嵌入式智能家居安防监控系统的设计与实现(可编辑)

1、嵌入式智能家居安防监控系统的设计与实现 哈尔滨工程大学硕士学位论文嵌入式智能家居安防监控系统的设计与实现姓名:刘海亮申请学位级别:硕士专业:通信与信息系统指导教师:曹家年20110311嵌入式智能家居安防监控系统的设计与实现摘要随着科学技术的发展及人们生活水平的不断提高,人们越来越关注家居环境的舒适和家庭的安全防范。智能家居安防监控系统能帮助人们更好地管理各种生活细节,实现“以人为本”的全新家居生活体验,营造出更和谐生动的家庭氛围。本文在分析现有智能家居监控系统的基础上,借鉴其成功经验,提出了一套完整的智能家居安防监控系统、流媒体远程解决方案。本系统以平台为基础,应用嵌入式、监控、运动目标检测

2、、数据库等相关技术,并结合、和三种网络,该系统有效地提高了智能家居安防系统的智能化程度,并对现今智能家居安防系统提出了新的方法和思路。本文采用复合型触发报警的系统设计思想,融合了运动目标检测报警、人体红外报警以及火灾报警等多种报警方式,实现了对家庭中各种异常情况的有效感知。当有异常情况发生时,系统主机将自动进行图像的采集,并为图片打上时间标签,通过网络以和的形式传送到远程手机,使用户可及时直观清晰的掌握家中实时情况,并可通过短信的方式对家中电器进行直接控制。环境监测方面引入无线传感器网络,节省了布线的费用并降低了监控模块的功耗。系统通过搭建服务器,并使用、和技术设计了本系统的监控界面,可直接在

3、浏览器上实现远程家电控制、远程视频监控、系统设置、用户管理等一系列操作。在客户端引用了技术来与服务器实现异步通信,有效的提高了服务器的响应效率。并且通过使用数据库,方便管理用户信息、图片信息与手机号等信息。本文介绍了整个智能家居安防监控系统的软硬件结构框架和技术方案论证,重点介绍了整个项目的开发过程和各个功能模块的软件实现方法。最后通过对整个系统进行性.能测试,证明本系统达到了预期的设计目标。关键词:智能家居;:嵌入式哈尔滨工程大学硕士学位论文.一?赫宣嗣;, 。 堍,. ,谢,.。,。 ,. 暇,. 。 刚 . ,. . 。 .硼他霉, . 。鼬.:;第章绪论第章绪论随着人们生活水平的提高和

4、需求的日益增长,人们对家居环境的舒适及安全防范的意识也不断的增强。科学和信息技术的普及与应用,为智能家居安防监控系统降低了门槛并提供了可靠的技术保障。与传统的家居相比,智能家居系统将使人们的生活更加舒适、便利和安全。智能家居系统是多技术和多功能的产物,必将获得前所未有发展,成为新的经济增长点。.智能家居系统简介迄今为止,智能家居还没有统一的定义,本文首先给出一个描述性定义【。智能家居是利用先进的计算机技术、综合布线技术、网络通讯技术、依照人体工程学原理,融合个性需求,将与家居生活有关的各个子系统如灯光控制、窗帘控制、煤气阀控制、信息家电、安防系统、地板采暖等有机地结合在一起,通过网络化综合智能

5、控制和管理,实现“以人为本”的全新家居生活体验。据国家建设部科技委智能建筑技术开发推广中心的报告称:随着环保、健康、安全、舒适的智能家居逐步普及,家居智能化的比例会大幅增加。按照家居产业发展的速度,智能家居市场对智能产品的需求量将大幅度的增长。在未来几年里,智能家居的市场将会迅速崛起、膨胀【】。智能家居概念的起源很早,年美国联合科技公司将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国哈特佛市的首栋智能建筑中,全世界争相建造智能家居的序幕就此揭开。年美国电子工业协会组织开始制定家庭电气设计标准,编制了第一个适用于家庭住宅的电气设计标准,即家庭自动化系统与通讯标准,也称为家庭总线系统标准,。在其设计的规范与

6、标准中,智能住宅的电气设计要求必须满足以下三个条件:具有家庭总线系统:通过家庭总线系统提供各种服务功能;能和住宅以外的外部世界相连接。经过多年的发展,国外已有霍尼韦尔公、等公司开发的成熟产品【引。目前智能家居系统在一些发达国家的普及率已经很高,家用电子系统的相关技术已经比较成熟,最著名的要属比尔盖茨的“未来之屋和新加波“智慧屋等。现在国外已经制定了很多面向家庭设备互联互通的标准和协议,如以、等公司组建了“数字生活网络联盟”,其目标是为家中的电视、计算机、手机等多种设备共享信息;日本的夏普、日立和松下等公司成立了协会,主要研究内容包括通信协议、通信接口和通信中间件等,在家居安防产业很具代表性。欧

7、洲的三大总线协议、和也成立了协会,并提出了标准,哈尔滨程大学硕十学位论文该标准支持双绞线、电力线和无线之间的通讯。我国从年开始提出“智能家居概念,经历了多年的概念推广和发展,现在己被人们认识并接受。面对国内的智能家居市场几乎空白的情况,国内一些传统家电业的巨头也开始进入智能化家居市场,并各自提出了符合中国国情的智能家居协议标准口】。由信息产业部牵头,联想和康佳、海信、长城、等五家厂商联合发起组建了“闪联标准工作组。该工作组提出了新一代网络信息设备接规范和交换技术,并设计了全新的网络架构实现了智能设备互联、资源共享和协同服务;还有由清华同方、中国网通与春兰等家公司共同缔造的“家庭网络标准产业联盟

8、”也称为家佳,现在已经有将近家成员,是国内规模最大的家庭网络标准组织之一。该组织提出基于/协议的智能家庭网络系统,采用了全球最先进的计算机技术、通讯技术、综合布线技术等。国内这些标准都以完善产业链的形式搭建起家庭网络系统平,随着这些国内智能家居相关产业的逐渐成熟,智能家居系统必然在我国有广阔的市场空间。.课题研究的意义智能家居安防产业已经经历了三十多年的发展历程,己经由原来单一控制发展为现在多种控制方式,由原来的模拟监控系统发展成为现在的网络化、数字化、智能化监控系统。如今我国智能家居安防产业有了一定的发展,已经在开始研发并生产拥有自主知识产权的产品和品牌【。但在国内智能家居安防产业总体来说还

9、处于市场发展初期,大。多数只是参考国外的相关经验,一直没有适合市场的成熟产品,所以真正智能家居的应用并没有大的突破。随着科学技术的进步和社会经济的不断发展,人们对家居智能化必然提出越来越高的要求。我国每年都要发生多起入室犯罪案件,如果家中安装安防监控系统,必然对这些犯罪份子起到威慑的作用。而且我国每年还会发生多起重大家庭住宅火灾事件,尤其是年月日上海静安区一幢高层住宅楼发生大火,导致了人遇难。由这惨痛的教训可以看出实现对家中的各项环境参数监控和安防监控已迫在眉睫。开发出一套可以检测家居中各项环境参数、功能齐全、报警及时的智能家居安防系统,可以大大减少入室犯罪事件和重大火灾等事件的发生,为构建社

10、会主义和谐社会贡献出一份力量。不仅如此,智能家居安防监控系统还能帮助人们更好地管理各种生活细节,实现“以人为本”的全新家居生活体验。所以无论是从经济价值角度还是社会稳定的角度分析,对智能家居安防监控系统的研究都有相当重要的价值【。传统的智能家居安防系统中的功能比较单一,软件功能较差,系统也不易维护,操第苹绪论作界面使用起来也不方便,而且大都采用了有线通信技术,系统的设计和布线成本较高。一般只能实现本地声光报警,不能实现远程报警及时通知用户或小区安全部门,而且整个系统的监控范围也固定有限。此外也不能在有人闯入的时候记录犯罪证据以便迅速捕捉嫌疑犯。为了有效解决传统智能家居安防系统的缺点与不足,并进

11、一步满足人们对智能家居安防系统的渴望与需求,本文设计了一个基于、和的智能家居安防监控系统,充分实现了智能家居的数字化、网络化与智能化,为未来构建家居安防监控系统提供了新思路和参考依据。.论文研究内容本课题针对当前家居安防监控系统的发展状况,自主设计了一套功能强大的智能家居安防监控系统。本课题的主要研究内容如下所述:采用嵌入式服务器:利用现有的网络,无需布线,直接通过浏览器访问设备。可在浏览器上直接实现远程家电控制、远程视频监控、系统设置、用户管理等一系列操作。将整个系统联入使监控与控制范围扩展到了全世界。采用网络:网络具有覆盖范围广、用户广泛和无线传输等优势。当有人入侵、火灾等险情时,系统自动

12、拍下照片和录制视频,并打上时间标签,通过和形式发送到远程手机上,进而可以快速通知用户和消防等安全职能,使警情得到及时有效的处理。系统还可通过短信直接控制家中电器,真正实现了随时随地远程控制家中电器。采用网络:应用搭建无线自主局域网,实现了全方位的控制和报警功能,大幅度的降低了系统功耗,且通过无线的方式还可省去花在综合布线上的费用和精力。采用触发监控模式:采用人体红外检测、运动目标检测、火灾报警等多种报警触发方式。通过智能控制只保存发生异常时的图片和视频文件,有效的节省系统存储开支,并为图片和视频打上时间标签方便查询和管理。客户端使用技术:针对嵌入式中瘦服务器处理能力和资源受限问题,提出了一种基

13、于与相结合的嵌入式服务器的应用,大大降低了服务器端的开销,有效的提高了整个系统的响应速度。使用、和技术设计了本系统的监控界面,并哈尔滨程大学硕士学位论文使用算法加密,提供系统安全性。采用数据库:方便管理用户信息、图片、手机号等信息。用户只需插入盘、卡即可完成图像和视频的转移,也可通过将图片与视频传输到远程的服务器上。.章节安排本系统涉及到的技术比较多,本文着重介绍每项功能的具体实现方法,为以后从事智能家居安防系统的相关研究人员提供借鉴和参考依据。一个嵌入式系统在软件的角度上从下到上看可以分为四部分:引导程序、内核,根文件系统以及用户的应用程序,本文的各个章节安排也是基于此顺序进行展开的。第一章

14、,绪论。介绍了智能家居安防监控系统概念和国内外发展现状,同时说明了本课题的研究的意义。第二章,系统总体设计。介绍了系统的整体的硬件和软件框架,并对硬件和操作系统的选型进行了分析和论证。第三章,嵌入式系统平台的搭建。介绍了嵌入式开发之前的必须步骤。包括.的移植、操作系统移植、设备驱动的开发与移植和远程调试环境的搭建。第四章,系统应用程序主程序的设计。包括系统主程序多线程设计、短信与彩信的接收与发送和无线传感网络的搭建。第五章,视频监控系统平台的搭建。包括图像的采集与处理、视频的采集与传输和运动目标检测的实现。第六章,嵌入式服务器平台的搭建。包括与技术的使用、数据库的使用和系统界面的实现效果。最后

15、对本文所做工作进行总结,并对智能家居安防监控系统进一步的研究工作进行了展望。第章系统总体波计方案第章 系统总体设计方案.系统结构和功能简介本系统结合了网络、网络和网络,提出了智能家居安防监控系统的完整解决方案。系统的总体框架图如图.所示:图片管理图. 嵌入式智能家居安防监控系统框架图本文设计的嵌入式智能家居安防监控系统主要由三部分组成:嵌入式服务器、用户终端包括用户手机和远程和由组成的电器终端。由处理器组成的嵌入式服务器是整个系统的核心,是连接家庭无线网、无线网络和网络的网关,使得三网之间可相互进行通信。家中电器使用组成了星形网络,接受来自服务器的消息来对家中电器进行控制,或将温度和报警信息等

16、参数传到服务器上在浏览器上进行显示。当家中有异常情况时,系统自动拍摄照片,并以的形式将家中实时情况和报警信息发送到用户手机上。系统移植了嵌入式数据库,可方便的在浏览器上直接进行图片和视频管理、用户名密码设胃和用户手机号设冒等。哈尔滨工程大学硕十学位论文本系统较大程度的提高了家居安防系统的智能化程度。系统完成的主要的功能如下所述:多种控制家电的方式家中电器通过搭建了无线自主局域网,使家中全部房间都至于控制之中。本地用户可通过按键对网络中的家用电器进行控制;远程用户如正使用联网,则可直接登录网关,直接通过浏览器对家中电器进行控制,并可直接在浏览器上实远程视频监控、系统设置、用户管理等一系列操作:若

17、当远程用户没在使用时,也可通过发送预先设定的短消息指令来实现对家中电器进行控制和监测。通过多种控制家电的方式,本系统真正的实现了可随时随地对家中电器的任意控制。多种触发方式本文采用了复合型报警方式的系统设计思想。紧急按钮报警:本地用户可以使用按动紧急按键实现报警功能;运动目标检测报警:通过对室内的定点视频监控,当发现不明移动物体,可认为非法闯入,自动完成报警。人体红外报警:通过热释电红外模块,可检测米范围以内是否有人闯入,如有人闯入则系统自动完成报警。火灾报警:温度变化超过安全指标时则自动向小区安全中心和主人报警。通过使用多种触发方式,本系统实现了对家中各种异常情况的有效感知多种报警方式当家中

18、有异常情况时,本系统采用多通道的报警方式。本地报警:本地用户可根据需要设置蜂鸣器报警或者音乐报警。远程彩信报警:系统根据不同异常情况拍下不同数目的照片,通过和的方式发送到用户手机或小区安全部门。远程报警:用户可以直接在浏览器上对家中进行实时视频监控。同时搭建服务器,在浏览器上显示报警信息和监测各种数据。系统还通过使用搭建无线局域网进行多传感器采集数据,实现全方位的安全监测和报警功能。多种图像和视频的转移方式用户只需插入盘或卡即可完成照片或视频的转移,也可通过与远程的主机建立连接,将图片和视频传输到远程的主机上。通过多种方式,可方便快捷的完成入侵时的犯罪取证。.嵌入式系统硬件规划嵌入式系统本身是

19、一个相对模糊的定义。目前嵌入式系统已经渗透到我们生活中的每个角落,包括工业、消费电子、服务行业等,而恰恰由于这种范围的不断扩大,使得第苹系统总体设计方案“嵌入式系统”更加难于明确定义。目前国内一个普遍被认同的嵌入式系统定义是:以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统【】。嵌入式系统发展迅速,已逐渐成为当今最有发展前途的信息产业应用技术之一。尼葛洛庞帝在他的数字化生存一书中预言:“至年后,嵌入式智能产品将是继和之后最伟大的发明”【。.处理器的选择随着嵌入式技术的不断提高,作为嵌入式系统核心的处理器也得到了迅速的发展。处理器是构建智

20、能家居监控系统的硬件平台的核心,系统实现的各个功能都是通过处理、器来实现的。目前国内比较常用的处理器体系有:、等。其中和主要用于网络协议处理和某些工业控制场合。和都属于功能相对简单的单片机产品,虽用途很广泛,芯片出货量很大,但其基本上不支持操作系统,主要针对那些智能化要求比较低且控制功能单一的应用。而内核的芯片是目前用途最广,产品出货量最大,目前在手机市场已经占据超过%的市场,在数字机顶盒、手持多媒体系统、智能家居中也逐渐占据主导地位。 是一家专注于通用处理器知识产权研究开发的公司,自身并不直接生产芯片,而是向其他半导体和芯片制造商提供设计授权来推广其产品。处理器采用精简指令体系,并采用片上系

21、统架构将控制器以及外部总线或接口控制器都集成在了单一芯片:。考虑到系统要求、成本和设计目标等,本系统采用三星公司生产的作为系统的微处理器,是三星公司推出的一款采用删采用位处理器内核和级流水线,具有且集成指令和数据缓存的微处理器。内部集成了控制器、两路 控制器、两个通道、三个通道、四个通道、四个定时器、路位/转换器和触摸屏接口、控制器、音频编码接口、 接口、摄像头接口等。典型主频 ,最高可达,具有性能高、成本低、功耗低和资料丰富等特点,完全能够满足本系统的需要。.其他模块的选择本系统无线收发模块采用的是公司生产的芯片,具备了技术的各种底层硬件的需求。内部有一个高性能直接序列扩频哈尔滨程大学硕七学

22、何论文射频收发器,是一个真正的系统芯片解决方案。包含一个增强型工业标准的位微控制器内核,具有倍于标准内核的性能。本系统在其上面进行电路的扩展,无需再增加处理芯片了。而且公司提供了协议栈,很大程度的减轻了本系统部分软件开发的工作量。模块,该模块内本系统的模块采用谱泰通信科技公司生产的置/协议并扩展了方便易用的/操作命令,且模块内置了彩信协议,可比较方便的发送彩信。该模块还提供了接口,可与开发板通过串口直接进行通信。红外传感器采用人体热释电传感器模块,当有人进入其感应范围则输入高电平,人离开感应范围则自动延时关闭高电平,输出低电平。在小于度锥角,米以内都可以有效的感应是否有人入侵。本系统温度传感器

23、使用数字式温度传感器,它由公司所生产,具有独特的单总线工作方式,与处理器只需一条线即可实现双向通信,无需再经过其他变换电路,直接可输出温度值。且测温范围为.,测量精度为.,完全符合家居环境温度的检测。目前大多数家居监控系统只支持中星微芯片的摄像头,但这种摄像头在市面上几乎已经绝迹。本系统基本支持目前国内市场上所有的摄像头。并且本系统支持大容量的盘或卡支持热拔插,只需插入盘或卡即可完成照片和视频的转移。.系统硬件的总体结构本系统以处理器为核心作为家庭网关的平台,在此基础上利用模块展开无线家庭传感器网络的设计。本系统的总体硬件框图如图.示:以太网人体感控制器应模块摄像头模块寻?。盘墨一图.智能家居

24、安防监控系统硬件框图第章系统总体设计方案由组成的嵌入式服务器是整个系统的核心,也是整个网络的主控节点,用于监控各个从节点的状况。支持三个串口,其中串口用于开发阶段的调试,串口用于连接模块,串用于连接模块。并且还在开发板上外扩了温度传感器和人体红外传感器等。无线网络分为主控节点和从节点,也称为协调器和终端节点。其中带有传感器的从节点,与主控节点构成星形传感器网络,使全部房间都至于监控之中。各个从节点将各项环境参数发送到主控节点,主节点再通过串口将数据传给嵌入式服务器,最终在网页上实时显示。同时从节点接受来自主节点的控制信息,如控制灯光、电器设备的开闭及调节等,来执行相关的操作。,目前市面上的开发

25、板已经相当丰富,资料也很多,本文不再详述硬件的具体的连接方式,基于的开发板基本都适合本系统的开发。本系统选择的开发板提供了丰富的硬件资源,如表.所示:表.开发板硬件资源技术参数表硬件名称 基本参数处理器主频最高达内存 板载 数据总线时钟高达板载位宽为位芯片板载位宽位的芯片触摸屏 东华/.英寸触摸式液晶屏触摸屏控制器 集成线电阻式触摸屏接口网络适配器板载 网夤,带联接和传输指示灯;声音接口 采用芯片,立体声音频输出:串口支持个串口接口 一个卡接口按键 提供个按键.嵌入式系统的软件规划.操作系统的选择操作系统是一类特殊的系统软件,它管理着整个系统的所有的硬件和软件资源。当系统越来越大,应用越来越多

26、,使用操作系统就很有必要。操作系统屏蔽了硬件的底层特性,向应用软件提供了一个统一的接口。操作系统还可统一管理系统资源、调度多个应用程序、管理文件系统等。目前国内嵌入式系统领域中比较常见的操作系统如表.所示【】:哈尔滨程大学硕十学位论文表.常见的嵌入式操作系统应刚领域操作系统用途最广、装备最多仅用于手机产品,且只有诺基亚、三星、索尼爱立信等手机联帮介、,能使用/应用于某其实时性要求较高的小犁终端设备上应用于某些实时性和可靠性要求很高的人型控制系统或通信设备的板卡上应用于采用中国台湾地区联发科公司芯片的手机上,基本都是中低端的非智能手机。国内使用较少,进口产品使用主要刚于机顶盒等操作界面不太复杂的

27、装置主要用于智能手机和主要刚于银行机之类的立式终端设备不是新的操作系统,以谷歌为主的开放手机联盟提供的免费和开放的手机平台,基于内核现在的电子产品的性能在不断的提升,但其价格却一直在下降。所以开发智能家居安防系统必须注重其成本。对于操作系统而言,免费、自由的无疑是强有力的竞争者,凭借着优异的特性和良好的发展趋势,轻而易举的登上了嵌入式操作系统的头把交椅,所以本系统的开发也毫无疑问的选择了。系统还支持众多的应用程序和联网协议,其良好的开源性和交叉编译工具的使用意味着可以从机上移植大量的软件来进行嵌入式的开发,本系统的部分功能的实现也是得益于此。.系统软件体系结构本系统移植了大量软件,为了达到更好

28、的性能和效果,尽量都选取了最新的版本,本节简要介绍系统的整个软件体系结构图,具体实现方法在下几章进行讲解。整个系统的软件体系结构如图.所示。在系统底层中主要包括以下几方面:使用.初始化了整个系统硬件与外围设备,并引导启动内核;使用.系统内核来安排整个系统的所有资源和协调所有程序:利用文件系统来管理系统的目录和相关存储文件;移植或编写网卡、红外、和摄像头等驱动程序。在系统的上层应用程序中主要包括以下几方面:采用多线程技术,编写了系统的主进程,提高了应用程序响应:移植了嵌入式服务器,利用编程实现了动态网页和服务器端的功能;移植和使用嵌入式数据库管理各种信息;移植和使用 开源软件进行视频图像的采集与

29、传输:移植了开源软件来进行运动图像的检测,并使用库录制视频:使用、和第章系统总体设计方案编写了本系统的监控页面,并使用技术实现了浏览器与服务器之间的异步通信。监控网页运动多;媒 播视频服务器图像检测 体处理软件 放软件服务器.一户测曼 叁雠吾 甄醐吾驴删吾 诞鄂望 醋醐堕 看像 黝螺堡一制器一 一统试一一置码一 户理一 一理像一弑搿一数据库.系统主函数温度按键消息信息红外 运动检;线程线程线程线程线程线程测线程.文件系统.网苄一可审口鞭一可菝像买矿红歹并蟪一 ?引导程序. .图.智能家居安防监控系统软件体系结构.本章小结本章首先阐述了智能家居安防系统的总体结构和功能设计目标,然后制定出本系统的

30、硬件和软件的框架与实现方案,介绍了硬件芯片型号和使用的软件版本,并对提出的软硬件决方案做了适当的分析与论证。哈尔滨程大学硕士学何论文第章嵌入式系统平台的搭建工欲善其事,必先利其器。在嵌入式开发工作前,必须建立一个开发环境。开发环境包括了操作系统、编译器、调试器和各种辅助工具等。开发本系统使用的是操作系统,在此平台上进行了下面具体的应用与开发。.移植是系统上电后最初加载运行的代码,是使系统硬件和软件衔接的重要的系统软件。我们常用的机一般由开始执行,然后读取硬盘中位于主引导记录中的如或,并进一步引导操作系统的启动。但在嵌入式系统中一般没有像那样的固件程序,因此整个操作系统完全由来启动。在系统上电的

31、时候最先执行,首先初始化硬件设备,并提供一个可操作的软件环境,最后调用操作系统。当然也可以增强的功能,比如增加网络的功能,可从上通过网络或串口下载软件,烧写文件等。.简介与启动流程本系统的选用源代码开放的.,并选用了较新的版本.。.是由德国小组开发的支持多种处理器和支持多种操作系统,并遵循条款的程序【。在开源领域,.对系统的支持最完善,因此是嵌入式的的最佳选择之一。.的源码目录和编译形式与内核十分的相似,事实上不少.的源码是对内核源程序的简化,从一些设备的驱动程序中可以看出这点。的启动过程主要分为两个阶段:第一阶段是在中运行的汇编代码,在中的入口函数为“/.”。主要完成的功能包括初始化硬件,将

32、代码复制到中,同时为程序创建环境。具体包括设置异常向量表、屏蔽看门狗和中断,关闭和、初始化存储器空间、将.内容复至 中、设置堆栈大小等;第二阶段主要包括初始化各种硬件设备如设置时钟频率,初始化串口等、设置处理器类型、检测系统内存和地址空间信息、准备内核引导参数、将内核映像加载到内存、最后跳转到内核,开始执行内核初始化程序,控制权转到内核代码,的使命结束。第章嵌入式系统平台的搭建.移植流程概述.的移植工作主要分为处理器部分和开发板部分,重点在于对硬件的初始化。.已经支持的处理器,但还没有对的支持,需自己移植。对于本系统的开发版,具体的硬件规划如下:外接容量为,位宽为位 芯片:外接网卡芯片,位宽为

33、;外接,位宽为位的芯片:控制器外接容量为,位宽为的 芯片由于 的“位反转”现象很常见,在读写时需使用校验保证数据的正确,另外 在使用过程中还可能产生坏块,所以本系统选择在 中保存.程序,在 来保存内核和文件系统。这样,即使出现坏块内核不能启动,也可通过 来重新烧写。本系统并对.的功能进行了扩展,增加了以下新的功能:和支持开发板,并可从 双启动支持网卡芯片和 的读写支持烧写文件系统支持串口协议和下载一 本系统在板的基础上进行.的移植,下面简要叙述移植的流程,详细的步骤可查阅参考文献】。首先建立目标板的工程目录和头文件,然后根据修改的配置主要是设置寄存器,并增加对的支持修改系统时钟的分频比和获得系

34、统时钟的函数。选择开发板 的型号本系统的符合接口标准,直接使用接口函数,然后就是补充添加一些其他的功能如对 、网卡和串口协议的支持等,最后编译.镜像并使用口烧写进开发板。. 内核移植移植内核是一项复杂的工作,要对目标硬件平台充分了解,还需要了解内核代码。目前内核的文件数目已经将近万,面对着巨量的内核源码,需要针对自己的系统有选择的裁剪,去掉不用的模块和功能支持,并加入自己的驱动代码和进行特定的优化。哈尔溟 .程入学硕十学位论文. 内核简介最初是由芬兰黑客提供自由免费的类操作系统,最为人称道的莫过于它的自由精神,所有源代码唾手可得。是一个互联网上的协作开发软件,它是在的公用许可证保护下发行的自由

35、软件【】【。经过了十余年的发展,内核早己羽翼丰满了,它被广泛的移植到各种体系结构上,它覆盖的领域小到手表,大到超级计算机群,从嵌入式系统、桌面环境一直到服务器。用途广泛,包含的东西也名目繁多,但可得到内核的源代码,所以可在编译之前自行配置,这样就可以按照具体的需要进行编译,最后得到只包含系统需要的驱动程序和特定的内核了。.内核移植步骤内核的选择内核一直在不断的发展之中,尽管.内核仍被广泛应用,本系统采用目前较新的.版本内核,.内核相对.内核有相当大的改进,比如:采用了新的调度器,使用内核抢占实现实时性,对日志文件系统的支持等等。可在:/.网站上获得内核源码,然后解压进入内核目录,修改顶层来确定

36、目标架构及交叉编译器,修改内容如下:?一修改系统时钟本系统使用的外部时钟源输入,所以需要修改系统的时钟,只需在/./.文件中修改函数将修改为函数,;修改。.调用内核时,会将值存储到寄存器,内核通过它判断是否匹配,如不匹配内核将无法启动。有两种修改方法:方法一是修改传递给内核的启动参数。方法二是修改内核中/文件,修改如下:?修改为:?修改分区第章嵌入式系统平台的搭建,即内存技术设备,是对,等存储设备抽象出来的一个设备层,提供统一的访问接口,屏蔽了存储设备间的差别和硬件的操作。改变分区时,要使其与对的分区设置保持一致,修改/.文件中的结构即可,本系统将划分为个区,前用于存?,接下来的用于存内核,剩

37、下的用于存文件系统。修改内核源码/.文件中的.结构体,将其修改内容如图.所示:【】 【】.”.”“. .”.卜、 卜、.,., ., 、,., ., 图. 分区设置移植文件系统.文件系统是专门为 设计的嵌入式文件系统,适用于大容量的存储设备。充分考虑了 特点,将文件组织成固定大小的数据段。文件系统具有很好的移植性。首先进入:/./.虾载/源码包,使用命令“./?. ”给内核打上补丁,将的代码复制到内核的目录下。然后在配置内核时选上对文件系统的支持。内核的配置与编译内核的配置选项繁多,并且还随着版本的升高还在不断的增加。内核配置的结果保存到源码目录中的.文件,这是个隐藏文件。内核对所有支持的机器

38、类型都给了默认的配置文件,放在源码/目录中,本系统使用文件,并在此基础上进行了进一步的修改和裁剪。首先把该文件拷贝到源码目录的.文件,然后执行 进行配置,再执行 直接编译出内核的.映像。构建根文件系统文件系统作为操作系统的重要组成部分,用于提供对文件和目录的组织形式,控制对文件和设备的存取,以及对文件存取权限的控】。要在一个分区上存放系统启动所必需的文件,如内核启动后运行的第一个程序、提供操作界面的程哈尔滨程大学硕士学位论文序、应用程序所需要的库等,这些必需基本的文件合称为根文件系统,在系统启动后首先需挂载根文件系统。本系统使用工具来制作文件系统,被形象的称为系统中的“瑞士军刀,它将许多常用的

39、工具和命令结合到一个可执行的程序中,很适合在嵌入式中应用【。除了常规嵌入式中常用的目录和文件,本系统在根目录下创建了目录用来存放运动目标检测相关文件,还有目录用来存放嵌入式服务器需要的网页和程序等。在库函数中除了常用的库还加入了、库和编码库等。.内核移植常见错误及解决办法.就停在此处串口输出 .,主要有以下几种原因:配置的机器码与内核中配置的机器码不匹配,修改成一样即可。的命令行参数中设定有问题。对.的内核应该使用,而不是。更改为”即可解决问题。中的与时钟频率不一致。的为,但是.的默认值是.,修改.的时钟频率即可。卡死在/.主要有以下几种原因:不具备可执行的属性,修改为可读可写可执行即可。的解

40、释不存在,配置时将选成默认。如果是移植较新版本的内核,可能是在 宏定义文件系统的分区时,并没把全部空间分配给文件系统,导致文件系统分区的大小不够,所以需重新设置文件系统分区大小。.驱动程序的开发. 驱动程序简介任何计算机或嵌入式系统的运行都是软硬件协作的结果,没硬件的软件相当于空中楼阁,而没有软件的硬件相当于是一堆废铁。设备驱动程序充当了硬件和软件之间的纽带,沟通着应用软件和硬件。但软硬件之间也存在着悖论,就是硬件和软件不应该互相渗透进对方的领地。带操作系统的设备驱动程序,就是通过给设备驱动程序制造麻烦来为上层的应用程序提供了便利。编写驱动程序难点并不是对硬件的具体操作,而是需弄清楚驱动程序的

41、框架,在这个框架中加入具体的硬件闱。第章嵌入式系统平台的搭建驱动程序主要的对象是存储器或连接的外部设备,将设备分成为三类:字符设备、块设备和网络设备。字符设备是能够像字节流访问设备,如串口、触摸屏、鼠标等;块驱动以块一般为字节的形式进行存放或操作,如光驱、硬盘等。字符设备和块驱动并没有明显的界限,有些块设备也可以按字节访问如【】。字符设备和块设备都可以使用文件系统的操作接口如、等进行访问;网络设备面向数据包的接收和发送,不对应于文件系统的节点【,是由内核提供的一套数据包传输相关函数进行操作的。.驱动程序的移植与开发本系统涉及的驱动主要有、按键驱动、红外、看门狗、串口、网卡、声卡、卡、盘驱动等,

42、其中大部分驱动内核已经支持的很好,只需进行移植即可。由于篇幅限制,下面只通过介绍的驱动和摄像头驱动的移植,介绍开发驱动的相关流程,其他驱动的移植与编写可查阅参考文献】。内核整体结构非常庞大,将需要的部分包含在内核中有两种方法:一种是把需要功能都编译到内核中。但这种方法生成的内核会很大,而且要在内核中新增或删除功能,将不得不重新编译内核。为了解决上述问题,还提供了模块的机制,使模块的本身并不编译进内核,控制了内核大小,模块一旦被加载,它就和内核的其他部分完全一样。操作系统将所有设备都看成文件,以操作文件的方式访问设备。通过系统调用使用驱动程序,对于每个系统调用,驱动程序都有与之对应的函数,这些函

43、数集合在类型的数据结构中, 是字符驱动中最要的数据结构,编写字符驱动主要的工作是填充其中的成员。下面是的组成,只需提供应用程序读取出温度值即可。其中 在/.中定义,在编译模块时自动创建。 .,.;下面按照 驱动的调用顺序进行说明,其中模块的初始化函数 的流程如图.所示:哈尔滨丁程大学硕十学仲论文开始?.”;咀”;,申请设备号; , 。;.一. ;字符设备,;的注册一?”;,”自动创建设备 ,” ”;文件结束图. 模块初始化函数流程当系统执行“.命令的时候就会调用?一函数。其中 前的“表示函数放在“.段中,这个段使用一次就被释放,可为系统节省内存。该初始化函数主要完成三个功能:设备号的注册,字符

44、设备的注册和自动创建设备节点。设备号的注册。初始化函数首先调用匿数或函数申请设备号。数用于动态申请未被占用的设备号,函数调用成功后,会把设备号存到第一个参数中,可避免系统设备号的冲突。字符设备的注册。.内核中使用来描述字符设备,内核提供了一组函数用于操作结构体,如本程序中使用函数初始化成员,并建立了和之间的连接,然后调用 函数向系统添加了一个,完成了字符设备的注册。并使用和等宏可以获得设备的主设备号和生成设备号。自动创建设备节点。内核提供了一组函数,可以在模块加载的时候自动创建设备节点,在卸载模块时删除设备节点。但有个前提条件是用户空间移植了。内核中定义了结构体,一个变量对应一个类。内核同时提

45、供了 函数,用它来创建一个类,这个类存放于“/”目录里。使用函数在/目录下自动创建设备节点。当加载模块的时候,用户空间中的会自动响应函第章嵌入式系统平台的搭建数,去“/下寻找对应的类从而创建相应的设备节点。采用单总线,因此必须按照其严格的时序图进行。根据的通讯协议,控制 完成温度转换必须经过三个步骤:每一次读写之前都要对进行复位操作,复位成功后发送跳过指令,最后发送温度转换指令或读取暂存器指令埽】。的读取函数“ 具体流程如下所示,此函数由系统调用函数调用。具体流程图如图.所示:复位.开始延时复位延时絮兰、跳过匹配写命令温度读指令写命令读中的、字节】 ;启动温度转换】 ;结束图. 温厦读取函数流

46、程遵循严格的单总线协议,本系统通过对其引脚的电平读写来完成对单总线协议的通信,并用内部的定时器来完成具体的时隙要求,通过预分频后产生的计时值单位达到,完全能够满足时序工作的需要。其中、和函数只需根据具体的时隙条件,使用内核提供的操作端函数或.完成相应的操作就可以了。哈尔滨工程大学硕十学位论文本系统的摄像头驱动可以支持目前市场上的绝大部分摄像头,内核不断的增加了越来越多的摄像头驱动。.内核加入了摄像头驱动,从.开始,内核加入了驱动,.内核又吸收进了/系列驱动。下面对下比较常见的摄像头驱动进行介绍:.系列芯片,此类芯片应用的比较广泛,该系列驱动主要是针对在嵌入式中也比较常见。如、等芯片的摄像头都可

47、以使用该驱动。/该系列驱动适用于中星微芯片目前国内生产的摄像头基本都是基于这个芯片和是该项目的维护者,通过不断的开发已支持二百芯片等摄像头。多种摄像头的通用驱动。该项目中还包含了流媒体服务器和客户端程序,传统许多的嵌入式视频传输项目,很多都是基于这个来做的,但该驱动已经不再维护,现已不再支持现在流行的免驱摄像头了,所以本系统并不采用。该驱动适用于符合 规范的摄像头设备。是接口视频设备的统一数据交换规范,它包括了内核设备驱动和用户空间的工具补丁。将是摄像头驱动的大势所趋,目前支持的视频设备已经越来越多。.当摄像头插入开发板后,可以使用“命令查看出摄像头的设备号 和产品号 。本系统使用的摄像头符合

48、标准,且在配置内核时,已经针对市面上比较常见的摄像头驱动进行了配置。当摄像头插入开发板时,会下目录下出现设备文件,表明摄像头驱动安装成功。.系统调试环境搭建调试程序的目的就是定位程序中的问题,是程序开发必不可少的环节,但在嵌入式中调试比较特殊,程序是在开发板中运行的,所以需要使用远程调试的方法。一般调试程序可以使用以下几种方式:查看程序运行时的内部数据,跟踪程序的运行和查看信号量的变化等。.与调试工具简介是组织提供的开源调试器,功能十分强大,是使用最常用的调试第章嵌入式系统平台的搭建一? 皇?置置暑置置?工具,是由开源软件领路人开发的项目调试工具,不仅可以调试应用程序,还可以调试正在运行的进程

49、和线程,并可调试多种编程语言支持多种操作系统。应注意如要使用进行调试,需在编译程序的时候加上“.选项产生相应的调试信息。是一命令行工具,使用起来不是很方便。所以本系统使用了可视化图形前端结合来调试。是简称,是、等的可视化图形前端,使用图形数据显示功能把数据结构按照图形的方式显示出来。通过调用来调试应用程序或内核,可以在图形界面完成操作,十分方便。如果系,将自动处理整个统没安装,如在系统上,可使用命令“安装过程。如在系统上,则可使用“印.命令【。.远程调试环境搭建由于嵌入式资源的有限性,不能在目标板直接进行调试,所以需要使用远程调试。调试器提供两种调试代理用于支持远程调试,即方式和方式。方式需要

50、通过链接器把调试代理和调试的程序链接成一个可执行的应用程序,不适合在嵌入式中应用。而体积很小,可以在具有少存储容量的目标系统上独立运行,使得它非常适合于嵌入式环境。所以现在最常用的远程调试方式就是使用的方式,建立远程调试的环境,在目标系统上运行,而在主机上运行。自带的工具是基于体系的,需要自己下载源码编译适合平台的工具。可以从:/./网站获得源码。这里使用最新版本.。下载完解压并使用“./?.命令一/.进行配置,然后就可使用和进行编译和安装。注意此时后面不用加“.选项,否则会编译错误,因这是要编译机上用的程序。编译完成后,就会在.目录下生成/,/,/几个子目录,其中在目录中的可执行文件.就是要使用的调试器。编译完?之后,接下来就需要编译在目标板上运行的了,在/./下有一个的子目录,这个目录包括了编译所需要的所有的东西。首先进入目录,与编译的步骤一样,不过此时的时候应该加上“?一选项。将编译好的程序通过或其他方式下载到开发板中即可。哈尔滨下程大学硕士学何论文是可以独立运行的控制程序,允许远程调试器通过“命令与目标板上的程序建立连接。与之间通过串口或网络连接通信,采用远程串行协议。使用方式调试时,在