（模式识别与智能系统专业论文）基于arm的家庭信息化系统的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 2 l 世纪是“信息世纪”，随着人们生活水平的提高，传统的家庭模式无法 满足现代家庭生活的需要，主要是传统家庭模式无法自动获取外界的信息，并 且不同家庭节点之间无法协同工作进一步开发信息家庭控制系统已成为当前 的迫切需要。与传统家庭产品相比，信息家庭集电脑、电信和消费类电子产品 的特征于一身，使家电具有了信息的获取、加工、传递等功能，使人们能够拥 有一个安全、舒适、便利的生活环境。与普通家庭相比，智能家庭不仅具有传 统的居住功能，还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全 方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方 式，帮助人们有效安捧时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节 约资金。本文以研究信息家庭控制系统为切入点，以期能将其拓展成为完善的 智能小区控制系统。 现阶段家庭网关接入互联网的方式主要为有线接入。本文提出了一种基于 g p r s 网络的以嵌入式l i n u x 为操作系统的家庭网关无线接入i n t e r n e t 的方案， 能通过手机短信息对控制节点进行远程控制，并能通过以太网接入i n t e r n e t 实现 有线与无线相结合。 结合a r m 、现场总线、嵌入式l i n u x 、v c 、无线统通信技术和g p r s 网络 等技术手段，进一步设计了一种较为完善的信息家庭控制系统，完成了系统硬 件设计和软件设计，并进行了调试，验证了所设计系统的有效性和实用性。系 统主要由基于a r m 的家庭网关、g p r s 模块、作为主机的n r f 9 0 5 模块和作为 从机的n r f 9 0 5 模块几个部分组成。在家庭内部也采用了无线通信方式，能实现 触摸屏、鼠标等输入终端对系统的控制及自动报警；在远端，能实现基于g p r s 的远程控制及自动报警，能够通过手机短信息对控制节点进行控制。整个系统 具有良好的通用性和可扩展性，方便在该硬件平台上进行二次开发和扩展。 关键词：家庭信息化，a r m ，g p r s ，l i n u x 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t 2 1 s tc e n t u r yi si n f o r m a t i o nc e n t u r y , w i t ht h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n g s t a n d a r d , t h et r a d i t i o n a lf a m i l ym o d ei su n a b l et om e e td e m a n d so fm o d e mf a m i l y m a i n l yb c c a u s et h et r a d i t i o n a lf a m i l yc a n to b t a i ne x t e r n a li n f o r m a t i o na u t o m a t i c a l l y a n dc a n tw o r ki nc o o r d i n a t i o nb c t w t 圮nd i f f e r e n tf a m i l yn o d e s f a m i l y sc o n t r o l s y s t e mo f 鼬盯d e v e l o p m e n ti n f o r m a t i o nh a sa l r e a d yb e c o m et h ep r e s e n tu r g e n t n e e d c o m p a r ew i t hp r o d u c t s o ft r a d i t i o n a l f a m i l y , t h e i n f o r m a t i o nf a m i l y i n c o r p o r a t e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f t b ec o m p u t e r , t e l e c o m m u n i c a t i o na n dc o n s u m p t i o n e l e c t r o n i cp r o d u c ti n t oa no r g a n i cw h o l e ，m a k et h ee l e c t r i c a l a p p l i a n c e sh a v e f u n c t i o no f o b t a i n i n g , p r o c e s s i n g ，t r a n s m i t t i n go f i n f o r m a t i o n , e n a b l ep e o p l et oh a v ea s a f e ，c o m f o r t a b l e , c o n v e n i e n tl i v i n ge n v i r o n m e n t c o m p a r ew i t ho r d i n a r yf a m i l y , t h e i n t e l l e c t u a lf a m i l yn o to n l yh a st r a d i t i o n a li n h a b i t a n c yf u n c t i o n sb u ta l s oc h a n g e di n t o t o o l sh a v i n gd y n a m i ci n t e l l i g e n c ef r o mt h eo r i g i n a lp a s s i v er e s t i n gs t r u c t u r e ，o f f e r i n g t h eo m n i - d i r e c t i o n a li n f o r m a t i o ne x c h a n g ef u n c t i o n , h e l p i n gf a m i l ya n do u t s i d et o k e e pi n f o r m a t i o ni n t e r c h a n g eu n b l o c k e d , o p t i m i z i n gp e o p l e sl i f es t y l e ，h e l p i n g p e o p l et ob u d g e tt h e i rt i m ee f f e c t i v e l y , s t r e n g t h e n i n gt h es e c u r i t yo ft h ef a m i l yl i f e ， i e v e ns a v i n gt h ef u n df o rv a r i o u se n e r g yo 中s 鼯t h i sp a p e rr e g a r d st h er e s e a r c ho f i n f o r m a t i o nf a m i l yc o n t r o ls y s t e ma st h eb r e a k t h r o u g hp o i n t a n di ti sc x p c c t c dt o e x p a n dt ob e c o m et h ec o m p l e t ei n t e l l e c t u a ld i s t r i c tc o n t r o ls y s t e mt h r o u g ht h e e x p l o r a t i o n 、s t u d y i n go f t h i ss u b j e c t ，a n dp u ti ti n t op r o d u c t i o n t h ew a yi nw h i c ht h ef a m i l yg a t e w a yi n s e r ti n t oi n t e r n e ti sm a i n l yi n s e r t i n g w i r e d l ya tt h ep r e s e n ts t a g e 。t h i sp a p e rh a sp u tf o r w a r dak i n do f f a m i l y n e tw i r e l e s s i n s e r t i n gi n t e m e ts c h e m ew h i c ht a k i n ge m b e d d e dl i n u xa so p e r a t i n gs y s t e mb a s e do n g p r sn e t w o r k , w h i c ho a rc o n t r o lt h ec o n t r o l l i n gn o d et h r o u g ht h em o b i l ep h o n e m e s s a g el o n g - r a n g e l y ，a n dc a l li n s e r ti n t oi n t e r a c tt h r o u g he t h e m e ta n dr e a l i z et h e c o m b i n e st o g e t h e rw i t ht h ew i r e da n dw i r e l e s s c o n b i n i n gw i t i la r m 、f i e l db u s 、e m b e d d e dl i n u x 、v c 、w i r e l e s st e c h n o l o g y 、 仃a n s d u c e rm e a s u r i n ga n dg p r sn e t w o r k t e c h a o l o # c mm e a n s d e s i g nak i n do f c o m p a r a t i v e l yc o m p l e t ei n f o r m a t i o nf a m i l yc o n t r o ls y s t e m ，a c c o m p l i s ht h ew o r k l i 武汉理工大学硕士学位论文 o f s o f t w a r ed e s i g n 、h a r d w a r ed e s i g na n de t e ，a n d 谢句t h ed e s i g n e ds y s t e m sv a l i d i t y a n d p r a c t i c a b i l i t y t h es y s t e mi sm a i n l ym a d eo ft h ef o l l o w i n gp a r t s ： a r m b a s e df a m il y n e t s ，g p r sm o d u l e ，n r f 9 0 5m o d u l ea st h eh o s tc o m p u t e r a n dn r f 9 0 5m o d u l ea ss u b s i d i a r yc o m p u t e r t h ew i r e l e s sc o m u n i e a t i o nw a y i sa d o p t e di n s i d et h ef a m i l yt o o w e c r e a l i z e i m p o r t t e r m i n a l ss u c h a s t o u c h - s e n s i t i v es c r e e n , m o u s e ，a n de t c c o n t r o lo f t h es y s t e ma n da u t o a l a r m ；o nt h ef a r c n a , w ec a nr e a l i z et h el o n g - r a n g ec o n t r o la n da u t o a l a r mb a s e do ng p r sa n dc o n t r o l t oc o n t r o l l i n gn o d et h r o u g ht h em o b i l ep h o n em e s s a g e 1 1 舱w h o l es y s t e ms h o u l d h a v eg o o de x p a n s i b i l i t ya n dc o m m o n a b i l i t y , s oi ti sc o n v e n i e n tt oc a r r yo nt h e s e c o n d a r yd e v e l o p m e n ta n de x p a n do nt h i sh a r d w a r ep l a t f o r m ， k e yw o r d s ：f a m i l yi n f o r m a t i o ns y s t e m , a r m ，g p r s ，l i n u x n i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 系统开发背景 第1 章绪论 2 1 世纪是“信息世纪”，随着人们生活水平的提高，传统家庭模式无法满足 现代家庭的需要，主要是传统家庭无法自动获取外界的信息，并且不同的家庭 节点之间无法协同工作。进一步开发信息家庭控制系统已成为当前的迫切需要。 随着以计算机技术为核心的信息技术、数字技术、多媒体技术和网络技术 的飞速发展，通信、计算机与消费类家用电器产业( c o m p u t e r 、c o m m u n i c a t i o i l 、 c o n s u m e r ，3 c ) 的进一步融合，必将带来数字化、智能化、网络化的信息家庭产 业的更快发展。与传统家庭产品相比，信息家庭集电脑、电信和消费类电子产 品的特征于一身，使家电具有了信息的获取、加工、传递等功能，使人们能够 拥有一个安全、舒适、便利的生活环境。所谓安全、舒适、便利可以这样理解： ( 1 ) 安全：家庭配有防火、防盗、防暴设施；( 2 ) 舒适：家庭配备冷热水供应，空 调等；( 3 ) 便利：家庭配有足够的通讯设备和信息设备，能够实现家庭节点之间 的协同工作及远程监控。与普通家庭相比，信息家庭不仅具有传统的居住功能， 还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换 功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有 效安排时间，增强家居生活的安全性，并能节约资金i l j 。 1 2 智能家庭的发展和研究概述 1 2 1 智能家庭的发展历程及研究现状 1 ) 国外智能家居的发展情况 2 0 世纪7 0 年代开始，国外许多国家开始针对家庭网络进行研究。自从世界 上第1 幢智能建筑1 9 8 4 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、日本等国都有广泛的应用。新加坡模式的家庭智能化系统包括 武汉理工大学硕士学位论文 三表抄送功能、安防报警功能、可视对讲功能、监控中心功能、家电控制功能、 有线电视接入、住户信息留言功能、家庭智能控制面板、智能布线箱、宽带网 接入和系统软件配置等。 几年前一些经济比较发达的国家提出了“智能住宅”的概念，住宅智能化是智 能家居的先导，智能家居是住宅智能化的核心。那么达到一个什么样的标准才 可以称之为智能化家庭呢? 智能化家庭与智能大厦概念与定义一样，至今尚没 有取得一致的认同。美国电子工业协会于1 9 9 8 年编制了第1 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标 准( h b s ) ；我国也从1 9 9 7 年初开始制定小康住宅电气设计( 标准) 导则( 讨论 稿) 。在导则中规定了小康住宅小区电气设计总体上应满足以下要求：高度 的安全性，舒适的生活环境，便利的通讯方式，综合的信息服务，家庭智能化 系统。同时也对小康住宅与小区建设在安全防范、家庭设备自动化和通讯与网 络配置等方面提出了三级设计标准，即：第一级为“理想目标”，第二级为“普及 目标”，第三级为“最低目标”。 智能家居最终目的是让家庭更舒适，更方便，更安全，更符合环保。随着 人类消费需求和住宅智能化的不断发展，今天的智能家居系统将拥有更加丰富 的内容，系统配置也越来越复杂。智能家居包括网络接入系统、防盗报警系统、 消防报警系统、电视对讲门禁系统、煤气泄露探测系统、远程抄表( 水表、电表、 煤气表) 系统、紧急求助系统、远程医疗诊断及护理系统、室内电器自动控制管 理及开发系统、集中供冷热系统、网上购物系统、语音与传真( 电子邮件) 服务 系统、网上教育系统、股票操作系统、视频点播、付费电视系统、有线电视系 统等等，各种新鲜的名词逐渐成为智能家居中的组成部分。 在新加坡有近3 0 个社区( 住宅小区) 近5 0 0 0 户的家庭采用了“家庭智能化系 统”，美国已有近4 0 0 0 0 户家庭安装了这一类的“家庭智能化系统”。三星公司从 2 0 0 3 年春节后，开始在中、韩两国同时推出其智能家居系统，通过机顶盒和网 络，将家居自动控制、信息家电、安防设备以及娱乐和信息中心这四部分集成 一个全面的、面向宽带互联网的家居控制网络。 2 ) 国内智能家居的发展现状 同国外相比，我国对家庭网络和信息家电的相关产品的研制起步较晚。从 中国的国情来看，其中实用型与舒适型应当成为住宅建设的主流，因为实用型 2 武汉理工大学硕士学位论文 住宅主要面向国内目前低收入者，舒适型面向中等偏上收入者。但是住宅是一 项使用寿命较长、一次投资较大的特殊商品，因此，建设时的标准必须具有一 定的超前性。 我国将住宅小区智能化定义为：利用4 c ( b p 计算机、通讯与网络、白控、i c 卡) 技术，通过有效的传输网络，将多元信息服务与管理、物业管理与安防、住 宅智能化系统集成，为住宅小区的服务与管理提供高技术的智能化手段，以期 实现快捷高效的超值服务与管理，提供安全舒适的家居环境。 目前智能家居一般要求有三大功能单元：第一，要求有一个家庭布线系统； 第二，必须有一个兼容性强的智能家居中央处理平台( 家庭信息平台) ；第三， 真正的智能家庭生活至少需要三种网络的支持：宽带互联网、家庭互联网和家 庭控制网络。 目前已经出现的智能家居家庭信息处理平台大致分为三类：第一类平台是 机顶盒技术，第二类平台是家庭网关，第三类平台是拥有自主知识产权的软组 合家庭信息平台。软组合家庭信息平台以软组合方式与家用电器( 音像电器、摄 像装置、上网装置、卫星接收装置、保安装置、照明装置以及功能扩展接口等) 结成一体，具有可供选择的机顶盒、电脑接口，它与机顶盒结成一体，就兼有 第一类平台的功能；它与电脑结成一体，就兼有第二类平台的功能。这种平台 除了具有家居平台的一般功能外，还具有独特优势。根据我国国情、民情，实 现“智能化家居几步走”；可兼顾、激活目前家庭里已经大量存在的非智能家电； 方便需要通过电视实现上网的几千万人，特别适于智能家居的d i y ；对家庭电 器具有多种功能开发、信息处理增值、人机保护等功能。但智能家居是一个大 的社会系统工程，建立起清晰的产业链还尚需时日1 2 j 。 1 2 2 智能家庭的发展趋势 随着集成技术、通讯技术、互操作能力和布线标准的实现而不断改进，智 能家庭涉及到对家庭网络内所有的智能器具、设备和系统的操作和管理，以及 计算机技术、通讯网络技术和自动控制技术的应用。家庭网络是信息社会的基 本单元，是信息家庭的精髓。未来的家庭中，各种信息家电将组成一个家庭局 域网，并通过家庭网关接入互联网。家庭网络的发展应紧密结合现代控制技术、 计算机技术及通讯网络技术的飞速发展。其发展趋势主要有： 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 基于控制器的智能家庭网络 基于控制器的家庭网络符合当前多数家庭的实际需要，解决了当前家庭中 大量存在的传统家电设备的互联问题，同时通过电话线实现对p s t n 的拨号接 入，可完成数据远传和异地控制。这种方式具有很大的市场价值和广阔的应用 前景。 整个控制器功能主要由四个部分组成：和上位p c 机通信、和家庭内部设备 实现通信、完成远程拨号的操作、实现数据的检测和采集。在家庭中形成一个 控制网络，构建一个家庭信息处理平台，完成对所有设备集中统一的监控和管 理，同时还提供一个外部以太网或i n t e r n e t 的接口以便摆脱传统的单机运作模式， 实现远程或异地的监控和访问。 ( 2 ) 基于家用电脑的智能家庭网络 基于家用电脑的智能家庭网络把熟悉的p c 技术简单地嫁接到新的家庭网络 技术中，通过无线局域网，使用家用电脑作为中央控制单元，提供家庭与i n t e m e t 之间的寻址和路由 这种以家用电脑为基础的智能家庭网络，具有很多突出的优点如电脑具备 强大的网络接入功能，是首屈一指的网络终端。利用电脑运行智能家居管理软 件，能提供很多高级控制特性。以家用电脑为基础的智能家居系统。具有优秀 的兼容性和扩展性，而且在技术上也能有效支持8 0 2 1 1 无线技术，蓝牙技术， 以及h o m e r f 技术。 ( 3 ) 基于电力线通信的智能家庭网络 电力线网络技术使用的是与插座直接相连的现有电力线，不需要电话线，只 要用一个电力线适配器插入插座即可。基于电力线通信的智能家庭网络由于电 力线网络拓扑及其电源插座用作接入点的方便性，使其成为智能家庭网络的一 种很有吸引力的候选技术和新的发展趋势。 基于电力线通信的智能家庭网络相对于其它技术具备诸多优点，如网络家 电可以通过电力线进行通信，无需另外布线。在一个住宅内通常有多个接入点， 即电源插座。用户可以用同一技术建家庭l a n ，把p c 机、打印机、扫描仪以 及其他任何想连接的设备连接起来。而且建电力线通信网的成本比其它技术低。 目前，电力线通信还须借助其它技术来向互联网发送数据以及与移动设备 通信，在实施和市场方面也存在不少问题。用于家庭联网的电力线通信产品虽 然已有提供，但对用户来说，可供选择的产品并不多，技术支持也较差，有待 4 武汉理工大学硕士学位论文 于进一步的研究和发展。 由上述国内外发展情况来看，信息家庭将是日后家居生活发展的方向。尽 管信息家庭在有关核心技术、独立产品等多方面落后于发达国家，但由于国内 外都处于探索阶段，尚未形成垄断，同时国内又有潜在的庞大的消费群体。因 此，国内的芯片设计制造商、嵌入式软件供应商、信息家庭制造商、信息服务 运营商正面临难得的市场机遇l j j 。 1 3 研究的目的与意义 现阶段家庭网关接入互联网的方式主要为有线接入，本文提出了一种基于 g p r s 网络的以嵌入式l i n u x 为操作系统的家庭网关无线接入i n t c r n e t 的方案， 目的是能通过手机短信息对控制节点进行远程控制。并能通过以太网接入 i n t e m e t 实现有线与无线相结合；并使用无线射频技术实现家庭内部子网采集数 据的无线传输。对信息家庭来说，其意义在于：增加了另一种控制手段( g p r s ) 。 可以随时随地通过手机短信息监控家庭的各个节点；而且家庭子网采取无线局 域网的方式可减少布线，节约成本。 1 4 本论文研究的主要内容 本系统以研究信息家庭控制系统为切入点，通过对该项领域的探索、研究， 以期能将其拓展成为完善的智能小区控制系统。 将控制系统分为远程控制级( 上位机) 、现场控制级( 下位机) 和g p r s 通信级、 控制节点网络四级。通过该系统，可通过i n t e r a e t 及时了解家里的各种运行状态， 并能根据现场情况做出相应的调整和控制。现场控制设备将收集到的各种信息 送到上位机；同时，能对数据进行处理并能够在设定的条件下产生报警。为了 实现该目的，本文研究主要内容如下： ( 1 ) 信息家庭系统方案的选择和总体设计。 ( 2 ) 嵌入式u c l i n u x 、以太网芯片驱动程序编写、w e b s e r v e r 的移植、m i n i g u i 的移植、界面编写及现场输入终端的实现。 ( 3 ) 嵌入式操作系统以及应用程序的开发。 ( 4 ) 基于l i n u x 和g p r s 无线通讯的实现。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 底层无线局域网的实现。 ( 6 ) 系统软硬件调试及实验测试。 论文将分为七个章节来详细论述上面几部分工作。这七章分别为： 第l 章介绍该信息家庭系统研究的背景、项目研究的主要目标和意义。 第2 章介绍整个信息家庭系统设计目标和总体方案，包括各个模块的分解及 其相应的功能、系统软硬件的划分及相互联系等。 第3 章主要论述信息家庭系统硬件设计的相关内容。包括各个模块的具体实 现方案、系统各个总线接口的定义与模块问的通信、系统硬件性能分析和有关 数字电路的p c b 板级设计等。 第4 章介绍系统的软件模块的设计与实现。除了说明底层软件模块的组成和 结构之外，还详细讨论了各个软件驱动模块的具体设计与实现方法。 第5 章主要说明了整个系统的软硬件调试平台与环境，调试步骤及具体的软 硬件调试结果。 第6 章是全文的一个总结，并提出了对该信息家庭系统可行的改进建议。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章家庭信息化系统解决方案 基于a r m 的家庭信息化系统以s a m s u n g 公司的嵌入式a r m s 3 c 4 4 b o x 芯片技术为基础，基于以太网( e t h e m e t ) 和g p r s 无线通讯的嵌入式家庭信息化 系统。本章主要说明基于a r m 的家庭信息系统设计的解决方案，包括系统功能 分析、系统的结构设计、功能模块划分。 2 1 系统设计目标及设计原则 本文所实现的目标是开发基于a r m 的嵌入式系统，作为一个远程监控平台 同时也可以作为现场控制的硬件平台。根据设计要求，结合a r m 、现场总线、 嵌入式l i n u x 、v c 、无线技术以及g p r s 网络等技术手段，设计一种较为完善 的信息家庭控制系统，并完成其系统硬件设计、软件设计工作，验证所设计系 统的有效性和实用性。具体的目标为：在现场，能实现触摸屏、鼠标等输入终 端对系统的控制及自动报警；在远端，能实现基于g p r s 的远程控制及自动报 警，能够通过手机短信息对控制节点进行控制。使整个系统具有良好的可扩展 性和通用性，从而方便在该硬件平台上进行二次开发和扩展。 本文设计原则是： ( 1 ) 安全性和可靠性安全和可靠是对家庭信息化系统的基本要求，是智能家 居所追求的主要目标。 ( 2 ) 满足业主需求家庭信息化系统的设计将以业主需求分析着手，并以得 到业主认可的需求为目标来开展工作。 ( 3 ) 理性和经济性在保持先进性的同时，充分考虑系统的实用和效益，争 取获得最大的投资回报率。 ( 4 ) 标准化家庭信息化系统设计及其实施将按照有关标准进行，尽可能符 合工业标准或主流模式。 ( 5 ) 结构化和可扩充性家庭信息化系统的总体结构将是结构化和模块化 的，具有很好的兼容性和可扩充性，既可使不同厂商的设备产品综合在一个系 统中，又可使系统能在日后得以方便的扩充，并扩展另外的设备产品1 4 j 。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 系统预期实现的功能 家庭信息化系统具有的功能如下： ( 1 ) 现场能通过l c d 和触摸屏进行参数的设定和修改。 ( 2 ) 远端p c 能使用i e 通过互联网对系统进行远程监控。 ( 3 ) 能使用手机短信息配置系统参数及监控。 ( 4 ) 实现家庭内部无线局域网数据的采集及传输。 2 3 系统实现方案 2 3 1 系统简介 家庭信息化系统是以s a m s u n g 公司的嵌入式a r m s 3 c 4 4 8 0 x 芯片技术 为基础，基于以太n ( e t h e m e t ) 接口结构和g p r s 无线通讯的嵌入式家庭信息化 系统主要功能是在现场及远程监控家庭各个信息模块的工作状态，并在异常 情况能自动报警。各个信息模块将各自采集的信号经过处理后通过家庭子网传 输到嵌入式微处理器芯片a 尉s 3 c 4 4 8 0 x 上，通过嵌入式微处理器的操作系统 的t c p i p 或u d p 佃协议栈，将数据打包运行嵌入式w e b 服务器，客户端通过 以太网的网桥或交换机进行远程访问。也可通过嵌入式微处理器 朋l m s 3 c 4 4 8 0 x 的液晶控制器将数据打包后直接输出到液晶上实现现场级监 控家庭信息化系统带有g p r s 无线通讯模块，能让用户方便的通过手机短信 息进行控制，也能在异常的情况下将报警信息发送到预先设置好号码的手机卡 上。家庭子网内部采用无线收发芯片组成无线局域网实现家庭子网与家庭网关 的数据交换。 2 3 2 系统的总体设计 家庭信息化系统总体分硬件和软件两大块，硬件部分主要包括各种功能的 实现模块，软件部分主要包括u c l i n u x 操作系统、驱动程序及应用程序。其硬件 整体框图如图2 1 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 家庭信息化系统整体框图 2 3 3 系统的主要模块 整个家庭信息化系统从硬件上可以分为7 个部分：主处理器模块、l c d 显 示模块、以太网通讯模块、g p r s 通讯模块、家庭子网模块、家庭防盗模块、电 源模块 ( 1 ) 主处理器模块 整个系统要运行嵌入式操作系统，采用a r m3 2 位r i s c 处理器的内核，主 要由s a n s u n g 的s 3 c “b o x 构成，完成整个系统的调度及控制。 ( 2 ) 存储模块 存储模块主要是2 m b y t e 的n o r f l a s h ，用于存放b o o f l o a d e r 和操作系统的 代码，此外，为了加快系统的运行速度，片外扩展了8 m b y t c 的s d r a m 存储器。 ( 3 ) l c d 显示模块 主要由液晶屏及触摸屏、鼠标构成，完成系统现场级输入输出功能。 ( 4 ) 以太网通讯模块 9 i 一 武汉理工大学硕士学位论文 由以太网芯片r t l 8 0 1 9 a s 完成物理层的转换。实现嵌入式微处理器与远程 监控计算机数据的交换。 ( 5 ) g p r s 通讯模块 主要由g p r s 模块s i m 3 0 0 c 构成，通过p p p 点对点协议可实现无线上网及 短信息的收发，实现整个系统的无线监控 ( 6 ) 家庭子网模块 家庭信息化系统的底层子网包括三表的计量节点、温湿度控制节点、火警 信号采集节点、家电控制节点、灯光控制节点、煤气泄漏报警节点等。底层网 络选择无线局域网控制，通过家庭网关接入i n t e r n e t ，实现远程监控。 ( 7 ) 家庭防盗模块 在防盗方面，采用了驻极体话筒、红外传感器、被动热释电传感器的手段 进行监控，从而达到声、光、热等综合监控声音传感有可变电阻器控制其临 界声音分贝，恰当的调节可变电阻器后，就导致系统的反应。在红外传感方面， 安装好红外对接管后，用通断红外发射接收就可以测试报警结果。遮断式红外 监控头的发射头与接受头不能相距的太远，只能达到2 米左右，安装时最好离 地l 米高，防止动物走动引起误报警。采用的热释电监控头可以监控7 米的范 围。 ( 8 ) 电源模块 对于嵌入式系统硬件来说，电源质量的好坏直接影响到整个系统工作的稳 定性。系统有一个1 2 v 开关电源输入，采用了一片l m 2 5 9 6 s 提供所需要的5 v 电压，由l m i l l 7 芯片为系统的其它部件供电3 3 v 。另外l c d 液晶需要1 2 v 的 背光电源，由总电源提供。 2 4 本章小结 本章分析了家庭信息化系统的设计目标，给出了系统的具体功能设计和性 能指标。在此基础上，本章详细论述了系统设计的总体方案，包括系统总体设 计框图、系统功能与模块的划分的设计。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章家庭信息化系统的硬件设计 正确可行的硬件设计是整个嵌入式家庭信息化系统开发的基础和重要部 分。一个好的可靠的系统硬件设计，不仅能够实现系统分析时确定的功能目标， 还应该为整个系统调试和升级留下足够的冗余设计和自由度。另一方面，硬件 设计的同时要考虑到与软件开发相协调的问题，在保证软件设计正确和简明的 同时，也必须考虑到该硬件基础上进行软件开发的可行性和难度。 3 1 功能模块的实现 3 1 1 主处理器模块 主处理器模块主要由家庭信息化系统的核心部分s 3 c 4 4 b o x 芯片，以及时 钟电路、复位电路等a r m 外围辅助器件组成。s 3 c 4 4 b o x 芯片是s a n s u n g 公 司生产的s 3 c 4 4 b o x3 2 位的r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 指令系统的 a r m 微控制器。其性价比高、功耗低，目前已广泛应用于手持设备、因特网设 备、网络、调制解调设备等领域。其主要特点包括扩展存储控制器、8 k b c a c h e s r a m 、l c d 控制器、2 通道u a r t ( 波特率可高达1 1 5 2 0 0 b s ，并内置1 6 字节f i f o ) 、1 2 c 和1 2 s 接口、7 1 个通用i 0 端口和8 个外部中断、8 通道1 0 位 a d c 、看门狗、实时时钟等州 f l a s h 存储器是一种可带电能在线进行修改，掉电后数据不丢失的新型存 储器。几乎同时具有所有存储器的优点：低功耗、大容量、低价格、密度高、 不挥发、可更新、擦写速度快、可整片或分扇区编程或擦除，并且由内部嵌入 的算法完成对芯片的操作，因而在各种嵌入式系统中得到广泛的应用。f l a s h 存储器作为一种非易失性存储器，在系统中通常用来存放程序代码、常量表以 及一些在系统掉电后需要保存的重要数据等。常用的f l a s h 为8 位或1 6 位的 数据宽度，编程电压为3 3 v 。主要的生产厂商为a t m e l 、a m d 、h y u n d a i 等，他们生产的同种型号器件通常具有相同的电气特性和封装形式。 本文中f l a s h 存储器采用一片3 9 v f l 6 0 1 存储器，大小为2 m 字节，用于 武汉理工大学硕士学位论文 存放已调试好的用户应用程序、嵌入式操作系统以及其他在系统掉电后需要保 存的用户数据等。 为了加快系统的运行速度采用一片s d r a m 存储器h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 ，大小为 8 m 字节，可满足嵌入式操作系统及各种相对较复杂的运行要求。与为了加快系 统的运行速度存储器相比较，s d r a m 不具有掉电保持数据的特性，但存取速度 远远高于f l a s h 存储器，且具有读，写的属性。因此，s d r a m 在系统中主要用作 程序的运行空间，数据区及堆栈区。当系统启动时，c p u 首先从复位地址 0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 h 处读取启动代码，在完成系统的初始化后，程序代码一般应调入 s d r a m 中运行，以提高系统的运行速度。同时，系统运行代码、用户堆栈、运 行数据也都放在s d r a m 中 s d r a m 具有单位空间存储容量大、价格便宜等优点，已广泛应用在各种嵌 入式系统中。s d r a m 工作原理可以理解为一个电容，总是倾向于放电，为避免 数据丢失，必须定时进行刷新因此，在系统中使用s d r a m ，要求微处理器具 有刷新控制逻辑，或在系统中另外加入刷新控制逻辑电路。s 3 c 4 4 b o x 微处理 图3 1 主处理器模块 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 器片内具有独立的s d r a m 刷新控制逻辑，很方便的与s d r a m 存储器接口。 目前常用的s d r a m 存储器芯片大都为8 位1 6 位数据宽度，工作电压一般 为3 3 v 主要生产厂家有h y l i n d a i 、w i n b o n d 等。各厂家生产的同型号的 器件一般具有相同的电气特性和封装形式。系统选用的芯片h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 是 4 m x1 6 b i t 的s d l u m ，存储容量是8 m b 。用s d r a m 当作系统内存，只有 b a n k 6 b a n k 7 能支持s d r a m ，所以将s d r a m 接在b a n k 6 上。 3 1 2l c d 显示模块 s 3 c 4 4 b o x 处理器集成了l c d 控制器，支持4 位单扫描、4 位双扫描和8 位单扫描方式。内置的l c d 控制器的作用是将显示缓存( 在系统存储器中) 的 l c d 数据传输到外部l c d 控制信号。它支持灰度l c d 和彩色l c d 。在灰度l c d 上，使用基于时间抖动算法和帧速率控制f r c ( f r d m er a t ec o n t r 0 1 ) 方法，可以支持 单色、4 级灰度和1 6 级灰度模式的灰度l c d 。在彩色l c d 上，可以支持2 5 6 种色彩( s t n 液晶) 。数据的传送采用d m a ( 直接内存访问) 方式，以达到最小延 迟。不同尺寸l c d 具有不同数量的垂直和水平像素、数据接口、数据宽度、接 口时间和刷新率。l c d 控制器可以进行编程控制相应的寄存器值，以适应不同 的l c d 显示板。l c d 控制器主要提供液晶屏显示数据的传送、时钟和各种信号 的产生和控制功能。l c d 显示模块还包括对触摸屏的输入信号的处理，这里采 s 3 c “b ( l c d v o 7 ：0 1v d 7 ：o l v f 丸恤 b a i ：o l v c l k v c u c v u n ev l i n e 一 v m n r e s e t n r e s 盯 n i b e 2 n w b e 3t px + g p e 0 t p ) ( - r a d s 7 8 4 3 g p e 7 t py + g p f 7t py e q 帕 图3 2 l c d 显示模块 武汉理工大学硕士学位论文 用a d s 7 8 4 3 。这里有一点特别值得注意，如果l c d 是5 v 电压驱动，因为 s 3 c 4 4 b o x 的i o 电平为3 3 v ，故需用7 4 h c 2 4 4 进行总线驱动。s 3 c 4 4 b o x 处 理器的l c d 控制器主要部分框图如图3 2 所示。 3 1 3 以太网通讯模块 $ 3 c 4 4 8 0 x 内嵌入了一个以太网控制器，支持m i i ( m e d i ai n d e p e n d e n t i n t e r f a c e ) 和带缓冲d m a 接口( b u f f e r e dd m a i n t e r f a c e ，b d i ) ，可在半双工或全双 工模式下提供1 0 1 0 0 m b p s 的以太网接入。但s 3 c 4 4 b o x 并未提供物理层接1 ：3 ， 需外接一片物理层芯片以提供以太网的接入通道。本文中采用r t l s 0 1 9 a s 作为 以太网的物理层接口，采用2 0 f 0 0 1 n 隔离变压器将其与u i pr j - 4 5 接口相连。 r t l 9 0 1 9 a s 是性价比高且带有即插即用功能的全双工以太网控制器，可以以中 断的方式来报告自身的工作状态。s 3 c 4 4 b o x 在收到e x i n t i 后，进入相应的中 断处理程序后，对r t l 8 0 1 9 内部寄存器i s r 的值进行读取，从而判断是什么引 发了中断。 r t l s 0 1 9 a s 是高度集成以太网控制器，这种适配器具有二重和功率下降特 性。通过三电平控制特性，r t l 9 0 1 9 a s 是已知的对网络设备g r e e np c 理想的 选择。全二重功能能够模拟传播和接收在双绞线到全二重以太网交换机。这个 特性不仅将带宽从1 0 m b p s 加强到2 0m b p s ，而且避免了由于以太网频道争夺特 性导致的读出多路存取协议的问题。微软公司的即插即用功能能减轻用户较差 的营业收入而注意适配器资源，如i r q 、输入输出存储器地址等等。然而，为了 特殊的应用而得不到即插即用功能的兼容性，r t l 8 0 1 9 a s 支持j u m p e r 和 j u m p e r l e s s 选项。为了提供完全解决即插即用方案，r t l s 0 1 9 a s 集成了 1 0 b a s e t 收发器、b n c 、和a u i 接口之间的自动检测功能。此外，8 条i r q 总线 和1 6 条基本地址总线为大资源情况下提供了宽松的环境。r t l 8 0 1 9 a s 支持1 6 k 、 3 2 k 、6 4 k 字节的b r o m 和闪存接口。它仍然提供页面模式功能，这种功能能支 持在仅1 6 k 字节内存系统空间下的4 m 字节的b r o m 。此外，b r o m 的无用命令被 用来释放b r o m 内存空间。r t l 8 0 1 9 a s 用1 6 k 字节s r a m 设计在单片芯片上，它 的设计不仅提供了更多友好的功能，而且节省了s r a m 存储资源。具体电路连 接图如图3 3 所示。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 $ 3 c 4 4 8 0 x r 几1 9 a s d a t a 1 5 ：o 】 s d 1 5 ：伽 r m 5 2 0 啪1 n a d d r 5 ：i s a 4 ：o i e n t l d 丌o 6 1 6l 81 42 瞄 1 0 r b n w e i o 帅 l i l3 d 0 c s 3 删 63