基于ARM9的智能家居监控系统

机械电子工程系本科毕业设计（论文）题 目 基于ARM9的智能家居监控系统（监控模块）的设计与实现 专业班级 07电信一班 学 号 学生姓名 指导教师 设计所在单位 2011年 5 月西安文理学院本科毕业设计（论文）指导教师评分表学生姓名学 号专 业电子信息工程班 级一班毕业设计（论文）题目基于ARM9的智能家居监控系统（监控模块）的设计与实现设计（论文）起止时间 2011年1月10日至 2011年5月20日指导教师评语：建议成绩：指导教师签名： 年 月 日西安文理学院本科毕业设计（论文）评阅教师评分表学生姓名学 号专 业电子信息工程班 级一班毕业设计（论文）题目基于ARM9的智能家居监控系统（监控模块）的设计与实现设计（论文）起止时间 2011 年1月10日至2011 年5月 20日评阅教师评语：建议成绩：评阅教师签名： 年 月 日西安文理学院本科毕业设计（论文）答辩记录学生姓名学 号专业名称电子信息工程答辩时间2011年5月20日答辩地点指导教师题 目基于ARM9的智能家居监控系统（监控模块）的设计与实现答辩小组成 员姓 名职 称姓 名职 称提问及回答情况记录： 记录人签字： 年 月 日答辩成绩：答辩小组组长签名： 年 月 日毕业论文成绩答辩委员会认定成绩毕业论文等级系（院）答辩委员会意见：负责人签名： 年 月 日注：1、毕业论文成绩=指导教师成绩40%评阅教师成绩20%答辩成绩40%；2、答辩委员会认定成绩是根据该生毕业设计期间的表现及该专业整体论文情况的综合评定成绩。3、论文等级分优秀（90分）、良好（8089分）、中等（7079分）、及格（6069分）、不及格（60分）。基于ARM9的智能家居监控系统（监控模块）的设计与实现摘 要：智能家居，又称智能住宅。它是以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。与智能家居的含义近似的还有家庭自动化、电子家庭、 数字家园、网络家居，智能家庭等。智能家居也可以定义为一个系统，即利用计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术、将与家居生活有关的各种子系统，有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。 本课题是基于ARM9的智能家居监控模块设计与实现，采用ARM9 内核的S3C2410处理器为控制芯片，再将Linux系统移植到硬件平台上，然后设计好相应的驱动程序和应用程序，最后将软件下载到硬件平台来对家电进行本地和远程控制。系统硬件主要完成家居设备状态的监控功能，而系统软件主要完成各个模块之间交互通信的功能。关键词：Smart Home；ARM9；Linux；嵌入式；智能家居The Design and Implementation of smart home monitoring system (control module) based on ARM9Abstract: Smart Home, also known as Smart Residential. It is residential as a platform, combining architecture, network communications, information appliances, equipment automation, collection system, structure, services, management for the integrated high-performance, comfort, safety, convenience, environmental protection, living environment. The meaning of intelligent home and were similar to Home Automation, Electronic Home, Digital family, Network Home, Inte1ligent home/building. Intelligent home can also be defined as a system. The use of computer technology, network communication technology, integrated wiring technology, home life and the various subsystems, the combination of management, through co-ordination, so that home life more comfortable, safe and effective. This topic is ARM9-based smart home remote monitoring system (control module) The Design and Implementation. We use the S3C2410 core ARM9 processor chip for the control of. Linux system and then migrate to the hardware platform, and then design the appropriate drivers and applications, and finally download the software to the hardware platform for local and remote home appliance control. The system hardware mainly complete household equipment state monitoring function, and system software to complete the main interactive communication between the various modules of the function.Keywords: Smart Home；ARM9；Linux；Embedded目录目录第一章 绪论11.1 选题的目的与意义11.2 研发背景21.2.1 ARM介绍21.2.2 嵌入式Linux介绍2第二章 嵌入式系统开发概述32.1 嵌入式系统的特点32.1.1 嵌入式系统通常是面向特定任务的42.1.2 嵌入式系统运行环境差异很大42.1.3 嵌入式系统比通用PC系统资源少得多42.1.4 低功耗、体积小、集成度高、成本低42.1.5 高效、可靠、稳定52.1.6 具有较长的生命周期62.1.7 目标代码通常是固化在非易失性储器中62.1.8 一般是实时操作系统（RTOS），系统有实时约束62.1.9 嵌入式软件开发走向标准化62.1.10 需要专用开发工具和方法进行设计72.1.11 嵌入式微处理器通常包含专用调试电路72.2 嵌入式系统的组成结构72.2.1 硬件基本结构72.2.2 软件的层次结构92.2.3 BootLoader9第三章 智能家居概述103.1 研究背景103.2 国内外研究现状113.2.1 国外研究现状113.2.2 国内研究现状12第四章 嵌入式Linux和嵌入式Linux开发环境134.1 嵌入式Linux134.2 嵌入式Linux开发144.3 交叉开发环境164.4 交叉编译和链接17第五章 智能家居基本模块及解决方案175.1 智能家居的基本功能模块185.2 家庭对外通信模块195.3 家庭网关模块195.4 家庭安全防范模块205.5 家庭设备自动控制模块20第六章 嵌入式系统平台的建立216.1嵌入式Linux开发环境的建立216.1.1 交叉编译工具链的安装216.1.2开发工具Qt的移植24第七章 模拟实现硬件设计307.1 Video4Linux 和USB摄像头驱动配置307.1.1Vedeo4Linux简介307.1.2OV511摄像头驱动的加载307.2 图像获取31结束语33致 谢34参 考 文 献35附录36第2页西安文理学院本科毕业设计（论文）第一章 绪论 当网络席卷整个社会，带来经济飞速发展的同时，也给人们的生活带来无限的惊奇。不断更新的生活方式，使得越来越多的人追求对生活的舒适度和享受度。智能家居作为新生力量呼之欲出，自然地走进了我们的生活，随之，引领新一代的数字家庭生活。 目前，智能家居在全球都呈现良好的发展趋势。国外，智能家居在美国、德国、新加坡、日本等国都有广泛应用。目前在新加坡也有近30个住宅小区近5000户的家庭采用了“家庭智能化系统”，美国已有近4万户家庭安装了这一类的“家庭智能系统”。三星已经开始在中、韩两国同时推出起智能家居系统。统计资料显示：2004年，家庭网络市场总额可达57亿美元，国际智能家居的产品销售额可达148亿美元。在国内，智能家居已经走过了“概念期”，正是基于对智能家居市场发展前景的展望，使得智能家居不断地纳入各研发单位、房产开发公司、网络公司下期的开发计划，也是竞相销售的卖点。他们正是基于对这个难得机遇的意识，开始为研究和开发相关系统和产品进行先期的部署和规划，越来越多的企业开始介入智能家庭网络这个全新的领域3。1.1 选题的目的与意义 本课题是基于ARM9的智能家居监控模块开发与实现，我们采用ARM9 内核的S3C2410处理器为控制芯片，再将Linux系统移植到硬件平台上，然后设计好相应的驱动程序和应用程序，最后将软件下载到硬件平台来对家电进行本地和远程控制。系统主要有GSM通讯模块和ARM9系统板两个部分组成。而系统软件主要完成各个模块之间交互通信的功能。 智能家居与普通家居相比，它不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间，还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，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，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。智能家居是数字家庭的一部分，只有将智能控制和上网功能集成起来，才形成真正意义上的数字家庭。数字家庭涉及的领域将综合生活中的娱乐、工作、投资理财、学习、医疗、教育等，是实现家庭内部、家庭和社会的实时性沟通的综合系统。数字家庭伴随着无线而产生，也使无线技术得到了充分的应用和体现。1.2 研发背景1.2.1 ARM介绍ARM公司是专门从事基于RISC技术芯片设计开发的公司,作为知识产权供应商,本身不直接从事芯片生产,靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片,世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核,根据各自不同的应用领域,加入适当的外围电路,从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场。目前,全世界有几十家大的半导体公司都使用ARM公司的授权,因此既使得 ARM技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持,又使整个系统成本降低,使产品更容易进入市场被消费者所接受,更具有竞争力。目前,采用ARM技术知识产权（IP）核的微处理器,即我们通常所说的ARM微处理器,已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场,基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器75以上的市场份额,ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。1.2.2 嵌入式Linux介绍Linux从1991年问世到现在，短短的十几年时间已经发展成为功能强大、设计完善的操作系统之一；可运行在X86、Alpha、Sparc、MIPS、PPC、Motorola、NEC、ARM等多种硬件平台，而且开放源代码，可以定制；可与各种传统的商业操作系统分庭抗争。越来越多的企业和研发机构都转向嵌入式Linux的开发和研究上，在新兴的嵌入式操作系统领域内也获得了飞速发展。嵌入式Linux的特点：第一，Linux系统是层次结构且内核完全开放。Linux是由很多体积小且性能高的微内核系统组成。在内核代码完全开放的前提下，不同领域和不同层次的用户可以根据自己的应用需要方便地对内核进行改造，低成本地设计和开发出满足自己需要的嵌入式系统。第二，强大的网络支持功能。Linux诞生于因特网时代并具有Unix的特性，保证了它支持所有标准因特网协议，并且可以利用Linux的网络协议栈将其开发成为嵌入式的TCP/IP网络协议栈。 此外，Linux还支持ext2、fat16、fat32、romfs等文件系统，为开发嵌入式系统应用打下了很好的基础。第三，Linux具备一整套工具链，容易自行建立嵌入式系统的开发环境和交叉运行环境，可以跨越嵌入式系统开发中仿真工具的障碍。Linux也符合IEEE POSIX.1标准，使应用程序具有较好的可移植性。传统的嵌入式开发的程序调试和调试工具是用在线仿真器（ICE）实现的。它通过取代目标板的微处理器，给目标程序提供一个完整的仿真环境，完成监视和调试程序；但一般价格比较昂贵，只适合做非常底层的调试。使用嵌入式Linux，一旦软硬件能够支持正常的串口功能，即使不用仿真器，也可以很好地进行开发和调试工作，从而节省一笔不小的开发费用。嵌入式Linux为开发者提供了一套完整的工具链（tool chain）。它利用GNU的gcc做编译器，用gdb、kgdb、xgdb做调试工具，能够很方便地实现从操作系统到应用软件各个级别的调试。第四，Linux具有广泛的硬件支持特性。无论是RISC还是CISC、32位还是64位等各种处理器，Linux都能运行。Linux通常使用的微处理器是Intel X86芯片家族，但它同样能运行于Motorola公司的68K系列CPU和IBM、Apple、Motorola公司的PowerPC CPU以及Intel公司的StrongARM CPU等处理器。Linux支持各种主流硬件设备和最新硬件技术，甚至可以在没有存储管理单元（MMU）的处理器上运行。这意味着嵌入式Linux将具有更广泛的应用前景。第二章 嵌入式系统开发概述本章主要描述嵌入式系统的特点及相关开发技术。2.1 嵌入式系统的特点由于嵌入式系统是应用于特定环境下，针对特定用途来设计的系统，所以不同于通用计算机系统。同样是计算机系统，嵌入式系统是针对具体应用设计的“专用系统”。它的硬件和软件都必须高效率地设计、“量体裁衣”、去除冗余，力争在较少的资源上实现更高的性能。它与通用的计算机系统相比具有以下显著特点：2.1.1 嵌入式系统通常是面向特定任务的嵌入式系统通常是面向特定任务的，而不同于一般通用PC计算平台，是“专用”的计算机系统。嵌入式系统微处理器大多非常适合于工作在为特定用户群所设计的系统中，称为“专用微处理器”，它专用于某个特定的任务，或者是很少几个任务。具体的应用需求决定着嵌入式处理器的性能选型和整个系统的设计。如果要更改其任务，就可能要废弃整个系统并重新进行设计。2.1.2 嵌入式系统运行环境差异很大嵌入式系统无所不在，但运行环境也差异很大，可运行在飞机上、冰天雪地的两极中、骄阳似火下的汽车里、要求温湿度恒定的科学实验室等。特别是在恶劣的环境或突然断电的情况下，要求系统仍然能够正常工作。这些情况对设计人员来说意味着要同时考虑到硬件与软件。“严酷的环境”一般意味着更高的温度与湿度。军用设备标准对嵌入式元器件的要求非常严格并且在价格上和商用、民用差别很大。比如英特尔公司的8086，当它用在火箭上时，单价竟高达几百美元。2.1.3 嵌入式系统比通用PC系统资源少得多通用PC系统有数不胜数的系统资源，可以轻松完成各种工作。你可以在自己的PC机上编写程序的同时播放MP3、CD、下载资料等等。因为个人PC拥有512MB内存、80GB硬盘空间并且在SCSI卡上连接着软驱和CD-ROM驱动器已是目前非常普遍的配置了。而控制GPS接收机的嵌入式系统，由于是专门用来执行很少的几个确定任务，它所能管理的资源比通用PC系统少得多。当然这主要是因为在设计时考虑到经济性，不能使用通用CPU。这就意味着所选用的CPU只能管理很少的资源，它的成本更低、结构更简单。2.1.4 低功耗、体积小、集成度高、成本低嵌入式系统“嵌入”到对象的体系中，对对象、环境和嵌入式系统自身具有严格的要求，一般的嵌入式系统具有低功耗、体积小、集成度高、成本低等特点；通用PC有足够大的内部空间提供良好的通风能力，但是系统中的奔腾或AMD处理器均配备庞大的散热片和冷却风扇进行系统散热。 而许多嵌入式系统就没有如此充足的电能供应，尤其是便携式嵌入式设备，即便是有足够的电源供应，散热设备的增加也往往是不方便的。因此嵌入式系统设计时应尽可能的降低功耗。整个系统设计有严格的功耗预算，系统中的处理器大部分时间必须工作在降低功耗的“睡眠模式”下，只有在需要任务处理时它才会“醒来”。软件必须围绕这种特性进行设计。因此一般的外部事件通过中断“驱动”、“唤醒”系统工作。功耗约束影响了系统设计决策的方方面面，包括处理器的选择、内存体系结构的设计等。系统要求的功耗约束很有可能决定软件是用汇编语言编写，还是用C或C+语言编写，这是由于必须在功耗预算内使系统达到最高性能。功耗需求由CPU时钟速度以及使用的其他部件（RAM，ROM，I/O设备等）的数量决定。因此，从软件设计人员的观点看来，功耗约束可能成为压倒性的系统约束，它决定了软件工具的选择、内存的大小和性能的高低4。能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在高度集成的SoC系统芯片内部，而不是微处理器与分立外设的组合，就能节省许多印制电路板、连接器等，使系统的体积、功耗、成本大大降低，也能提高移动性和便携性，从而使嵌入式系统的设计趋于小型化、专业化。嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，在在保证稳定、安全、可靠的基础上量体裁衣，去除冗余，力争用较少的软硬件资源实现较高的性能。这样，才能最大限度地降低应用成本，从而在具体应用中更具有市场竞争力。2.1.5 高效、可靠、稳定建立完整的嵌入式系统的系统测试和可靠性评估体系，保证嵌入式系统高效、可靠、稳定工作；嵌入式应用的复杂性、繁杂性要求设计的代码应该是完全没有错误的，怎样才能科学、完整的测试全天候运行的嵌入式复杂软件呢？首先，需要有科学的测试方法，建立科学的系统测试和可靠性评估体系，尽可能避免因为系统的不可靠造成巨大损失。其次，引入多种嵌入式系统测试方法和可靠性评估体系。在大多数嵌入式系统中一般都包括一些机制，比如看门狗定时器，它在软件失去控制后能使之重新开始正常运行。总之，嵌入式软件测试和评估体系是非常复杂的一门学科。2.1.6 具有较长的生命周期嵌入式系统是和实际具体应用有机结合的产物，它的升级换代也是和具体产品同步进行的。因此，一旦定性进入市场，一般具有较长的生命周期。2.1.7 目标代码通常是固化在非易失性储器中嵌入式系统的目标代码通常是固化在非易失性储器（ROM/EPROM/EPROM/FLASH）中；嵌入式系统开机后，必须有代码对系统进行初始化，以便其余的代码能够正常运行，这就是建立运行时的环境，比如初始化RAM放置变量、测试内存的完整性、测试ROM完整性以及其他初始化任务。为了系统的初始化，几乎所有的系统都要在非易失性存储器（现在普遍使用Flash）中存放部分代码（启动代码）。为了提高执行速度和系统可靠性，大多数嵌入式系统也常常把所有的代码（也常常使用所有代码的压缩代码）固化、存放在存储器芯片或处理器的内部存储器件中，不使用外部的磁盘等存储介质。2.1.8 一般是实时操作系统（RTOS），系统有实时约束嵌入式系统往往对时间的要求非常严格，嵌入式操作系统一般是RTOS。嵌入式实时操作系统随时都要对正在运行的任务授予最高优先级。嵌入式任务是时间关键性约束，它必须在某个时间范围内完成，否则由其控制的功能就会失效。比如控制飞行器稳定飞行的控制系统如果因反馈速度不够，其控制算法就可能会失效，飞行器在空中飞行会出问题。2.1.9 嵌入式软件开发走向标准化嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行。为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配RTOS（RealTime Operating System）开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。2.1.10 需要专用开发工具和方法进行设计从调试的观点看，代码在ROM中意味着调试器不能在ROM中设置断点。要设置断点，调试器必须能够用特殊指令取代用户指令，嵌入式调试己经发展出支持嵌入式系统开发过程的专用工具套件。2.1.11 嵌入式微处理器通常包含专用调试电路嵌入式系统一般是专用系统，而PC是通用计算平台嵌入式系统的资源比PC少得多嵌入式系统软件故障带来的后果比PC机大得多嵌入式系统一般采用实时操作系统嵌入式系统大都有成本、功耗的要求嵌入式系统得到多种微处理体系的支持嵌入式系统需要专用的开发工具2.2 嵌入式系统的组成结构嵌入式系统的硬件是嵌入式系统软件环境运行的基础，它提供了嵌入式系统软件运行的物理平台和通信接口；嵌入式操作系统和嵌入式应用软件则是整个系统的控制核心，控制整个系统运行、提供人机交互的信息等。由于嵌入式系统和实际应用对象密切相关，而实际应用非常繁杂，应用也日新月异，很难用一种构架或模型加以描述。2.2.1 硬件基本结构嵌入式系统的硬件架构如图2-1下半部分所示，是以嵌入式处理器为中心，配置存储器、I/O设备、通信模块以及电源等必要的辅助接口组成1。应用程序实时操作系统（RTOS）输入输出接口处理器/ARM核MMU/CacheSOC/SOPCUSBGPIOIISLCDUART和IrDAADC/DACFPGA/CPLDDSP/浮点运算协处理器DMA电源管理人机交互接口LCD/触摸屏、键盘、鼠标设备驱动程序、HAL、BSP文件系统/图形用户应用程序接口驱动层OS层应用层软件硬件以太网看门狗及复位电路Timer/RTCCANFlashEEPROMSDRAMSRAM内存图2.1 典型的嵌入式系统组成嵌入式系统是“量身定做”的“专用计算机应用系统”，又不同于普通计算机组成，在实际应用中的嵌入式系统硬件配置非常精简，除了微处理器和基本的外围电路以外，其余的电路都可以根据需要和成本进行“裁剪”、“定制化”（Customize），非常经济、可靠。嵌入式系统硬件核心是嵌入式微处理器，有时为了提高系统的信息处理能力，常常外接DSP和DSP协处理器（也可内部集成）完成高性能信号处理。随着计算机技术、微电子技术、应用技术的不断发展和纳米芯片加工工艺技术的发展，以微处理器为核心的集成多种功能的SoC系统芯片已成为嵌入式系统的核心，在嵌入式系统设计中，要尽可能的选择能满足系统功能接口的SoC芯片，这些SoC集成了大量的外围USB、UART、以太网、AD/DA、IIS等功能模块。可编程片上系统SOPC( System On Programmable Chip ) 结合了SoC和PLD、FPGA各自的技术优点，使得系统具有可编程的功能，是可编程逻辑器件在嵌入式应用中的完美体现，极大的提高了系统的在线升级、换代能力。以SoC/SOPC为核心，可以用最少的外围部件和连接部件构成一个应用系统，满足系统的功能需求，也是嵌入式系统发展的一个方向因此现代嵌入式设计是以处理器/SoC/SOPC为核心，完成系统设计的，其外围接口包括存储设备、通信接口设备、扩展设备接口和辅助的机电设备（电源、连接器、传感器等）构成硬件系统。对于嵌入式硬件的各个模块将在第三部分作全面介绍。2.2.2 软件的层次结构当设计一个简单的应用程序时，可以不使用操作系统；但是当设计较复杂的程序时，可能就需要一个操作系统（OS）来管理、控制内存、多任务、周边资源等等。依据系统所提供的程序界面来编写应用程序，可以大大的减少应用程序员的负担。对于使用操作系统的嵌入式系统来说，嵌入式系统软件结构一般包含四个层面：设备驱动层、实时操作系统（RTOS）、应用程序接口（API）层、实际应用程序层。有些资料将应用程序接口API归属于OS层，如图1-1的上半部分所示的嵌入式系统的软件结构，是按三层划分的。由于硬件电路的可裁减性和嵌入式系统本身的特点，其软件部分也是可裁减的。对于功能简单仅包括应用程序的嵌入式系统一般不使用操作系统，仅有应用程序和设备驱动程序。现代高性能嵌入式系统应用越来越广泛，操作系统使用成为必然发展趋势。2.2.3 BootLoader对于PC机，其开机后的初始化处理器配置、硬件初始化等操作是由BIOS（Basic Input /Output System）完成的，但对于嵌入式系统来说，出于经济性、价格方面考虑一般不配置BIOS，因此我们必须自行编写完成这些工作的程序。这就是所需要的开机程序，在嵌入式中称为BootLoader程序。系统加电复位后，几乎所有的 CPU都从由复位地址上取指令。比如，基于 ARM7TDMI核的CPU在复位时通常都从地址 0x取它的第一条指令。而以处理器为核心的嵌入式系统通常都有某种类型的固态存储设备（比如EEPROM、FLASH等）被映射到这个预先设置好的地址上。因此在系统加电复位后，处理器将首先执行 Boot Loader 程序。BootLoader是系统加电后、操作系统内核或用户应用程序运行之前，首先必须运行的一段程序代码。通过这段程序，可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图（有的CPU没有内存映射功能如S3C44B0），从而将系统的软硬件环境设定在一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核、运行用户应用程序准备好正确的环境。对于嵌入式系统来说，有的使用操作系统，也有的不使用操作系统，比如功能简单仅包括应用程序的系统，但在系统启动时都必须运行BootLoader，为系统运行准备好软硬件环境。系统启动代码完成基本软硬件环境初始化后，对于有操作系统的情况下，启动操作系统、启动内存管理、任务调度、加载驱动程序等，最后执行应用程序或等待用户命令；对于没有操作系统的系统直接执行应用程序或等待用户命令。BootLoader依赖于硬件和应用环境，因此为嵌入式系统建立一个通用、标准的BootLoader是有困难的5。系统的启动通常有两种方式：直接从Flash启动，将压缩的内存映像文件从Flash（为节省Flash资源、提高速度）中复制、解压到RAM，再从RAM启动。当电源打开时，一般的系统会去执行ROM（应用较多的是Flash）里面的启动代码。这些代码是用汇编语言编写的，其主要作用在于初始化CPU和板上的必备硬件如内存、中断控制器等。第三章 智能家居概述本章主要讲述的是智能家居的研究背景和国内外研究现状。3.1 研究背景21世纪是信息技术高速发展的时代，社会的信息化唤起了人们对住宅智能化及家居智能化的要求，智能住宅己成为中国房地产市场的主流。计算机行业和家电行业、电信行业、安防监控行业的互相渗透、互相融合，使信息时代的未来家居生活逐步成为现实。建设部要求根据不同消费者的需要，推动家居数字化、建筑智能化，到2010年全国大中城市60%的住宅要实现智能化由此可见中国智能家居市场潜力巨大。 智能家居(Smart Home)，又称智能住宅。通俗地说，是利用先进的计算机、嵌入式系统和网络通讯技术，将家庭中的各种设备(如照明系统、环境控制、安防系统、网络家电)通过家庭网络连接到一起。一方面，智能家居将让用户有更方便的手段来管理家庭设备，比如，通过无线遥控器、电话、互联网或者语音识别方式控制家用设备;另一方面，智能家居内的各种设备相互间可以通讯，不需要用户控制也能根据不同的状态互动运行，从而给用户带来最大程度的高效、便利、舒适与安全。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，即提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间，还提供全方位的信息交互功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性。3.2 国内外研究现状3.2.1 国外研究现状 20世纪80年代初，随着大量采用电子技术的家用电器面市，开始出现了住宅电子化(HE,Home Electronics)的概念。80年代中期，将家用电器、通讯设备与安防设备的功能综合为一体，形成了家居自动化概念(HA，HomeAutomation) 。 80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、家电、安防设备通过总线技术进行连接、控制与管理的商用系统，这在美国称为智慧屋(WH,Wise Home)，在欧洲称为时髦屋(SH,Smart Home)。当时日本正处于房产市场低迷时期，日本建设省在推进智能建筑概念时，抓住用于住宅总线技术的契机，提出了家庭总线系统概念(HBS,Home Bus System)。而随着技术的继续发展和生物识别技术的实用化普及，智能家居的概念才真正体现了其本意，在好莱坞科幻电影中看到的那种高度智能化的家居系统正在走进我们的生活。 日本松下公司正在把“数码家庭”的概念应用到养老院，养老院的所有房间都装有多种测量仪器、触摸式显示屏、数码摄像机等，并与局域网相连，这样每个居住者的体温、血压等多项数据可以传送到护理中心，实现远程医疗护理。美国麻省理工学院的实验室正在研究“智能房间”，通过生物传感器探测人的行为来自动控制和调节居住系统。日本大型住宅公司MISAWA HOME为解决购房者对房屋防盗系统的不满意，新近推出“保全住宅”该住宅内部采用指纹辩识门禁系统，另设有隐藏式防盗室，当遇到小偷闯入时屋主可躲进去紧急避难，防盗室设有两道厚重的门，其中内门只要从里面上锁后，外部无法靠人力打开。防盗室内装设电话专线，电话线埋在地下，另外还可在屋内放置一个机器人，亩以依歹徒恐吓的声音来反应，并出声求救，发挥报警求救功能6。3.2.2 国内研究现状 在我国，智能化住宅和智能化家居虽然起步比较晚，但发展速度很快。80年代，我国居住条件非常困难，根本谈不上智能化的问题。80年代初所建成的住宅，其电器设计内容仅在以下方面:楼房照明系统、高层供水泵控制系统和消防泵控制系统。用户电量的计量和收费，采用房管部门或住户轮流抄表收费的方式。生活用水的计量则主要是按户或按人口数收费。弱电系统也是从80年代开始才陆续设置电话配线和公用电视天线系统。80年代末90年代初，我国家庭基本实现电器化，住宅内的弱电系统有所增加，如对讲系统等。到了90年代末，电脑、有线电视、机顶盒、移动通信等数字化通信产品开始走进家庭。 2000年9月7-8日，由信息产业部组织，在四川省绵阳市召开了国家经贸委2000年国家技术创新重点专项计划“家庭信息化网络技术研究及产品开发”项目工作会议。2002年由建设部住宅产业化促进中心和中国建筑科学研究院主编的居住区智能化系统配置与技术要求(审查稿)己送审，等待批准。建设部住宅产业化促进中心正在牵头编制行业标准“居住区智能化产品应用技术要求”。 2002年建设部科学技术委员会智能建筑技术开发推广中心组织编制了建设行业智能建筑试点项目住宅小区智能化系统工程验收评估标准作为建设行业智能建筑试点项目住宅小区智能化系统工程验收评估标准。西南交通大学科技公司开发了网络智能控制数据终端(Intelligent ControlNetwork Data Terminal，简称NDT)系统，是一个基于计算机网络的智能住宅控制系统，可以稳定运行在多种宽带网络平台上。它包括住宅楼宇防盗报警、贵重物品防盗报警、多重判断防误报功能、火灾报警、煤气泄露报警、紧急求助、防胁持秘密报警、小区电子公告、远程家用电器控制、电话自动报警功能、Internet电子短信、家用设备报警、水电气多表自动抄收等功能，通过计算机网络构成整个住宅小区的集中管理控制系统。第四章 嵌入式Linux和嵌入式Linux开发环境 4.1 嵌入式Linux 嵌入式linux，是将日益流行的Linux操作系统进行裁剪修改使之能在嵌入式计算机系统上运行的一种操作系统。嵌入式linux既继承了Interlnet上无限的开放源代码资源 ，又具有嵌入式操作系统的特性 。嵌入式Linux的特点是版权费：免费，购买费用：媒介成本, 技术支持:全世界的自由软件开发者,提供支持网络特性,免费而且性能优异,软件移植容易,代码开放,有许多应用软件支持应用产品开发周期短,新产品上市迅速,因为有许多公开的代码可以参考和移植,实时性能:RT_Linux,Hardhat,Linux等嵌入式Linux支持实时性能。稳定性：好。安全性：好。 嵌入式Linux有巨大的市场前景和商业机会，出现了大量的专业公司和产品，如Montavista，Lineo，Emi等。有行业协会，如Embedded Linux Consortum等，得到世界著名计算机公司和OEM板级厂商的支持，例如IBM，Motorola，Intel等传统的嵌入式系统厂商也采用了Linux策略如Lynxworks、Windriver、QNX等，还有Internet上的大量嵌入式Linux爱好者的支持。嵌入式Linux 支持几乎所有的嵌入式CPU和被移植到几乎所有的嵌入式OEM板 。嵌入式Linux的应用领域非常广泛，主要的应用领域有：信息家电、PDA、机顶盒、Digital Telephone、Answering Machine、Screen Phone、数据网络、Ethernet、Switches Router Bridge、Hub、Remote access servers、ATM、Frame relay、远程通信、医疗电子、交通运输、计算机外设、工业控制、航空航天领域等。 4.2 嵌入式Linux开发 图4.1 嵌入式Linux开发环境图4.1是一个典型的嵌入式Linux开发环境：它包括主机、工作站或者PC，支持GDB的调试工具，BDI2000，目标板和网络，除了硬件环境外，还需要软件开发环境，有两种软件开发环境，一种是基于Linux的开发环境，另一种是基于Windows的开发环境。 基于Linux的开发环境包括主机上的Linux操作系统，比如RedHat Linux等嵌入式Linux交叉开发工具软件，比如HardHat Linux，支持GDB的调试工具的固件，比如BDIGDB Firmware for Linux。基于Windows的开发环境包括主机上的Windows操作系统，比如Windows9x等。基于Windows的嵌入式Linux交叉开发工具软件，比如Insight Gnupro Xtools等，支持GDB的调试工具的固件，比如BDIGDB Firmware for Windows等。 图4.2 嵌入式linux开发流程图4.2是嵌入式Linux开发流程图，一般的开发过程是：设计目标板，建立嵌入式Linux开发环境，编写、调试 Boot Loader，编写、调试 Linux 内核，编写、调试应用程序，编写、调试BSP Boot Loader用于初始化目标板，检测目标板和引导 Linux内核，BDM /JTAG用于目标板开发，它可以检测目标板硬件，初始化目标板，调试Boot Loader和BSP。有些BDM /JTAG比如BDI2000可以调试Linux内核源码。 在嵌入式Linux开发过程中，选择好的嵌入式Linux开发平台和BDM /JTAG调试工具可以极大地提高嵌入式Linux开发效率，嵌入式系统的特点是系统资源小，因此具体目标板的设备驱动程序：Device Driver需要定制，BDM /JTAG调试工具是开发Linux内核很好手段 BDM /JTAG调试工具利用CPU的BDM /JTAG接口，对运行程序监控，不占用系统的其它资源 。为了缩短应用产品开发周期，可以选择同应用产品相近的嵌入式Linux软件开发平台和带嵌入式Linux软件的OEM板，它可以帮助用户在应用项目立项前，评估项目的可行性 在应用项目立项后，使软件开发和硬件开发同步进行，它能极大地缩短应用产品开发周期。4.3 交叉开发环境图4.3 嵌入式linux开发环境宿主机（Host）是一台通用计算机（如PC机或者工作站），它通过串口或者以太网接口与目标机通信。宿主机的软硬件资源比较丰富，不但包括功能强大的操作系统（如Windows和Linux），而且还有各种各样优秀的开发工具，能够大大提高嵌入式应用软件的开发速度和效率。目标机（Target）一般在嵌入式应用软件开发期间使用，用来区别与嵌入式系统通信的宿主机，它可以是嵌入式应用软件的实际运行环境，也可以是能够替代实际运行环境的仿真系统，但软硬件资源通常都比较有限。嵌入式系统的交叉开发环境一般包括交叉编译器、交叉调试器和系统仿真器，其中交叉编译器用于在宿主机上生成能在目标机上运行的代码，而交叉调试器和系统仿真器则用于在宿主机与目标机间完成嵌入式软件的调试。在采用宿主机目标机模式开发嵌入式应用软件时，首先利用宿主机上丰富的资源和良好的开发环境开发和仿真调试目标机上的软件，然后通过串口或者以网络将交叉编译生成的目标代码传输并装载到目标机上，并在监控程序或者操作系统的支持下利用交叉调试器进行分析和调试，最后目标机在特定环境下脱离宿主机单独运行。建立交叉开发环境是进行嵌入式软件开发的第一步，目前常用的交叉开发环境主要有开放和商业两种类型。开放的交叉开发环境的典型代表是GNU工具链、目前已经能够支持x86、ARM、MIPS、PowerPC等多种处理器。商业的交叉开发环境则主要有Metrowerks CodeWarrior、ARM Software Development Toolkit、SDS Cross compiler等。4.4 交叉编译和链接 在完成嵌入式软件的编码之后，需要进行编译和链接以生成可执行代码，由于开发过程大多是在使用Intel公司x86系列CPU的通用计算机上进行的，而目标环境的处理器芯片却大多为ARM、MIPS、PowerPC、DragonBall等系列的微处理器，这就要求在建立好的交叉开发环境中进行交叉编译和链接。交叉编译器和交叉链接器是能够在宿主机上运行，并且能够生成在目标机上直接运行的二进制代码的编译器和链接器。例如在基于ARM体系结构的gcc交叉开发环境中，arm-linux-gcc是交叉编译器，arm-linux-ld是交叉链接器。通常情况下，并不是每一种体系结构的嵌入式微处理器都只对应于一种交叉编译器和交叉链接器，比如对于M68K体系结构的gcc交叉开发环境而言，就对应于多种不同的编译器和链接器。如果使用的是COFF格式的可执行文件，那么在编译Linux内核时需要使用m68k-coff-gcc和m68k-coff-ld，而在编译应用程序时则需要使用m68k-coff-pic-gcc和m68k-coff-pic-ld。嵌入式系统在链接过程中通常都要求使用较小的函数库，以便最后产生的可执行代码能够尽可能地小，因此实际运用时一般使用经过特殊处理的函数库。对于嵌入式Linux系统来讲，功能越来越强、体积越来越大的C语言函数库glibc和数学函数库libm已经很难满足实际的需要，因此需要采用它们的精化版本uClibc、uClibm和newlib等。目前嵌入式的集成开发环境都支持交叉编译和交叉链接，如WindRiver Tornado和GNU工具链等，编写好的嵌入式软件经过交叉编译和交叉链接后通常会生成两种类型的可执行文件：用于调试的可执行文件和用于固化的可执行文件。第五章 智能家居基本模块及解决方案本章首先对智能家居系统的功能模块做了系统的分析，提取出四个最基本的功能模块，然后在比较国内外各种实现技术的优缺点的基础上，确定课题各模块的选型，最终提出一套自己的智能家居解决方案。5.1 智能家居的基本功能模块目前的智能家居行业，首先，处于一个初始发展时期，国际社会暂时还没有形成一个公认的标