（机械电子工程专业论文）嵌入式家庭无线网络监控的设计与实现.pdf

jo i i 西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：弛指导教师签名：j 矧建j 勃 日期：朋口，彳。7 吨 日期如和彭7 i 西华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，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，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，西 华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。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名： 日期：知勿6 勺 二f 1 ，乙盯 瓜婚 y 下 7 莎 名历签砂 师 教坷弛期削日 西华大学硕士学位论文 摘要 随着科技的进步，人们生活质量的提高，家庭安防也逐渐受到更多的关注。传统的 监控系统往往是以计算机为核心，通过有线宽带接入技术或专网，对现场进行监控。一 般需要较复杂的设备及相对专业的工作人员，多是运用于现代工业生产中的仪器设备监 控。而在实际家庭监控中，由于受到人力、物力成本过高等的限制，往往只有高档住所 才会配套监控系统。因此，设计一种能适用于大众化的低成本、操作简单的家居安防系 统将具有更重要的研究价值和现实意义。 本设计主要针对当用户离开家时，能够实现家电的远程控制及家庭监控。本系统基 于s m s 、m m s ，使用无线技术解决日常生活中的家庭安防问题。由于采用了无线网络， 用户使用手机便可控制家电，并及时了解家庭状况。因此，该系统更适合平常家庭，且 具有很高的性价比。 本论文设计了一套基于嵌入式技术的家庭监控及电器远程控制系统。它采用基于 删9 2 0 t 内核的3 2 位r i s c 微处理器s 3 c 2 4 4 0 a 作为系统的核心处理器，结合g p r s 模块以及市面上普通的u s b 摄像头来构建硬件平台；采用开放源代码的l i n u x 操作系 统为应用软件开发平台，具有友好的功能设置界面、操作简单、可靠，适合于大众化家 庭安防及远程控制。 该系统采用红外热释电传感器，实现了自动发送图像并报警；用户通过手机接收 m m s 查看现场状况，也可以通过手机远程控制查看家居情况，报警时发送现场图像至 设置手机，并可设置现场是否警铃报警。可使用手机对家庭电器( 电视、灯光、电饭煲、 饮水机、音响、热水器等) 进行远程控制，同时，也可在家里使用触摸式控制器对电器 设备进行控制，实现统一控制。 关键词：嵌入式l i n u x ；a r m 9 ；g p r s ；删s ；远程监控 嵌入式家庭无线网络监控的设计与实现 a b s t r a c t w i t ht h ep r o g r e s so fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h eq u a l i t yo fp e o p l e sl i f eh a si m p r o v e d ， a n dt h eh o m es e c u r i t y - m o n i t o r i n gh a sg o tm o r ea t t e n t i o n t r a d i t i o n a lm o n i t o r i n gs y s t e m st a k e c o m p u t e ra st h ec o r e 。u s et h en e t w o r kt e c h n o l o g yc o n n e c t dw i t hb r o a d b a n dl i n eo rt h ep r i v a t e n e t w o r kt oc a r r y i n go u tt h ef i e l dm o n i t o r i n g g e n e r a l l y , i tn e e d sc o m p l e xe q u i p m e n t sa n d p r o f e s s i o n a ls t a f f , a n db ea p p l i e dt om o n i t o r i n gt h ee q u i p m e n t si n t h em o d e r ni n d u s t r y p r o d u c t i o n w i t ht h el i m i t a t i o no f h i g hc o s to f m a n p o w e ra n dm a t e r i a l ，m o n i t o r i n gs y s t e mh a s m a t c h e dw i t ht h eh i g h - g r a d ed o m i c i l em e r e l yi nr e a lh o m em o n i t o r i n g t h u s ，ah o m e s e c u r i t y - m o n i t o r i n gs y s t e ms u i t a b l ef o rp o p u l a r i z a t i o nw h i c hc o s t sl e s sa n ds i m p l eo p e r a t i o n ， w i l lh a sm o r ei m p o r t a n tr e s e a r c hv a l u ea n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h ea i mo ft h i sp a p e ri sm a i n l yt oa c h i e v er e m o t ec o n t r o la n dh o m em o n i t o r i n go ft h e h o u s e h o l da p p l i a n c e sw h e nt h eu s e rl e f th o m e t h i ss y s t e mb a s e do nt h es m s ，m m s ，u s i n g w i r e l e s st e c h n o l o g yt os o l v et h eh o m es e c u r i t yp r o b l e m b e c a u s eo fu s i n gt h ew i r e l e s s n e t w o r k , t h eu s e rc a nc o n t r o lt h eh o m ea p p l i a n c e sb ym o b i l ep h o n ea n df a m i l i a rw i t ht h e f a m i l ys t a t u si nt i m e t h e r e f o r e ，t h es y s t e mi sm o r es u i t a b l ef o ro r d i n a r yf a m i l ya n dh a sh i g h p e r f o r m a n c e p r i c er a t i o t h i sp a p e rh a sd e s i g n e das e to fh o m em o n i t o r i n ga n de l e c t r i ca p p l i a n c er e m o t ec o n t r o l s y s t e mw h i c hi sb a s e do ne m b e d d e dt e c h n o l o g y i tu s e s a3 2 - b i tr i s cm i c r o p r o c e s s o r $ 3c 2 4 4 0 aw h i c hb a s e do na r m 9 2 0 ta st h ek e yp r o c e s s o ro ft h es y s t e m c o m b i n e dw i t h g p r sm o d u l ea n do r d i n a r yu s b c a m e r at oc o n s t r u c tt h eh a r d w a r ep l a t f o r m ，t h es y s t e mh a s t a k e na no p e ns o u r c ec o d el i n u xo p e r a t i n gs y s t e ma sa p p l i c a t i o ns o f t w a r ed e v e l o p m e n t p l a t f o r m t h e r e f o r e ，i t h a sf r i e n d l yf u n c t i o n s e t t i n g i n t e r f a c ea n d s i m p l eo p e r a t i o n ， r e l i a b l e n e s sa n ds u i t a b l ef o rp o p u l a rh o m es e c u r i t y - m o n i t o r i n ga n dr e m o t ec o n t r o la sw e l l t h es y s t e mh a sa c h i e v e di m a g es e n d i n ga u t o m a t i c a l l yb ya d o p t i n gi n f r a r e dp y r o e l e c t r i c i n f r a r e ds e n s o r u s e rc a nr e c e i v em m st ol o o ko v e rf i e l ds t a t u st h r o u g hm o b i l ep h o n e ，a n d a l s oc a nc h e c kt h eh o m es i t u a t i o nb yr e m o t ec o n t r 0 1 v v r h e na l a r m i n g ，也es y s t e mw i l ls e n d l o c a l ei m a g et ot h ep h o n e ，a n dt h eu s e rc a ns e tu pw h e t h e rt or i n gt h ea l a r mb e l l h o u s e h o l d a p p l i a n c e s ( s u c ha st v ，l i g h t ，e l e c t r i cc o o k e r s ，d r i n k i n gw a t e rm a c h i n e ，s o u n d ，w a t e rh e a t e r , e t c ) c a nb ea c h i e v e dr e m o t ec o n t r o lb ym o b i l ep h o n e a tt h es a m et i m e , e l e c t r i c a le q u i p m e n t c a na l s ob ec o n t r o l l e db yt o u c h t y p ec o n t r o l l e ri nt h eh o u s et oa c h i e v eu n i f i e dc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：e m b e d d e dl i n u x ；a r m 9 ；g p r s ；m m s ；r e m o t em o n i t o r i n g i i 西华大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 绪论l 1 1 背景及意义1 1 2国内外现状和发展趋势2 1 3 论文主要内容及结构4 2 监控系统硬件平台结构6 2 1a r m 处理器简介7 2 2 处理器的外围电路9 2 3串口通信电路1 l 2 4g p r s 模块电路设计13 2 4 1 s i m 卡连接电路1 4 2 4 2 模块电源电路1 4 2 5 本章小结1 6 3l i n u x 操作系统搭建17 3 1 嵌入式l i n u x 操作系统概述1 7 3 2 开发环境的构建18 3 2 嵌入式l i n u x 操作系统的构建：1 9 3 2 1b o o f l o a d e r 移植19 3 2 2l i n u x 内核移植2 0 3 2 3 传感器驱动：2 4 3 2 4 摄像头驱动加载2 7 3 3 本章小结2 8 4 系统应用程序的构建3 0 4 1图像采集。3 0 4 2 无线通信设计3l 4 2 1 g p r s 简介31 4 2 2m m s 业务介绍3 4 4 2 3 串口简介4 0 4 2 4 a t 指令。4 2 4 2 5 远程监控程序设计4 5 i i i 网络监控的设计与实现 ：! ；( ) ：；：i 5 ：； ! ；! ； ! ；6 j ! ；8 ! ；9 i v 西华大学硕士学位论文 1绪论 1 1 背景及意义 随着人们物质生活水平的不断提高和网络通信技术、计算机技术、电子技术和智能 传感技术的发展，人们对生活的安全、舒适、方便和符合绿色环境保护等方面的要求越 来越高。尤其是近几年来人们居住环境的改善和信息技术的发展，促使人们对家庭安防 的意识空前强化。目前，家庭网络视频监控，凭借着技术上与i p 网络的无缝兼容以及对 远程视频处理能力和其他网络应用，迅速成为市场上增长最快的产品，以每年近4 0 的 增长速度成为市场上关注的焦点和发展的趋势【i 】。 人们的生活节奏的加快，使得照顾和了解家庭情况的时间减少。不过，得益于现代 科技的高速发展，使得家庭远程监控成为可能。人们可以在外出旅游或繁忙工作的同时， 通过远程了解自己的家庭状况。信息化、网络化、智能化技术的发展，嵌入式系统己经 成为通讯和消费产品的共同发展方向，嵌入式系统是当今最热门的概念之一，各种各样 的嵌入式系统设备在应用数量上已经大大超过了通用计算机，使用嵌入式技术的数控机 床、智能工具、工业机器人、服务机器人等日益增多。结合嵌入式系统的智能家居监控 技术研究有着广阔的前景，其具有高性价比、功耗低、集成度高、可扩充能力强、日新 月异的发展速度等优点受到世界各国的广泛关注，有着广阔的发展前景。 家庭是社会最基本的要素，家庭信息化既是对社会信息化的支撑，也是社会信息化 的必然要求。上海、深圳等东部沿海城市甚至开始通过地方法规等行政手段逐步推进智 能社区、智能家庭等社会基础元素的信息化进程。家居监控系统作为智能家居系统的重 要组成部分，无疑是其中的重要技术手段和今后社会的基础信息结点。开发智能家居相 关产品不仅能够满足人们生活的需要，对整个社会信息化进程的推动作用也不可忽略。 “智能家居( s m a r t h o m e ) ，又称智能住宅。它是使用先进的计算机嵌入式系统 和网络通讯技术，将家庭中的各种电器设备( 如照明系统、环境控制、安防系统、网络 家电) 通过家庭网络连接到一起，使用户能够更方便的管理家庭设备，比如，通过无线 遥控器、手机、办公室p c 机等控制家用设备的运行。好的智能家居，不仅能够提供舒适、 安全、宜人的家庭生活空间；还能提供全方位的信息交互功能，帮助家庭与外部保持信 息流通，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【2 1 。 关于智能家居，有广义和狭义两种解释，广义的智能家居系统实质上是指住宅小区 的智能化，它需要整个小区有一个监控中心，而分散在各个用户家中的各个监控终端负 责对各个用户住宅进行实时监控，监控信息传给监控中心，监控中心负责对外网的连接 嵌入式家庭无线网络监控的设计与实现 信息交换。狭义的智能家居系统是指单用户的家电网络化，不考虑整个小区，而是站 单用户家庭的角度，研究的内容包括家庭网关( 负责用户控制信号及家电反馈信息的 收和转发) 的实现，家庭网关与外网的连接技术，分控终端( 与家电设备直接相连， 制该家电设备) 的实现，以及家庭总线技术( 家庭网关和分控装置由家庭总线相连) 【3 】 o 根据最近国家建设部住宅产业化办公室提出的：作为智能化小区和家庭智能化的最 功能要求，就是要实现家庭住宅的“三防”功能，即防灾、防盗、防意外事故。长期 来，人们习惯于用坚固的门i 锁和窗护栏来达到家庭安全防范的目的，这是一种简单、 效的防盗措施，但是也存在一定的缺陷。其它如楼字对讲、家用电子报警器也都有各 的不足。目前，家庭住宅在选择安全防范产品时所遇到的问题，主要在两方面：一个 功能；一个是价格。根据现代化智能住宅高度的安全性、自动化的特点，新一定代的 庭智能化安防系统应该具有：易操作，删除错误报警，模块化结构，功能集成、价格 廉。要提高家庭住宅的安全防护能力，特别是为了达到建设部提出建设智能小区和实 家庭智能化的发展目标，我们必须大力加强家庭住宅安全防范技术的研究【4 1 。 2 国内外现状和发展趋势 智能化小区在欧美早已盛行，这与一个国家的发达程度和消费水平有关。关于“智 能家居 ，一些国外大型企业联合提出了该行业各方面的相关规范，但至今没有任何组 织公开提出整套行业标准。那么住宅达到一个怎样的标准才可以称为智能家居呢? 美国 电子工业协会于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，也有人称之为家庭总线系统标准( h b s ) 。目前，国外家庭监控主 要有：美国a t & t 结合它在固定电话网、移动电话网、有线电视网、互联网等网络基础 设施上的优势，与杰尔系统的t r u e o n e 解决方案( 如图1 1 所示) 相结合，为用户提供 的视频监控方案；英国电信的数字家庭网关称作h o m e h u b ，b t 通过这个为用户提供各 种智能监控设备的数据接口和物理接口，在视频监控上更侧重于网络摄像机的方案；日 本电信的n t td o c o m o 示u 用自身在移动手机服务上的优势，推出i m o d e 模式运营模式， 可以直接通过手机或p d a 远程控制家中的智能家电，n t t 推出了可通过因特网或f o m a 手机控制的h c 1 0 0 0 监视摄像头( 如图1 2 所示) ；韩国电信k t 和s k 通讯公司在数字家 庭中远程监控和报警上则大量采用了无线传感器网络中的普适计算技术( u b i q u i t o u s c o m p u t i n g ) ，采用z i g b e e l 拘无线传输协议对家中的智能监控设备进行管理和监控，并支 持通过p c 或手机的对数字家庭设备远程监控信息的获取和基于i p 的视频监控点播，用户 点播时直接由数字家庭网关提供视频的处理。法国、西班牙也都发展了自己的家庭监控 2 西华大学硕士学位论文 系统【5 1 。 图1 1 美国杰尔的t r u e o n e 解决方案 f i g u r e l 1 e r e st r u e o n es o l u t i o n s 图1 2 日本n t t 的h c 一1 0 0 0 监视摄像头 f i g u r e l 2n n sh c 一1 0 0 0s u r v e i l l a n c ec a l l l e l - a 8 3 发放，电信运营商进入全业务运营时代。3 g 视频监控业务被视为具备高端和差异化的3 g 多媒体业务代表，可以利用高带宽的无线接入，支持在任意地点上传图像与接收远方图 俐6 】。 在我国由于城市居民的收入水平还不高，不足以支付昂贵的智能化小区费用，所以 智能化小区的全面实现还需要相当漫长的过程，但安防报警、视频监控技术将最先在智 能家居中得到应用。目前国内家庭监控市场还处于起步阶段，然而3 g 的高带宽将开辟家 庭手机视频监控新时代，并将催生出巨大的市场商机，单用户智能家居系统将以其相对 便宜的价位、简单的改动、便捷的控制方式，吸引更多城市居民。 1 3 论文主要内容及结构 本论文在分析和研究了家庭安全防范技术的现状与发展趋势的基础上，阐述了一个 4 西华大学硕士学位论文 基于s 3 c 2 4 4 0 a 处理器的嵌入式家庭无线网络监控系统的整体开发流程。该系统结合了 目前热门的嵌入式技术和g p r s 网络，是针对普通家庭的、具有操作简便、实用、并可 以提供现场图像的远程监控系统。论文对系统的整体构架设计、器件的选型、硬件电路 设计、操作系统的移植、部分驱动及应用程序的编写等方面都进行了论述。论文具体各 章内容安排如下： 第一章绪论主要简述了课题的背景，介绍了国内外主要的家庭监控发展，分析了 我国智能家庭安防的发展现状和趋势。 第二章是监控系统硬件平台的搭建，详细描述了系统监控模块、处理器外围电路、 串行接口、g p r s 模块电路的硬件设计。 第三章是系统操作系统的构建，详细介绍了b o o f l o 砌v i 的裁剪和移植，监控器 l i n l l ) 【操作系统的修改和移植，u s b 摄像头驱动的移植，根文件系统的制作。 第四章是系统的主要功能模块的设计，包括：图像采集、远程数据传输、人机交互 界面的设计。 第五章是论文的结论与展望，总结了本论文的主要工作及对后续研究的展望。 监控系统示意图如图1 4 所示。 j 1 1 一 ：电： 自炽灯 书1 一 一囚： b 一 电脑( 调试时使用) 图1 4 家庭监控示意图 f i g u r e l 4s c h e m a 廿cd i a g r a mo f h o m em o m t o r i n g 5 嵌入式家庭无线网络监控的设计与实现 2 监控系统硬件平台结构 本设计方案针对普通家庭监控的需要，通过在门口、窗户区域安装热释电红外传感 器，在重点部位安装摄像头随时监控现场情况，防止非法闯入。在事故发生时，能够及 时的把现场情况及报警信息传递给户主。 根据功能需要、以后维护及可扩展性，考虑到课题用途和资金投入等主要因素，提 出了基于嵌入式l i n u x 系统的总体设计方案。整个系统主要划分为两个部分：硬件系统 和软件系统，硬件部分主要由检测报警、图像采集、数据传输、电器控制构成；软件部 分主要由操作系统、系统各功能模块驱动、应用程序和人机交互界面构成。系统总体结 构如图2 1 所示。 图2 1 系统总体设计框图 f i g u r e 2 1s y s t e md e s i g nd i a g r a m 嵌入式系统软件与普通在p c 机上运行的软件的最大不同，就是嵌入式软件要充分考 虑其所运行的硬件环境。可以说在嵌入式系统中软件和硬件是密不可分的。只有对所使 用的硬件环境充分掌握的基础上才有可能为系统提供高效稳定的软件代码。 6 西华大学硕士学位论文 2 1删处理器简介 在嵌入式系统的硬件平台中，最重要的部件就是微处理器( m p u ：m i c r op r o c e s s u n i t ) 。微处理器是一个小型的c p u ，其上集成了相应的寄存器和程序指令集，用户可 以通过m p u 来完成嵌入式系统中的程序执行和运算功能。目前，在移动终端领域，获得 广泛应用的主要是a r m 公司所推出的a r m 系列微处理器。 a r m 公司于1 9 9 1 年成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用 a r m 技术知识产权6 p ) 核的处理器，即我们通常所说的a r m 处理器，己遍及工业控制、 消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场。目前，世界各大半 导体生产商都己从a r m 公司购买了其设计的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。基于a r m 技 术的处理器应用占据了3 2 位r i s c 处理器7 5 以上的市场份额，a r m 技术正在逐步渗入 到我们生活的各个方面【_ 7 1 。采用r s i c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： 体积小、低功耗、低成本、高性能； 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件； 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。 a r m 处理器目前主要包括a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 e 、s e c u r c o r e 以及 i n t e lx s c a l e 和s t r o n g a r m 等系列。每个系列除具有a r m 体系结构的共同特点外，都有 各自的特点和应用领域。而目前市场上应用得最广泛的是a r m 7 和a r m 9 系列芯片。 $ 3 c 2 4 4 0 a 处理器是s a m s u n g 公司推出的1 6 3 2 位r s i c 微处理器，为手持设备和一般 类型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。它的杰出的特点是 其核心处理器( c p u ) ，是一个1 6 3 2 位a r t 9 2 0 t 的r i s c 处理器。a r m 9 2 0 t 实现了m m u 、 a m b ab u s 和h a r v a r d 高速缓冲体系结构。这一结构具有独立的1 6 k b 的指令c a c h e 和 1 6 k b 的数据c a c h e 。每个都是由具有8 字长的行组成。通过提供一套完整的通用系统外 设，$ 3 c 2 4 4 0 a 减少整体系统成本和无需配置额外的组件。 $ 3 c 2 4 4 0 a 提供了以下丰富的内部设备：分开的1 6 k b 的指令c a c h e 和1 6 k b 的数据 c a c h e 、m m u 虚拟存储器管理、l c d 控制器、支持n a n df l a s h 系统引导、系统管理器 ( 片选逻辑和s d r a m 控制器) 、三通道u a r t 、4 通道d m a 、4 通道p w m 定时器、i o 端口、r t c 、8 通道的1 0 位a d c 和触摸屏接口、i i c b u s 接口、u s b 主机、2 通道的s p i 以及内部p l l 时钟倍频器等。 嵌入式家庭无线网络监控的设计与实现 a r m 9 2 0 t 核由a r m 9 t d m i 、存储管理单元( m m u ) 和高速缓存三部分组成。其中， m m u 可以管理虚拟内存，高速缓存由独立的1 6 k b 地址和1 6 k b 数据高速c a c h e 组成。 一 a r m 9 2 0 t 有两个内部协处理器：c p l 4 和c p l 5 。c p l 4 用于调试控制，c p l 5 用于存储系统叶乓 控制以及测试控制。 。 一 $ 3 c 2 4 4 0 a 将系统的存储空间分为8 组( b a n k ) ，每组的大小是1 2 8 m b ，共1 g b 。一。 b a n k o 到b a n k 5 的开始地址是固定的，用于r o m 或s r a m 。b a n l ( 6 和b a n k 7 用于 r o m 、s r a m 或s d r a m ，这两个组可编程且大小相同。b a n k 7 的开始地址是b a n k 6 的结束地址，灵活可变。所有内存块的访问周期都可编程。$ 3 c 2 4 4 0 a 采用n g c s 0 7 共8 根片选信号选择这些组。 $ 3 c 2 4 4 0 a 支持从n a n df l a s h 启动，n a n df l a s h 具有容量大，比n o rf l a s h 价格低 等特点。 系统采用n a n df l a s h 与s d r a m 组合，可以获得非常高的性价比。$ 3 c 2 4 1 0 具有三 种启动方式，可以通过o m 1 ：1 管脚进行选择： o m 1 ：o _ o o 时处理器从n a n df l a s h 启动； o m 1 ：o 】- 0 1 时处理器从1 6 位宽的r o m 启动； o m 1 ：0 - - 1 0 时处理器从3 2 位宽的r o m 启动。 用户可以将引导代码和操作系统映像存放在外部的n a n df l a s h 中，并从n a n d f l a s h 启动。当处理器在这种启动模式下复位时，内置的n a n df l a s h 将访问控制接口， 并将代码自动加载到内部s r a m ( 此时该s r a m 定位于起始地址空间0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 ，容量 为4 k b ) 并且运行。之后，s r a m 中的引导程序将操作系统映像加载到s d 删中，操作 系统就能够在s d r a m 中运行。启动完毕后，4 k b 的启动s r a m 就可以用于其它用途。如 果从其它方式启动，启动r o m 就要定位于内存的起始地址空间0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 ，处理器直接 在r o m 上运行启动程序，而4 k b 启动s r a m 被定位于内存地址的o x 4 0 0 0 0 0 0 0 处。8 个 b a n k 的地址空间如图2 2 所示。 在时钟方面，s 3 c 2 4 4 0 a 也有突出的特点，该芯片集成了一个具有日历功能的r t c 和具有p l l ( m p l l 和u p l l ) 的芯片时钟发生器。i v i p l l 产生主时钟，能够使处理器工作频 率最高达到4 0 0 m h z 。这个工作频率能够使处理器轻松运行w i n d o w s c e 、l i n u x 等操作系 统以及进行较为复杂的信息处理。u p l l 产生实现主从u s b 功能的时钟【8 一。 8 西华大学硕士学位论文 翻踅 o a m oo 曲o 嘲蛳_ o t l m n 锄一- 嘲 _ o m o j r o 巷o r 一 g c 蜘 囊秣翟嘲喜o r 帕c 喜研 皇跏 扯锎 量锹瑚 旧c 3 囊跏 o a e s 3 i g 跏 斟恣2 i g 渤 帕c ”i g 跏 帕c s i o i 囊) 蝴恩o r 旧c 3 7 i 1 ：e - r 蕾 rt a l e a - 啦b 删u t n o e i s r o 旧c 基s 3 r o 崔埔 s b i n g e s t ) h 0 睃喜剜 o 篙 o 看 3 r o t r u e s t ) s r o i n o c s z , ) 3 r d i 啦c 3 b o o ti n b r n i 3 r a m l 4 岫 i n o t u s i n g n a n d f l l a n f o r 抽d 嘲1l t m m l ln a t d 加 f b 嘣a o x ) 图2 2s 3 c 2 4 4 0 a 存储控制器的地址空间分布图 f i g u r e 2 2s 3 c 2 4 4 0 am e m o r ym a p a f t e rr e s e t 2 2 处理器的外围电路 本家庭无线监控系统的开发和调试是基于友善之臂的$ 3 c 2 4 4 0 a 开发板m i n i 2 4 4 0 ，因 此，这部分主要介绍一下使用过程中涉及到的开发板资源及系统存储器分配。 1网络接口电路 在嵌入式系统中程序的加载比较常见的方式有两种，一种是通过串口加载，另外一 种就是通过网口加载。与通过串口加载的方式相比，网口的加载方式具有以下的优势： 由于网口的带宽优势使得加载的速率比串口要快的多；另外网口的加载方式可以实现异 地调试【l0 1 。在本系统的后期调试过程中会发现程序从主机加载到目标板的过程是一个十 分耗时的过程，这就促使我们选择网口这种快速的加载方式，同时兼顾到系统将来的扩 展需要在系统中集成个网络接口也是十分必要的。 本系统网络接口选用d m 9 0 0 0 作为网络接口芯片。d m 9 0 0 0 芯片根据处理器情况提供 了8 位，1 6 位和3 2 位三种不同的连接方式，d m a 9 0 0 0 芯片与处理器的电路连接如图2 3 所示。 9 嵌入式家庭无线网络监控的设计与实现 西华大学硕士学位论文 本控制器的热释电红外开关是采用b i s s 0 0 0 1 配以热释电红外传感器和少量外接元 器件构成的被动式红外开关，b i s s 0 0 0 1 是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路， 特别适用于安全区域的报警系统。热释电红外传感器是一种敏感元件、它是由高热电系 数材料，配以滤光镜片和阻抗匹配用场效应管组成。它能以非接触方式检测出来自人体 发出的红外辐射，将其转化成电信号输出，并可有效抑制人体辐射波长以外的感染辐射， 如阳光、灯光及其反射光【l 。本系统的b i s s 0 0 0 1 先将热释电红外传感器的信号前置放大。 经电容耦合再由运算放大器进行第二级放大。最后经由两个电压比较器构成的双向鉴幅 器处理后，检出有效触发信号去启动延迟时间定时器。电路连接如图2 5 所示。 图2 5 传感器电路图 f i g u r e 2 5c i r c u i to fs e n s o r 5 继电器 继电器是本系统控制家电的执行器件，本系统采用o m r o n g 5 l a 1 继电器，其额 定负载为1 0 a 、2 5 0 v a c 1 0 a 、2 4 v d c ，满足家庭小电器开关电源的要求。本系统使用 了八个继电器，以便控制不同的电器设备。电路连接如图2 6 所示。 2 3 串口通信电路 g 1 0 1 b 模块提供标准r s 2 3 2 串行接口，模块部分系统与a r m 进行数据传输接口部分 采用标准的r s 2 3 2 串行接口，系统可以通过串行口使用a t 命令完成对模块的操作。 r s 2 3 2 c 标准( 协议) 的全称是e i a r s 2 3 2 c 标准，其e i a ( e l e e t r o n i ci n d u s t r ya s s o c i a t i o n ) 代表美国电子工业协会，r s ( r e c o m m e d e ds t a n d a r d ) 代表推荐标准，2 3 2 是标识号，c 代表r s 2 3 2 的最新一次修改( 1 9 6 9 ) ，在这之前，有r s 2 3 2 b 、r s 2 3 2 a 。它规定连接电 嵌入式家庭无线网络监控的设计与实现 目i型丝l 图2 6 继电器电路图 f i g u r e 2 6c i r c u i to fr d a y 缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。目前在p c 机上的c o m l 、c o m 2 接口就是 r s 2 3 2 c 接口。t i 公司的m a x 3 2 3 2 芯片供电电压为3 5 5 v ，符合t i a e i a 2 3 2 f 和i t u v 2 8 标准。具有独特的1 5 k v 人体静电保护措施，兼容5 v 逻辑输入，内含2 路接收、2 路发 送串行通信接口，最大数据传输速率可达2 5 0k b p s 。该芯片的最大特点是，在串行口无 数据输入的情况下，可以灵活的进行电源管理，即当f o r c e o n 为低电平、f o r c e o f f 为高电平时，a u t o p o w e r d o w np l u s 功能有效。在正常运行模式下，约3 0 秒事件内若芯片 在接收和发送引脚没有检测到有效信号，将自动进入p o w e r d o w n 模式，此时耗电l u a 。如 果f o r c e o n 和f o r c e o f f 弓i 脚均为高电平，那么a u t o p o w e r d o w np l u s 功能失效。在 a u t o p o w c r d o w np l u s 功能有效的时，如果检测到接收或发送引脚有信号输入，该芯片自 动被激活，转入正常工作状态。如果任一接收通道的输入电压高于2 7 v 或小于一2 7 v ， 或者位于0 3 v - - 0 3 v 的时间小于3 0 u s ，则i n v a l i d ( 1 5 脚) 引脚为高电平( 数据有效) 。 如果所有接收通道的输入电压位于0 3 v - 0 3 v 的时间大于3 0 u s ，则i m ，a l d ( 1 5 脚) 引 脚为低电平( 数据无效) 【l2 。该芯片的以上特性，满足了g p r s 模块作为移动终端的接收 和发送电路连接要求。 在本系统中，内核驱动程序调试、映像文件的下载和文件网络传输需要使用串口， 处理器与g p r s 模块的通信也使用串口，为了方便开发，我们采用前者使用串口0 ，后者 使用串口1 的双串口的设计。r s 2 3 2 是p c 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口， 它被定义为一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准，因此具体设计中我们采 用r s 2 3 2 芯片来完成串口的设计，$ 3 c 2 4 4 0 a 支持3 通道的u a r t 串口，为了满足多任务 的需求，我们采用了两个通道的串口，电路连接如图2 7 所示。 西华大学硕士学位论文 o - - -上 o -上v l o - -黜2 r x d o - -陋2 3 2 n o - - i 9 d 尊珏c i - 剖是 一f 音量 l 驰 1 噼 o l i l 卜、l r s 2 3 ：l t 暖 y t x d l 柏r 、i 丘s 2 3 2 r 帕 l ， 默d o1 2 ，1 l ；r s 2 t 瓢 、j 呦l 1 lr s ”2 n d i 、0c 斟 1 5 一h 广一 坼 图2 7 串口电路 f i g u r e 2 7c i r c u i to fs e r i a li n t e r f a c e 2 4g p r s 模块电路设计 l t g l 0 1 b 是上海蓝铁公司生产的一款g s m g p r s 模块，它是采用m t k 平台开发的一 款g s m 无线工业模块，为单模块方案，在模块内集成了无线电话的所有功能。为了使用 户的开发具有延续性，该模块可以外挂m c u ，由m c u 来控制人机界面。可同时支持 g s m 9 0 0 1 8 0 0 m h z ( g s m 8 5 0 1 9 0 0 m h z ) 四种频率、能够提供语音传输、短消息和资料业 务无线功能。通过串口进行程序下载，参数改变和网管命令的控制，使用直流电源供电， 也可以使用充电电池供电；不仅能够节约用户电路成本与产品的可靠性，同时也能提高 用户的开发效率。 g 1 0 1 b 集成了完整的射频电路、g s m 的基带处理器、g s m 射频模块、供电模块 ( a s i c ) 、闪存、天线接口等部分，适合于开发一些g s m g p r s 的无线应用产品开发。 其中g s m 基带处理器是核心，它相当于一个协议处理器，主要处理g s m 终