本科毕业设计论文智能家居系统设计开题报告.doc

摘摘 要要 本系统基于智能家居发展的现状 结合家具系统的仿真模型 设计以 S3C2410 芯片为核心处理器的智能家居演示系统 本系统利用嵌入式计算 机技术 网络通信技术 自动控制等技术 将与家庭生活有关的各种应用 子系统有机地结合在一起 通过综合管理 让家庭生活更舒适 安全 有 效和节能 可以利用手机短信 语音设备 联网 PC 机等方式实现对家用 电器 智能设备信息的统一监视 控制与管理 开发过程中 硬件上以博创公司的 UP 2410 开发平台为核心 外围扩 展 ZigBee 模块 GPRS 模块 语音识别模块 红外模块 传感器等 配合 1 20 比例的家居沙盘模型与宿主 PC 机完成开发 软件上基于 linux2 6 内 核进行目标机开发 宿主机使用 Fedora 与 WindowsXP 操作系统 Arm Linux 交叉编译环境 QT4 5 图形库 MySql 数据库进行开发 用到了内 核的配置编译与调试技术 模块化驱动程序的使用 根文件系统的制作等 技术 本系统最大特色在于着眼建立一个以 Internet 网络为依托 ZigBee 蓝牙等近程通信技术复合的多层通信结构 其中以嵌入式智能家居主机为 中心 其他单片机设备 嵌入式智能设备为终端节点组成一个星型网络 再连入 Internet 力求最大化的适应智能家居的应用需求 最终提供舒适安 全 高效节能 具有高度人性化的生活空间 最后 论文还结合试验论述了智能家居的组建步骤和设计原则 论证 了该行业的发展现状和应用前景 着重对 以人为本 的设计原则进行了 阐述和倡导 关键词关键词 智能家居 嵌入式系统 紫峰技术 WEB 服务器 ABSTRACT The system is based on the status of the development of Smart Home combined with the simulation model furniture system designed to S3C2410 processor chip as the core of the intelligent home demonstration system The system uses embedded computer technology network communication technology automation technology family life and a wide range of applications related to the combination of sub systems through integrated management so that family life more comfortable safe effective and energy saving Can make use of SMS voice equipment networking and other PC way of household appliances information equipment the unified intelligence surveillance control and management During the development hardwareis based on the UP 2410 development platform of Bochuang at the core the external expansion of ZigBee module GPRS module speech recognition module IR module sensors and so on with the 1 20 ratio of sand table model of the home and the host PC machine to complete development software core based on the target machine linux2 6 development the use of Fedora host and WindowsXP operating system Arm Linux cross compiler environment QT4 5 graphics library MySql database development use the kernel configuration compiler and debugging techniques the use of modular drivers root file system production technology The most prominent feature of the system is aimed to establish a network of Internet based ZigBee Bluetooth short range communication technologies such as multi storey complex communication structures with embedded smart home as the center console and other single chip devices for embedded smart devices terminal node of a star shaped network and then connected to the Internet seek to maximize the application to adapt to the demand for intelligent home and ultimately to provide a safe and comfortable energy efficient highly user friendly living space At last the paper also discusses the combination of smart home test of the formation of steps and the design principles demonstrated the industry s prospects for development and application of the status quo focusing on humanist design principles are described and advocacy Keywords Smart Home Embedded systems ZigBee technology WEB server 目目 录录 目 录 1 1 绪论 1 1 1 课题的来源及背景 1 1 2 国内外智能家居应用状况 1 1 3 主要研究内容 2 2 系统方案 4 2 1 系统功能设计 4 2 2 硬件方案设计 4 2 3 软件方案设计 13 2 4 功能与指标 18 2 3 实现原理 19 3 硬件框图 33 3 1 基于 S3C2410 芯片的最小 ARM9 系统 33 3 2 GPRS 模块 35 3 3 模拟输入模块 36 3 4 模拟输出模块 36 4 软件流程 设计 38 4 1 开发流程 38 4 2 软件功能设计 39 5 系统测试 54 5 1 系统测试概述 54 5 2 系统测试模型 54 5 3 系统测试的分类 55 5 4 测试结果 56 5 5 实现功能 57 总 结 58 致 谢 59 参考文献 60 附 录 61 主要程序源代码 61 1 MAIN CPP 61 2 MY CPP 61 3 MY H 67 4 TTY CPP 68 5 TTY H 71 6 ADDA CPP 72 7 ADDA H 76 8 DC MOTOR CPP 77 9 DC MOTOR H 78 后期开发文档 79 英文文献翻译英文文献翻译 84 1 1 绪论绪论 1 11 1 课题的来源及背景课题的来源及背景 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 21 2 国内外智能家居应用状况国内外智能家居应用状况 自从世界上第一幢智能建筑 1984 年在美国出现后 美国 加拿大 欧洲 澳大利亚和东南亚等经济较发达的国家先后提出了各种智能家居的 方案 智能家居在美国 德国 新加坡 日本等国都有广泛的应用 我国 将家庭智能化定义为 利用 4C 即计算机 通讯及网络 自控 IC 卡 技术 通过有效的传输网络 将多元化信息服务与管理 物业管理与安防 住宅智能化系统集成 为住宅小区的服务与管理提供高技术的智能化手段 以期实现快捷高效的超值服务与管理 提供安全舒适的家居环境 在 2000 年就已将建设智能化小康示范小区列入国家重点发展反向 这也必然促使 智能化走向家庭智能化的方向发展 智能家居可以定义为一个目标或者一 个系统 利用先进的计算机 网络通信 自动控制等技术 将与家庭生活 有关的各种应用子系统有机地结合在一起 通过综合管理 让家庭生活更 舒适 安全 有效和节能 与普通家居相比 智能家居不仅具有传统的居 住功能 还能提供舒适安全 高效节能 具有高度人性化的生活空间 将 一批原来被动静止的家居设备转变为具有 智慧 的工具 提供全方位的信 息交换功能 帮助家庭与外部保持信息交流畅通 优化人们的生活方式 帮助人们有效地安排时间 增强家庭生活的安全性 并为家庭节省能源费 用等 1 31 3 主要研究内容主要研究内容 本文基于智能家居发展的现状 开发过程中硬件上以博创公司的 UP 2410 开发平台为核心 外围扩展 ZigBee 模块 GPRS 模块 语音识别模 块 红外模块 传感器等 配合 1 20 比例的家居沙盘模型与宿主 PC 机 完成开发 软件上基于 linux2 6 内核进行目标机开发 宿主机使用 Fedora 与 WindowsXP 操作系统 Arm Linux 交叉编译环境 QT4 5 图形库 MySql 数据库进行开发 用到了内核的配置编译与调试技术 模块化驱动 程序的使用 根文件系统的制作等技术 本系统的特色在于着眼建立一个以 Internet 网络为依托 ZigBee 蓝 牙等近程通信技术复合的多层通信结构 其中以嵌入式智能家居主机为中 心 其他单片机设备 嵌入式智能设备为终端节点组成一个星型网络 再 连入 Internet 力求最大化的适应智能家居的应用需求 最终提供舒适安全 高效节能 具有高度人性化的生活空间 2 2 系统方案系统方案 2 12 1 系统功能设计系统功能设计 本次设计的智能家居系统的上位机部分主要由 ARM9 核心板 GPRS 模块 ZigBee 模块 温度采集部分 模拟输出部分组成 逻辑功能方框图如下 嵌入式主机 模拟输入模块 AD及接口电 路 模拟输出模块 DA及接口电 路 温度传感器 本次设计未 加 GPRS模块 ZigBee模块 图 2 1 功能模块示意图 2 22 2 硬件方案设计硬件方案设计 开发环境 1 博创科技的开发平台 UP tech2410s 实验箱一套 博创 UP Star 嵌 入式工程师认证考试开发板一套 博创科技 UP 2410 开发办一套 2 博创 GPRS 模块一件 3 ZigBee 模块一套 4 自制 1 20 比例家居仿真沙盘模型一件 5 蓝牙模块 6 IRDA 红外模块 7 摄像头一件 8 温度 湿度传感器各一件 2 2 1 核心处理芯片的选择核心处理芯片的选择 核心处理芯片需要完成处理和支持整个系统的功能需求 主要完成 AD DA 数据转换算法 提供实时的 GPRS 与 ZigBee 通信 完成短信息 接收 模拟量输出及 Web 服务器的功能 为完成上述功能 实现人机交互 对处理芯片进行选型 对比现有处 理芯片的优缺点 选择 ARM9 S3C2410X 芯片作为系统的核心处理芯片 S3C2410X 微处理器是一款由 samsung 公司为手持设备设计的低功耗 高 集成度的基于 ARM920T 核的微处理器 为了降低系统总成本和减少外围 器件 这款芯片还集成了以下部件 16KB 指令 Cache 16KB 数据 Cache MMU 外部存储器控制器 LCD 控制器 NAND FLASH 控制器 4 个 DMA 通道 3 个 UART 通道 1 个 IIC 总线控制器 1 个 IIS 总线控 制器 4 个 PWM 定时器 1 个内部定时器 通用 IO 口 实时时钟 8 通 道 10 位 ADC 和触摸屏接口 USB 主 USB 从 SD MMC 卡接口等 因其具有低功耗 高集成度等优点 最终选用博创公司的 UP 2410 作 为试验平台 验证智能家居系统设计及开发的可行性 2 2 22 2 2 远程通信模块的选择远程通信模块的选择 通信模块需要完成远程的无线通讯的功能 目前主流的无线传输技术 主要有 GPRS 与 CDMA 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 CDMA Code Division Multiple Access 码分多址 是在数字技术上 的分支 扩频通信技术上发展起来的一种新的无线通信技术 CDMA 技术 的原理是基于扩频技术 即将需传送的具有一定信号 带宽信息数据 用 一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制 使原数据信号的带宽 被扩展 再经载波调制并发送出去 接收端使用完全相同的伪随机码 与 接收的带宽信号作相关处理 把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解 扩 以实现数据传输 本系统选用的是 GPRS 无线传输技术 其具有实时在线 高速传输等 优点 符合本系统传输模块的功能要求 2 2 32 2 3 近程通信模块的选择近程通信模块的选择 长期以来 低价 低传输率 短距离 低功率的无线通讯市场一直存 在着 自从 Bluetooth 出现以后 曾让工业控制 家用自动控制 玩 具制造商等业者雀跃不已 但是蓝牙技术尽管有许多优点 但仍存在许多 缺陷 对工业 家庭自动化控制和工业遥测遥控领域而言 蓝牙技术显得 太复杂 功耗大 距离近 组网规模太小等 而工业自动化 对无线数据 通信的需求越来越强烈 而且 对于工业现场 这种无线数据传输必须是 高可靠的 并能抵抗工业现场的各种电磁干扰 智能家居网络传输数据量 小 无需太大的传输速度 家庭中的各种家电设备多 需要的网络容量大 信息的实时性要好 时延要短 ZigBee是近几年发展起来的一种短距离无 线通信技术 具有短距离 低功耗 低数据率 低成本 安全可靠等优点 ZigBee的技术特点决定了其能很好的满足智能家居网络的上述需求 2 2 42 2 4 模拟输入模块模拟输入模块 A D 转换器是模拟信号源和 CPU 之间联系的接口 它的任务是将连续 变化的模拟信号转换为数字信号 以便计算机和数字系统进行处理 存储 控制和显示 在工业控制和数据采集及许多其他领域中 A D 转换是不可 缺少的 A D 转换器有以下类型 逐位比较型 积分型 计数型 并行比 较型 电压 频率型 主要应根据使用场合的具体要求 按照转换速度 精度 价格 功能以及接口条件等因素来决定选择何种类型 方案一 并行比较型 AD 采用多个比较器 仅作一次比较而实行转换 又称 FLash 快速 型 电路规模极大 价格也高 只适用于视频 AD 转换器 等速度特别高的领域 方案二 串并行比较型 AD 结构上介于并行型和逐次比较型之间 称 为 Half flash 半快速 型 这类 AD 速度比逐次比较型高 电路 规模比 并行型小 方案三 逐次比较型 如 ADC804 逐次比较型 AD 由一个比较器和 DA 转换器通过逐次比较逻辑构成 从 MSB 开始 顺序地对每一位将输入电压与内置 DA 转换器输出进行比较 经 n 次比较而输出 数字值 其优点是速度较高 功耗低 在低分辩率 12 位 时价格很高 ARM S3C2410 芯片自带一个 8 路 10 位 A D 转换器 并且支持触摸屏 功能 ARM2410 开发板只用作 3 路 A D 转换器 其最大转换率为 500K 非线性度为正负 5 位 综合考虑本系统的成本 功耗 易用性等实际 需求以及核心板所提供的便利条件 基于在足够使用的情况下降低成本的 原则 选择 S3C2410 芯片自带的 8 路 10 位 A D 转换器 2 2 52 2 5 模拟输出模块模拟输出模块 D A 转换器的内部电路构成无太大差异 一般按输出是电流还是电压 能否作乘法运算等进行分类 大多数 D A 换器由电阻阵列和 n 个电流开 关 或电压开关 构成 按数字输入值切换开关 产生比例于输入的电流 或电压 方案一 电压输出型 如 TLC5620 MAX504 电压输出型 D A 转换 器虽有直接从电阻阵列输出电压的 但一般采用内置输出放大器以低阻抗 输出 直接输出电压的器件仅用于高阻抗负载 由于无输出放大器部分的 延迟 故常作为高速 D A 转换器使用 方案二 电流输出型 如 THS5661A 电流输出型 D A 转换器很少直 接利用电流输出 大多外接电流 电压转换电路得到电压输出 后者有两 种方法 一是只在输出引脚上接负载电阻而进行电流 电压转换 二是外 接运算放大器 方案三 乘算型 如 AD7533 D A 转换器中有使用恒定基准电压的 也有在基准电压输入上加交流信号的 后者由于能得到数字输入和基准电 压输入相乘的结果而输出 因而称为乘算型 D A 转换器 方案四 一位 D A 转换器 一位 D A 转换器与前述转换方式全然不 同 它将数字值转换为脉冲宽度调制或频率调制的输出 然后用数字滤波 器作平均化而得到一般的电压输出 又称位流方式 用于音频等场合 综合考虑本系统的成本 功耗 易用性等实际需求 本设计采用方案 一 并采用博创试验箱上提供的 MAX504 10 位 D A 转换器 它由单个 5V 电源供电 电压输出缓冲 内部 2 048V 参考电压 INL 2 1 LSB MAX 电压不随温度变化 可变的输出范围 0V VDD VSS VDD 上电复位 串行输出 2 2 62 2 6 直流电机模块直流电机模块 输出或输入为直流电能的旋转电机 称为直流电机 它是能实现直流 电能和机械能互相转换的电机 当它作电动机运行时是直流电动机 将电 能转换为机械能 作发电机运行时是直流发电机 将机械能转换为电能 而直流电动机则以其良好的线性调速特性 简单的控制性能 较高的效率 优异的动态特性 一直占据着调速控制的统治地位 在许多需要调速或快 速正反向的电力拖动领域中也得到了广泛的应用 PWM 控制技术 是利用半导体开关器件的导通与关断 把直流电压变成 电压脉冲列并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压的目的 因此问题 的关键是要产生 PWM 信号 产生 PWM 信号有 3 种方法 方案一 分立电子元件组成的 PWM 信号发生器这种方式是用分立的逻 辑电子元件组成 PWM 信号电路 是较早采用的方法 可靠性 可调性较差 方案二 软件模拟式利用单片机的一个 I O 引脚 通过软件对该引脚 输出高低电平来模拟 PWM 波 该方法占用 CPU 的时间较多 控制软件较复 杂 方案三 专用 PWM 集成电路采用芯片制造商生产专用的 PWM 集成电路 芯片 该方法功能强 但增加了调速系统的成本开销 综合性能指标 成本 易用性等方面考虑 本方案采用软件模拟式产 生 PWM 控制信号的方法控制电压 2 2 72 2 7 家居户型沙盘模型家居户型沙盘模型 在战争片中我们经常能看到作战指导人员在一个很大的沙盘前面布置 作战计划 或是在房地产展销会上出现的楼群与室内户型结构的沙盘 沙 盘将地形地貌或很大的物件浓缩到一张桌子大小的台子上 使我们可以微 观地观摩宏观的物体 是军事 科研 房地产 工业 农业 教学 影视 拍摄等领域的得力助手 而在以用户需求为中心的智能家居工程的开发中 沙盘模型的合理应用更是可以极大的方便开发 缩短迭代周期 相比实地 开发能够节省大笔经费 这些沙盘 或者叫作模型的 是一种技术和工艺都较高的美术作品 属于工艺美术的范畴 各个不同的时期制作沙盘的工艺和材料是不尽相同 的 即使是现代 每一家模型公司的制作工艺和用料也是不太相同的 下 面我们就其制作工艺和用材作一个探讨 沙盘有很多种 有军用的 有房地产用的 还有城建用的 1987 央视 版电视剧 红楼梦 里的北大观园 就是以一个民间老艺人制作的大观园 沙盘为蓝本而建造的 大一些的 带地貌特征的一般称为沙盘 小一点以 某种小型物件或是某些结构为蓝本而制作的称为模型 这里以房地产沙盘 模型为主 简要地介绍一下其制作流程 1 所需要的设备有 电脑 设计软件 AutoCAD 雕刻机 工作台 油漆喷 枪等 2 所需要的原材料有 各种厚度的有机玻璃板 各种厚度的 PVC 板 普 通海绵 大孔海绵 背胶纸 各色绒线末 粗鱼线 铜丝电线 0 5mm 漆 包线 涂料 各色油漆 绒面墙纸 三氯甲烷 干花 发胶 小彩灯等 3 所需要的工具有 美工刀 锯条刀 木工工具 电工工具等 制作流程如下 一 沙盘台子 首先 要将顾客交付持房地产平面布置图和施工图纸研究透 组装部 根据平面布置图及沙盘的比例来制作沙盘的台子 台子一般做成台球桌状 如果是大型的沙盘 要做成几个小台子 拼到一起 二 PVC 板喷漆 喷漆部根据楼房图纸的设色调出相应颜色的油漆来 喷在相应的 PVC 板上 送到设计部进行雕刻 三 雕刻楼房部件 设计部根据施工图按比例设计出楼房的结构 并在电脑上分解成不同 的板块 按施工的要求设计出墙面的花纹 房顶的瓦棱 窗子等 然后发 送到雕刻机在 PVC 板上雕刻出楼房的板块 送到制作部制作 四 组合楼房 制作部根据设计部送来的楼房板块 根据说明和粘合方式 用三氯甲 烷将 PVC 板块粘合成楼房的大致形状 窗子的形状是直接雕刻在 PVC 板上 的 用薄而透明的有机玻璃板粘在内部窗子的位置作为窗子的玻璃 五 置景 置景部根据组装部所作的台子和平面布置图 在台子上划分出平面布 局 用绿色绒面墙纸作为草地粘在绿化区 大孔海绵浸上绿色油漆晾干 裁成长条作为绿化带粘在小灌木区 如果布局中有水和湖泊 可以用波纹 面的有机玻璃板 背面喷湖蓝色漆 裁成河流或湖泊的形状放在相应的位 置 若是有高地 可将有机玻璃板或 PVC 板层层堆积并修整成形 再抹上 涂料填充缝隙 晾干后覆上草地 用灰色的背胶纸粘成公路 用白色背胶 纸刻成公路线标粘在上面 六 制作配件 制作部将铜丝电线剥皮 将铜丝拧成树干的形状 喷上漆 普通海绵 浸漆 晾干后粉碎 将树干的枝丫浸胶 粘上碎海绵 做成树 若是绿树 海绵可浸绿漆 若是秋天的树 可浸橙色漆 柳树可用 0 2mm 的漆包线拧 成树干与树枝 然后在树枝上粘上绿色绒线末 松树是将粗鱼线剪成细段 用夹子夹住 再将两根 0 5mm 的漆包线夹住绞动 松开夹子 就成了松树 的形状 修剪一下 粘上绿色绒线末即可 其它的花草可以用干花剪下来 染色来制作 用医用棉签或牙签做成路灯 泡沫塑料可以用刀片雕刻成假 山石的形状 喷上漆 七 整体组合 置景部将制作部送来的花草树木及楼房按布置粘在相应的地方 组装 部根据每栋楼房所在的位置 打孔并装上小彩灯 使楼房模型内部能发光 如同开灯的效果 并接好线路 设计部雕刻出楼房与路的标识 文字 做成小标牌 粘在相应的位置 以上是房地产楼群沙盘的制作流程 这些步骤可以分开进行 也可以 颠倒工作顺序 或是几个步骤同步进行 每一个模型工作室的工作流程都 不太相同 户型的模型制作起来比大型的沙盘要简单点 它大多用单独的小台子 用厚 PVC 板做墙 为了看清内部构造 外墙一般用透明的有机玻璃板来制 作 工业模型的做法和沙盘相似 也要依图纸按一定的比例缩小 雕刻出 板块 用三氯甲烷粘合 图 2 2 沙盘模型图 2 32 3 软件方案设计软件方案设计 2 3 12 3 1 开发方式开发方式 传统的单片机开发一般需要经过以下步骤 需求分析 硬件的选择设 计及调试 软件开发及调试 系统联调 嵌入式系统的开发也需要选择处 理器以硬件平台等 但增加了 RTOS Real Time Operation System 实时 操作系统 移植部分 RTOS 作为软件平台是应用程序的基础 编写应用程 序时不必过多考虑底层的工作 这两种开发方式的流程如图 2 2 所示 需需求求分分析析 选选择择处处理理器器及及 外外部部设设备备 选选择择嵌嵌入入式式 操操作作系系统统 基基于于嵌嵌入入式式操操作作系系 统统开开发发软软件件 程程序序有有问问题题 系系统统整整体体测测试试 开开发发结结束束 Y Y N N B B 基基于于嵌嵌入入式式平平台台开开发发流流程程 需需求求分分析析 开开发发结结束束 选选择择处处理理器器设设 计计硬硬件件系系统统 基基于于硬硬件件平平台台 编编写写软软件件 系系统统整整体体测测试试 硬硬件件 有有问问题题 软软件件 有有问问题题 修修改改硬硬件件 N N Y Y N N Y Y A A 传传统统开开发发流流程程 图 2 3 嵌入式系统两种开发方式对比 嵌入式系统开发分为软件开发部分和硬件开发部分 嵌入式系统在开 发过程中一般都采用了 宿主板 目标板 开发模式 即利用宿主机 PC 上丰富的软硬件资源及良好的开发环境和调试环境来开发目标板上 的软件 然后通过交叉编译环境生成目标代码和可执行文件通过串口 以 太网接口等方式下载到目标板上 完成整个开发过程 在软件设计上 整个开发过程基本包括以下几个步骤 源代码编写 编写源 C C 及汇编程序 1 程序编译 通过专用的编译器编译程序 2 软件仿真调试 在 SDK 中仿真软件运行状况 3 程序下载 4 软硬件测试调试 通过 JTAG 联合调试程序 5 下载固化 程序无误 下载到产品上生产 6 2 3 2 嵌入式系统的选择嵌入式系统的选择 当选定了硬件系统后 为了配合硬件达到系统的最优控制要求 对市 面上常用的嵌入式系统进行分析比较 1 价格比较 Linux 是完全免费的操作系统 只需遵循 GPL 声不需 支付任何费用 WinCE 是微软的商用嵌入式操作系统 使用它购买 WinCE 及其开发环境的费用 开发出来的每套产品也需交纳一定费用 uc os II 系统 可以免费用于学习或科研 但发商用产品或销售都是收费的 2 开放性比较 Linux 是源代码完全开放的操作系统 可以从由下 载 并且在遵循 GPL 声明的前提下可以自由地修改 移植 传系统的开发 和调试带来极大的便利 winCE 是部分源码开放的商用操如果要修改其中 的代码 需获得微软公司的授权 uc os II 也是开放的实时操作系统 3 文件系统的比较 Linux 支持绝大部分文件系统 只需在编选择 相应的文件系统即可 WinCE 仅支持 Windows 系列的 FAT16 有限文件系 统 uc os II 本身没有包括文件系统 需购买或移植 Linux 与 ARM 处理器从以上可以看出 Linux 系统在诸多方面都存在 优势 而且本身的 ARM 处理器与 Linux 也有着紧密的联系 因此我们采用 Linux 操作系统 2 3 32 3 3 开发软件开发软件 软件上基于 linux2 6 内核进行目标机开发 宿主机使用 Fedora 与 WindowsXP 操作系统 Arm Linux 交叉编译环境 QT4 5 图形库 MySql 数据库进行开发 用到了内核的配置编译与调试技术 模块化驱动程序的 使用 根文件系统的制作等技术 2 3 42 3 4 开发环境的建立开发环境的建立 配置开发主机 配置 MINICOM 一般参数为波特率 115200 数据位 8 位 停止位 1 无奇偶校验 软硬件控制流设为无 在 WINDOWS 下的超级 终端的配置也是这样 MINICOM 软件的作用是作为调试嵌入式开发板信息 输出的监视器和键盘输入的工具 配置网络 主要是配置 NFS 网络文件系 统 需要关闭防火墙 简化嵌入式网络调试环境设置过程 建立引导装载 程序 BOOTLOADER 从网络上下载一些公开源代码的 BOOTLOADER 如 U BOOT BLOB VIVI LILO ARM BOOT RED BOOT 等 根据自己具体芯片 进行移植修改 有些芯片没有内置引导装载程序 比如三星的 ARM7 ARM9 系列芯片 这样就需要编写烧写开发板上 flash 的烧写程序 网络上有免 费下载的 WINDOWS 下通过 JTAG 并口简易仿真器烧写 ARM 外围 flash 芯 片的程序 也有 LINUX 下公开源代码的 J FLASH 程序 如果不能烧写自 己的开发板 就需要根据自己的具体电路进行源代码修改 这是让系统可 以正常运行的第一步 如果你购买了厂家的仿真器当然比较容易烧写 flash 了 但是其中的核心技术是无法了解的 这对于需要迅速开发应用 的人来说可以极大地提高开发速度 下载别人已经移植好的 LINUX 操作系 统 如 UCLINUX ARM LINUX PPC LINUX 等 如果有专门针对你所使用 的 CPU 移植好的 LINUX 操作系统那是再好不过 下载后再添加自己的特 定硬件的驱动程序 进行调试修改 对于带 MMU 的 CPU 可以使用模块方 式调试驱动 对于 UCLINUX 这样的系统好像只能编译进内核进行调试 建 立根文件系统 从 下载使用 BUSYBOX 软件进行功能裁 减 产生一个最基本的根文件系统 再根据自己的应用需要添加其他的程 序 默认的启动脚本一般都不会符合应用的需要 所以就要修改根文件系 统中的启动脚本 它的存放位置位于 etc 目录下 包括 etc init d rc S etc profile etc profile 等 自动挂装文件系 统的配置文件 etc fstab 具体情况会随系统不同而不同 根文件系统在 嵌入式系统中一般设为只读 需要使用 mkcramfs genromfs 等工具产生 烧写映象文件 建立应用程序的 flash 磁盘分区 一般使用 JFFS2 或 YAFFS 文件系统 这需要在内核中提供这些文件系统的驱动 有的系统使 用一个线性 flash NOR 型 512K 32M 有的系统使用非线性 flash NAND 型 8 512M 有的两个同时使用 需要根据应用规划 flash 的分区方案 开发应用程序 可以下载到根文件系统中 也可以放入 YAFFS JFFS2 文件系统中 有的应用程序不使用根文件系统 而是直接将应用程序和内 核设计在一起 这有点类似于 UCOS II 的方式 烧写内核 根文件系统 应用程序 发布产品 配置网络 包括配置 IP 地址 NFS 服务 防火墙 网络配置主要是 要安装好以太网卡 对于一般常见的 RTL8139 网卡 REDHAT9 0 可以自动 识别并自动安装好 完全不要用户参与 因此建议使用该网卡 然后配置 宿主机 IP 为 192 168 0 121 如果是在有多台计算机使用的局域网环境使 用此开发设备 IP 地址可以根据具体情况设置 双击设备 eth0 的蓝色区域 进入以太网设置界面 对于 REDHAT9 0 它默认的是打开了防火墙 因此对于外来的 IP 访问 它全部拒绝 这样其它网络设备根本无法访问它 即无法用 NFS mount 它 许多网络功能都将无法使用 因此网络安装完毕后 应立即关闭防火墙 操作如下 点击红帽子开始菜单 选择安全级别设置 选中无防火墙 在系统设置菜单中选择服务器设置菜单 再选中服务菜单 将 iptables 服务的勾去掉 并确保 nfs 选项选中 配置 NFS 点击主菜单运行系统设置 服务器设置 NFS 服务器 英文为 SETUP SYSTEMSERVICE NFS 点击增加出现如下在界面 在目录 Drictory 中填入需要共享的路径 在主机 Hosts 中填入允许进行 连接的主机 IP 地址 并选择允许客户对享目录的操作为只读 Read only 或读写 Read write 对客户端存取服务器的一些其他设置 一般不需要设置 取默认值 当将远程根用户当作本地根用户时 对于操作比较方便 但是安全性 较差 最后退出时则完成 NFS 配置 我们也可以手工编写 etc exports 文件 其格式如下 共享目录 可 以连接的主机 读写权限 其他参数 例如 arm2410s 192 168 0 rw sync 表示将本机的 arm2410s 目录共享给 ip 地址为 192 168 0 1 192 168 0 254 的所有计算机 可以读取和写入 配置完成后 可用如下办法简单测试一下 NFS 是否配置好了 在宿主 机上自己 mount 自己 看是否成功就可以判断 NFS 是否配好了 例如在 宿主机 目录下执行 mount 192 168 0 10 arm2410s mnt 其中 192 168 0 10 应为主机的 IP 地址 然后到 mnt 目录下看是否可以列出 arm2410s 目录下的所有文件和 目录 则可以说明 mount 成功 NFS 配置成功 2 42 4 功能与指标功能与指标 2 4 12 4 1 系统功能系统功能 从面向应用的角度看 本文所实现的智能家居系统功能如下 1 墙灯或吊灯的开闭功能 2 室内温度 湿度 光线测量 3 室内温度 湿度控制 4 短信控制室内开关信号 5 使用联入 Internet 网的 PC 机或手持智能设备控制室内开关信号 2 4 22 4 2 系统指标系统指标 2 32 3 实现原理实现原理 2 3 12 3 1 GPRSGPRS 原理原理 ARM 嵌入式开发平台的 GPRS 扩展模块采用的 GPRS 模块型号为 SIM300 是 SIMCOM GSM GPRS 双频模块 主要为语音传输 短消息和数 据业务提供无线接口 SIM300 集成电路和 GSM 的基带处理器 应用范围十 分广泛 SIM300 模块为用户提供了功能完备的系统接口 60PIN 系统连接器是 SIM300 模块与应用系统的连接接口 主要提供提供外部电源 RS 232 串 口 SIM 卡接口和音频接口 SIM300 模块使用锂电池 镍氢电池或者其他 外部直流电源供电 电源电压范围为 3 3V 4 6V 电源应该具有至少 2A 的 峰值电流输出能力 本扩展模块需要单独的 5V 2A 的直流电源供电 经过芯片 MIC29302 稳压后得到 4 2V 电压供给 GPRS 模块使用 SIM300 提供标准的 RS 232 串 行接口 用户可以通过串行口使用 AT 命令完成对模块的操作 在应用设计中 当 MCU 需要通过串口与模块进行通讯时 可以只用三 个引脚 TXD RXD 和 GND 其他引脚悬空 建议 RTS 和 DTR 置低 本扩展 模块上采用 MAX3232 芯片完成 GPRS 模块的 TTL 电平到 RS232 电平的转换 以能和 ARM 开发平台的 RS232 串口连接 2 3 22 3 2 紫峰技术 紫峰技术 ZigBeeZigBee 原理 原理 Zigbee 是一种高可靠的无线数传输网络 类似于 CDMA 和 GSM 网络 Zigbee 数据传输模块类似于移动网络基站 通讯距离从标准的 75m 到几百 米 几公里 并且支持无限扩展 Zigbee 是一个由可多到 65000 个无线数据传输模块组成的一个无线数 据传输网络平台 在整个网络范围内 每一个 Zigbee 网络数据传输模块 之间可以相互通信 每个网络节点间的距离可以从标准的 75m 无限扩展 与移动通信的 CDMA 网或 GSM 网不同的是 Zigbee 网络主要是为工业 现场自动化控制数据传输而建立 因而 它必须具有简单 使用方便 工 作可靠 价格低的特点 图为家庭网络的总体结构 其中家庭网关是家庭网络的核心 是连接 家庭中彼此孤立分散的子网或网络用具 实现信息的交互和共享 并将家 庭内网和外部网连接 实现内外网络互通和鉴权的设备 实现家庭内部组 网方面 本系统采用 ZigBee 无线通信标准 网关全部采用无线通信方式 可以避免家庭布线的繁琐 方便了网关在家庭中的布置 可以将收发器连 接到锁 灯或您想监视或控制的任何设备的传感器上 这些贴有标签的设 备作为无线网络中的节点 和连接在网路协调器上的的中心节点进行通信 图 2 4 家庭网络的总体结构 2 3 32 3 3 WebWeb 服务器原理服务器原理 Web 服务器也称为 World Wide Web 环球信息网 服务器 主要功 能是提供网上信息浏览服务 它起源于 1989 年 3 月 由欧洲量子物理实 验室 CERN the European Laboratory for Particle Physics 所发展 出来的主从结构分布式超媒体系统 通过万维网 人们只要通过使用简单 的方法 就可以很迅速方便地取得丰富的信息资料 用户在通过 Web 浏 览器访问信息资源的过程中 无需再关心一些技术性的细节 Web 服务器 传送 serves 页面使浏览器可以浏览 然而应用程序服务器提供的是客户 端应用程序可以调用 call 的方法 methods Web 服务器可以解析 handles HTTP 协议 当 Web 服务器接收到一个 HTTP 请求 request 会返回一个 HTTP 响应 response 为了处理一个请 求 request Web 服务器可以响应 response 一个静态页面或图片 进行 页面跳转 redirect 或者把动态响应的产生委托给一些其它的程序例如 CGI 脚本 JSP 脚本 ASP 脚本 服务器端 JavaScript 或者一些其它的 服务器端技术 无论脚本的目的如何 这些服务器端的程序通常产生一个 HTML 的响应来让浏览器可以浏览 作为 Web 服务器 最重要的一点就是 Internet 的接入 因此网络接 口电路是不可或缺的 从硬件的角度来看 以太网接口电路主要由 MAC 控 制器和物理层接口两大部分组成 目前常见的以太网接口芯片 如 RTL8019 RTL8029 CS8900 DM9008 等 其内部也主要包含这两部分 s3C2410 芯片内嵌一个以太网控制器 支持媒体独立接口 MH 和带缓冲 DMA 接口 BDI 可以在半双工或全双工模式下提供 IoM 门 o0Mbps 的以太 网接入 53C2410 内部已经包含了以太网 MAC 控制 但并未提供物理接口 因此需要一片外接的物理芯片来提供以太网的接入通道 常用的高速以太 网物理层接口器件主要有 RTL820BL CS8900A 等 均提供 Mll 接口和传统 7 线 SNI Serial Network Interface 接日 可方便的与 53C2410 连接 2 3 42 3 4 ADAD 转换原理转换原理 A D 转换器是模拟信号源和 CPU 之间联系的接口 它的任务是将连续 变化的模拟信号转换为数字信号 以便计算机和数字系统进行处理 存储 控制和显示 在工业控制和数据采集及许多其他领域中 A D 转换是不可 缺少的 A D 转换器有以下类型 逐位比较型 积分型 计数型 并行比 较型 电压 频率型 主要应根据使用场合的具体要求 按照转换速度 精度 价格 功能以及接口条件等因素来决定选择何种类型 双积分式也 称二重积分式 其实质是测量和比较两个积分的时间 一个是对模拟输入 电压积分的时间 T0 此时间往往是固定的 另一个是以充电后的电压为初 值 对参考电源 Vref 反向积分 积分电容被放电至零所需的时间 T1 模 拟输入电压 Vi 与参考电压 VRef 之比 等于上述两个时间之比 逐次逼 近型 也称逐位比较式 的 A D 转换器 应用比积分型更为广泛 其主要由 逐次逼近寄存器 SAR D A 转换器 比较器以及时序和控制逻辑等部分组 成 它的实质是逐次把设定的 SAR 寄存器中的数字量经 D A 转换后得到 电压 Vc 与待转换模拟电压 V 进行比较 2 3 52 3 5 DADA 转换原理转换原理 D A 转换器的内部电路构成无太大差异 一般按输出是电流还是电压 能否作乘法运算等进行分类 大多数D A 换器由电阻阵列和n 个电流开关 或电压开关 构成 按数字输入值切换开关 产生比例于输入的电流 或 电压 电压输出型D A 转换器虽有直接从电阻阵列输出电压的 但一般 采用内置输出放大器以低阻抗输出 直接输出电压的器件仅用于高阻抗负 载 由于无输出放大器部分的延迟 故常作为高速D A 转换器使用 电流 输出型D A 转换器很少直接利用电流输出 大多外接电流 电压转换电路 得到电压输出 后者有两种方法 一是只在输出引脚上接负载电阻而进行 电流 电压转换 二是外接运算放大器 2 3 62 3 6 直流电动机直流电动机 PWMPWM 电路原理电路原理 直流电机基本概念 输出或输入为直流电能的旋转电机 称为直流电机 它是能实现直流 电能和机械能互相转换的电机 当它作电动机运行时是直流电动机 将电 能转换为机械能 作发电机运行时是直流发电机 将机械能转换为电能 而直流电动机则以其良好的线性调速特性 简单的控制性能 较高的效率 优异的动态特性 一直占据着调速控制的统治地位 在许多需要调速或快 速正反向的电力拖动领域中也得到了广泛的应用 晶体管的导通时