基于PXA270的智能家居控制应用改稿.doc

嵌入式系统”课程结题设计（论文) （基于嵌入式ARM实验平台） 项目名称: 基于PXA270的智能家居控制应用 目录引言3第一章 嵌入式系统发展历史41.1.1嵌入式系统的种类与发展51.1.2嵌入式系统的实时性5第二章 嵌入式系统的独立发展道路62.1 单片机的技术发展史6第三章 无线智能家居设计73.1无线智能家居控制系统总体结构及功能73.2系统硬件实现83.3 ARM9 微处理器83.4无线通信网络93.5传感器与显示模块93.6系统软设计.10第四章 嵌入式微处理器的种类11参 考 文 献12引言:智能家居（Smart Home）是利用计算机技术、网络通信技术、综合布线技术和传感技术等，依照人体工程学原理，将家居生活中的各类电子设备有机的结合在一起，通过网络化综合智能控制和管理的一种嵌入式系统。电子、通信、传感和网络技术的不断发展和人们生活质量的提高，家居生活中的电子产品不但种类越来越多，功能更加完善，应用更加普遍，而且越来越智能化，最普遍的家居生活电子产品种类达数百种，实现对如此之多的家居电子产品的综合控制是智能家居发展的必然趋势。文中提出的基于ARM9 的无线智能家居控制系统，以ARM9 微处理器为核心 ，结合ZigBee 和GPRS 通信技术，根据实际需要实现对家居电子设备进行本地和远程两种方式的无线控制，本地控制是指在本地通过互联网将控制指令传输给控制系统来实现各种家居电器的监控，远程控制是指用计算机网络或手机短信将控制指令传输给控制系统实现对各种家居电器的远距离监控，这两种控制方式的结合将给我们的工作和生活带来极大的便捷，是未来智能化家居生活发展的必然趋势。l 第一章：嵌入式系统发展历史目前，在嵌入式系统应用领域中，不少人对什么是嵌入式系统不甚了解。有些人搞了十多年的单片机应用，不知道单片机就是一个最典型的嵌入式系统；也有些人在解释什么是嵌入式系统时，不是从定义出发，而是列举了嵌入式系统的一些特点，往往不知所云。因此，有必要从现代计算的发展历史，了解嵌入式系统的由来，从学科建设的角度来探讨嵌入式系统较为准确的定义。嵌入式系统诞生于微型机时代，嵌入式系统的嵌入性本质是将一个计算机嵌入到一个对象体系中去，这些是理解嵌入式系统的基本出发点。由于嵌入式计算机系统要嵌入到对象体系中，实现的是对象的智能化控制，因此，它有着与通用计算机系统完全不同的技术要求与技术发展方向。通用计算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算；技术发展方向是总线速度的无限提升，存储容量的无限扩大。 而嵌入式计算机系统的技术要求则是对象的智能化控制能力；技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。嵌入式计算机系统则走上了一条完全不同的道路，这条独立发展的道路就是单芯片化道路。它动员了原有的传统电子系统领域的厂家与专业人士，接过起源于计算机领域的嵌入式系统，承担起发展与普及嵌入式系统的历史任务，迅速地将传统的电子系统发展到智能化的现代电子系统时代。在中国嵌入式系统领域，比较认同的嵌入式系统概念是：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。它一般由嵌入式微处器、处围硬件设备、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。如果我们了解了嵌入式（计算机）系统的由来与发展，对嵌入式系统就不会产生过多的误解，而能历史地、本质地、普遍适用地定义嵌入式系统。1、 嵌入式系统的种类与发展按照上述嵌入式系统的定义，只要满足定义中三要素的计算机系统，都可称为嵌入式系统。嵌入式系统按形态可分为设备级（工控机）、板级（单板、模块）、芯片级（MCU、SoC）。有些人把嵌入式处理器当作嵌入式系统，但由于嵌入式系统是一个嵌入式计算机系统，因此，只有将嵌入式处理器构成一个计算机系统，并作为嵌入式应用时，这样的计算机系统才可称作嵌入式系统。嵌入式系统与对象系统密切相关，其主要技术发展方向是满足嵌入式应用要求，不断扩展对象系统要求的外围电路（如ADC、DAC、PWM、日历时钟、电源监测、程序运行监测电路等），形成满足对象系统要求的应用系统。因此，嵌入式系统作为一个专用计算机系统，要不断向计算机应用系统发展。因此，可以把定义中的专用计算机系统引伸成，满足对象系统要求的计算机应用系统。2、 嵌入式系统的实时性响应时间：是实时系统从识别出一个外部事件到做出响应的时间；生存时间：是数据的有效等待时间，数据只有在这段时间内才是有效的；吞吐量：是在给定的时间内系统能够处理的事件总数，吞吐量通常比平均响应时间的倒数要小一点。实时系统根据响应时间可以分为弱实时系统、一般实时系统和强实时系统三种。弱实时系统在设计时的宗旨是使各个任务运行得越快越好，但没有严格限定某一任务必须在多长时间内完成，弱实时系统更多关注的是程序运行结果的正确与否，以及系统安全性能等其他方面，对任务执行时间的要求相对来讲较为宽松，一般响应时间可以是数十秒或者更长。一般实时系统是弱实时系统和强实时系统的一种折衷，它的响应时间可以在秒的数量级上，广泛应用于消费电子设备中。强实时系统则要求各个任务不仅要保证执行过程和结果的正确性，同时还要保证在限定的时间内完成任务，响应时间通常要求在毫秒甚至微秒的数量级上，这对涉及到医疗、安全、军事的软硬件系统来说是至关重要的。l 第二章：嵌入式系统的独立发展道路1、 单片机的技术发展史单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。MCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。l 第三章：无线智能家居设计1、 无线智能家居控制系统总体结构及功能无线智能家居控制系统总体结构及功能文中提出的基于ARM9 的无线智能家居控制系统主要包括ARM9 核心控制模块，无线通信模块、LCD 触摸屏模块和家居电器，另外还有传感检测，语音报警和电源等模块。系统总体结构模型 图如图1 所示。其中ARM 是整个系统的控制核心，通过GPRS 和ZigBee 无线通信网络收发控制指令实现对家居电器进行综合监控，同时提供防火墙的功能，阻止外界对家庭内部设备的非法访问和攻击。无线通信模块分为本地和远程两部分，本地通信主要通过新型的ZigBee 无线通信技术实现系统与家居电器的通信，达到对其控制；远程通信是利用手机通过GPRS 通信网络或利用计算机通过互联网实现人与控制系统的通信，进而达到对家居电器的远程监控。采用无线通信技术省去了布线使家居布局更加灵活，远程控制使家居电器工作更加贴近人们的工作和生活要求。智能家居控制系统的具体功能包括：家居电器的综合监控：对所控制的家居电器进行开关、工作参数的设置和工作状态的检测。室内环境信息采集：采集家居环境的温度、湿度信息和煤气、烟气等有毒气体的检测。自动报警：当检测到家居环境的温度、湿度、煤气、烟气等超标，或检测到有陌生人强行开启室门或进入室内时就自动报警，告知居室主人。本地控制：用户在本地可通过计算机或家居电器本身的操作键对家居电器进行监控。远程控制：用户远程可以通过手机短息或互联网对家居电器进行控制或工作状况查询。安全防盗：家居中的所有与控制系统连接的电器设备均可实现与主人通信，一旦盗贼对某设备进行操作，或某设备工作状态异常时，系统将立即通知主人，以达到安全和防盗的目的。2、 系统硬件实现系统硬件主要由ARM9 微处理器、GPRS 通信网络、ZigBee通信技术、LCD 触摸屏、语音报警和电源等模块组成。3、 ARM9 微处理器微处理器采用三星公司的ARM9(S3C2440)。S3C2440 是一款高性能32 位RISC 微处理器, 采用了ARM920T 的内核，0.13um的CMOS 标准宏单元和存储器单元，最高主频可以达到400MHz，提供多款液晶屏配置。ARM920T 实现了MMU，AMBA BUS 和Harvard 高速缓冲体系结构，这一结构具有独立的16Kb 指令Cache和16Kb 数据Cache，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，无需配置额外的组件从而减少整体系统成本，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。4、 无线通信网络GPRS 网络是覆盖范围最广，性能较为完善的无线网络，GPRS 网络本身具有较强的数据纠错能力，数据传输速率最高可达128Kb/s，能够保证数据传输的可靠性和实时性。ZigBee 技术组成的无线传感器网络结构简单、体积小、成本低；采用GPRS 网络进行数据传输的模块体积小、功耗低，适合作为无线传感器网络的数据节点，ZigBee 技术与GPRS 通信网络相结合组成新的无线通信网络。GPRS DTU 无线通信模块采用成都众山电子有限公司的ZSD2110 GPRS DTU。 ZSD2110 是一款使用GPRS 网络进行数据无线透明传输的嵌入式DTU 模块。内置工业级GPRS 引擎和嵌入式处理器。支持PPP、TCP、UDP、ICMP 等众多复杂网络协议和SOCKET 标准，提供全透明数据传输和用户自由控制传输两种模式。同时支持点对点、点对多点、设备间、设备与中心间等各种不同的通讯模式。用户不用关心复杂的网络协议，使用TTL 串行通信接口，就可以进行无线数据收发，使系统能够随时随地接入Internet。ZigBee 技术是一种新型的无线、短距离、低功耗组网通讯技术,具有低复杂度、低功耗、低成本、高效率，可靠度高和网络覆盖面积广等技术优势，工作在免费的2.4GHz-2.5GHzISM 微波段，具有较强的抗干扰性和设备联络功能，能够实现1500m 的全向识别，传输速率最高可达10M bit/s，它支持3 种主要的自组织无线网络类型，即星状结构、网状结构和族状结构，这些网络具有较强的网络健壮性和系统可靠性。基于以上特点ZigBee 广泛应用于智能家居控制、工业控制系统。本文采用的CC2430 是一种真正的系统芯片（SoC）CMOS 解决方案，这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee 为基础的2.4GHz ISM 波段应用及对低成本，低功耗的要求，它结合一个高性能2.4GHz DSSS（直接序列扩频）射频收发器核心。5、 传感器与显示模块传感器包括煤气、烟雾等有毒气体检测器，人体红外探测器，门窗磁开关，温度、湿度、光照度传感器等，所有的传感器都与无线传输模块P1R2000 连接，构成无线传感器网络并与控制系统实现实时通信。显示模块选用低电压低功耗的LCDl2832 液晶显示屏，LCDl2832 是一款分辨率为12832 的中英文图形液晶（黄色背光）显示模块，具有4 位/8 位并行2 线或3 线串行多种接口方式，内部置有8192 个1616 点阵的一级、二级简体汉字和128 个168点ASCII 字符集，用来显示82 行1616 点阵的汉字对话信息，构成全中文人机交互图形界面并显示当前时间、日期、星期、湿度、温度、定时提醒等信息和煤气等有毒的含量超标时报警提示的输出信息。6、 系统软设计整个智能家居控制系统以ARM9 微处理器为核心，支持C 语言和汇编语言，本系统采用C 语言与汇编语言混合编程。低层驱动由汇编语言编写，对外留C 语言接口，人机交换采用Linux嵌入式实时操作系统。系统软件由系统主程序、初始化子程序、ZigBee 通信子程序、GPRS 通信子程序、传感检测子程序、显示子程序、报警子程序、数据处理子程序和远程控制子程序等模块组成，程序软件流程图如图3 所示。l 第四章：嵌入式微处理器的的种类嵌入式微处理器的核心是嵌入微处理器，嵌入式微处理器与通用CPU最大的不同在于嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群所专用设计的系统中，它将通用CPU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在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。嵌入式微处理器的体系结构可以采用冯.诺依曼体系或哈佛体系结构；指令系统可以选用精简指令系统（Redyced Instryction Set Computer,RISC）和复杂指令系统CISC (Complex instruction Set Computer,CISC)。RSIC计算机在通道中只包含最有用的指令。确保数据通道快速执行每一条指令，从而提高了执行效率并使用CPU硬件结构设计变得更为简单。嵌入式微处理器有各种不同的体系统，即使在同一体系中也可能具有不同的时钟频率和数据总宽度，或集成了不同的外设和接口。据不完全统计，目前全世界嵌入式微处理器已经超过1000多种，体系结构有30多个系列，其中主流的体系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。但与全球PC市场不同的是，没有一种嵌入式微处理器可以主导市场，仅以32位的产品而言，就有100种以的嵌入式微处理器。嵌入式微处理器的选择是根据具体的应用而决定的。参考文献：1王长涛，韩中华，张楠.基于GPRS的无线智能家居控制系统方案2褚光辉.无线智能家居控制网络设计3张永德，卫军峰，高安邦.基于DSP智能家居控制系统设计4孙晓晔.基于GPRS的自来水流量监测终端的设计5陈得民.基于无线传感器网络的远程智能抄表系统设计6徐本柱，王浩，胡学钢.ACM/ICPC的教学与实践7吴文虎.ACM国际大学生程序设计竞赛试题与解析(一)8周朝萱.企业网络安全管理与防护策略探讨、电脑与电信2008(8)9胡经珍.深入探讨企业网络安全管理中的常见问题、计算机安全2008(11)10占明艳.企业网络安全对策研究、软件导刊2008(9)袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螈螇