智能家居系统设.doc

本科毕业设计 论文 题 目 智能家居系统设计 学生姓名 专业班级 学 号 院 系 计算机与通信工程学院 指导教师 职称 完成时间 毕业设计 论文 任务书毕业设计 论文 任务书 题目题目 智能家居系统设计智能家居系统设计 主要内容 基本要求 主要参考资料等 主要内容 基本要求 主要参考资料等 一一 主要内容 主要内容 1 熟悉基于嵌入式系统的开发方法 2 掌握 Linux 系统的移植 3 了解硬件接口电路 4 设计系统硬件和软件 二 基本要求 二 基本要求 1 完成智能家居系统硬件设计 2 完成智能家居系统软件设计 三 主要参考资料 三 主要参考资料 1 有关嵌入式系统开发方面的资料 2 有关 ARM 开发板方面的资料 3 有关 Linux 系统移植的资料 4 有关 Linux 设备驱动方面的资料 5 有关 GPRS 技术方面的资料 6 有关 ZIGBEE 无线技术方面的资料 完完 成成 期期 限 限 指指导导教教师师签签名名 专业负责人签名 专业负责人签名 年年 月月 日日 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 1 绪论 1 1 1 课题的来源及背景 1 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 1 2 1 国外研究现状 1 1 2 2 国内研究现状 2 1 2 2 未来发展趋势 4 1 3 主要研究内容 5 1 4 本章小结 5 2 家居系统方案设计 5 2 1 相关技术介绍与分析 5 2 1 1 ZigBee 技术 5 2 1 2 GPRS 技术 8 2 1 3 WIFI 无线网路通信技术 10 2 1 4 嵌入式 Web 服务器 12 2 2 智能家居系统总体功能设计 13 2 3 智能家居系统总体模块设计 14 2 4 本章小结 15 3 智能家居系统硬件设计 15 3 1 关于硬件选择标准 15 3 2 系统中的主要硬件 16 3 2 1 开发板 16 3 2 2 ZigBee 模块 26 3 2 3 GPRS 模块 31 3 3 本章小结 33 4 智能家居系统软件设计 34 4 1 关于 Linux 34 4 2 软件平台的搭建 35 4 2 1 BootLoader 的移植 35 4 2 2 Linux 内核的移植 37 4 2 3 根文件系统以及图形界面 GUI 的移植 41 4 3 软件功能模块设计 42 4 3 1 Linux 设备驱动程序 43 4 3 2 ZigBee 模块 43 4 3 3 GPRS 模块 44 4 3 4 Web 服务器 46 4 3 5 视频监控模块 47 4 4 本章小结 48 5 总结与展望 48 5 1 研究成果 48 5 2 后续的研究工作 48 致 谢 49 参考文献 50 智能家居系统设计 摘 要 随着经济的发展 人们开始期盼着拥有一个安全 舒适 节能和便 捷的家居环境 智能家居系统通过整合计算机技术 嵌入式技术 传感器 技术 网络通信技术以及自动控制技术 集中或远程监控家庭事务 集安 防控制 照明控制 多媒体娱乐 网络连接等功能于一体 满足信息时代 人们高品质的生活追求 智能家居系统在欧美发达国家发展比较早 技术 也比较成熟 但国内的应用正处在发展阶段 有着广泛的市场 因此 对 智能家居系统的研究有着重要的意义 本系统以 S3C2440 芯片为核心处理器 外围扩展 ZigBee 模块 GPRS 模块 红外模块 传感器等 采用嵌入式 Linux 操作系统和 Boa 嵌入式服 务器为软件平台 宿主机使用 Ubuntu10 04 与 Win7 操作系统 ARM Linux 交叉编译环境 QT 等进行开发 用到了内核的配置与调试 模块化驱动程 序 根文件系统的制作等技术 各模块通过 ZigBee 技术 WIFI 技术与中 央 控制器联系在一起 组成一个完整的系统 关键词 智能家居 嵌入式 ZigBee 网络 智能家居系统设计 ABSTRACT With the development of economy people are looking forward to have a safe comfortable energy saving and soThe Czech Republic and home furnishing environment Intelligent home furnishing system through the integration of computer technology embedded technology sensor technology network communication technology and automatic control technology centralized or remote monitoring for family affairs Ji an control lighting control multimedia entertainment network connections and other functions in one to meet the information age people the pursuit of high quality life Intelligent home furnishing system develops earlier in the western developed countries technology is mature but the domestic application is still in the development stage has a broad market therefore is of great significance to research the intelligent home furnishing system This system uses S3C2440 chip as the core processor peripheral expansion of ZigBee module GPRS module infrared sensor module etc using the embedded Linux operating system and Boa embedded server software platform The host using the Ubuntu10 04 and Win7 operating system ARM Linux cross compiler environment QT development Use the configuration and debugging the kernel module of the driver making the root file system technology Each module through ZigBee technology WIFI technology and the central controller together form a complete system KEYWORDS Intelligent home furnishing flushbonading ZigBee network 1 绪论 1 1 课题的来源及背景 信息技术的发展迅速 己深入人类生活的各个领域 并对人类的居住 环境和建筑业发展产生了巨大的影响 人们已开始追求充满信息技术 安 全技术 高效节能 并具有丰富人文环境的绿色住宅 不断加快的生活节 奏 使人们有了掌握海量信息的需求 急需有一个方便快捷的系统平台 把人们从繁重的家务劳作和繁琐的家电操作中解放出来 并能自动协助人 们生活的智能化系统 这就是智能家居系统 智能家居是信息技术和建筑 的完美结合 其目标是使人们拥有安全 舒适 便利 节能 娱乐和优美 的生活环境 这是新世纪住宅发展的必然趋势 传统的家居环境在满足人们最基本的需要的同时 也逐渐凸显了局限 性 比如 传统的家居没有室内灯光的统一管理 进出房间开灯不方便 不能够方便的做到人走灯灭 节约能源 传统家居环境的安全性能差 不 能够做到对于各种危险情况如煤气泄露 入室抢劫等的敏感反应 不能满 足远程对家居的智能监控 实时监控 集中监控 智能家居 又称智能住宅 在国外常用 Smart Home 表示 它一般是 以住宅为基础平台 综合建筑装潢 网络通信 信息家电 设备自动化等 技术 将系统 结构 服务 管理集成为一体的高效 安全 便利 环保 的居住环境 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 国外研究现状 1984 年世界上第一幢智能建筑在美国出现 随后日本 欧洲 澳大 利亚等世界上众多经济发达的国家先后提出了各种智能家居的解决方案 并逐渐得到广泛应用 自 20 世纪 60 70 年代以来 国外已经有不少的智 能家庭系统面世 但是由于没有解决各系统之间相互兼容性问题 因此相 关标准在全球尚未统一 目前有数种产品作为既成标准共存 这些产品主 要集中在美国 西欧和日本等地区 在美国 X 10 系统已于 70 年代后期 进入市场 80 年代后又有 LonWorks 系统 CEBus Consumer Electronic Bus Smart House 系统相继出现 在欧洲有 EHS European Home System 系统和 EIB European Installation System 系统 而在日本则有 HBS Home Bus System 系统 90 年代以后 智能家居网络进入了实用化和标准化的发展阶段 开 放性和包容性很强的 BACnet 协议于 1995 年诞生 并随即成为 ISO 国际 标准 这是智能家居网络在标准化建设上的一个里程碑式的成果 同时 一批批智能家庭网络工程投入实用 国外各大高新技术公司的研究成果纷 纷进入工程实施阶段 比较典型的研究性或示范性项目有 IBM 的网络 化家居和梦幻空间 Dream Space 工程 Honeywell 的家庭自动化工程 Cisco 的网络社区工程 Motorola 的智能家居工程 Invensys 的网络化家 居工程 MIT 的智能厨房研究项目 业利桑那大学的 WAV E S 工程和中 美科龙智控联合中心 中科院 广东科龙和美国业利桑那大学 的智能家 居项目等 1 2 2 国内研究现状 与国外相比 智能家居在中国的发展时间要晚很多 很多人将智能家 居在国内的发展过程划分为概念年 研发年 实验年 推广年以及普及年 几个阶段 2000 年是智能家居在中国的一个概念年 这时的智能家居刚 刚进入中国 一部分人通过广播电台 电视 报纸杂志等媒体的宣传 初 步了解了智能家居这个概念 以及智能家居带来的智能生活是怎样的 一 些嗅觉敏锐的厂商开始进入智能家居这个行业 经过四年的研究开发和 实验应用 到 2004 年的时候 智能家居已经开始在中国全面推广 在一 些豪华的公寓和住宅中已经看到了它们的踪迹 但由于产品本身价格过高 普通家庭难以接受 这个时期没有智能家居控制系统可言 家电产品都以 独立方式工作 到 2006 年的时候 一部分高档和中档的住宅小区和私人住宅 在控 制和管理上仅能实现一般意义上的智能化 此时宽带网进入了一般居民的 住宅和小区 为智能家庭网络功能的完善提供了一定的条件 我国关于智 能家庭网络系统的各种标准陆续出台 各种具有简单智能的终端产品根据 这些标准陆续研发出来 并逐步进入市场 但这时的市场上无论是硬件系 统 还是软件系统都没有出现针对个人家庭的智能家居控制系统 从 2007 年至今 智能家居的巨大市场潜力已经逐渐被众多厂商所认 识 很多厂商涉及此领域 致力于国内智能家居产品的研发和普及 国内 的智能家居品牌已经有数十个之多 比较著名的有青岛海尔 安居宝 上 海索博等 并成立了家庭网络标准产业联盟 ITopHome e 家佳 此 联盟是由海尔集团 清华同方 中国网通 上海广电集团 春兰集团 长 城集团 上海贝岭等七家公司发起组建 以推广家庭网络系统标准和平台 产业化 进而形成规模化的产品和市场为目的 该联盟以家庭网络系统为 中心 包括了电子 家电 通讯 计算机 网络运营等多领域企业 共同 探索家庭网络商业运作模式 为家庭网络技术发展方向及产业的可持续发 展提供产业环境 由此可以看出 我国智能家居主要走的是统一标准 生 产具备联网功能的智能家电产品 逐步普及的路线 从智能家居的发展来 看 这种方式符合智能家居的发展趋势 但是需要很长的一段时间 有很 长的路要走 1 2 2 未来发展趋势 智能家居融合了计算机 网络 自动控制 传感器等多种技术 各种 相关技术的进步 推动着智能家居的发展 智能家居未来的主要发展趋势 主要有以下几个方面 1 网络化 智能家居是基于网络环境的综合应用 包括远程监控 安防 报警 远程控制等 在简化操作流程的同时 方便人们的日常生活 网络 化已经成为建筑智能化的重要特征 2 标准化 智能家居目前没有一个统一标准 各个公司的产品各自为政 互不兼容 改变目前 各自为政 的情况 使不同厂家的产品可以互操作 方便在解决方案中采取质量等级适合的产品 组建个性化的系统 是以后 智能家居的发展方向 3 模块化 智能家居是一个复杂的系统 包含众多的模块 每个模块基 于统一标准的接口规范 可使设计独立的功能模块变得简单 同时增强系 统的可维护性 可扩展性 简化系统集成的过程 4 绿色环保 随着环境污染 温室效应的不断加重 绿色环保越来越受 到人们的重视 智能化建筑同样要符合绿色环保的发展要求 主要包括 节能 环保 资源的循环利用等 5 整合 在此引用耗资 6000 万美元建造高科技别墅的比尔 盖茨的点 他说 独立的智能家居早晚会被取代 未来的智能住宅最大的特色即为 整合 将由一套完整的网络服务将房屋内的灯光 保安 音频 视频 等一系列自动化程序整合在一起 智能家居最终目的是让家庭更舒适 更方便 更安全 更符合环保要求 当前如 远程网络接入 智能安防系 统 火灾报警系统 可视对讲门禁系统 可燃气体检测系统 远程抄表 水表 电表 煤气表 系统 紧急求助系统 远程医疗系统 智能家电 远程控制系统等等 各种新鲜的名词逐渐成为智能家居中的组成部分 随 着相关技术的不断发展以及人们对智能家居认识的不断深入 今后的智能 家居系统将拥有更加丰富的内容 1 3 主要研究内容 本系统以 S3C2440 芯片为核心处理器 外围扩展 ZigBee 模块 GPRS 模块 红外模块 传感器等 采用嵌入式 Linux 操作系统和 Boa 嵌入式服 务器为软件平台 宿主机使用 Ubuntu10 04 与 Win7 操作系统 ARM Linux 交叉编译环境 QT 等进行开发 用到了内核的配置与调试 模块化驱动 程 序 根文件系统的制作等技术 各模块通过 ZigBee 技术 WIFI 技术与中 央 控制器联系在一起 组成一个完整的系统 1 4 本章小结 本章主要介绍智能家居系统研究的背景及课题来源 国内外智能家居 系统现状 未来发展趋势和主要研究内容 2 家居系统方案设计 2 1 相关技术介绍与分析 2 1 1 ZigBee 技术 Zigbee 是基于 IEEE802 15 4 标准的低功耗个域网协议 根据这个协 议规定的技术是一种短距离 低功耗的无线通信技术 这一名称来源于蜜 蜂的八字舞 由于蜜蜂 bee 是靠飞翔和 嗡嗡 zig 地抖动翅膀的 舞 蹈 来与同伴传递花粉所在方位信息 也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成 了群体中的通信网络 其特点是近距离 低复杂度 自组织 低功耗 低 数据速率 低成本 主要适合用于自动控制和远程控制领域 可以嵌入各 种设备 简而言之 ZigBee 就是一种便宜的 低功耗的近距离无线组网通 讯技术 2 1 1 1 ZigBee 技术的优势 图 2 1 Zigbee 蓝牙 WIFI 传输标准对比 1 从图 2 1 中几种无线传输的属性中我们可以看到 Zigbee 的应 用范围是低速率远距离的 这造就了 Zigbee 低功耗信息传输的优势 网 上经常谈到两节普通的 5 号干电池可以使用 6 个月到 2 年的时间 免去充 电和更换电池的麻烦 2 相对于常见的无线通信标准 ZigBec 通过精简协议栈 最低要 求系统只要 8 位处理器再加上 4KBROM 和 64KBRAM 即可 大大降低了芯片 的成本 ZigBec 模块的初始成本为 6 美元左右 目标价格为几美分 且 Zigbee 免协议专利费 这将大大地减低了智能家居系统中的通信成本 3 智能家居系统作为家居设备的控制系统 其用户也非专业人士 对于安全性以及系统的可靠性稳定性要求比较高 Zigbee 提供了三级安全 模式 为系统中的数据传输提供安全保障 同时 多种机制的采用也为整 个系统数据传输提供可靠性保障 如物理层采用可在一定程度上抵抗干扰 的扩频技术 MAC 应用层 APS 部分 的应答重传机制 MAC 层采用 CSMA 机 制以及信道切换功能等 2 1 1 2 ZigBee 网络设备组成及拓扑结构 ZigBee 网络中 根据设备功能的不同 可分成了全功能设备 FFD 和 简化功能设备 RFD FFD 具有由标准指定的全部 IEEE802 15 4 功能和 特征 支持任何一种拓扑结构 可作为网络协调器和普通终端 并且可以 和任何一种设备进行通信 而 RFD 只是根据特点的应用需要实现了 IEEE802 15 4 协议的一部分 往往同时只和一个 FFD 关联 并只作为不 需要传输大量数据 需要最少的资源和存储容量来实现的普通终端 根据设备在网络中承担任务的不同 ZigBee 网络中的设备可分为 网 络协调器 路由器和终端设备 一个 ZigBee 网络中有且仅有一个网络协 调器 路由器节点只有在簇状网络和网状网络中存在 终端设备一般作为 边缘设备 不具备成为父节点或路由器的功能 负责与实际的监控对象相 连 同一网络中至少需要一个协调器 也只能有 1 个协调器 负责各个节 点 16 位地址分配 自动分配 理论上可以连上 65536 个节点 组网方式 千变网化 如图 2 2 所示 图 2 2 ZigBee 网络 2 1 1 3 ZigBee 的主要应用领域 图 2 3 ZigBee 应用领域 2 1 2 GPRS 技术 GPRS General Packet Radio Service 通用无线分组业务 作为第二 代移动通信技术 GSM 向第三代移动通信 3G 的过渡技术 是一种基于 GSM 的移动分组数据业务 面向用户提供移动分组的 IP 或者 X 25 连接 GPRS 能给用户提供端到端的 广域的无线 IP 连接 通俗地讲 GPRS 是一项无 线高速数据传输技术 它以分组交换技术为基础 用户通过 GPRS 可以在 移 动状态下使用各种高速数据业务 包括收发 E mail 进行 Internet 浏 览 即时聊天等 2 1 2 1 GPRS 的网络结构 GPRS 网络主要实体包括 GPRS 骨干网 GGSN SGSN 本地位置寄存器 HLR 移动交换中心 MsQ 拜访位置寄存器 JR 移动台 分组数据网 络 PDN 短消息业务网关移动交换中 C SMS GMSC 和短消息业务互 通移动交换中心 sMs IWMSC 等 GPRS 网络引入了分组交换和分组传输的概念 这样使得 GSM 网络对数 据业务的支持从网络体系上得到了加强 GPRS 其实是叠加在现有的 GSM 网 络的另一网络 GPRS 网络在原有的 GSM 网络的基础上增加了 SGSN 服务 GPRS 支持节点 GGSN 网关 GPRS 支持节点 等功能实体 GPRS 共用现 有的 GSM 网络的 BSS 系统 但要对软硬件进行相应的更新 同时 GPRS 和 GSM 网络各实体的接口必须作相应的界定 另外 移动台则要求提供对 GPRS 业务的支持 GPRS 支持通过 GGSN 实现的和 PSPDN 的互联 接口协议 可以是 X 75 或者是 X 25 同时 GPRS 还支持和 IP 网络的直接互联 图 2 4 GPRS 网络结构 2 1 2 2 GPRS 的技术优势 1 相对低廉的连接费用资源利用率高在 GSM 网络中 GPRS 首先引 入了分组交换的传输模式 使得原来采用电路交换模式的 GSM 传输数据方 式发生了根本性的变化 这在无线资源稀缺的情况下显得尤为重要 按电 路交换模式来说 在整个连接期内 用户无论是否传送数据都将独自占有 无线信道 在会话期间 许多应用往往有不少的空闲时段 如上 Internet 浏览 收发 E mail 等等 对于分组交换模式 用户只有在发送或接收数 据期间才占用资源 这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道 从 而提高了资源的利用率 GPRS 用户的计费以通信的数据量为主要依据 体 现了 得到多少 支付多少 的原则 实际上 GPRS 用户的连接时间可能 长达数小时 却只需支付相对低廉的连接费用 2 传输速率高 GPRS 可提供高达 115kbps 的传输速率 最高值为 171 2kbps 不包括 FEC 这意味着在数年内 通过便携式电脑 GPRS 用 户能和 ISDN 用户一样快速地上网浏览 同时也使一些对传输速率敏感的 移动多媒体应用成为可能 3 接入时间短分组交换接入时间缩短为少于 1 GPRS 是一种新的 GSM 数据业务 它可以给移动用户提供无线分组数据接入股务 2 1 3 WIFI 无线网路通信技术 Wi Fi 是一种能够将个人电脑 手持设备 如 Pad 手机 等终端以 无线方式互相连接的技术 Wi Fi 是一个无线网路通信技术的品牌 由 Wi Fi 联盟 Wi Fi Alliance 所持有 目的是改善基于 IEEE 802 11 标准 的无线网路产品之间的互通性 使用 IEEE 802 11 系列协议的局域网就称 为 Wi Fi 甚至把 Wi Fi 等同于无线网际网路 Wi Fi 是无线局域网中的 一大部分 Wi Fi 原先是无线保真的缩写 Wi Fi 英文全称为 wireless fidelity 在无线局域网 di 范畴是指 无线相容性认证 实质上是一种 商业认证 同时也是一种无线联网技术 以前通过网线连接电脑 而 2010 年则是通过无线电波来连网 常见的就是一个无线路由器 那么在这个无 线路由器的电波覆盖的有效范围都可以采用 Wi Fi 连接方式进行联网 如 果无线路由器连接了一条 ADSL 线路或者别的上网线路 则又被称为 热 点 2 1 3 1 WIFI 技术特性 更宽的带宽更宽的带宽 虽然 IEEE 启动了两个项目打算将 802 11 标准数据速率提高到千兆或 几千兆 但至今也还没有形成初稿 更实际一点的是 802 11n 标准将数据速率提高了一个等级 可以适应 不同的功能和设备 所有 11n 无线收发装置支持两个空间数据流 发送和 接收数据可以使用两个或三个天线组合 苹果最新的 Wi Fi iPod Touch 就含有一颗博通 Broadcom 的无线芯片 支持 11n 标准 很快将会有芯片支持三 四个数据流 数据速率可以分别达到 450Mbps 和 600Mbps 2009 年初 Quantenna 通信表示它已经研制成功 4x4 芯片 可以承载高清数字电视信号流 你可以通过 802 11s 标准将这些高端节点连接起来 形成类似互联网 的具有冗余能力的 Wi Fi 网络 更强的射频信号更强的射频信号 11n 中更多可选的性能特性将会出现在无线芯片中 无线客户端和无 线访问点利用这些芯片可以使射频 RF 信号更具弹性 稳定和可靠 换句 话说更象一个电线 无线芯片制造商 Atheros 公司的 CTO William McFarland 说 新的 11n 物理层技术将使 Wi Fi 功能更强大 在给定范围内数据传输速率更高 传输距离更长 这些性能特性包括 低密度奇偶校验码 提高纠错能力 发射波束形 成 它使用来自 Wi Fi 客户端的反馈 让一个访问点集中处理客户端的射 频信号 空间时分组编码 STBC 它利用多重天线提高信号可靠性 Wi FiWi Fi 功耗更低功耗更低 802 11n 在功耗和管理方面进行了重大创新 不仅能够延长 Wi Fi 智 能手机的电池寿命 还可以嵌入到其它设备中 如医疗监控设备 楼宇控 制系统 实时定位跟踪标签和消费电子产品 可以不断地监测和收集数据 可基于用户的身份和位置进行个性化 嵌入式 Wi Fi 无线数据通信厂商首脑会议宣布的 802 11a 无线通信以 各种插件形式提供 让设备使用不拥挤的 5GHz 波段 Gainspan 提供的 11b g 无线设备带有一个 IP 软件堆栈 电力消耗非常低 一块标准电池可 以运行几年 Redpine Signals 提供了一个单流嵌入到 11n 无线通信中 改进的安全性改进的安全性 IEEE 已经批准了 802 11w 标准 它保护无线管理帧 使无线链路更好 地工作 Wi Fi 客户端现在可以接收和采用 落地网络 信息 在此之前 这个信息可能是由攻破访问点的黑客利用 MAC 地址伪造的 11w 标准切断 了这种攻击 2 1 4 嵌入式 Web 服务器 随着 Interact 技术的兴起 在嵌入式设备的管理与交互中 基于 Web 方式的应用成为目前的主流 即大家非常熟悉的 B S 结构 使在嵌入式 设备上运行一个支持脚本或 CGI 功能的 Web 服务器 能够生成动态页面 在用户端只需要通过 Web 浏览器就可以对嵌入式设备进行管理和监控 非 常方便实用 嵌入式 Web 服务器的核心任务是在互联的嵌入式设备之间进行信息交 互 达到通过网络对嵌入式设备进行监控 主动上传反馈信息给主控设备 的目的 目前 成熟的嵌入式 Web 服务器很多 如 EmWare 公司的 emMicro GoAhead 公司的 GoAheadWebserver Allegro 公司的 RomPager Mbedthis 公司的 AppWeb SUN 公司的 Apache 还有 Boa PicoWeb ChipWeb Voyager Quiotix 等 本系统使用 Boa 服务器 Boa 是一个运行于 unix 或 linux 下的 支持 CGI 的 适合于嵌入式系 统的单任务的 http 服务器 源代码开放 性能高 可执行代码只有大约 60KB Boa 服务器同其他传统的 Web 服务器区别在于 当有连接请求到来 时 是通过建立 HTTP 请求列表来处理多路 HTTP 连接请求 并只为 CGI 程 序创建新的进程 而非通过复制自身进程来处理多连接或为每个连接单独 创建进程 这样最大程度上节省了系统资源 同时它还具有自动解压文件 自动生成目录等功能 因此 Boa 具有很高的 HTTP 请求处理速度和效率 在嵌入式系统中具有很高的应用价值 2 2 智能家居系统总体功能设计 智能家居系统的基本目标是为人们提供一个舒适 安全 方便和高效 率的生活环境 主要包括以下功能 家电控制家电控制 ZigBee 信号不受方向影响 穿透力强 可控制家中任何位置的电器 通过 ZigBee 红外转发器 以红外遥控和电源控制相结合的方式对传统家 电 如 电视机 空调 冰箱 电饭煲 淋浴器 微波炉等 进行控制以 及状态查询 门窗控制门窗控制 可以在室内任何位置以及远程对门窗以及窗帘进行打开关闭操作 具 备自动防风防雨功能 当检测到下雨刮风时 自动关闭窗户 灯光控制灯光控制 灯光控制系统用于实现对家庭内部所有灯具的智能集中控制与管理功 能 主要功能有 灯光调节 用于对电灯进行单个独立的开关调光等功能 也能对多个电灯进行分组控制 方便用不同灯光编排组合形式营造出特定 的气氛 智能调光 随意进行个性化的灯光设置 电灯开启时光线由暗逐 渐到亮 关闭时由亮逐渐到暗直至关闭 有利于保护眼睛 又可避免瞬间 电流对灯具造成的冲击 有效延长灯具的使用寿命 延时控制 在夜间外 出时 按下延时键 灯光会延时一段时间后熄灭 避免了夜间出门时的不 便 安防系统安防系统 采用指纹识别和射频卡组合的方式进行门禁控制 通过接入各种红外 探头 并可根据需要随时布防撤防 保卫生命和财产安全 通过接入气敏 传感器 温度传感器 全天候 24 小时监控可能发生的火灾 煤气泄漏 并可在发生报警时联动打开窗户 关闭气阀等动作 并通过短信告知主人 为家庭构建坚实的安全屏障 通过远程的网络访问 实时监控家中的状态 视频监控视频监控 视频监控的基本功能主要有 远程监控 可以进行实时本地和远程网 络监控 远程控制 可以实现远程对设备的各种控制 可以对图像质量 分辨率 图像缩放进行操作 视频存储 能够将视频数据本地存储 能够 在任何时候对这些数据进行回放 具备移动侦测功能 布防后能够发现移 动的物体并报警 2 3 智能家居系统总体模块设计 本系统以 S3C2440 处理器为核心 通过 ZigBee 无线模块传输指令 可 以控制诸如灯光 门窗 家电等 还能够通过 ZigBee 无线模块采集各种 传感器数据 随时获取家中的情况 如温度 湿度 空气质量等 当家中 出现特殊情况时 可向 GPRS 模块发送指令 通过短息通知房主 实现安 防系统 系统通过 WIFI 与 Internet 相连 配合摄像头实现远程访问和视 频监控 以下为总体模块设计框图 图 2 5 系统整体模块设计框图 2 4 本章小结 本章对智能家居系统设计的相关技术进行了介绍与分析 并给出智能 家居系统的整体功能设计以及总体模块设计 3 智能家居系统硬件设计 3 1 关于硬件选择标准 1 性能 处理器的性能从低端到高端差别巨大 价格也有相应的差别 不同的选择决定着系统的实用性和最终成本 处理器的选择要考虑其性能 既能够满足产品的需要又不造成性能过剩 做到物尽其用 2 成本 开发成本决定着产品的售价 决定着产品的竞争力 对于多 数情况来说 成本都是一个主要的考虑因素 智能家居系统中 央控制器 S3C2440 ZigBee 无线模块 灯光 控制 家电 控制 门窗 控制 红外 模块 温度 传感器 气敏 传感器 WIFI 模块 视频采集模块 GPRS 模块 电话短信 3 体积 尽管不同应用领域对产品形状体积的要求不尽相同 但随着 集成电路集成度的不断提高 电子产品的小型化是一个趋势 体积也是要 考虑的一个重要因素 4 功耗 节能环保已经成为时代的主题 尤其在智能家居领域 对功 耗的要求尤为突出 因此在进行硬件选型时也要将其作为一个考虑因素 3 2 系统中的主要硬件 3 2 1 开发板 本系统选用 Micro2440 开发板 Micro2440 开发板由核心板 Micro2440 和底板 Micro2440SDK 组成 3 2 1 1 Micro2440 核心板简介 图 3 1 2440 核心板布局图 如图 3 1 为 Micro2440 核心板布局图 它采用 6 层板设计 并使用 等长布线以满足信号完整性要求 从调试开发和方便维修的角度 我们把 主要芯片均放置在顶层 为了方便拔插和引出更多的 CPU 信号脚 核心板 采用 2 0mm 间距 U 插针 故我们也经常把它简称为 U 型核心板 U2440 Micro2440 其实是一个最小系统板 它包含最基本的电源电路 5V 供 电 复位电路 标准 JTAG 调试口 用户调试指示灯 以及核心的 CPU 和存储单元等 其中 FLASH 存储单元包含 NAND FLASH 和 NOR FLASH 两种 类型 通过跳线 J1 可以选择从 NAND 或 NOR 启动系统 一般 NOR FLASH 里面放置的是不经常更改的 BIOS 我们采用的是 supervivi NAND FLASH 里面则烧写完整的系统程序 bootloader 内核 文件系统等 Micro2440Micro2440 的具体硬件资源特性 的具体硬件资源特性 CPUCPU Samsung S3C2440A 主频 400MHz 最高 533Mhz SDRAMSDRAM 在板 64M SDRAM 32bit 数据总线 SDRAM 时钟频率高达 100MHz FlashFlash MemoryMemory 在板 256M Nand Flash 掉电非易失 可根据客户要求更高为为 64M 1G 在板 2M Nor Flash 掉电非易失 已经安装 BIOS 接口和资源接口和资源 1 个 56 Pin 2 0mm 间距 GPIO 接口 PA 1 个 50Pin 2 0mm 间距 LCD size 0 x00040000 offset 0 1 这里是 supervivi 的参数区 其实也属于 bootloader 的一部分 如果 u boot 比较大 可以把此区域覆盖掉 不会影响系统启动 对应 dev mtdblock1 name param offset 0 x00040000 size 0 x00020000 2 内核所在的分区 大小为 5M 足够放下大部分自己定制的巨型内核了 比如内核使用了更大的 Linux Logo 图片等 对应 dev mtdblock2 name Kernel offset 0 x00060000 size 0 x00500000 3 文件系统分区 友善之臂主要用来存放 yaffs2 文件系统内容 对应 dev mtdblock3 name root offset 0 x00560000 size 1024 1024 1024 4 此区域代表了整片的 nand flash 主要是预留使用 比如以后可以通过 应用程序访问读取 dev mtdblock4 就能实现备份整片 nand flash 了 name nand offset 0 x00000000 size 1024 1024 1024 static struct s3c2410 nand set mini2440 nand sets 这里是开发板的 nand flash 设置表 因为板子上只有一片 因此也就只 有一个表 0 name NAND nr chips 1 nr partitions ARRAY SIZE mini2440 default nand part partitions mini2440 default nand part static struct s3c2410 platform nand mini2440 nand info 这里是 nand flash 本身的一些特性 一般需要对照 datasheet 填写 大部分情况下按照以下参数填写即可 tacls 20 twrph0 60 twrph1 20 nr sets ARRAY SIZE mini2440 nand sets sets mini2440 nand sets ignore unset ecc 1 除此之外 还需要把 nand flash 设备注册到系统中 static struct platform device mini2440 devices initdata 5 编译内核 Make zImage 生成镜像文件 并烧写入开发板 4 2 3 根文件系统以及图形界面 GUI 的移植 现在大部分开发板都可以支持 yaffs2 文件系统 它是专门针对嵌入 式设备 特别是使用 nand flash 作为存储器的嵌入式设备而创建的一种 文件系统 早先的 yaffs 仅支持小页 512byte page 的 nand flash 现 在的开发板大都配备了更大容量的 nand flash 它们一般是大页模式的 2K page 使用 yaffs2 就可以支持大页的 nand flash 下面是 yaffs2 的移植详细步骤 1 获取 yaffs2 源代码 地址 2 为内核打上 yaffs2 补丁 cd yaffs2 patch ker sh c linux 2 6 32 2 3 在内核中添加 yaffs2 文件系统的支持 Make menuconfig 选择 file systems 如图 选择 Miscellaneous filesystems 中的 YAFFS2 file system support 用空格键选中 如图所示 4 编译内核 并烧写入开发板 待烧写完成后 将启动方式改为 Nand Flash 在超级终端中显示如下图所示 则表示烧写成功 4 3 软件功能模块设计 软件设计依据功能可分为 ZigBee 模块 GPRS 模块 视频监控模块 Web 服务器模块 嵌入式 Linux 设备驱动程序等 通过模块化分别进行调 试 最后在进行整合 4 3 1 Linux 设备驱动程序 Linux 设备驱动程序是操作系统内核与硬件之间的接口 主要工作是 完成对硬件寄存器的操作 屏蔽硬件的底层细节 简化应用程序对设备的 访问 Linux 系统将所有设备当做文件处理 主要分为三类 字符设备 块 设备 网络设备 在本系统中主要用到的驱动程序有 串口驱动 实现 PC 与开发板 开发板与 GPRS 模块的通信 COMS 摄像头驱动 实现视屏监控功能 USB 转串口驱动 实现开发板与 ZigBee 模块的通信 PWM 蜂鸣器驱动 实现报警功能 4 3 2 ZigBee 模块 ZigBee 模块主要实现两部分功能 1 将温湿度 空气质量等信息通过串口发送给中央控制器 2 接收中央控制器发送来的命令 将其转换成无线电波发送出去 实现 对家中各种设备的控制 例如 照明控制系统 数据发送流程图如下所示 N Y Y 图 4 2 ZigBee 模块数据发送流程图 数据接收流程图如下所示 N Y 图 4 3 ZigBee 模块数据接收流程图 开始 检测是否收到 数据 处理数据 开始 检测是否收到 数据 处理数据 结束 结束 4 3 3 GPRS 模块 GPRS 模块通过串口 2 与开发板相连 当有特殊情况发生时 中央控制 器通过向串口发送 AT 指令 控制 GPRS 模块发送短信或者拨打指定电话 常用的 AT 命令 具体流程图如下 N 图 4 4 GPRS 模块流程图 开始 初始化 是否收到 AT 指令 判断 AT 指令类型 拨打电话 延时 结束 发送短信 4 3 4 Web 服务器 Web 服务器的主程序实际是一个 HTTP 的套接字服务器 服务器在 TCP 的 80 端口 也可以