（控制理论与控制工程专业论文）嵌入式智能家居控制器的研究与实现.pdf

北京： 商大学硕士学位论文 摘要 智能家居( s m a r th o m e ) ，又称“智能住宅”，其目标是：将家庭中各种与信 息相关的通讯设备，家用电器和家庭保安装置连接到一个家庭智能化系统上进行 集中的或异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境 的和谐与协调。它是由一个智能化系统构成的安全、舒适和便利的信息化居住空 间，是适应人们在2 1 世纪信息社会中的快节奏和与外部世界保持完全开放的生 活环境的需要。 智能控制器是智能家居系统的核心部分，它向上连接到小区管理中心，向下 连接到家庭中各种不同的功能模块( 如各类家电等) ，在家庭智能化系统中起的作 用类似于人的大脑，所有家庭智能化系统的功能，都要通过它才能得以实现。而 嵌入式系统以其低成本、低功耗、易于实现的特点，已被大量应用于各种通信和 电子产品上，如沟通信息高速公路的交换机、路由器和m o d e m 等，同时嵌入式技 术的蓬勃兴起为智能家居行业指明了发展趋势，也提供了技术革新的有利武器。 本课题从智能家居控制器的底层研究出发，首先为控制器构建了一个基本的 嵌入式硬件平台，并选择了合适的操作系统。在此基础上为控制器的f l a s h 存储 器丌发了一个简单的文件系统，实现了f l a s h 存储器中所存储的数据文件化操作 和管理。针对传统的串口等方式传输数据慢的问题，为智能控制器开发出一个 u s b 接口，实现了对网页等数据到控制器存储器传输的高速化。 课题中采用以太网有线通信与g p r s 无线通信相结合的方式，实现了控制器 的网络通信功能，使得数据通信通道稳定可靠，确保了监控中心指令的正确发送 和接收以及采集数据的实时、准确传输。同时，使控制器实现了异地的监视、控 制和家庭事务性管理。另外也给用户提供了灵活的网络接入方式。 课题最后，研究设计了基于模糊控制算法的模拟空调控制系统，通过以太网 的方式对其进行了实时监控，证明了控制器良好的网络与监控性能，为智能家居 系统的进一步开发奠定了基础。 关键词：智能家居；嵌入式控制器；g p r s 模块；w e b 服务器； u s b 接口 嵌入式智能家居控制器的研究与实现 a b s t r a c t s m a r th o m ei sa l s oc a l l e ds m a r th o u s e i t sg o a li st oc o n n e c ta l li n f o r m a t i o n c o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t s ，e l e c t r i c a p p l i a n c e sa n da l a r md e v i c et oa ni n t e l l i g e n t h o m es y s t e mf o rc e n t r a l i z e do rr e m o t em o n i t o r i n g , c o n t r o l l i n ga n dm a n a g i n g ，a n d m a k et h e s ee q u i p m e n t sa s s o r t i n gw i t ht h ee n v i r o n m e n t t h es m a r th o m ei sas a f e ， c o m f o r t a b l ea n dc o n v e n i e n ti n f o r m a t i o n l i z e dl i v i n gs p a c eb ym a k i n go fi n t e l l i g e n t s y s t e m s i tg e t su s et ot h en e e do fp e o p l e sq u i c kl i v i n gr h y t h ma n dk e e pac o m p l e t e l y o p e n i n gl i v i n ge n v i r o n m e n tw i t ho u t s i d ei n i n f o r m a t i o n l i z e ds o c i e t yi nt h e2 1 s t c e n t u r y t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o l l e ri st h ek e r n e lo fs m a r th o m es y s t e m i ti sc o n n e c t e du p t ot h em a n a g i n gc e n t e ra n dd o w nt oa l lk i n d so fm o d u l e sa th o m e ( s u c ha se l e c t r i c a p p l i a n c e s ) i t sf u n c t i o ni ss i m i l a rt op e o p l e sc e r e b r a a l lt h ef u n c t i o no f i n t e l l i g e n t h o m e s y s t e mm u s tb er e a l i z e dt h r o u g hi t t h ee m b e d d e ds y s t e mh a sb e e nu s e di nl o t s o fc o m m u n i c a t i o na n de l e c t r o n i cp r o d u c t sf o ri t sf e a t u r eo fi o wc o s t ，l o wp o w e ra n d e a s yr e a l i z i n g ，s u c ha ss w i t c h e s ，r o u t e r sa n dm o d e m st h a tl i n kt h ei n f o r m a t i o nh i g h s p e e dr o a d a tt h es a m et i m e ，t h es p r i n g i n gu po ft h ee m b e d d e dt e c h n o l o g yh a s p o i n t e do u tt h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o no fs m a r th o m ea n do f f e r e dt h eu s e f u lm e a n s f o ri t st e c h n o l o g i c a li n n o v a t i o n t h i st a s kf i r s tc o n s t r u c t e dab a s i ce m b e d d e dh a r d w a r ep l a t f o r mf r o mt h el o w e s t l e v e lo fi n t e l l i g e n tc o n t r o l l e ro ft h es m a r th o m e ，a n dc h o s ea na p p r o p r i a t eo p e r a t i n g s y s t e mf o ri t t h e nw ed e s i g n e das i m p l ef i l es y s t e mf o rt h ef l a s hm e m o r yo f c o n t r o l l e ra n dr e a l i z e dt h ed a t as t o r e di ni t o p e r a t e da n dm a n a g e di nt h ew a yo ff i l e s i nv i e wo ft h ep r o b l e mt h a td a t ai st r a n s m i t t e di nl o ws p e e dt h r o u g ht r a d i t i o n a ls e r i a l p o r t ，w ed e s i g n e da nu s bp o r tf o ri n t e l l i g e n tc o n t r o l l e ra n dr e a l i z e dt h ed a t a ，s u c ha s w e bp a g ea n ds oo n ，t r a n s m i t t e dt oc o n t r o l l e rm e m o r yi nh i g hs p e e d w er e a l i z e dt h en e t w o r kc o r r e s p o n d e n c ef u n c t i o nb yc o m b i n i n gt h ee t h e r n e t w i t ht h eg p r sc o m m u n i c a t i o nm e t h o d s ot h ed a t aw a st r a n s m i t t e d s t a b l ya n d r e l i a b l ya n di n s u r e st h ei n s t r u c t i o ns e n ta n da c c e p t e db ym o n i t o r i n gc e n t e rr i g h t ，a n d t h ed a t ag a t h e r e da n dt r a n s m i t t e di nr e a lt i m e a tt h es a m et i m et h ec o n t r o l l e rr e a l i z e d 1 1 北京：【商大学硕士学位论文 t h ef u n c t i o no fr e m o t em o n i t o r i n g ，c o n t r o l l i n ga n dm a n a g i n g i na d d i t i o n ，t h i sm e t h o d a l s og i v e su s e raf l e x i b l ew a yt oe n t e rt h en e t w o r k a tl a s t ，w er e s e a r c h e da n dd e s i g n e das i m u l a t i o na i r - c o n d i t i o ns y s t e mb a s e do n t h ef u z z yc o n t r o la l g o r i t h m ，a n dw em o n i t o r e da n dc o n t r o l l e di tt h r o u g he t h e m e ti n r e a lt i m e i th a sp r o v e dt h a tt h ec o n t r o l l e rh a sg o o dc a p a b i l i t yi n m o n i t o r i n g ， c o n t r o l l i n ga n dn e t w o r k a n di ts e tu pag o o df o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e rd e s i g n i n go f t h es m a r th o m es y s t e m k e y w o r d s ：s m a r th o m e ；e m b e d d e dc o n t r o l l e r ；g p r sm o d u l e ；w e b s e r v e r ；u s bp o r t 北京工商大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作所 取得的研究成果。除了文中已经注明引用的内容外，论文中不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以昵确方式标明。本声明的法律后果完全由本人承担。 学位论文作者签名：仑鬈墓丝日期：如p 占年6 月6 日 北京工商大学学位论文授权使用声明 本人完全了解北京工商大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京工商大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅和借 阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复 制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 学位论文电子版同意提交后，可于口当年口一年口二年后在学校图 书馆网站上发布，供校内师生浏览。 学位论文作者签名：世压婢导师签名：豇塑丕日期：五舟辞月乡日 北京： 商人学硕士学位论文 第1 章前言 1 1 课题的背景 二十一世纪是高速变革的信息时代，社会的信息化唤起了人们对住宅智能 化及家庭智能化的要求。随着信息技术与通讯技术的迅速发展，微型电脑性能 价格比的提高，同时光纤通讯( f i b e rc o m m u n i c a t i o n ) 、区域网路( l o c a la r e a n e t w o r k ) 与广域网路( w i d ea r e an e t w o r k ) 等取得长足发展，以及智能建筑 技术的高速发展，使得家居智能化的实现不再是梦想。 在我国智能化建筑已进入了一个全新的发展阶段，智能住宅己成为房地产 市场的主流，目前这一市场正以每年2 0 3 0 的速度增长，预计到2 0 1 0 年将 达到1 0 0 0 亿元以上。2 0 0 8 年北京奥运会所起的连带反应，办公建筑的改造都 带来了智能化需求，今后十年智能大厦将会达到8 0 0 0 9 0 0 0 栋左右，智能小区 的建设数量能达到上万个以上，其发展速度已名列世界前列。国家在( 2 0 0 0 年 小康型城乡住宅科技产业工程项目实施方案中，就已经将建设智能化小康示 范区列入国家重点的发展方向。最近建设部要求，根据不同消费者的要求，推 动家居数字化、建筑智能化技术及其产品的发展，到2 0 1 0 年全国大中城市中 6 0 的住宅要实现智能化“3 。 近年来，智能家居( s m a r th o m e ) 这个概念频繁出现在各大媒体上，成了 人们耳熟能详的词汇。目前关于智能家居的称谓多种多样，诸如：电子家庭 ( e l e c t r o n i ch o m e ) 、e h o m e 、数字家园( d i g i t a lf a m i l y ) 、家庭自动化( h o m e a u t o m a t i o n ) 、家庭网络( h o m en e t n e t w o r k sf o rh o m e ) 、网络家居( n e t w o r k h o m e ) 、智能化家庭( i n t e l l i g e n th o m e ) 等几十种，尽管名称是五花八门，但 它们的含义和所要完成的功能大体都是相同的。 以上各种迹象表明了，中国智能家居市场拥有巨大的潜力，其发展前景广 阔。本课题是在这种背景下，得到了北京市教育委员会科技发展计划基金资助下 进行的。 1 2 智能家居系统的发展与现状 智能家居的出现可以追溯到上世纪8 0 年代初，当时出现了大量的采用电子 嵌入式智能家居控制器的研究与实现 技术的家用电器，逐渐实现了家居的电子化。到8 0 年代中期，出现了模块化的 功能单元，包括家用电器，通信设备与安防设备，住宅自动化的概念开始形成。 8 0 年代末，由于通信与信息技术的发展，出现了对住宅中各种通信设备、家电 设备安保设备通过总线技术进行监视、控制与管理的商用系统，这就是所谓的 智能家居，在美国称为w i s e h o u s e ，而在欧洲称为s m a r t h o u s e 。智能家居在许 多国家和地区有着广泛的应用，如美国、日本、欧洲和新加坡等地。1 。 目前，国外智能家居的标准和产品主要有以下几种： ( 1 ) 美国x 一1 0 系统，x 一1 0 最初是p i c oe l e c t r o n i c sl t d 于1 9 7 8 年开发 的一项计划名称，诣在于利用电源线来控制家中的灯饰及电子电器产品。1 9 9 0 年在美国成立了以x 一1 0 命名的新公司，其产品系列均以x 一1 0 命名。今日，x 一1 0 在美国不仅是一家公司，也是家庭自动化控制规格的一种名称。x 一1 0 是通过电 力线作为网络平台，采取集中控制方式实现各种功能，以1 2 0 i l t z 的脉冲传送数 字信号，在家庭自动化如安全监控、电器控制等方面得到广泛应用。在我国 x 1 0 系统应用极少。主要有三个原因：首先，它是基于美国的电力线环境设计 的，很难实现国内恶劣的电力线环境；其次，它的功能虽然强大，但是针对西 方别墅型住宅和西方人的习惯设计的，难以满足国内消费者的要求：另外，它 的价格难以为国内的房地商和普通消费者所接受。 ( 2 ) 欧洲的e i b 系统，欧洲设备安装总线协议e i b ( e u r o p e a ni n s t a l l a t i o n b u s ) 是一个在欧洲占主导地位的楼宇自动化和家庭自动化标准。e i b 系统用双 绞线把全部电子元件连接起来，采用分布式结构形成一个对等网络，具有开放 性和设备问的互操作性“1 。目前在国内也极少。主要原因是其工程要求较为复 杂、严格；另外价格也难以为开发商所接受。 ( 3 ) 新加坡等国的8 x 系统，该系统采用预埋总线和集中控制方式实现各 种功能，采用r s4 8 5 家庭总线结构，通过电话线，实现双向监视和遥控功能， 还可以通过i r 对空调机、音响、电视机等采用红外控制方式的电器进行远程控 制。同时，利用x 一1 0 的产品可以对系统进行扩展。8 x 家庭智能化产品在美国 和新加坡等2 0 个国家和地区得到广泛的应用。目前该系统在国内有少量应用。 除以上几种智能家居标准和产品外，其他还有c e b u s 、l o n w o r k s 、b a t b u s 和b a c n e t 等总线和技术标准也常用在智能家居系统中。另外一些国家还制定了 北京工商大学硕士学位论文 本国的智能化住宅系统及其家庭总线通信标准，并建有基于这些标准的智能化 住宅。如日本1 9 8 8 年制订了家庭总线系统( h b s h o m e b u ss y s t e m ) 标准等。这 些以家庭总线为基础的家居控制系统在开放性、灵活性、智能性以及整体性能 上都存在一定的缺陷。 我国的智能家居相对于国外起步较晚，尚未形成一定的国家标准，主要采 用国外的技术和产品，但也有一些企业推出了自己的产品，其中主要有： ( 1 ) 清华同方的e h o m e 数字家园 清华同方智能家居控制系统是专门针对中国家庭设计的家庭自动化系统， 遵循国际技术标准，采用嵌入式软、硬件技术，提供网络、网络节点及末端设 备等全系列家庭自动化产品。其智能家居控制系统主要有下面三类： a 系列：遵循e i b 协议的家庭控制产品，使用于中高档住宅； b 系列：遵循x 一1 0 协议的家庭控制产品，无需布线，使用于中档住宅； 易家三代：配电箱集中安装式家庭控制产品。 系统可以提供的功能有：智能调光、家电管理、远程控制、家政保安、环境 设置和窗帘控制等功能。清华同方的e h o m e 数字家园主要是在智能大厦、智能 小区的建设中，提供完整的系统解决方案，产品以功能模块开发为主，采用国 外成熟的智能家居标准之上。 ( 2 ) 海尔的“e 家庭” 2 0 0 0 年9 月海尔提出“e 家庭”概念，并计划陆续推出以下的“e 家庭” 产品：家庭无线网络、整体智能厨房、整体卫浴、智能上网设备、e b o o k 、掌上 智能设备、指纹瞳孔识别系统、t a b l e tp c 等产品。 海尔的，“e 家庭”以海尔电脑作为控制中心，各种网络家电作为终端设备， 还有以海尔移动电话作为移动数字控制中心。在技术方面，海尔与微软合作， 利用微软的w i n d o w sm e 技术和海尔的网络家电技术，使“e 家庭”己具雏形， 海尔己推出了网络洗衣机、网络冰箱、网络空调、网络热水器、网络微波炉等 一系列信息家电的产品。 ( 3 ) 科隆的“现代家居信息服务集散控制系统” 科隆集团推出的“现代家居信息服务集散控制系统”，有效地集成了家电智 能控制、家电远程故障诊断及维护、远程互联网控制和家庭娱乐诸项功能。 嵌入式智能家居控制器的研究与实现 以上三种具有代表性的我国智能家居系统，是不同企业和科研单位从不同 角度和立场理解智能家居的结果：清华同方的智能家居控制系统主要是应用在 智能建筑方面，以综合布线为基础，而且采用欧美的技术标准，在系统结构和 功能上具有局限性：海尔则是从家电生产厂商的角度推出了系列化的家电产品， 系统完全是建立在所生产产品的基础上，难以成为具有通用性的标准；科隆的 “现代家居信息服务集散控制系统”提供完整的系统解决方案，但集散式的体 系结构和高集成度使系统在可扩展性和开放性方面受到很大限制。从局部的观 点出发对家居系统的研究都难免存在一定的局限性，传统的智能家居已难以满 足现代家庭中信息急剧增长的要求。各大企业厂商在推出概念性产品的同时， 也在寻求更为合理的家居系统解决方案。一个具有良好应用前景的家居系统必 须具有开放性和可扩展性，以及使用和维护的简单方便，这是由普通家庭的实 际情况所决定的。 由于智能家居系统现在还缺乏统一明确的国际标准，因此很多公司开发出 的产品使用的是自己组网技术和信息交换协议，有的核心技术没有对外公开， 技术复杂，不易掌握，有很多产品是针对特定的组网环境开发的产品，因此， 限制了其使用的范围，而且由于是少数几家公司约定的技术，相关第三方产品 缺乏，各个接入设备之间不能兼容，互操作性差，用户扩充系统很不方便，限 制了其进一步的发展，因而也没能广泛推广使用。 1 3 嵌入式系统在智能家居中的应用 嵌入式系统是嵌入到对象体系中的专用计算机系统。以嵌入式计算机为核 心的嵌入式系统是继i t 网络技术之后，又一个新的技术发展方向。它是以应用 为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠 性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。简单的说，嵌入式系统 集系统的应用软件与硬件于一体，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快 等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系。 p c 架构的智能控制系统出现于中国智能家居的萌芽阶段，基本上停留在向 使用者展示智能家居的概念，实用性不强，属于第一代。目前很多中国智能家 居厂商研制的基于单片机架构的智能控制系统在实用性、易用性和专业性方面 4 北京工商大学硕士学位论文 有了很大程度上的提高，属于第二代。而基于嵌入式系统的家庭智能系统在国 内才网0 刚出现，随着嵌入式技术更加广泛的应用，随着成本的逐步降低，中国 的智能家居最终将走向嵌入式。 目前人类已进入基于i n t e m e t 的后p c 时代，其主要特征为计算机作为组成 成份紧密嵌入于消费品和工业品中。后p c 时代的到来完全依赖于嵌入式技术 的诞生与发展。嵌入式系统在通讯产品、家用电器、医疗器械、汽车制造、航 空航天等领域的无限应用空间已使其成为促进信息产业发展，加速传统产业改 造的最为实用的高新技术。传统的i t 设备逐渐转变为嵌入式设备，这是一个大 趋势。在这个大趋势中，小到智能卡、手机、水表，大到信息家电、汽车，甚 至飞机、宇宙飞船，我们的生活已经被嵌入式软件所包围。嵌入式技术的蓬勃 兴起为智能家居行业的发展指明了技术发展趋势，也提供了技术革新的有利武 器。 针对智能家居的应用需求，嵌入式系统具有以下特点： 夺随着3 2 位嵌入式微处理器的发展与普及，嵌入式系统的处理能力大大 增强，可以给您带来更加逼真的图像以及更加真实的语音等。 夺根据系统定制的实时操作系统不仅可以最大限度的利用硬件资源而且 还避免了过于庞大的系统造成系统冗余。 夺一般只有一颗主处理芯片，系统架构更加清晰简捷。 夺软件采用分层设计，方便维护和升级，大大提高了代码利用率，缩短开 发周期。 夺因为嵌入式技术是伴随着i n t e r n e z 而生的，所以它具有更加卓越的网 络性能，可以增加更多的网络应用。 夺嵌入式技术在中国智能家居行业已经有实际应用，开发出了功能完备的 产品。 1 4 嵌入式智能家居控制器在智能家居系统中作用与结构 嵌入式智能控制器是智能小区综合管理系统中的智能节点，它既是家庭自 动化系统的“大脑”，又是家庭与智能小区管理中一1 5 , 的联系纽带。它的特点包括 系统组合灵活，可根据住户的实际情况和需求增减各种功能模块；施工、维护 嵌入式智能家居控制器的研究与实现 简单方便；通信可利用现有的家庭设备如电话线等，也可以通过以太网、g p r s 模块等实现对外通信。 嵌入式智能控制器也是实现住宅智能化的关键设备。它向上连接到小区管 理中心，向下连接到家庭中各种不同的功能模块( 如各类家电等) ，构成家庭信 息控制网，实现家庭中所有相关信息点的数据采集( 如三表数据、防盗报警信息、 电器运行状态等) 和相关控制点的功能控制( 如开、关控制等) 。 以嵌入式智能控制器为核心的智能家居系统结构如图l _ 1 所示。 争昭 妙妙 智能控制器 通信网络单元 o 控制器主机 个 家庭设备自动化单元j 家庭安防单元 + 照 明 设 备 空 调 电 器 设 备 温 度 检 测 器 防 盗 检 测 器 煤 气 泄 漏 检 测 器 图1 1 智能家居系统基本结构图 其中嵌入式智能控制器，由一系列的功能模块组成，大致可分为： ( 1 ) 控制器主机，由中央处理器c p u 、及其附带的一些模块组成，它通过 总线与各种类型的模块相连接。根据其内部的软件程序，向其它模块发出各种 指令。 ( 2 ) 通信网络单元，由电话通信模块、以太网模块、g p r s 模块等组成，通 过它能和住宅以外的世界相联系。例如通过电话通信模块能实现对小区控制中 北京： 商大学硕士学位论文 心进行实时报警：通过以太网、g p r s 模块能实现对家庭内部家电进行实时监控 等。 ( 3 ) 家庭设备自动化单元，由照明监控模块、空调监控模块、电器设备监 控模块和电表、水表、煤气表数据采集和远传模块组成。其功能主要包括电器 设备的集中、遥控、远距离异地的监视、控制及数据采集等。 ( 4 ) 家庭安防单元，由火灾报警模块、煤气泄漏报警模块、防盗报警模块 和安全对讲及紧急呼救模块等组成，与家庭的各种传感器、功能按钮、探测器 及执行器，共同构成家庭的安防体系。 1 5 课题研究的预期目标与本人的主要工作及其创新点 1 5 1 课题研究的预期目标 根据研究领域的发展现状，及实验条件和基础设施，本课题拟分别从理论 上和实现上达到如下目标： 理论上：提出一个实用可行的以家居控制器为核心的网络系统的集成解决 方案，建立一个以混合传输媒介、多种数据传输手段相结合为特征的家庭网络， 解决不同终端的接入与兼容。 实现上：建立一个家居网络系统，完成家居控制器的软硬件设计，实现其 主要功能：( 1 ) 家庭安防，要求能够防火、防盗、防煤气泄漏等功能，在出现 异常情况时，不仅要能尽快通知小区管理中心，也要能及时通知户主；( 2 ) 家 电控制，在目前信息家电没有统一标准，不对家电进行改动的情况下，通过红 外控制是一种切实可行的办法；( 3 ) 家电管理，对家电信息数据进行维护和更 新，使系统能可靠运行；( 4 ) 可视对讲，通过在门岗等设置摄像头和视频采集 系统，在控制中心上实现可视门禁。 1 5 2 本人主要工作 在课题中，本人的主要工作集中在智能家居系统中智能控制器本身各个模 块的设计上，而不是对具体的对象的监控上，其主要内容如下： ( 1 ) 构建嵌入式智能家居控制器的硬件平台( 基于s 3 c 4 4 b o x 内核) ，并为硬 7 嵌入式智能家居控制器的研究与实现 件平台选择合适的操作系统( u c o s i i ) 。 ( 2 ) 由于肛c o s i i 本身不提供文件系统，而智能控制器，所采集的数据需要 以文件的形式进行存储，以便于操作、管理，同时基于控制器的应用程序 的编写，大部分是基于文件系统的，因而在课题中将为控制器的f l a s h 存储器开发一个文件系统，实现f l a s h 控制器中所存储的数据能文件化操 作和管理。 ( 3 ) s 3 c 4 4 8 0 x 本身不自带u s b 控制器，因而，在课题中将开发一个u s b 接 口，使得由s 3 c 4 4 b o x 、u s b 控制器及f l a s h 存储器组成的设备端实现u 盘功能，这样，就使得应用程序，网页等从p c 机到控制器存储器的传输 实现高速化。 ( 4 ) 移植t c p i p 协议栈，编写网卡驱动，开发w e b 服务器，实现控制器的网 络化。 ( 5 ) 为控制器添加g p r s 模块，并初步实现基于g p r s 的无线通讯方案。 ( 6 ) 研究设计基于模糊控制算法的模拟空调系统，实现通过网络、键盘等对模 拟空调系统的模糊控制，同时测试智能控制器的监控、网络性能。 1 5 3 创新点 本课题主要创新点如下： ( 1 ) 对于控制器自身来说，控制器实现了u s b 接口，用户可以通过它下载用户 程序与网页等资料，与传统的通过仿真器下载用户程序，通过串口下载网 页等相比，实现了高速化。 ( 2 ) 对于整个智能家居控制系统来说，课题采用传统的有线以太网通信及中国 移动的g p r s g s m 无线通信相结合的方式实现控制器的网络通信功能，使 数据通信通道稳定可靠，以确保监控中心指令的正确接收和识别以及采集 数据的实时、准确传输。同时，使得控制器的应用在地域上所受限制大大 减弱。另外，也给用户提供了灵活的网络接入方式，用户可以根据实际情 况选择必要的网络接入方式。 课题的部分研究成果，将在首届国际创新计算、信息和控制会议 ( i c l c i c 2 0 0 6 ) 上讨论，或已经在北京工商大学学报等刊物上发表。 北京工商大学硕士学位论文 第2 章嵌入式控制器硬件平台的构建与操作系统 的选择 2 1 嵌入式控制器的硬件平台构建 2 1 1 核心芯片简介随鲫 系统中采用s 3 c 4 4 b o x 微处理器作为控制器主机，它是韩国三星( s 锄s u n 2 ) 公司开发的一颗功能强大的a r m 7 系列处理器，价格低廉，能开发出十分具有 竞争力的产品。 其内部基本组成如下： 夺1 6 3 2 位r i s c ( a r m 7 t d m i ) c p u 核 夺8 k b 指令数据c a c h e ，或可选的内部高速s r a m 夺l c d 控制器( 可达2 5 6 色d s t n l 夺2 通道u a r t ( 内置1 6 b y t ef i f o ，并兼容i r d a l 01 夺4 通道d m a 夺8 b a n k 外部存储器接口。每个b a n k 有独立的片选口，寻址能力高达 3 2 m b b a n k 8 b a n k = 2 5 6 m b ，同时b a n k 6 & 7 还可外接各种 f p ，e d o s d r a m 夺6 通道多功能定时器p w m 发生器 夺7 1 条通用输入输出口 夺实时时钟( r t c ) 夺8 通道l o b i ta d c ( ；采样速率可到5 0 0 k s p s1 夺1 通道i i c 总线( 可工作于多主模式) 夺1 通道i i s 音频数据接口( 可工作于多主模式) 夺1 通道多功能同步串行口( 可工作于s p i s c i 模式) 夺多种省电工作模式 夺j t a g 调试口 嵌入式智能家居控制器的研究与实现 2 1 2 嵌入式控制器其它基本硬件组成及其功猷埘 上面介绍了控制器的核心芯片s 3 c 4 4 b o x ，它拥有8 b a n k 外部存储空间，下 面就以存储空间分配的角度介绍一下控制器的其它基本硬件结构及其功能。 b a n k o ：系统的启动r o m ( f l a s hr o m ) ，采用a m 2 9 l v l 6 0 d 芯片，它是a m d 公司生产的2 m 8 b i t 1 m x1 6 b i tn o rf l a s h 存储器。在系统复位的时候，处理 器的p c ( 程序计数器) 指针指向o x o 地址，即该段存储空间的首地址。在b a n k o 的起始地址的程序( b o o t l o a d e r ) ，就是系统的初始化程序。由于该段程序对于 整个系统的运行来说，起着重要作用，因而对其主要任务作一介绍： ( 1 ) 管理处理器的中断服务程序 处理器的中断是从o x o 地址开始，引导r o m 负责把这一部分的中断映射到 另一个区域，以便系统处理。这部分代码是三星主页上提供的，它把系统的中 断，映射到了不同的指针所指向的地址空间( 主要就是系统r a m 的空间) 。 ( 2 ) 初始化硬件平台，配置其他的b a n k s 3 c 4 4 b o x 的b a n k o 是通过外部的一个管脚提供的上拉、下拉电阻来配置的。 主要包括：数据位数( 8 位、1 6 位、3 2 位) ，数据格式( 大端、小端) 。而其他 的b a n k 的配置，以及读写周期等信息是靠b a n k o 内部的代码配置相应的寄存器 来实现的。同时，系统的引导r o m 也负责配置系统的其他的一些寄存器，比如， 系统的p l l ( 锁频环) 配置，系统的i o 口等一些端口功能的配置等等。 ( 3 ) 系统自动检测 引导r o m 负责检测系统的启动必须的外设是否正常。主要是系统的s d r a m 的检测。 ( 4 ) 系统的软件设置，更新系统 用户可以在系统启动的时候，按任意键，进入系统的软件设置状态。通过 引导r o m 设置或者查看系统的一些软件信息。包括：通过开启u s b 端口以传输 文件；l c d 显示测试；以太网地址的设置等。 ( 5 ) 引导系统 在系统引导的最后阶段，负责加载用户程序系统的s d r a m 中，然后，把p c 指针指向s d r a m 中程序的首地址，开始运行该程序。 b a n k l ：1 6 mn a n df l a s h ，采用三星公司的k 9 f 2 8 0 8 u o c ，非线性寻址，每 1 0 北京- 商大学硕士学位论文 次寻址需要3 次写入8 位地址线。用于存储用户程序，及网页等。 b a n k 2 ： u s b 设备端接口芯片，采用飞利浦的p d i u s b d l 2 ，占用系统外部中 断0 ，8 位数据总线。用于实现用户程序，网页资料等的高速下载。 b a n k 3 、b a n k 4 ：未接设备，可以共扩展使用。 b a n k 5 ：网卡芯片，采用r t l 8 0 1 9 a s ，i s a 总线兼容的i o m 以太网( p h y + m a c 层) 控制芯片。占用系统外部中断1 ，1 6 位数据总线。 b a n k 6 ：s d r a m ，起始地址为o x c 0 0 0 0 0 0 。在s d r a m 中，前5 1 2 k b y t e 的空间 划分出来，作为系统的l c d 显示缓冲区使用( 更新其中的数据，就可以更新l c d 的显示) 。系统的程序存储空间从o x c 0 8 0 0 0 0 开始。也就是，引导系统的时候， 需要把用户程序文件复制到o x c 0 8 0 0 0 0 开始的地址空间，把p c 指针指向 o x c 0 8 0 0 0 0 。 b a n k 7 ：未使用，可以扩展另一片s d r a m ，或者其他的外设。 另外，硬件平台中外部电源经过l m 3 1 7 稳压，并产生供给整个系统的3 3 v 电源，同时3 3 v 电源经过1 个二极管降压得到c p u 的核心工作电压为2 5 v ； 采用3 2 0 2 4 0 象素，2 5 6 色l c d ：通过z l g 7 2 8 9 驱动芯片与1 7 键小键盘连接； 两个r s 2 3 2 串口，以连接g p r s 模块等串口设备；j t a g 调试接口，便于系统的 开发。 2 1 3 嵌入式控制器硬件结构框图 图2 1 控制器基本的硬件结构图 控制器基本的硬件结构如图2 1 所示。其中，灰框部分的软硬设计，为本 1 l 一 嵌入式智能家居控制器的研究与实现 人在课题中的主要任务。 2 2 操作系统的选择1 传统嵌入式系统或控制系统的开发一般都是在硬件平台上直接编写监控程 序进行开发，从最原始的前后台系统到简单中断再到简单调度器的监控程序， 都是开发者直接从硬件上层开始编程的做法。而现在，随着嵌入式微处理器的 性能的大幅度提升，它能处理的软件复杂性越来越大，传统的做法己经不能满 足现代嵌入式系统的开发要求。 从八十年代起，国际上就有一些i t 组织、公司，开始进行商用嵌入式系统 和专用操作系统的研发。这其中涌现了一些著名的嵌入式系统，如m i c r o s o f t 公司的w i a c e 和w i n d r i v e r s y s t e m 公司的v x w o r k s 就分别是非实时和实时嵌入 式操作系统的代表。但是商用产品的造价都十分昂贵，用于一般用途会提高产 品成本从而失去竞争力。此o s $ 口p c l i n u x 操作系统是两种性能优良源码公开 且被广泛应用的的免费嵌入式操作系统，可以作为研究实时操作系统和非实时 操作系统的典范。 对于非实时系统，此l i n u x 当然是比较好的选择，因为它具有对多种文件 系统的支持能力、内嵌了t c p i p 协议，可以借鉴l i n u x 丰富的资源。但现代智 能家居系统中有许多安全系统需要有较好的实时可靠性。考虑到此0 s i i 源代 码开放，占用存储空间较小，实时性相当好，并且学习较为方便，课题中选择 了u c o s i i 操作系统。但由于，它本身没有内嵌文件系统，t c p i p 协议及接口 驱动等，因而系统软件平台的构件，还将涉及到这些部分的编写或移植。它们 将在下面一些章节进行介绍。 北京工商大学硕士学位论文 第3 章嵌入式控制器f l a s h 文件系统的设计 随着嵌入式系统越来越广泛的应用，嵌入式系统中的数据存储和数据管理 已经成为一个重要的研究课题。f l a s h 存储器是新型的可电擦除的非易失性只 读存储器，属于e e p r o m 器件，与其它的r o m 器件相比，其存储容量大、体积小、 功耗低，特别是其具有可编程擦写而不需要编程器擦写的特点，使它迅速成为 存储程序代码和重要数据的非易失性存储器，成为嵌入式系统必不可少的重要 器件。同时，为了合理地管理存储数据，进行数据共享，像嵌入r t o s 一样，在 嵌入式系统中嵌入文件系统也已经成为一种趋势“。 目前，在计算机上已经有很多成熟的文件系统，! i h f a t ，b r f f s 等。但是， 同一般的p c 机使用磁盘、光盘等存储介质不同，嵌入式设备一般只配有小容量 的r a m 、r o m 和f l a s h 。因此，这些文件系统一般不适合直接应用于嵌入式系统 中1 。 由于c o s i i 操作系统本身不提供文件系统，而嵌入式控制器的f l a s h 存 储器又需要一个文件系统的支持，以能够对存储在其中的网页、三表数据等内 容，实现文件化的操作与管理，另外控制器大部分应用程序的编写也需要文件 系统支持。因而，在本章中将参考f a t l 6 的格式，为控制器的f l a s h 存储器设 计一套文件系统。 3 1 文件系统原理分析 3 1 1 文件系统简介n 4 3 所谓文件系统，是操作系统中藉以组织、存储和命名文件的结构。大部分 应用程序都基于文件系统进行操作，在不同种文件系统上它们是不能兼容工作 的。 常用的文件系统有很多，m s d o s 和w i n d o w s3 x 默认情况下w i n d o w s9 8 也使用f a t l 6 ，w i n d o w s9 8 和 使用f a t l 6 文件系统， w i n d o w 持f a t l 6 、f a t 3 2 两种文件系统，w i n d o w sn t 则支持f a t l 6 、 sm e 可以同时支 n t f s 两种文件系 统w i n d o w s2 0 0 0 可以支持f a t l 6 、f a t 3 2 、n t f s 三种文件系统， 嵌入式智能家居控制器的研究与实现 支持多种文件系统，如f a t l 6 、f a t 3 2 、n t f s 、m i n i x 、e x t 、e x t 2 、x i a f s 、h p f s 、 v f a t 等，不过l if l u x 一般都使用e x t 2 文件系统。 f a t ( f i l ea 1 l o c a t i o nt a b l e ) 文件分配表系统是最常用的文件系统之 一，最早于1 9 8 2 年开始应用于m s d o s 中。f a t 文件系统的主要的优点在于它 可以允许多种操作系统访问。为了与p c 机文件系统兼容，在嵌入式系统设计中 一般使用标准的f a t l 2 1 6 3 2 文件系统。 3 1 2f a t 文件系统卷结构分析“4 要设计f a t 格式的文件系统，首先肯定要清楚f a t ( f a t l 2 f a t l 6 f a t 3 2 ) 文件系统卷( 卷可以理解为是一张软盘、一个硬盘或是一个f l a s h 电子盘) 的 结构。一个f a t 文件系统卷由四个部分组成： ( 1 ) 保留区( r e s e r v e dr e g