【毕业学位论文】（Word原稿）基于linux的智能家居系统设计与实现-软件工程

中图分类号： 学校代码： 10055 密级： 硕 士 专 业 学 位 论 文 基于 要 I 摘要 智能家居系统以网络通信技术和计算机技术为基础，近年来发展迅速，逐渐改变了人们的日常生活。 本文研究并实现了一套完整的智能家居解决方案，该方案 以 嵌入式 术和 络为基础，支持 用户通过浏览器远程访问 家庭网络系统实现对室内照明、家用电器、室内温湿度环境等的监测控制以及对室内的视频监控。家庭网络系统中的智能家居网关使用 处理器和嵌入式作系统，集中控制和管理智能家居系统中的各种设备。 本文主要研究内容包括： （ 1） 详细分析了智能家居系统硬件平台的构建需求，进行了选型和设计，采用了三星 理器（基于 片、数字温湿度传感器气监测、 进电机，完成了硬件平台的整体设计。 （ 2） 对 作系统内核和引导程序进行了裁剪和移植， 并定制了包括有嵌入式 务器 用程序的文件系统。 （ 3） 设计和实现了智能家居系统的软件，主要包括相关模块的的驱动程序。 （ 4） 使用 术实现了完整的智能家居系统管理程序。 关键词： 智能家居系统 嵌入式 设备驱动程序I is s a on is of of （ 1） of 3 （ 2） oa,a GI （ 3） （ 4） GI 录 录 摘要 . I . I 目 录 . 一章 引言 . 1 第一节 研究背景及意义 . 1 第二节 国内外研究现状 . 1 第三节 本课题研究内容 . 3 第四节 本课题预期目标 . 4 第二章 系统总体设计及方案确定 . 6 第一节 引言 . 6 第二节 系统设计目标 . 6 第三节 系统硬件方案选型 . 7 控制器选型 . 7 块选型 . 8 湿度传感器选型 . 9 雾传感器选型 . 10 第四节 系统软件方案选型 . 10 入式操作系统选型 . 10 入式图形库选型 . 11 第五节 系统整体方案确定 . 11 第六节 本章小结 . 12 第三章 物联网智能家居系统的硬件设计 . 13 第一节 系统方框图概述 . 13 第二节 家庭网关及其核心功能模块 . 14 源系统 . 14 统复位电路 . 15 行接口电路 . 16 口电路 . 17 目录 口电路 . 17 太网接口电路 . 18 储器电路 . 19 口电路 . 21 第三节 路设计 . 21 第四节 湿度采集电路设计 . 22 第五节 气检测电路 . 23 第六节 直流电机驱动电路 . 24 第七节 动电路 . 25 第八节 本章小结 . 25 第四章 系统 导加载程序移植 . 26 第一节 引言 . 26 第二节 嵌入式交叉环境的搭建 . 26 第三节 网络监控系统上的移植 . 28 第四节 本章小节 . 33 第五章 嵌入式 作系统移植 . 34 第一节 引言 . 34 第二节 嵌入式 核移植 . 35 第三节 文件系统制作 . 38 第四节 嵌入式 务器移植 . 42 第五节 本章小结 . 44 第六章 系统硬件接口设备驱动程序开发 . 45 第一节 引言 . 45 第二节 字符设备驱动程序的框架分析 . 45 符设备驱动程序简介 . 45 符设备驱动程序的运作方式 . 46 第三节 电灯驱动程序 . 47 灯控 制原理 . 47 灯驱动程序设计 . 47 第四节 空调驱动程序 . 49 流电机控制原理 . 49 目录 V 流电机驱动程序设计 . 49 第五节 温湿度驱动程序 . 50 湿度传感器的数据传输 . 50 湿度驱动程序设计 . 50 第六节 气检测驱动程序 . 52 气检测模块的工作原理 . 52 气检测驱动程序设计 . 53 第七章 系统应用程序开发及性能测试 . 55 第一节 引言 . 55 第二节 系统应用程序设计 . 55 体软件流程图 . 55 统主页面设计 . 57 络家电控制程序设计 . 58 络视频监控程序设计 . 59 湿度环境监控程序设计 . 60 气检测程序设计 . 61 第三节 系统性能测试 . 63 控板 序 . 63 气检测测试 . 64 络控制家电测试 . 65 络监控视频监控测试 . 66 第八章 总结与展望 . 68 第一节 主要工作 . 68 第二节 展望 . 69 参考文献 . 71 致谢 . 73 个人简历 在学期间发表的学术论文与研究成果 . 74第一章 引言 1 第一章 引言 第一节 研究背景及意义 随着现代科学技术飞速发展，人民的生活水平在不断的提高，与此同时，人民的生活节奏也在不断加快，传统的家居模式越 来越无法满足人民的生活需求，人类开始追求一种舒适与安全的家居环境，在这样的一个时代背景下，智能家居的概念开始产生并逐步走入人们的生活。 智能家居是以住宅为平台 ,集系统、结构、服务、管理、控制于一体 ,利用先进的网络通信技术、电力自动化技术、计算机技术、无线电技术 ,将与居家生活有关的各种设备有机地结合起来 ,通过网络化的综合管理家中设备 ,来创造一个优质、高效、舒适、安全、便利、节能、健康、环保的居住生活环境空间 1。 构建智能家居系统的一个首要条件就是搭建一个比较完善的家用通信网络，家居设备之间的数据信息可以通过 通信网络进行传递，家居监控系统通过相应的软硬件设施实时对家居设备进行信息采集、分析，将采集的数据通过家用网络传递给家庭网关进行处理。其次，为了用户能够很方便的对家电进行管理，还需要提供一个具备人机交互功能的管理平台，让用户能够随时登 录 平台对家电设备进行远程监控 与管理 。随着智能家居系统中各种技术的发展与软硬件设施的不断完善，智能家居能够满足人类对家居环境舒适、安全、环保、便捷等越来越高的需 求 ，缓解工作的压力，提高人民的生活水平。一个完整的智能家居控制系统 一般由以下几部分组成：智能家居中央控制系统、智能照明系统 、家居环境温湿度检测系统、安防系统、煤气报警系统、 家电设备的自动监测与遥控子系统 和 水、电、气三表数据采集与远端传送子系统等 2。 第二节 国内外研究现状 在国外 的智能家居发展史 中， 最早的载体是家居对讲技术在住宅中的实现。家居对讲技术的应用主要在 1950 年 1960 年期间，当时的家居设备只是简单的有线对讲设备，还没有出现现代的视频对讲技术。但是由于科技发展迅速，所第一章 引言 2 以在 1970 年 1980 年期间，国外在家居的对讲技术中研发了新的数字传输技术并将新的视频对讲设备广泛应用于家庭中。 1984 年，世界上第一幢智能建筑 在美国康涅迪格州落成，这栋意义非凡的建筑只是对一座旧式大楼的一定程度的改造而完成的。它只是采用计算机系统对大楼的空调、电梯、照明等设备进行监控，并提供语音通信、电子邮件、情报资料等方面的信息服务 3。 2000 年，新加坡有近 30 个社区的约 5000 户家庭采用了这种家庭智能化系统，而美国的安装住户高达 4 万户。 2003 年，网络化家居的建设带来了高达 4500 亿美元的市场价值，这其中有 3700 亿美元是智能家电硬件产品的价值，剩余的部分则是软件和技术支持服务的费用。现在，国外的智能家居系统技术己日趋成熟。在智能家居系统 研发方面 ， 美国及一些欧洲国家一直处于领先地位。近年来，以美国微软公司及摩托罗拉公司等为首的一批国外知名企业，先后挤身于智能家居的研发中。例如 :微软公司开发的 “梦幻之家 ”、摩托罗拉公司开发的 “居所之门 ”、 家庭主任 ”等均已日趋成稳得技术强占家居市场。 而在我国，智能家居产品的出现比较晚，应用也没国外的广泛。智能家居系统产品类型的应用主要是以安防为主，其它生活便利类的智能家居系统产品应用较少，出于成本问题大多只在高级住宅中实现较多，而普通民宅主要以普通安防系统的应用较广泛。在国内智能家居系统产品 的各类应用中，之所以安防类智能家居产品在国内应用广泛是由于国内的住宅主要以小区物业管理为主，在物业管理方面小区通过在楼房的主要安全通道和各楼层出入口上安装智能家居类安防类产品为其对整个小区实现智能化管理提供一定的便利，实现小区 的 防盗和火灾防护功能 4。而用户个人方面也有很大一部分出于双重保障的考虑也在自己的房屋内另外安装一套个人的智能家居安防类产品，使其即使出门在外也能通过远程网络客户端对家居的情况进行实时监控和报警，从而实现家居系统的远程视频监控和火灾防护等 功能 。 因此，无论是物业管理 还 是个人住宅用户均 可根据自身楼房的需要，在智能家居系统类产品进行一定的投资，从而建立一个成熟实用的住宅安全防护系统，以保障各住宅用户的生命安全和财产安全，并 对物业管理起到 优化住宅管理 的作用 。 而在对于一个完整的智能家居系统来说主要由智能家居数据处理主控机、特定功能传感器模块和报警模块组成。其中智能家居数据处理主控机是整个智能家居系统的核心部分，其对整个系统任何时刻采集的环境参数进行分析处理，只要智能家居系统在正常工作中，就保证智能家居数据处理主控机是第一章 引言 3 运行 的。特定功能传感器模块一般由各类专用的传感器组成，例如有毒气体检测传感器、 温湿度数据采集传感器等，该类传感器一般通过无线的模式与智能家居主控机连接，如果检测到家居内有异常，便向主控机发出危险信号，主控机接收到家居危险信号后查询后台情景处理机制，通过报警模块进行现场报警和住宅用户远程报警等。 从国内外的 智能家居 应用调研结果可以 看出 ，其 在国内的发展较欧美等发达国家起步较晚，目前还没有大规模的普及，具有标志性的工程是 1999 年建设部住宅产业化办公室与建设部勘察设计公司携手实施全国住宅小区智能化技术示范工程，这代表着我国智能家居建设的开始 5。虽然我国的智能家居各项技术都起步较晚，但全 球家居智能化市场巨大，面对广阔的市场前景，国内许多 括清华同方推出的“ e字家园”系统，这个系统具备社区的综合管理与维护等功能，目前已经得到了一定的应用；还有海尔推出的“ U居生活解决方案，该方案把家电设备通过信息传感器连接到互联网上，人们可以通过有线网络或者无线网络，方便地对家电信息进行查询与监控；中国电信“我的 E 家”和“工商 家具产品，都得到了一定程度的应用。全球的智能家居有着开阔的市场前景，受智能家居市场利润的影响，不同 的厂商都开始投入到这个领域当中，市场的争夺日趋激烈。目前国家正在大力推动智能家居的发展， 在 政府的支持与引导、家居市场的内在需求与推动 下 ，我国的智能家居产业正处于一个快速发展的阶段，智能家居正在逐步推广，整个系统将朝着智能化、网络化、多功能化与节能环保的方向发展。 第三节 本课题研究内容 1智能家居硬件平台的设计与实现 基于 智能家居系统设计与实现 首先需要一个稳定工作的硬件平台作为软件稳固运行的基础， 整个 智能家居系统的 硬件平台的搭建主要 基于 像头、 块、温湿度传感器、烟雾传感器等 各类 与系统功能实现相关的 传感器与主控板 发板 通信 ， 最后 实现智能家居的各个功能。 2 嵌入式操作系统软件 平台搭建和移植 智能家居系统的 硬件平台搭建 完成 后需要向其写入软件系统才能让整个智第一章 引言 4 能家居系统发挥作用，其中软件平台的搭建主要包括嵌入式 根文件系统 的制作与少些 、 形库的移植。 3 智能家居相应硬件驱动 的设计 在 传统的 嵌入式操作系统中，硬件驱动是连接应用层软件与底层硬件的枢纽，硬件驱动设计属于软件设计，但其要求设计者既要有软件开发知识也要有硬件基础，因此 硬件驱动设计 是 整个嵌入式系统开发流程中最难的一步。在 基于 智能家居系统设计与实现 中主要 涉及 到的硬件驱动程序有： 像头驱动程序、 温湿度传感器驱动程序、 直流电机驱动程序、 动程序、蜂鸣器驱动程序等。 4应用层软件的设计与实现 驱动程序设计独立出来后使得应用层软件设计的难度大大降低，当要操作底层硬件时一般由应用层软件调用驱动程序提供的系统 接口 ，比如应用层软件通过系统调用的方法调用底层硬件 实现 功能 需求 。 基于 智能家居系统设计与实现 中应用层软件采用 计，具有友好的用户交互界面。 第四节 本课题预期目标 经过一段时间 具体的研究，以及智能家居相关应用市场方面的的调研， 基于 智能家居系统设计与实现 从理论和实践上制定了一定的 预期目标。理论上，提出一套基于嵌入式 作系统 、 络和 络 为基础的智能家居解决 方案 ， 要完成这一预期目标，需要进行 相应的 作 系统移植和软件 平台的软件搭建，以解决软硬件的兼容问题；设计 智能家居系统相应的硬件 驱动 程序来为底层硬件与上层应用软件程序提供连接桥梁；设计智能家居具体 用层软件来最终实现整个智能家居系统的各个应用功能。智能家 居系统主要实现 的功能 如下： （ 1）视频监控功能 ： 通过 电脑浏览器可登录智能家居管理 站点 ，智能家居系统安装的 像头可以实时采集视频数据发送到网页终端，这样便能实现通过家里的摄像头 实现 实时的视频监控。 （ 2）网 站 控制功能 ： 通过电脑浏览器可登录智能家居管理网 站 后可以通过管理网 站 的相应按钮对家里的电灯、空调等设备进行控制，实现家居电器设备的远程控制功能。 第一章 引言 5 （ 3）烟雾检测报警：当智能家居系统配备的烟雾传感器检测到烟雾浓度过高时，表示家里发生了火灾，这时智能家居主控板会作相应处理，并通过系统的 块发送短信向 用户手机报警。 （ 4）温湿度采集显示：智能家居系统能实时采集家里的温湿度数据并在系统主控终端进行显示。第二章 系统总体设计及方案确定 6 第二章 系统总体设计及方案确定 第一节 引言 进行一个产品的设计，第一步要进行市场调研，了解了该产品的 类似 产品在市面上的形态以及各种不同方案的优劣。在经过了种种调查，下一步就具备了充分的知识进行产品的初步设计以及具备了几种实际方案的准备，剩下就是进行最佳方案的筛选 。 第二节 系统设计目标 智能家居 是 21 世纪才兴起的通过 先进的计算机 技术和通信、控制技术来 为不同住宅 建立 的 一个 具有家庭安全防护系统、 家庭自动化系 统 和网络服务系统等 各功能模块 组成的 ，为了实现 舒适的居住环境 、便利的通信网络和较全面的住宅安全防护的家庭住宅，智能家居是一个管理集成和家庭服务完善的集成系统。 智能家居 应用了当今时代最先进技术，其中包括自动控制技术、音视频技术、 综合布线技术、 安全防范技术和 网络通信技术 等， 智能家居采用物联网技术 将家居生活有关的设备 接入家居网中，使用户可随时通过 终端实时对家中的各种电器设备进行远程操控，并且可通过网络摄像头对家里进行实时监控 。 经过具体分析，初步 确定 了 基于 智能家居系统设计与实现 课题 ， 需要完成的主要设计目 标为：家居无线视频监控、电脑网 站 远程控制设备、烟雾安全检测报警和家居温湿度实时采集。 首先， 家居无线视频监控需要在 智能家居主系统板上安装一个 像头，主控板驱动 像头实时采集视频图像然后通过无线路由器将视频流数据转发出去，工作稳定后用户可随时 通过 电脑浏览器 登录 到 智能家居管理网 站 ， 此时 智能家居系统安装的 像头 实时采集 到 视频数据 会 发送到 相应的 网页终端，这样便能实现通过家里的摄像头对家里进行实时的视频监控。 其次，电脑网页远程控制设备目标的实现还是靠智能家居主控板连接上的无线路由与其他移动终端组成的局 域网实现设备的远程操控，由于家居的各种电器设备，如电灯、空调等是直接接入到智能家居主控板第二章 系统总体设计及方案确定 7 中的，所以当用户通过电脑浏览器 登录智能家居管理网页后 ， 可以通过 本人设计的 管理网页的相应按钮 可以直接控制 家里的电灯、空调等设备进行控制，实现家居电器设备的远程控制功能。 再次， 烟雾安全检测报警首先需要在智能家居主控板外围硬件电路中接入相应的烟雾传感器，并实时测量家居中各个地方的烟雾浓度当 家里发生了火灾， 则室内的烟雾浓度必定增加，此时 智能家居主控板 检测到烟雾传感器的变化后马上 通过系统的 块发送短信向用户手机报警。 最后， 智能家居系统需要接入高性能的温湿度传感器，以对家居的温湿度数据实施实时检测并在智能家居主控端的显示屏上显示，以供用户查看。 第三节 系统硬件方案选型 控制器选型 由于 基于 智能家居系统 涉及 到视频流数据的传输，属于大量数据的无线传输，因此对传输的实时性和可靠性要求比较高，需要选用硬件能力比较强悍的嵌入式类主控制器才能实现该要求。而市场上应用于智能家居 主控制器主要为 理器 和 理器 ，二者均可运行操作系统，因此硬件能力都比较适合本课题研究的的智能家居系统 。 一个 32 位处理器内核 ，也就是说 存储器的 接口是 32 位的接口，它的寄存器是 32 位的并且其内部的数据路径也是 32 位的模式。功能很多，但比较出色的几点是，首先 性能强劲，相比其它相同主频的处理器 处理更多的任务；其次 功耗极低，这就极大的延长了设备的电池寿命，所以 理器广泛应用于便携式设备的，如无线网络应用设备； 实时性好， 理器可以极速的响应系统或者其它终端，并且其 响应相应中断所需要的周期数也是确定的；成本低，虽然是 32 位的单片机，但是有些低成本的 体解决方案甚至比 8 位 /16 位的成本还低，因为 理器内部带有许多功能，可以节省一些外电路的设计 6。 理器的处理能力很大程度上是由系统的工作频率决定的， 常见的 理器的系统主时钟频率高达 100更高一级的 高可以达到 700理器有些系列具有芯第二章 系统总体设计及方案确定 8 片内部存储器，所以一般产品的设计可以不外扩 外置存储器。但是一般 理器都是用于操作系统的应用，需要大量的数据存储，而 理器内部存储器的容量都不会太大，所以在采用 理器设计系统时需要外扩存储器，但也有部分系列的存储器具有相对较大的内部存储器，只是成本相对较高 7。 考虑到 基于 智能家居系统需要用到较高的图形系统库来开发，虽然理器可以运行 形系统，但是由于目前广泛应用于 发的图形系统主要还是 形系统，而 形系统是依赖 统生存的，由于硬件限制 办法运行 统，所以本课题拟选用 理器作为 基于 智能家居系统 的主控制器 ，经过一定时间的了解友善之臂厂家生产的 发板在所有采用 理器的开发板中硬件做工比较好，并且软件资料也充足，所以本课题选用 发板作为开发系统 。 块选型 通用分组无线业务 (英文简称，是各大通信行业运营商适应社会需求而研发出来的一种新的承载技术 。 由于在网络资源的利用方 面 是利用电路交换的模式，所以 过允许用户在端到端之间分组的转移模式下实现数据的发送、接 收 ，提供了一种低成本和高效的分组无线数据业务。因此 分适用于频繁少量的、突发性强的和间断的数据传输，但也同样适用于偶尔大数据量的无线传输，因此 基于 智能家居系统采用 块来实现家居异常情况报警时短信的智能发送。 市场上的 块很多，价格区间也比较大，经过一定时间的挑选，本课题选用司生产的 块来设计。 23G 模块采用符合 SM +的三频主芯片设计，它支持 音通话、短信息收发、 模块配置有一个 座，一个电源启动按钮、一个模块复位按钮、一个电源指示 一个 络信号指示 个带来电提醒功能的蜂鸣器。 23G 比较人性化的一个设计是它配置了两个串口接口，分别是 平的 4 线串口和 平的 9 针串口，用户可通过跳线选择使用其中一个串口。模块电源为宽电压设计，允许输入直流5电源，另外模块设计了音频输入和输出接口，可以实现语音通话功能，第二章 系统总体设计及方案确定 9 但是本设计中暂时没用到该功能。 块如图 示。 图 23G 模块 湿度传感器选型 温度和湿度数据检测在智能家居系统中必不可少，为了减低硬件设计难度，基于 智能家居系统设计与实现 采用温度和湿度采集于一体的传感器，而没有采用独立的两个传感器做设计，经过筛选，决定采用 字温湿度复合传感器做设计，传感器实物如图 示。 图 字温湿度传感器 一款市面上比较成熟的具有自校准数字信号输出的数字温湿度复合传感器 。 字温湿度传感器最大优势是卓越的长期稳定性和可靠性，第二章 系统总体设计及方案确定 10 因为该传感器应用的是专门的温湿度传感器技术与数字模块采集技术来保证该特性。并且 字温湿度传感器功耗低和体积小的优点决定了其信号传输距离可到二十米以上，足够应付各种苛刻的应用场合，因此 字温湿度传感器是智能家居系统的首选 8。 雾传感器选型 体传感器常用于工厂、家庭和公司等室内场所的气体泄漏检测装置，其检测的有毒气体种类较多，包括 甲烷 、 丙烷 、 丁烷 、液化石油气、烟雾、氢气和酒精等气体的检测，而大多数家庭 均使用液化石油气，并且 体传感器成本不高，因此本课题采用 感器做为有毒气体检测传感器，传感器实物图如图 示 9。 图 体传感器 第四节 系统软件方案选型 入式操作系统选型 当有了性能强劲的 理器硬件芯片的支持，可选用的软件操作系统就比较多了。一般在嵌入式产品中应用比较多的操作系统有 作系统、作系统和 作系统。以上所说的三个操作系统中只有 第二章 系统总体设计及方案确定 11 作系统是不开源的，其它两个操作系统均为开源系统。考虑到整个毕业设 计过程中的可学习性，首先排除了 作系统。 作系统由于是实时操作系统，因此常用于工业控制方面，而 作系统是非实时操作系统，常用于消费电子方面。 作系统是一个小型操作系统，对于以图形库处理为主的软件应用比较吃力，而 作系统是一个在全球拥有最多维护者的开源操作系统，它可用于个人电脑的使用，因此对于本课题的智能家居系统的高要求，选用 作系统作为 控板的嵌入式操作系统比较合适。 入式图形库选型 智能家居系统要求具有一个友好的用户交互 界面，这就需要一个成熟的图形库系统支持 。虽然当今市场上已经充斥了各种优秀的图形库系统（即 用），但是由于 21 世纪 是计算机技术高速发展的时代，因此每当市场上出现了新技术或者新硬件时相应计算机操作系统、指令系统和体系结构都有可能发生重大的变化，这样就会造成了一个严峻的现象 ， 极大一部分原本已经很成熟的图形应用软件在新的硬件、软件环境下无法正常运行，这时候如果开发者舍弃原来成熟的软件系统重头开发的话，就是耗费公司大量的资金和人力资源，更重要的是浪费了公司现今已经很成熟的系统。 形库的出现解决了以上问题， 因为 形库在软件开发的源代码级别实现了跨平台的特性，实现了跨平台通用软件的开发，因此 形库这种跨平台性不但解决了软件的性能问题，还充分发挥了各软件、硬件平台的优势，使各个硬件、软件平台可以