（电路与系统专业论文）基于ARM和GPRS智能家居监控系统的设计与研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

中文摘要 摘要：2 l 世纪是“信息世纪 ，随着人们生活水平的不断进步，对于家居环境要求 也日益增高。如何将信息产业的最新成果，应用于构建一个舒适和谐的家居环境， 已日益引起人们的关注和重视。传统的家庭电子电器类产品具有单个控制的特点， 无法进一步构成网络，和外界进行信息交互。“智能家居”概念的提出，改变了这 种这种状况。智能家居系统可以将相对独立的电器产品“智能 地连接在一起， 提供全方位信息交换功能，帮助家庭内部及外部实现信息畅通，从而优化生活环 境，提高生活质量。 本文提出了一种基于g p r s 网络的以a r m 和嵌入式l i n u x 操作系统为基础的 家庭网关无线接入方案，能通过手机短信息对控制节点进行远程控制，实时获得 当前图像信息和家居环境的各项物理参数。 本文所做的主要工作为： 1 调研了国内外智能化家居系统的研究现状和发展趋势，并结合目前国内智能 家居的发展特点，设计了基于嵌入式系统的智能家居监控系统。在设计中选用了 a r m 9s 3 c 2 4 4 0 处理器和嵌入式l i n u x 操作系统，主要由基于a r m 的主控模块、 g p r s 短信发送模块、基于n r f 2 4 0 1 的无线( 分) 节点通信模块几个部分组成。 2 建立了嵌入式系统的平台和开发环境。主要包括嵌入式l i n u x 的裁减、设备 驱动程序的编写，交叉编译和串口驱动的编写，完成了u s b 驱动的移植。 3 在组网方式上选择了n r f 2 4 0 1 无线射频模块和g p r s 模块，完成了周边器 件的电路设计，实现了无线模块的相互通信和信息传输。 4 实现了x m o d o m 协议，将图片和物理信息传送至g p r s 模块，并实现了彩 信的m m s 发送。 本文完成了智能家居监控系统的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。实验结果表明提出的监控系统设计方法是可行 的，且整个系统具有良好的通用性和可扩展性。由于采用l i n u x 作为嵌入式操作系 统，符合嵌入式的发展潮流，方便了在该设计的基础上进行二次开发和扩展。 本论文共有图4 9 幅，表3 个，参考文献3 8 篇。 关键词：智能家居，a r m ，嵌入式l i n u x ，g p r s 分类号：t p 2 7 1 5 a bs t r a c t a b s t r a c t ：t h e21s tc e n t u r yi st h e ”i n f o r m a t i o nc e n t u r y ”，w i t ht h ed e v e l o p m e n to f p e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d ，t h er e q u i r e m e n to fh o m ee n v i r o n m e n ti sa l s oi n c r e a s i n g i th a s d r a w nm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t ob u i l dah a r m o n i o u sa n dc o m f o r t a b l e h o r n e e n v i r o n m e n t ，u s i n gt h el a t e s ta c h i e v e m e n ti nt h ei n f o r m a t i o ni n d u s t r y i nt h i s p a p e r , t h eh o m eg a t e w a yw i r e l e s sa c c e s sp r o g r a mw a sb a s 酣o ng r p s n e t w o r k s ，a r m ，a n de m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m i tc a nb ec o n t r o l l e dt h r o u g h m o b i l ep h o n es h o r tm e s s a g e ，a n di tc a n p r o v i d er e a l t i m ea c c e s st oc a l 玎? e 1 1 ti n f o 砷a t i o n o fi m a g e sa n dp h y s i c a lp a r a m e t e r so ft h eh o m ee n v i r o 啪e n t i nt h i sp a p e r , t h em a j o rw o r ki s ： 1 al o to fr e s e a r c hh a sb e e nd o n et ok n o wt h es t a t u sa n dd e v e l o p m e n tt r e n da th o m e a n da b r o a d c o m b i n e dw i t hc u r r e n td e v e l o p m e n to f s m a r t - h o m ef e a t u r e s ，as m a r t - h o m e m o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mb a s e do ne m b e d d e ds y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d s 3 c 2 4 4 0 d e v e l o p m e n tb o a r db a s e do na r m 9p r o c e s s o ra n de m b e d d e dl i n u xo p 盯a t i n g s y s t e mw a sc h o s e ni nt h i sd e s i g n t h ed e s i g nm a i n l yc o n t a i n st h ea r m c o n t r o lm o i i u l e g p r sm o d u l e ，w i r e l e s s ( s u b ) n o d ec o m m u n i c a t i o nm o d u l eb 弱e do nn r f 2 4 0 1a n d s e v e r a lo t h e rc o m p o n e n t s 2 a ne m b e d d e ds y s t e mp l a t f o r m sa n dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tw 勰e s t a b 】i s h e d i n c l u d i n gt h er e d u c t i o no fe m b e d d e dl i n u x ，t h ep r e p a r a t i o no fd e v i c ed r i v e i 葛s e r i a l c r o s s 。c o m p i l e r - d r i v e nd e v e l o p m e n t ，a n dt h ec o m p l e t i o no fau s bd r i v et r a n s p l a n t 3 n r f 2 4 01r a d i of r e q u e n c ym o d u l e sa n dg p r sm o d u l eh a v eb e 钮s e l e c t e di nt h e w a yo fe s t a b l i s h i n gt h en e t w o r k t h ec i r c u i td e s i g no ft h ep e r i p h e r a ld e v i c e sh 鹤b e 舶 c o m p l e t e d ，a n dt h ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o no faw i r e l e s sm o d u l et 0c o m m u n j c a t ew i n l e a c ho t h e rh a sb e e n c o m p l e t e d 4 t h ex m o d o m p r o t o lh a sb e e nr e a l i z e d t h ei m a g ea n dp h y s i c a li n f 0 n n a t i o nh a v e b e e ns e n tt ot h eg p r sm o d u l e , t h e ni tw a s s e n tb yt h em m sm o d u l eo fg p r s t h es y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r eh a v eb e e nd e s i g n e d ，a n dh a v eb e e nd e b u g g e d ，i n o r d e rt ov e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s sa n dp r a c t i c a l i t yo ft h es y s t e m r e s u l t ss h o wt h a tt l l e d e s i g ni sf e a s i b l e ，a n dt h ew h o l es y s t e mh a sg o o dv e r s a t i l i t ya n ds c a l a b i l i t y b e c a u s eo f t h eu s i n go fl i n u xa sa l le m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，w h i c hi s i nl i n ew i t ht h e d e v e l o p m e n tt r e n do fe m b e d d e ds y s t e m ，i tw i l lb ec o n v i n e n tt om a ：k eas 。c o n d d e v e l o p m e n ta n de x p a n s i o ni nt h eh a r d w a r ep l a t f o r m k e y w o r d s ：s m a r th o m e ，a r m ，e m b e d d e dl i n u x ，g p r s c l a s s n o ：t p 2 7 1 5 v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 躲肇毙伊 签字日期沙7 年7 月日|tl 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 致谢 本论文的工作是在我的导师侯建军教授的悉心指导下完成的，侯建军教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 侯建军老师对我的关心和指导。 侯建军教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向侯建军老师表示衷心的谢意。 陈后金教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，李赵红老师、朱明强老师和宋伟师兄对我论 文的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父母和亲友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 1 1 选题背景 1 引言 信息社会的发展，日益影响到人们的日常生活。一个最明显的表现就是计算 机和信息家电在人们的日常生活中发挥越来越重要作用。有鉴于此，人们提出了 智能家居的概念。智能家居( s m a r th o m e ) 系统广泛使用各项高新技术，以达到实现 智能化、人本化的集成型家居系统的目的。它是一个开放的、把宽带互联网、信 息家电、家居自动化和家庭安全防护防盗有机地结合到一起的系统。智能家居系 统可根据用户需求进行裁剪或增加，具有良好的可扩展性和适应性。智能家居系 统未来的发展方向是智能化和网络化。 计算机和通信技术的巨大发展，提高了企业效率，改变了人们的工作方式， 但在人们的日常生活和家居环境方面，却很少得到应用。与此同时，各种信息家 电的出现，使得品种日益增多，反而分散了人们的控制范围，这种分散控制势必 会给人们带来不便。这样，作为社会组成基本单元之一的家庭，几乎成为信息时 代的孤岛。随着人们只益关注家居环境，人们开始考虑在家居环境中，组建一个 信息网络，将各种信息家电和通信产品等结合在一起，组成一个有机成体，进而 实现对家电设备进行集中管理或远程控制与管理，并且能实现信息的交流，实时 地为人们提供当前家居环境的各类信息。 智能家居设计的最终目的是让人们所生活的家庭更舒适、更方便、更安全。 为达到这一目的，在技术上，智能家居系统主要是以一个中央微处理器( c p u ) 接收 来自相关电子电器产品的信息后，再以既定的程序发送适当的信息给其他电子电 器产品或用户终端，从而达到信息传递和控制传递的目的。中央微处理器必须通 过一种或多种介质来控制家中的电子电器产品，这些介质既可以是手机、键盘， 又可以是触摸屏、按钮、电视屏幕、电脑显示器等。消费者通过这些介质来发送 信号至中央微处理器，或接受来自中央微处理器的信号。 世界上第一幢得到公认的智能建筑在1 9 8 4 年诞生于美国，自此以后，随着人 们对美好生活的向往和市场利益的驱动，各个公司和研究单位对智能家居的研究 不断加速。在智能家居发展过程中具有标志性的一个事件是，1 9 9 7 年美国m i c r o s o f t 公司总裁比尔盖茨的智能新居落成。它不仅具备高速网线等对外通信方式，最吸 引人的是所有的门窗、灯具、电器等都能够通过电脑控制，并且根据主人的个人 喜好，设定各个电器的工作状态等。这一切能够实现，基于一个高性能的服务器 和一个高效率的软件管理系统。 在我国，虽然目前还没有真正意义上的智能家居出现，但是随着计算机和信 息家电的日益普及，人们对智能家居的了解和需求也会越来越多。由此可见，智 能家居正日益进入人们的日常生活。如何建立一个效率高、成本低的智能家居系 统，已经成为当今社会的热点问题。作为智能家居系统的一个分支，对家居环境 进行监控和获得当前家居环境的各项重要信息，也获得了人们越来越多的重视。 基于这些考虑，本课题研究建立一个基于a r m 9 和g p r s 系统的智能家居监控系 统，实现对家居环境的远程检测。 1 2 智能家居的组成 智能家居设计的最终目的是让人们所生活的家居环境更加舒适、方便和安全。 为达到这一目的，在设计上，智能家居系统主要是以一个中央微处理器( c p u ) 接收 来自相关电子产品或信息家电的信息后，再按照既定的程序将有用信息发送给用 户终端或其他电子产品等，从而实现了信息和控制的传递，达到了智能化目的。 在技术实现上，中央微处理器必须一方面连接各种控制终端，比如手机、键盘、 触摸屏、按钮、电视屏幕、电脑显示器等，另一方面连接各种信息家电和各种电 子器件。用户通过控制终端发送控制命令至中央微处理器，或接受来自中央微处 理器的反馈信息。从信息流的介质上看，一个智能家居系统可分为两大部分：控 制网络和信息网络【1 2 1 。一个示例性的智能家居系统如图1 1 所示。 1 2 1 控制网络 控制网络如图1 1 中右下部分所示，它主要实现对系统中各种设备和家用电器 的控制功能，执行用户发送的各种命令，如实现对电视机的开关控制，对电灯的 亮灭和亮度控制，对家庭安防系统的讯号采集和执行，对空调、电动窗帘的开启 关闭控制，以及室内各种物理量的探测( 如湿度、温度，各种气体含量等) ，四表 ( 电表、煤气表、水表和暖气的热量) 数据的输出与指示等。 控制网络的特点是：它传输的信息主要是对器件控制信息以及电子产品和家 用电器的物理量参数。它的特点决定了他对各种信号的传输速率要求一般比较低， 数十k b p s 就可以，但是他对信息传输的可靠性要求比较高。因为它传输的是各种 家用设备的状态和控制信息，微小的错误可能导致设备的工作不正常，甚至损坏。 因此控制网络在技术上主要保证传输的可靠性。 2 些室窑垫厶生亟堂也选 室l蛊 灞 幽1 - 1 智能家借系统示例酗( 来自h t m ：脚，w 砒s m a r m 咖哪c o r n j ) f i g l 一1 a n h a m m e o f s m a r i h o m es y s t e m 2 2 信息网络 图1 - 1 中其它部分可归为信息网络，它连接的设备有家用p c 、远程p c 、电视、 录像机、数码相机以及手机、固定电话、音响系统等等。 信息网络的特点是：它的频率带宽一般要求比较高，因为在此网络上传输的 主要是音频和视频信号，此网络上的信息传输速率也比较高，普遍要求达到1 0 m o p s 以上。而在传输的可靠性e 它的要求没有控制网络那么商。因为在传输前 后，都会对视频和音频信息进行一定的处理( 如信号的压缩和编码解压缩和解 码1 ，这使得传输信息具有了一定的容错能力，它可咀对瞬时错误进行自我检错和 纠正。即便出现无法纠正的错误，也只会造成图像或声音信息的部分丢失，对设 备运行和用户体验不会产生很大影响。因此信息网络主要关注传输速率的问题， 需要尽可能提高带宽。 1 3 研究现状和趋势 1 、国外智能家居的发展情况 发达国家对智能家居的研究，始于2 0 世纪7 0 年代。自从1 9 8 4 年第幢智能 建筑在美国落成以后，部分欧美国家相继提出了各种智能家居方案，且在社会和 家庭进行了广泛的推广。到现在为止，智能家居在这些发达国家己经获得长足发 展。如美国的x _ 1 0 、c e b u s t 3 , 4 1 ( c o n s u m ee l e c t r o n i cb u s ) 和l o n w o r k 5 l ；日本的 h b s ( h o m eb u ss y s t e m ) ；欧洲的e i b ( e u r o p e a ni n s t a l l a t i o nb u s ) 和e h s ( e u r o p e a n h o m es y s t e m ) ，在国际上都比较有影响1 6 j 。 美国电子工业协会( a e i a ) 在1 9 8 3 年就组织专门机构开始制定家庭电气设计 标准，并在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，家庭自动化 系统与通讯标准。该标准规定在电气设计方面，智能化住宅应满足以下要求：( 1 ) 具有家庭总线系统；( 2 ) 能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。 1 9 9 8 年5 月新加坡举办的“9 8 亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会力上， 首次推出了新加坡模式的智能家居系统，并现场模拟“未来之家 。它的系统功能 强大，包括三表抄送功能、电话接入、智能布线箱、安防报警功能、监控中心功 能、有线电视接入、住户信息留言功能、可视对讲功能、家庭智能控制面板、家 电控制功能、宽带网接入和统软件配置等。 目前，美国则有近4 万户家庭安装了这类系统，在新加坡有近3 0 个社区的近 5 0 0 0 户家庭采用了这种家庭智能化系统。美国智能家居行业的专业顾问公司一份 统计资料显示：在1 9 9 5 年，美国一个家庭要安装家庭自动化设备的平均费用在 7 0 0 0 9 0 0 0 美元之间，而目前的费用则己经大大降低。预计在今后的4 年内，家庭 自动化市场的年平均增长率为8 1 7 j 。 2 、国内智能家居的发展现状 同国外相比，我国对智能家居和家庭网络等相关产品的研制起步较晚。但是 政府部门在政策和标准等方面，不断加大扶持力度，指导行业发展。目前，建设 部批准建立7 个普及型网络社区，北京市己经计划建设3 0 个网络社区，总户数将 达3 万户。按照建设部的要求，到2 0 1 0 年，大中城市6 0 的住宅要实现智能化。 我国将住宅小区智能化定义为：利用4 c ( 1 i 1 计算机、通讯与网络、自控、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。 几年来，通过学习和借鉴国外的先进技术及成功经验，加之广大业内人士的 不断探索与总结，我国智能家居的研究方面已逐步形成了几种具有代表性的技术 方案：( 1 ) 采用电力载波技术，可充分利用住宅内已有的电力线和无处不在的电 源插座，无需重新布线，既经济又方便；( 2 ) 采用家庭总线技术，可利用新建住宅 便于提前预埋布线，而为用户提供一套系统完整、功能强大、性能稳定的具有一 4 定档次的智能家居系统；( 3 ) 采用各种无线技术，非常适用于已完成装修的住宅， 其独有的可移动完全摆脱了有线方式的束缚，且安装简单、配置灵活，便于以即 插即用的家电化方式来解决安装、升级、维护的难题。这些各具特色、实用可行 的智能家居解决方案，满足了不同类型、不同档次、不同风格的住宅用户的需求， 也标志我国在智能家居技术领域的不断发展与进步。尽管智能家居的发展充满艰 辛，其在国内也是一个新兴行业，但其还是以不可抵挡之势在崛起，其市场的发 展前景是非常广阔的。 3 、智能家居的发展趋势 家庭是信息社会的基本单元，是信息家庭的立足点和着眼点。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 发展势必会受到现代控制技术、计算机技术及通讯网络技术飞速发展的影响。其 发展趋势主要有： ( 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情况，可以解决当前家庭中 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。 ( 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 r n e t 之间的寻址和路由。 ( 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。 由上述国内外发展情况来看，信息家庭将是同后家居生活发展的方向。尽管 我国信息家庭研究在有关核心技术、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，国内相关产品制造商及研发机构正面临难得的市场机遇【8 】。 1 4 本文工作简介 本设计将构建一个基于a r m 9 和g p r s 网络的智能家居系统。系统采用 s a m s u n g 公司的嵌入式a r m $ 3 c 2 4 4 0 芯片为基础，以l i n u x 为开发环境，设计 5 一个基于g p r s 无线通讯的嵌入式智能家居系统。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 采集的信息，经过r f 2 4 0 1 射频模块的无线传输，传送到嵌入式微处理器芯片 a r m $ 3 c 2 4 4 0 上，通过嵌入式微处理器操作系统，将信息通过g p r s 无线通信模 块，发送到用户手机上。同时，也能够接受用户控制命令，将相关信息反馈到用 户手机。 1 5 论文体系结构 本论文余下各章组织如下： 第二章提出了系统总体设计任务及方案分析，结合方案设计，介绍了本设计 用到的背景技术，主要包括嵌入式系统、l i n u x 、g p r s 和m m s 业务等相关技术。 第三章介绍本设计的总体思想和模块设计，以及各模块的功能实现和器件选 择、电路设计等。 第四章在前两章介绍背景技术和硬件设计的基础上，详细叙述了软件实现方 法。主要包括：l i n u x 环境搭建、串口驱动编写、r f 2 4 0 1 模块的功能实现、 x m o d o m 协议的实现，m m s 彩信发送模块的实现等。 第五章总结本设计的特点和不足等。对论文进行了总结并提出展望。 6 2 系统总体设计任务及技术实现分析 在本章中，首先介绍了系统设计的总体任务、方案及开发环境，然后结合设 计方案，介绍了本设计用到的技术知识。针对其在本设计中的应用进行了相关讨 论，对选用该技术的原因和优点进行分析。 2 1 系统总体设计任务及方案 2 1 1 系统总体设计任务 系统的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 常情况时能自动报警。各个信息模块将各自采集的信息，经过r f 2 4 0 1 射频模块的 无线传输，传送到嵌入式微处理器芯片a r m $ 3 c 2 4 4 0 上，通过嵌入式微处理器操 作系统，将信息通过g p r s 无线通信模块，发送到用户手机上。同时，也能够接 受用户控制命令，将相关信息反馈到用户手机。在整个系统的工作过程中，用户 可以通过手机发送短信息来获取家庭的信息，这些信息参数包括：温度、一氧化 碳浓度、实时获取的家庭室内照片。以下将此统称为信息参数。 系统功能简要框图如图2 - 1 所示，本设计将要实现以下几个功能： ( 1 ) 实现在远程无线方式下以彩信的方式将反映家庭信息的图像传输给在任 何地点的用户。 ( 2 ) 实现用户在任何时间，任何地点通过远程无线的方式对家庭内温度、气 体浓度( 主要为可燃气体) 等参数信息的监控。 ( 3 ) 对家庭内部的可燃气体浓度进行实时监控，当气体浓度超过一定指标时， 以远程无线的方式通知用户，发送报警信息。 2 1 2 系统方案设计 现阶段大部分的家庭网关联网方式主要为有线接入，本文提出了一种基于 a r m 处理器和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；并使用r f 2 4 0 1 无线射频芯片 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、获 得家庭环境的重要数据；而且家庭子网采取无线局域网的方式可减少布线，节约 7 成本，同时增强了可扩张性。 本设计将构建一个基于a r m 9 和g p r s 网络的智能家居系统。系统采用 s a m s u n g 公司的嵌入式a r m $ 3 c 2 4 4 0 芯片为基础，以l i n u x 为开发环境，设计 一个基于g p r s 无线通讯的嵌入式智能家居系统。 如图2 1 所示，当用户以手机短消息的形式向中心控制单元发出查询请求，主 控制板通过g r p s 网络接入点检测到用户的请求信息后，将完成如下操作： 图2 - 1 系统功能简要框图 f i g 2 - 1s u m m a r yd i a g r a mo f t h es y s t e mf u n c t i o n ( 1 ) 从摄像头中捕获一帧图像信息，并将其保存在内存中； ( 2 ) 向无线传感器中心结点发出命令，启动信息获取的过程； ( 3 ) 等待无线传感器中心结点返回各分支结点信息获取的结果； ( 4 ) 将从各传感器中获取的信息发送至g p r s 网络接入点； ( 5 ) 将图像信息按照x m o d e m 协议发送至g p r s 网络接入点； g p r s 网络接入点在收到信息后，将以s m s 短消息和m m s 短消息的形式将 接收到的信息以文本形式和图像形式返回给用户。 本设计开发环境为： $ 3 c 2 4 4 0 开发板一块，内嵌有l i n u x 操作系统；主机操作系统平台为l i n u x ， 交叉编译工具为a r m 1 i n u x g c c 2 9 5 3 ，用来生成运行在中心控制单元上的程序； u v i s i o n 3 集成开发环境，编译器为c 5 1 c x e 。用来生成运行在传感器结点上的程序。 2 2 嵌入式系统技术 英国电机工程师协会将嵌入式系统定义为：“嵌入式系统为控制、监视或辅助 设备、机器或甚至工厂操作的装置”。它具备下列四项特性：l 、通常执行特定功能； 2 、以微电脑与外围构成核心；3 、严格的时序与稳定性要求；4 、全自动操作循环。 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适 用于应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系 统。于p c 系统相对应，嵌入式系统一般主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、 8 嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控 制、监视或管理等功能【9 】。 2 2 1 嵌入式系统定义和特点 嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点【l o 】： 嵌入式系统通常是面向特定应用的。与通用型计算机的最大不同就是嵌入 式c p u 大多工作在特定的、专门设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、 集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从 而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来 越紧密。 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品 同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力 争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择 更具有竞争力。 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储 器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的 具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、 高度分散、不断创新的知识集成系统。 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不 能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 2 2 2 嵌入式系统的发展趋势 嵌入式系统的发展趋势主要体现在以下四个方面j ： l 、嵌入式操作系统( r t o s ) 与p c 操作系统( w i n 9 5 9 8 ) i ：t 较，嵌入式操作系统需要强大的开发工具和操作 系统的支持。它不要求操作系统的全能和通用，而是要求能够依据系统设计规格， 有效率地发挥出硬件地运算能力，使得产品达到性价比的最优化。为了满足应用 功能的升级，设计师们一方面采用更强大的嵌入式处理器如3 2 位、6 4 位r i s c 芯 片或信号处理器d s p 增强处理能力：同时还采用实时多任务编程技术和交叉开发 工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。 9 2 、网络互联成为必然趋势 随着嵌入式分布处理结构和上网需求的日益增加，嵌入式系统的发展要求配 备标准的一种或多种网络通信接口。为实现外部联网功能，嵌入设备必需配有通 信接口，相应需要t c p i p 协议簇软件支持；为实现家用电器相互关联及各种仪器 的协调工作等目标，新一代嵌入式设备还需具备i e e e l 3 9 4 ，u s b ，c a n ，b l u e t o o t h 或i r d a 通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。 为了支持应用软件的特定编程模式，如w 曲或无线w e b 编程模式，还需要相应的 浏览器，如h t m l ，w m l 等。 3 、应用软件多样化 嵌入式软件可分为服务器端软件和用户端软件两部分，服务器端软件一般是 以l i n u x 或是w i n d o w s 为核心，并搭配各种数据库软件；用户端软件相对比较丰 富，各种开发平台种类繁多，可开发的软件也相对较多。除了原本各种平台专属 的应用软件之外，现在更有j a v a 可以进行跨平台的程序开发，因此，其应用软件 的种类将变得多样化。 4 、界面友好化、设计个性化 由于嵌入式产品必须能随身携带或走入家居生活，所以它必须注重用户体验， 需要依靠造型及颜色的个性化、输入的自然化、输出的多媒体化才能吸引消费者。 人们与信息终端交互的发展，包括以g u i 屏幕为中心的多媒体界面、手写文字输 入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像等技术已取得初步成效。 2 2 3 嵌入式a r m 处理器 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为 是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。1 9 9 1 年a r m 公司成 立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权，作为知识产权供应商，它本身不 直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大 半导体生产商从a r m 公司购买其设计的a r m 微处理器核，根据各自不同的应用 领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微处理器芯片进入市场【l2 1 。 a r m 微处理器目前包括5 个产品系列：a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 和s e c u r c o r e ，以及其它厂商基于a r m 体系结构的处理器，除了具有a r m 体系 结构的共同特点以外，每一个系列的a r m 微处理器都有各自的特点和应用领域。 采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点1 1 3 j ： 体积小、低功耗、低成本、高性能； 支持t h u m b ( 1 6 位) a r mc 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件； 1 0 大量使用寄存器，指令执行速度更快； 大多数数据操作都在寄存器中完成； 寻址方式灵活简单，执行效率高； 指令长度固定。 到目前为止，a r m 微处理器的应用几乎已经深入到各个领域。 工业控制领域：a r m 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8 位1 6 位 微控制器提出了挑战，逐渐向低端微控制器应用领域扩展。 无线通讯领域：目前已有超过8 5 的无线通讯设备采用了a r m 技术，a r m 以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。 机器人领域：自主移动机器人技术包含了多种技术，其中重要的一个就是 嵌入式技术。特别是在小型机器人上，由于其体积小、功耗小、功能强，嵌入式 处理器同样得到了广泛的应用。 网络应用：随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片正逐步获得 竞争优势。此外，a r m 在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持，也对 d s p 的应用领域提出了挑战。 消费类电子产品：a r m 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机项盒和 游戏机中得到广泛采用。 成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用a r m 技 术。手机中的3 2 位s i m 智能卡也采用了a r m 技术。 除此以外，a r m 微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得 更加广泛的应用。 2 2 4 嵌入式l i n u x l i n u x 从1 9 9 1 年问世到现在，短短的十几年时间已经发展成为功能强大、设 计完善的操作系统之一，不仅可以与各种传统的商业操作系统分庭抗争，在新兴 的嵌入式操作系统领域内也获得了飞速发展。嵌入式l i n u x 是指对标准l i n u x 经过 小型化裁剪处理之后，能够固化在容量只有几k 或者几m 字节的存储器芯片或者 单片机中，适合于特定嵌入式应用场合的专用l i n u x 操作系统。嵌入式l i n u x 的开 发和研究是操作系统领域中的一个热点，目前已经开发成功的嵌入式系统中，大 约有一半使用的是l i n u x 。l i n u x 之所以能在嵌入式系统市场上取得如此辉煌的成 果，与其自身的优良特性是分不开的【1 4 l 。 图2 - 2l i n u x 内核系统模块结构及相互依赖关系 f i g 2 2 t h es t r u c t u r ea n dr e l a t i o n s h i po fl i n u xk e r n e ls y s t e mm o d u l e s l i n u x 内核主要由5 个模块组成，如图2 2 所示。他们分别是：进程调度模块、 内存管理模块、文件系统模块、进程间通信模块和网络接口模块【1 5 1 。进程调度模 块用来负责控制进程对c p u 资源的使用。所采取的调度策略是各进程能够公平合 理地访问c p u ，同时保证内核能及时地执行硬件操作。内存管理模块用于确保所 有进程能够安全的共享主机内存区，同时内存管理模块还支持虚拟内存管理方式， 使得l i n u x 支持进程使用比实际内存空间更多的内存容量。并可以利用文件系统把 暂时不用的内存数据块交换到外部存储设备上，当需要时再交换回来。文件系统 模块用于支持对外部设备的驱动和存储。虚拟文件系统模块通过向所有的外部存 储设备提供一个通用的文件接口，隐藏了各种硬件设备的不同细节，从而提供并 支持与其他操作系统兼容的多种文件系统格式。进程间通信模块子系统用于支持 多种进程间的信息交换方式。网络接口模块提供对多种网络通信标准的访问并支 持许多网络硬件【1 6 l 。 嵌入式l i n u x ( e m b e d e dl i n u x ) 是指对l i m i x 经过小型化裁剪后，能够固化在容 量只有几十万字节或几十亿字节的存储器芯片或单片机中，应用于特定嵌入式场 合的专用l i n u x 操作系统。l i n u x 是类u n i x 操作系统，它不仅继承了u n i x 的特征， 而且在许多方面超过了u n i x 。它具有下列特点：l i n u x 系统是层次结构且内核完全 开放：强大的网络支持功能，l i n u x 具备一整套工具链，容易自行建立嵌入式系统的 开发环境和交叉运行环境，并且可以跨越嵌入式系统开发中仿真工具的障碍；l i n u x 具有广泛的硬件支持特性。 嵌入式l i n u x 操作系统具有以下特剧1 7 1 8 】： 广泛的硬件支持。l i n u x 有着异常丰富的驱动程序资源，支持各种主流硬件 设备和最新的硬件技术，甚至可以在没有存储管理单元( m m u ) 的处理器上运行， 这些都进一步促进了l i n u x 在嵌入式系统中的应用。 内核高效稳定。l i n u x 内核的高效和稳定已经在各个领域内得到了大量事实 的验证，其独特的模块机制可以根据用户的需要，实时地将某些模块插入到内核 1 2 或从内核中移走。这些特性使得l i n u x 系统内核可以裁剪得非常小巧，很适合于嵌 入式系统的需要。 开放源码，软件丰富。由于嵌入式系统千差万别，往往需要针对具体的应用 进行修改和优化，因而获得源代码就变得至关重要了。在l i n u x 上开发嵌入式应用 软件一般不用从头做起，而是可以选择一个类似的自由软件作为原型，在其上进 行二次开发。 优秀的开发工具。开发嵌入式系统的关键是需要有一套完善的开发和调试工 具。嵌入式l i n u x 为开发者提供了一套完整的工具链( t o o lc h a i n ) ，能够很方便地 实现从操作系统到应用软件各个级别的调试。 完善的网络通信和文件管理机制。l i n u x 支持各种标准的i n t e m e t 网络协议， 并且很容易移植到嵌入式系统当中。此外，l i n u x 还支持e x t 2 、f a t 3 2 、r o m f s 等文 件系统，这些都为开发嵌入式系统应用打下了很好的基础【聊。 2 2 5 嵌入式l i n u x 系统生成、移植过程 嵌入式l i n u x 系统移植过程几乎包括了嵌入式软件开发中运用到的所有技术。 整个移植过程中包括交叉开发环境的搭建、宿主机端的代码编辑、程序编译、链 接以及通过目标机上的调试代理进行主机端的远程调试，最终把建立好的程序固 化到嵌入式目标板的永久存储器中，完成最后的应用发布工作。最能体现嵌入式 软件开发特点的开发过程大致可分为三个阶段，即：软件生成阶段、调试阶段和 固化阶段。 1 、嵌入式软件生成阶段 在嵌入式软件开发中通常需要两个平台，即作为开发平台的宿主机和作为运行 平台的嵌入式目标机，这两个平台之间的关系如图2 3 所示。 1 3 图2 3 ：嵌入式软件开发平台 f i g 2 - 3 ：t h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mo fe m b e d d e ds o f t w a r e 2 、嵌入式软件调试阶段 在开发嵌入式软件时，交叉调试是必不可少的一步。交叉调试通常是指：调试 程序和被调试程序运行在不同的机器上，调试器通过某种方式控制目标机上的被 调试程序的运行方式，并且通过调试器查看和修改目标机上的内存、寄存器及被 调试程序中的变量的调试技术。 3 、嵌入式软件固化阶段 嵌入式软件调试完成之后，整个开发周期就进入固化阶段。把程序代码烧写