网的快速发展。 在欧洲，物联网也同样受到了欧盟委员会的支持和鼓励，被确立为欧盟信息 系统技术的战略性发展计划，成为国会讨论焦点【4 】。欧盟作为全球首个物联网发 展战略规划，标志着国家上对“物联网”的部署，欧盟各大运营商也加强其应用 领域的部署，特别是汽车船舶等交通行业。在日本，2 0 0 4 年m i c ( m i n i s t r yo f i n t e r n a l a f f a i r sa n dc o m m u n i c a t i o n ，总务省) 提出的“u j a p a n ”战略【5 l 。让任何人、任何 事物随时随地连接到社会，三菱、索尼、日立等进行合作推动日本物联网技术快 速发展。 自2 0 0 9 年下旬温家宝提出“感知中国”后，我国的物联网一时才成为国内焦 点，迅速被人们所关注。政府在国家中长期科学与技术发展规划( 2 0 0 6 2 0 2 0 ) 和国家重点基础研究发展计划在信息领域中，为物联网的发展营造了良好的政策 支撑，我国物联网的发展已经成为国家的战略需求。国家技术部和全国各大部委 纷纷号召大力发展物联网。国内三大运营商：中国移动、中国电信和中国联通高 度重视并且正在筹建自己的物联网研究院。 目前国内还没有全面的物联网整个体系的规划与建设，仅仅局限于行业内部 的研究。关于物联网的设计及研究的关键在于r f i d 、传感器、嵌入式系统和传输 数据云计算等领域。物联网产业是一个新兴产业，目前在全球范围内处于起步阶 段，但其发展空间巨大【6 j 。虽与欧美发达国家比仍有很大差距，但国内各行各业 正做着努力。例如加大研发投入，突破核心技术，集中多方资源，协同作业。加 强其标准的制定，物联网至今还没有一个统一的标准，标准的混乱阻碍了物联网 产业的进一步发展，因此，加强交流合作、统一标准是促进物联网规模化的重要 举措。此外，加强政策引导，充分发挥物联网的应用范围，扩大生产，形成规模， 从而带动整个经济的发展，推动产业模式的形成。在未来的物联网发展中要进一 步完善信息安全、知识产权以及个人隐私等方面的保护。 面对我国巨大的市场和发展空间，中国应该把握机会紧握话语权，在未来的 物联网领域中掌控一席之地，为世界新一代技术的革新与竞争做好充分的准备。 我国物联网建设既存在机遇也同时面临着艰难的挑战。管理和技术没有发展到一 定程度，可想而知，全面的技术标准无从制定。无线通信技术有待发展，嵌入式 硕士学位论文 系统也刚刚起步，网络移动和自组网技术还没有大范围推广应用。没有形成规模 化、市场化、产业化的物联网是体现不出它强大的作用的。仅仅停留在不断的实 验，概念方案的设想是远远不够的，最终要把它变为现实，做出成品，投入生产。 未来的物联网将经历三个阶段：至2 0 1 5 年实现物体互联；2 0 1 5 年至2 0 2 0 年实 现物体的半智能化；2 0 2 0 年以后进入物体全面智能化。目前物联网仍处于初级阶 段，距离物与物之间的网络互联还存在很大的差距【7 】。未来的物联网时代是开放 的，共享的，各国问的合作学习创造出新的机遇，自身需要一个完整统一的战略 部署规划，扩展基础设施建设。今后物联网将会对我国的经济和社会起到至关重 要的作用，也为全球经济的复苏提供了动力。 1 3 应用前景 物联网是继计算机、互联网和移动通信之后的第三次产业信息浪潮，它将不 仅是一个学术名词，而是在生活、生产中有着广泛的应用。目前国内外有优势的 应用领域有智能电网、智能家居、智能交通、物流管理、医疗管理、智能交通、 环境保护、智能消防等。 智能电网的应用：智能电网是物联网第一个重要应用，像“无线智能抄表 的应用，其实质也是物联网的典型运用。随着g s m 技术的应用，移动通信网络 维护管理系统通过网络辅助分析和决策系统，进行数据采集、统计和分析。集中 监控、集中维护和集中管理，对各小区进行电网综合管理。 农业、智能家居应用：可广泛的用于农作物生长环境监测、动物宰杀监测， 通过r f i d 和数据库，建立管理体系以方便信息的查询；动态追踪作物生长环境。 ，智能家居实现家用电器自动及远程控制，安防系统，无线访问监测i s j 。 物流、交通的应用：物流领域同样起着不可小视的作用，物流商品从种植、 采购、生产制造，再到包装、运输、销售每一个环节做到信息透明化、可跟踪化， 以及产品的合理分配、合理运输。交通方面信息服务、交通管理、车载控制、电 子收费和紧急救助系统，可以高效的进行交通运输综合管理、控制，这是物联网 的关键系统。我国已有二十多个城市增加了交通联网监控、路况气象信息实时报 告。 医疗应用：可用于医疗监管、药物监管、医疗电子档案、血浆采集管理及公 共卫生突发事件等应用，远程医疗可为老人、残障人员提供救助，从而提高人民 的生活质量。在医疗管理中通过二维码每个病人都有自己的一套病例管理记录， 患者无论在何处通过网上链接随时查到以往病史。药物也可进行跟踪，保证药品 质量。 其中，智能家居成为了人们较大的需求。能不能不受时间、空间限制来管理 家务；出门在外能否观察到家中电器和电灯等设备运行的状况：在办公室里是否 硕七学位论交 也能关闭家里的灯光照明系统；能不能在下班回家的路上提前开启客厅的空调， 打开微波炉加热饭菜，到家就能立刻享受凉气及吃到热气可口的饭菜。随着人们 需求物质水平不断的提高，家里的安防系统是个重要的考虑。家中起火怎么办： 煤气泄漏怎么办；如果有人非法进入又怎么办；老人遇到紧急情况的时候救护医 疗系统是否能够第一时间赶到加以救护等等，这些当前棘手的问题都是关系到人 们生活的点点滴滴，重中之重。 当今我国正处于家庭自动化阶段，在城市、乡镇基本上家家户户实现了家居 自动化的普及，下一步将向着家居智能化、网络化迈进。网络家电、信息家电现 在的发展也渐渐开始出现在家庭中，这为智能家居的研发和不断完善起着推波助 澜的作用。 海尔公司已经研发出了物联网智能洗衣机，实现了人与洗衣机的“沟通”。 在家中任何地方或者外面通过手机短信可以遥控洗衣机的指令操作，了解商店、 超市洗涤用品供应量和价格等相关情况，如果没有了洗衣液可自动发送请求到商 城购买，商城人员根据指令需求进行发货，发货地址、电话自动录入，并返回一 条确认发货的短信到洗衣机和用户。还可以通过天气状况判断提醒使用者是否适 宜洗衣。还可自动识别水质硬度、缴纳水电费。单一的家用自动化越来越少，智 能化的综合一体化智能家居将取代现有的单调模式，达成物与物，人与物的沟通。 1 4 论文内容和主体结构 论文结构如下： 第l 章绪论。简要阐述了物联网的发展，国内外现状和未来的发展方向，以 及应用领域，提出课题研究的背景。 第2 章控制监测系统整体设计方案。介绍了a r m 9 为代表的嵌入式系统， l i n u x 操作系统平台，智能家居的发展、应用和具备的条件，详述了平台的整体 设计。 第3 章系统平台硬件设计。给出硬件系统研究和设计内容，包括主体电路和 各个功能模块的功能与电路原理图。 第4 章系统平台软件设计。软件的需求，整体软件平台的搭建，实现的方法 步骤。b o a 服务器的开发和移植，几种视频监测软件的实际操作对比，网页的编 写和各子模块的程序编程。 第5 章整体运行及测试。将搭建好的系统平台进行整体测试，调试所出现的 一系列的问题并解决，达到整个平台的稳定运行，实现最初的设计方案。 结论与展望 对论文期间的研究设计作了总结，指出方案的改进和展望，在 今后的研究工作中将进一步完善和提高。 一4 一 硕亡学位论文 第2 章控制监测系统整体设计方案 2 1 a r m 处理器 2 1 1a r m 处理器特点 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 微处理器是a c o r n 计算机有限公司开发的 第一款全球领先的1 6 3 2 位r i s c ( 精简指令集计算机) 微处理器，最早称为：a c o r n r i s cm a c h i n e 。市场份额已经占百分之八十以上，尤其在掌上电脑、移动通信、 平板电脑、存储和网络应用的嵌入式系统中应用更为广泛【9 1 。它的体系结构扩充 了t h u m b1 6 位指令集，改善了代码密度；处理器本身为3 2 位的设计，同时也支 持1 6 位指令集。此外还扩充了d s p 应用的算术运算指令集，j a v a 加速器可直接 执行j a v a 字节码。 基于a r m 内核的微处理器具有诸多特点：小体积、低功耗、低成本、高性 能；兼容8 1 6 位器件，使用大量寄存器，指令执行速度快速；它具有全球众多的 合作伙伴，技术支持及时到位【l 们。内核总计有7 种运行模式：一般中断模式、 快速中断模式、管理模式、用户模式、中止模式和未定义指令模式。分别用于不 同的处理过程，a r m 内核寄存器丰富，共有3 7 个3 2 位寄存器，比传统的微处理 器多一倍以上，节省了系统资源，使程序的运行速度加快。r i s c 指令长度相等， 运行频率固定，一般都仅对寄存器操作，减少了对存储器的操作，从而另一方面 提高了运行速度。a r m 处理器还具有j t a g 接口，可以进行内核调试和仿真，使 调试变得更加容易操作。这些优点都决定了今后嵌入式系统在产品中以及未来发 展中的广泛应用。图2 1 为a r m 共享内存区示意图 a r m ( b ) d s p ( 宇)其享存储区 图2 1a r m 共享内存区示意图 硕上学位论文 2 1 2a r m 处理器体系结构 a r m 微处理器体系结构有：c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，复杂 指令集计算机) ，在c i s c 中百分之二十左右的指令会被反复用到，剩下的部分 在指令中不会经常使用，在程序中只占百分十几。r i s c 精简指令集计算机结构优 先选取使用频率最高的指令，避免复杂指令的出现，并且将指令的长度固定，减 少格式和寻址方式，以逻辑为主，少用微码控制。单周期指令流水线操作，除此 之外尽量缩小芯片面积，降低功耗。以a r m 为c p u 的嵌入式系统能够适应复杂 的控制，进行多任务的处理，极大提升了效率【l 。在一个数据处理指令中可同时 完成移位和逻辑处理。 寄存器结构体系：上面所述，a r m 处理器总共有三十七个寄存器，被分割成 若干个组，其中有3 1 个通用寄存器和6 个状态寄存器。通用寄存器包含程序计数 器，均为3 2 位的寄存器。状态寄存器来识别c p u 的程序运行和工作状态，也是 3 2 位的寄存器，当今仅使用了一小部分。 指令结构体系：a r m 微处理器可以支持2 种指令集，一个是a r m 指令集， 一个是t h u m b 指令集。a r m 指令集为3 2 位，t h u m b 指令集为1 6 位。本质上讲， t h u m b 指令集是属于a r m 指令集的子集，但t h u m b 可以节省三十到四十的存储 容量，又具有a r m 指令集的所有优势。 a r m 内核的微处理器从发展至今包括几个系列产品，厂商根据a r m 体系结 构分为：a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m l 0 e 系列、a r m ll 系列、 s e c u r c o r e 、o p t i m o d e 数据引擎内核、s t r o n g a r m 和x s c a l e 处理器系列。其中前 四种为通用处理器系列，每个系列满足不同领域的需求【l2 1 。最早的a r m l 系列 的构架是a r m v l ，内核采样a r m l 微处理器，没有i d 高速缓存和常规m i p s 。 直到当今比较先进的c o r t e x 系列的a r m v 7 r 构架，采用c o r t e x r 4 ( f ) 内核， 具有可变动的高速缓存，m m u 可选配。 2 2l i n u x 设备驱动 2 2 1l i n u x 系统文件 l i n u x 是继承了u n i x 系统结构清晰的特点，根目录所有的文件、目录都在下， b i n 就是在b i n 文件夹下二进制文件，可参见目录找到l i n u x 常用的命令集，系统所 需的命令都在此目录下，如：b b c o n f i g 、c a t 、k i l l 、l o g i n 等命令，功能和u s r b i n 相同，都是可执行文件，最基础的系统命令就在此。b o o t 是l i n u x 内核及系统程序 所必需的文件目录。c d r o m 可将光驱文件系统挂在此目录下女1 m o u n t d e v c d r o m 。 d e v 是设备的简写，它包含了所有l i n u x 系统中使用的外部设备，是一个访问这些 外部驱动的端口，并不放置外部设备的驱动程序。e t c 是非常熟悉的目录而且也是 硕：b 学位论文 很重要的目录，这个目录负责存放系统配置好的文件和子目录，网络配置文件、 设备配置信息都放于此。h o m e 建立一个用户名，如h o m e p l g ，存放用户的主目 录。在虚拟机编译过程中，由于本身用户名下的权限问题，一般选用r o o t 用户登 录虚拟机，从而进行系统文件的编译。 l o s t + f o u n d 当系统意外关机或系统崩溃时再一次重新启动时，可修复已经损 坏了的文件系统，用来修复和移动原来的文件。m n t 可以挂接u 盘、s d 卡等存储 设备的目录，好比w i n d o w 用来挂接优盘的u s b 接口文件夹。t m p 存放临时文件， 类似于v a r t m p 。u s r s h a r e 可建立共享文件夹，实现虚拟机与w i n d o w 系统文件的 互相连接，进行拷贝、剪切、删除等操作f i3 1 。在两个系统问文件可任意共享，w i n d o w 下有的文件放到此目录下，在虚拟机中也会看到，可以进行编译、查看等操作。 同理，虚拟机所在共享目录下的文件在w i n d o w 下的指定文件夹下也可以看到，并 进行预期的操作。达到两个不同操作系统的连接与信息交换。 应用l i n u x 系统作为开发环境，考虑到它是一款免费的操作系统而且十分强 大，在现代通信领域有着很广泛的应用，可随心编译用户想要的程序。l i n u x 还可 以使多个程序同时独立的运行，提供w w w 、r p 、e m a i l 等网络功能。通过f t p 把编 译好的文件快速下载到开发板上，省去繁琐的操作步骤l l 引。 2 2 2l i n u x 驱动 l i n u x 设备驱动是与底层硬件直接相关，通过软件驱动程序来驱动l e d 、按键、 u s b 接口、蜂鸣器等设备工作。l i n u x 设备驱动分为三大类：字符设备驱动、块驱 动和网络设备驱动l l 副。 l i n u x 字符驱动编程的要点：第一，注册字符设备驱动，其中包括字符设备的 主设备号，设备的名称，和文件操作函数指针集合。第二，实现文件操作中的函 数指针。l i n u x 网络驱动最底层是网络的相关硬件，向上依次是设备驱动程序层， 网络设备驱动层和网络接口层。网络设备驱动编程的要点如下：其一，建设网络 设备数据结构s t r u c tn e td e v i c e ，在初始化和卸载时实现网络设备的注册和注销。 其二，在网络设备中设置发送数据包的成员指针h a r ds t a rx m i t ，此函数将一个 s kb u f f 发送到网络硬件中。其三，在网络设备的初始化中，注册中断函数。在中 断函数中从网络硬件来接收的数据，通过n e t i f发送到上层协议【16j。_rxo 块设备的特点：对设备的读写的单位是块，块的大小有具体的设备决定，并 不一定是l i n u x 所定义的1 0 2 4 个字节。为提高c p u 设备协调工作，提高读写速度， l i n u x 操作系统中设计了设各缓冲机制。首先进行缓冲区的读写，如果缓冲区没有 了数据，再进行真正的设备控制数据读写交换。l i n u x 内核使用“设备无关”的i 0 子系统来作为所有的设备服务。每个设备都提供标准接口给内核，从而尽可能的 隐藏了自己的特性【1 7j 。块的驱动要进行读写设备、驱动数据初始化、分区、以及 硕士学位论文 i o e t l 参数。 编写l i n u x 嵌入式设备驱动程序都有一定的共同特点，是编写所有类型的驱动 都通用的。操作系统提供给驱动程序的支持都为：读写、中断、时钟f 1 引。一般步 骤为：定义主次设备号；实现驱动初始化和清除函数；定义所要实现的文件操作； 实现所需的文件操作调用；实现中断服务函数；将驱动编译到内核或译成模块， 最后生成设备节点文件。 2 3 智能家居应用 2 3 1 智能家居发展 物联网的典型应用就是以智能家居为代表的应用体系。图2 2 为智能家居的综 合应用构架图。图中体现出智能家居主要的特点：1 、完备的电器设施和灯光照明 控制系统。2 、灵活多样的控制方式。3 、全方位的立体安防系统。4 、强大的网络 通信能力。5 、贴身实用的家居管理。层与层之间互相连接，互相通信，结合为一 个整体全面部署的系统。 图2 2 智能家居综合架构图 智能家居( s m a r th o m e ) 是以家庭网络为基础，利用先进的计算机技术、网 络通信技术和综合布线技术，将与家庭生活有关的各个子系统有机地结合在一起 引。通过综合性的管理，让现代家居生活变得更加舒适、安全、有效。研究智能 家居系统是因为它具有高效、可靠、快捷、智能化和新颖化等优点。对于人类生 活水平的改善，舒适程度提高有着举足轻重的意义【2 0 】。 硕十学位论文 虽然现在在中国智能家居刚刚发展，还未像手机、家用电脑、电视、空调那 样的普及，但未来不会多长的时间里将会掀起一股新的智能家居普及应用热。近 几年的房地产热带动了智能家居的推广，国家在这方面也给予了大力提倡和支持， 最终全面实现家庭的自动化和网络化。 通过微电子技术集成并控制家庭中的电子电器设备，比如：照明系统、空调、 电视等家电产品、视讯设备、安防系统。主要通过一个c p u 来接收这些电子设备 的信息，然后通过自身处理系统把这些采集到的数据、信息、命令进行下一步相 应处理。建立起一个通讯网络，为家居信息提供一个信息必要的通路。通过相应 的硬件和执行机构实现对所有家居网络上的家电、设备的监测和控制。其次，要 通过一定的系统平台，来构成与外界的通信通道，实现与家庭以外的全球网络沟 通，达到远程控制、监测信息的要求，具有开放性和动态性【2 。 2 3 2 智能家居功能 智能家居将要实现的基本功能如下： ( 1 ) 照明系统控制功能。包括照明灯具的场景模式、运行速率、顺序控制、 远程控制及自动红外控制，光感传感器根据晴天、阴天光线强弱会自动开启或者 调节照明系统的亮度，方便、省电。在所有走廊、楼梯和玄关处安装被动红外线 人体传感器，这些区域的照明与人体感应探头和系统定时联动，实现人体感应自 动照明的功能。做到“人在灯亮，人走灯灭”。 ( 2 ) 家电控制功能：实现空调的开启、自动调温及温度查询。电动窗帘、百 叶窗等电器的开启和关闭，及损坏时的自动报警。电视、音响等电器的一体遥控， 省去多个遥控器的控制。通过系统设备可以更深层的开发家用产品功能，例如电 视可以作为显示控制器平台，做电视电话会议；切换一下又可作为监控监视器， 通过电视访问访客身份，将大门解锁。 ( 3 ) 室内外环境监控功能：包括室内、外的温度、湿度、二氧化碳浓度的实 时控制与监测。 ( 4 ) 智能信息系统功能：可以进行小区信息通知的发布平台等业务，可查询 留言电话、来访客人记录，以免错过重要的客人。可视对讲画面会自动切入电视、 无线触摸屏。与电梯系统联网，可显示当前电梯所在楼层。如有电子邮件可以通 过外放功能语音读取邮件内容。“远程抄表”可以足不出户就能使另一方实现自 动抄表，煤气、水、电表自动抄写功能。天文时钟会自动根据所在的经纬度调节 时间。 ( 5 ) 安防报警功能：智能家居一个重大的突破就是拥有一套完善的可靠的安 防系统。系统会依照设置启动不同安防模式，采用逻辑判断对所有报警信息进行 逻辑处理，自动删除虚假信息，减少误报警率。设置的立体图像更加直观的显示 硕十：学位论文 室内设施的工作状态，判断是否有威胁出现。包括入侵系统的实时监控，门禁系 统，煤气火灾的自动报警提示服务，以及漏电、漏水报警。 ( 6 ) 医疗诊治功能：包括老年人、病人异常情况的监控，突发病情时的按键 及时报警救治和远程诊断、治疗功能。远程访问功能：系统与互联网的连通，具 有远程网络访问功能。主人在何时何地都能通过i e 浏览器看到家中一切动向，并 且可以控制家中的电器设备，也可通过手机进行访问。达到信息的互通和设备的 双向控制，及及时向用户报警功能。 2 3 3 智能家居实现条件 智能家居系统将向自动化( h o m ea u t o m a t i o n ) 、程序化( h o m eg a t e w a y ) 、 网络化( h o m en e t w o r k ) 、个性化、自学习型发展。家庭网络化需要依赖互联网 络和无线通信网络，家庭智能化网络也将扩展到整个楼宇和小区，甚至全市。基 本的家庭设备、家用p c 、手机通信设备已经达到了硬件的基本需求。目前我国智 能发展还缺乏规范的统一的行业标准；安装、调试太过复杂，而且成本费用太高； 缺乏项目资金的支持；跨产业的合作困难的问题。虽然存在这样那样的问题，但 智能家居是一个崭新的启程，推进智能化最终是为了更好的服务于人类，改善现 有的居住和生活环境，改变人类的生活方式。 2 4 系统平台整体设计方案 整个设计的物联网智能家居控制平台大致分为三个部分，在图2 3 为系统总的 结构设计框架【2 2 1 。第一，左边的部分由中央控制器c p u 控制组成，运用a r m 作为 中央控制平台的核心。由a r m 中央处理器控制智能家居模块l e d 和u s b 摄像头， 家庭智能控制模块由温度传感器和湿度传感器组成，利用z i g b e e 进行无线传输把 各个传感器采集来的信号传送到a r m 中央控制平台。第二部分由a r m 中央处理器 与电脑p c 通过机互联网i n t e r n e t 连接，运用互联网把所作的网页平台连接到全球的 互联网中，所在的网络都可进行实时监测与控制，达到家庭智能模块的控制和监 控系统的实时动态操作显示。第三部分图中的右下方通过g p r s 模块把a r m 中央 控制平台发送的信息传送到用户手机，进行提示或报警。同样用户通过手机也可 以给a r m 中央处理器发送指令，从而对家庭智能控制模块和u s b 摄像头进行控 制。 硕十学位论文 图2 3 系统整体结构图 2 4 1p c 监控页面设计 p c 监控页面的设计是重点。为达到家庭设备模块与互联网的连接、控制的预 期设想，通过a r m l i n u x 平台的网关，移植b o a 系统。用h t m l 和h t t p ( 超文本 标记语言和超文本传输协议) 进行网页编写，分别设计了主页和分界面，在互联 网上控帛i l e d 与u s b 摄像头的显示控件j l j l 2 3 】。当用户输入中央处理器的i p 时，就可 以进行相应的设置操作，以及动态摄像的显示。 选用t c p i p 协议，嵌入式设备直接接入i n t e r n e t 。主要编写了四个页面： i n d e x h t m l ( 主页面) 、u s e rm e t r i a l h t m l ( e h o m e 页面) 、l e d s h t m l ( l e d 控制页面) 和 w e b c a m h t m l ( u s b 摄像头控制显示页面) 。 ( 1 ) 主页面总体的物联网智能家居的整体系统展示，负责连接各个子页面 ( 2 ) e h o m e 页面可填写用户的基本资料和信息，此外，还有门窗、室内温湿 度、二氧化碳浓度等整体家居状况的信息平台汇总。 ( 3 ) 网页控匍 l e d 选择模式和速率，通过c g i 编写。分为影院模式、聚会模 式和睡眠三种模式；速率分为慢速、中速和高速。 ( 4 ) 同时，a r m 中央处理器平台通过u s b 口连接一个自带驱动的摄像头， 实现对室内环境的实时监视。用m j p e g 开发的软件基于j a v a 开发的一个页面。页面 包含了视频主页、静态拍照、动态显示、摄像显示参数的设置，可以放大、缩小， 并且拍下的图片可以保存到u 盘或a r m 中的s d 卡内。 2 4 2g s m 模块设计 利用8 0 5 2 单片机的价格低廉、操作简便来采集数据并显示室内温度，并且作 为小型的处理器编写程序代码与g s m 通信。把单片机的一排灯当作室外的灯光照 明系统，当这一排电灯以流水灯方式开启时初始化，g s m 模块处于等待状态准备 接受单片机发送来的指令。单片机会发送a t 指令给g s m 模块，g s m 模块接收到 a t 指令以及手机所要显示的短信编码后，发送要发送的短信内容给中转站，中转 站最后发送到另一台手机，此手机将显示电灯已开启等相关内容。当室内温度过 硕卜学位论文 高或过低时发送报警短信。 2 5 本章小结 本章首先介绍了嵌入式系统的a r m 处理器结构体系、特点和l i n u x 操作系 统的文件配置、驱动编写。然后在此基础上分析了物联网智能家居的特点及功能 实现。最后，阐述了整个智能家居监控系统平台的结构体系，嵌入式系统与客户 端p c 机的联网，p c 机上页面的控制与监测，相应的硬件和软件的设计，并给出 了系统g s m 模块的无线通信连接以及外部访问的方法i n t e r n e t 访问页面。 硕十学位论文 第3 章系统平台硬件设计 3 1 平台构建方案 硬件系统平台的设计主要分为两大部分，以f r i e n d l y a r m 开发的a r m 9 作为中 央处理器控f l ；) l e d 、s d 卡、u s b 接口，以及网口连接到服务器从而进行网络连接。 该a r m 9 开发板满足了当前设计所需的硬件条件，系统运行稳定，小巧精干，便 于开发和程序的移植。另一部分，g s m 采用s i m 3 0 0 g p s g p r s 模块，应用成熟， 是目前为止比较先进的g p s g p r s 模块，价格便宜。温度传感器d s l 8 b 2 0 以及单片 机采集室内温湿度，发送指令到g s m 模块，开发周期短，用液晶屏显示温度直观、 清新。硬件结构大致包含以下几部分，如图3 1 所示。 。 ，一- 一一一一一一一一一j i少甜! ，芰互 j 到刻! 刻 j 短消息l网页l视频lj _ _ j 到竺坚苎兰i 望望竖墨兰l 操作系统 l 一一一一一一葛磊菱言一一一一一一1 图3 1 硬件系统示意图 3 2 主机硬件结构 硬件系统平台的主机监控硬件结构框图如图3 2 所示： 刻叫 模一划一一 头一踹1 1像一限1 1摄一g 工篓厂l 1下f 4 - 叉一 4赳亿一i 榔塑一 m 一j型 硕 j 学位论文 图3 2 主机监控结构框图 由图可以看出，主机的监控系统以$ 3 c 2 4 4 0 为主控中心，一方面控制l e d 模 式、速率的变化，u s b 摄像头的视频显示。另一方面，通过r j 4 5 网络接口连接到 交换机，实现客户端p c 计算机上的互联网联接。 m i n i 2 4 4 0 是一款a r m 9 开发板，它采用了s a m s u n g $ 3 c 2 4 4 0 为微处理器，并且 采用专业稳定的c p u 内核电源芯片和复位芯片从而保证系统运行的稳定性能。 m i n i 2 4 4 0 的p c b 采用沉金工艺的四层板设计，专业等长布线技术，保证了关键信 号线的信号完整性，生产采用贴片器件，目前无论在技术上还是功能上都已经达 到了国内a r m 9 开发板的较高水平。 m i n i 2 4 4 0 开发板具有以下几个主要特点概括如下： ( 1 ) 一款支持l i n u x 2 6 3 2 内核的开发板。在l i n u x 系统下支持绝大部分万能 u s b 摄像头，视频效果输出的图像清晰、美观。同时，还可使用c m o s 摄像头预 览和拍照。 ( 2 ) 统一采用支持e a b i 标准的交叉编译器，使开发效率提高。此外，它还 支持n e t3 5 。 ( 3 ) 支持u s b 烧写、更新l i n u x 程序，并且支持整片n a n df l a s h 备份，开机自 动运行所编译设置的启动程序和n o rf l a s h 的重新擦除拷贝。 m i n i 2 4 4 0 的硬件资源总体介绍：c p u 处理器是s a m s u n g $ 3 c 2 4 4 0 a ，主频为 4 0 0 m h z ，最高5 3 3 m h z 。s d r a m 内存为6 4 m ，3 2 b i t 的数据总线，s d r a m 的时钟 频率最高可达到1 0 0 m h z 。f l a s h 有2 5 6 m 存储空间，掉电非易失( 根据需要也可配 置6 4 m 1 2 8 m 5 1 2 m 1 g 内存) ，还有2 m 的n o rf l a s h ，同样掉电非易失，已安装的 b i o s 。集成4 线电阻式触摸屏接口，可直接连接四线电阻触摸屏。 资源接口有：一个1 0 0 m 的以太网r j 4 5 接口，采用d m 9 0 0 0 网络芯片，三个串 行口，一个u s bh o s t 连接摄像头或u 盘，一个s d 卡存储接e l ，一路立体声音频输 硕士学位论文 出接口，一路麦克风接口。四个u s e rl e d s ，六个用户按键，一个p w m 蜂鸣器， 一个可调电阻，用于a d 模数转换，一个i i c