ARM智能家居远程监控系统设计方案szzfz

1、1/1作者：PanHongliang封面仅供个人学习1/1基于ARM的智能家居远程监控系统设计随着计算机、通信及微电子技术的飞速发展和人民生活水平的提高，人们对居住环境 的要求，也向着追求精神内涵、安全舒适、便捷智能化和自动化为理想目标，智能化的家 居环境也逐渐备受人们的关注。目前，在智能家居系统设计中，智能家居控制中心与终端 (家电设备、安防设备、三表等)之间多采用基于总线的有线连接方式(RS 485, CAN, Lon Works 等)，这种连接方式具有布线复杂、线路易腐蚀、维护不方便、影响室内美观等缺 点：远程用户与智能家居控制中心之间的通信多采用电话线和网线的通信方式，未能将目 前日益

2、成熟的移动通信技术应用其中，给用户带来极大的不便：智能家居控制中心多采用 单片机作为控制核心，随着用户功能需求的增加，由于单片机软硬件资源有限，给系统的 升级、维护及调试带来极大困难。鉴于此，本文提出了基于 ARM 的智能家居远程监控系 统设计方案，并对该方案进行了具体设汁。http:/I 智能家居无线技术槪述1. 1 GPRS 技术简介通用分组无线业务(Geneval Packet Radio Serv-icetGPRS)以分组交换技术为基础，采 用 IP 数据网络协议，使现有 GSM 网的数据业务突破了最髙速率为 9.6 Kb/s 的限制，最 髙数据速率可达 171.2 Kb/s。GPRS

3、 具有永远在线、髙速传输、按流量计费、减少无线资 源浪费及通信成本低等优点。1.2 蓝牙技术简介蓝牙技术是一项新兴的技术，它的主要目的是在全世界建立一个短距离的无线通信标准。 它使用 2.42.5 GHz 的 ISM(lndustry Scientific Medical)频段传送语音和数据。运用成 熟、实用、先进的无线技术来代替电缆，它提供了低成本、低功耗的无线接口，使所有固 立和移动设备通过微微网 PAN(Per2sonal Area Network)连接起来。这样，人们可以通过 手机或者互联网在任何时候、任意地点对家中的任意电器(空调、热水器、电饭煲、灯光、 音响、DVD 录像机)进行远

4、程控制。1/12 系统的主要功能和总体结构设计2.1 主要功能用户通过手机或 Internet 实现对家电、灯光、窗帘、门禁、安防等基础设施及室内环境的 远程实时监视与控制，同时还可自动完成三表(水、电、气)的抄表工作。2.2 总体结构设计智能家居系统远程监控系统的核心部分是一个嵌入式 Web 服务器，系统集有线与无线两 种通信方式于一体，用户可以通过手机或 PC 机登陆家中的嵌入式 Web 服务器，通过用户 名和密码验证之后，便可以査看或控制家用电器、灯光、窗帘、门禁、安防等基础设施： 系统带有 LCD 和键盘，具有良好的人机界而；用戸可以通过键盘设定系统所需要的参数： 系统具有丰富的可扩展

5、接口，如 A/D 转换接口、无线蓝牙接口、RS 485 接口、GPRS 接 口、以太网接口。系统的总体结构设计如图 1 所示。3 系统硬件设计3.1 硬件结构设计系统的硬件结构设计如图 2,图 3 所示。由图 2 可知，智能终端以 MCU 为控制核心，外 扩蓝牙从模块及苴他外设接口：由图 3 可知，智能家居控制中心硬件由嵌入式微处理器、 外部存储器、数据通信接口、人机接口及调试接口五大部分组成。3.2 系统控制中心硬件设计3.2.1 嵌入式微处理器本系统选用韩国三星电子的基于 ARM920T 内核的 32 位嵌入式微处理器 S3C2410 作为系 统的1/1控制核心，该芯片本身集成了包括存储器

6、接口、通信接口(USB, RS 232), A/D, JTAG 等在内的丰富的硬件资源， 可简化外囤设备与微处理器的駛件连接程度， 提髙系统的 稳定性、可靠性。3.2.2 系统存储器由于 S3C2410 的存储控制器提供了外部存储器访问所需要的控制信号，用户只需要选择 合适的外部 FLASH 和 SDRAM 与英相连，即可实现系统的存储功能。本系统选用 SAMSUNG 公司的具有 512 MB 容量的 K9F1208 作为系统外部的 NAND FLASH 存储器，用于 存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据等。选用 2 片容量为 32MB 的 SAM-SUNG 的 K4S5

7、6163 作为系统外部的 SDRAM,用作程序的运行空间、数据 及堆栈区。3.2.3 以太网控制模块由于 S3C2410 本身没有集成以太网控制模块，所以需要一个与之相匹配的控制芯片来实 现以太网扩展接口。本系统选用 CIRRUS LOGIC 公司的 CS8900A 作为系统的以太网控 制芯片。CS8900A 是一个单芯片全双工的以太网解决方案，所有的数字和模拟电路合成了 完整的以太网电路。主要结构包括 ISA 总线接口、802.3 MAC 引擎、BUFFER,串行 E2PROM 接口和带 10BASE-T 和 AUI 的模拟前端。CS8900A 的 10BASE-T 接口通过变压器HR601

8、627 与 RJ 45 网口连接。3.2.4 GPRS 通信模块GPRS 通信模块采用西门子公司的无线数据传输模块 MC235I,支持数据、短信、语音和 传真业务。MC35i 是新一代 GSM/GPRS 双模模块，完全兼容上一代的 MC35, TC35i：采用紧凑型设计，为用户提供了简单、内嵌式的无线 GPRS 连接。MC35i 与控制中心是通 过 UART 接口 1进行硬件连接的。1/13.2.5 蓝牙模块系统设计中蓝牙模块选用爱立信公司的 ROK 101 007。该模块是一款适合短距离无线通 信的射频/基带模块，且集成度高、功耗小，完全兼容蓝牙协议 Versionl.1,可嵌入任何需 要蓝

9、牙功能的设备中。ROK 101 007 包含 5 个功能块：无线收发器、基带控制器、闪 存、电源管理模块、时钟， 可提供髙至 HCI(主机控制接口)层的功能。 ROK 101 007 的 U ART 口符合工业标准 16C450,支持以下波特率： 300 b/s, 600 b/s, 900 b / s, 1 2 00 b/s, 1 800 b/s, 2 400 b/s, 4 800 b/s, 9 600 b/s,19 200 b/s, 38 40 0 b/s 等。与该接口有关的管脚有 4 个:TxD(B5), RxD(A5), RTS(A6), CTS(B6)。在 本系统设汁中，ARM 微处理

10、器 S3C2410 通过 UART 接口 2 与 ROK 101 007 模块连接。4 系统软件设计系统软件设计包括智能家居控制中心软件设计和智能终端应用软件设 il两大部分。智能家 居控制中心是以 ARM 微处理器为控制核心，其软件设汁包括系统软件(嵌入式操作系统、 硬件设备驱动程序、嵌入式数据库、嵌入式 Web 服务器)设汁和应用软件(网页设计及 CGI 应用程序)设汁：智能终端的控制核心为单片机，苴应用软件设计是一个循环控制程序。4. 1 系统控制中心的软件设计4. 1. 1 系统软件设计(1) 嵌入式操作系统的选择及移植本系统采用 Linux 作为操作系统，并选用 Linux2. 6

11、内 核在嵌入式微处理器 S3C2410 上移植，具体移植方法如下：1准备 Linux 2. 6 内核移植所必需的文件(内核压缩包 linux-2. 6. tar. bz2 及交叉编译 器arm-linux-gcc-3. 4. 1. tar. bz2).这些文件可到 LinUX 官方网站免费下载。2利用 Linux 命令(mkdir, tar, mv 及 export)安装交叉编译器 arm-linux-gcc-3. 4. 1。3修改 Makefile 文件及相关硬件文件。由于内核的编译是根据：Makefile 文件的指示进行 的，Makefile 文件来组织内核的各模块之间的关系，记录了各个模

12、块之间的相互联系和依 赖关系。所以，开发人员要首先修改 Linux 2. 6 根目录下的 Makfile 文件，修改的主要内 容是目标代码的1/1类型和为编译内核指左一个编译器。4运用 Make 命令编译内核生成内核镜像文件 zlmage 文件，通过相应的固化软件把这个 文件固化在系统相应的存储器中，完成 Linux 2. 6 内核在 ARM 微处理器上的移植。(2) 驱动程序的移植及设计智能家居控制中心需要多个设备驱动程序，而对于嵌入式系统而言很少有通用的外设驱动 程序可以使用。在本系统中，除了 GPRS 模块和蓝牙主模块分别通过第一、第二个串口与 S3C2410相连，可以直接使用标准的串口

13、驱动程序外，其余的如家电控制接口、传感器接 口及以太网接口等属于非标准外设，需要专门设计英驱动程序。在驱动程序的设 il中，由 于嵌入式 Linux 系统中设备驱动程序有一个标准的框架，虽然这些接口工作原理不同，但 苴设计方法基本类似，即根据硬件结构来填写”框架中的函数。主要的函数包括 open(), r ead(), write(), ioctl(),release(), module_init()和 module exit()等。以太网接口驱动程序的设计虽然可以按照上述方法进行，但是实现起来却有一泄的难度， 本系统在设讣中使用一种更简单的方法，即通过移植的方法实现 CS8900 以太网驱动

14、程序 在S3C2410 上运行。具体移植方法如下：1利用网络工具从网上下载 CS8900. C 和 CS8900. H,并把它们拷贝到内核下的 DRIV ERS /NET 目录。2修改配菜单， 增加 CS8900 配巻选项， 使系统在配置 ARCH SMDK2410 时， 可使用 C S8900的配置选项。3对网卡进行初始化及相关文件(smdk2410. h, mach-smdk24 10. c, makefile)进行修 改工作。4通过 Make 命令重新编译，即可实现 CS8900 以太网驱动程序的移植。(3) 嵌入式 Web 服务器的选择及移植在 ARM+Linux 开发平台下，可以使用

15、的 web 服务器主要有三个：Httpd, Thttpd 和 Boa。Httpd 是较简单的一个 Web 服务器，但其功能较弱，不支持认证、CGL Thttpd 和 Boa 都 支持认1/1证、CGI 等，功能比较强。为了实现动态 Web 技术，本系统在设计中选择了即支 持 CGI 又较适合于嵌入式系统的 Boa web 服务器，并将其移植在该系统中，使系统实现 嵌人式 Web 服务器的功能。具体移植实现方法如下：1下载 Boa 服务器源代码 boa-O. 94. 13. tar. g 乙 并将其解缩在/boasrc/目录下。2编译 Boa 源代码，生成执行文件 Boa(大小约 60 KB)。

16、3创建相关工作目录。 在/etc目录下建立一个boa目录， 里而放人boa的主要配置文件 boa. conf.还需要创建日志文件所在目录/ var / log / boa,创建 HTML 文档的主目录/ var / www,创建 CGI 脚本所在目录 / var / www / cgi-bin /。4对 Boa 作配置和修改。主要通过对 defines, h, boa. eonf 和 mime, types 文件进行修 改来实现。修改 defines, h 指立 Web 服务器的根目录路径(SERVER_ROOT) boa. con f 文件由一些规则组成，用于配置 Boa 服务器，指过相应端

17、口，服务器名称，一些相关文 件的路径等。Boa 服务器要想正确运行，必须保证该文件是正确配置的，而且该文件和某 些静态网页，CGI 可执行程序等都放于某特定目录下。5放世 Boa 文件。在/bin/下加入生成的 boa 可执行文件并把修改后的 bao. conf 拷贝 到 web服务器根目录/etc /boa 下。并将一些静态页面放在由 bo-a. conf 指左的目录 下。6重新编译内核根文件系统。把该文件系统重新下载到控制中心硬件电路板，启动 Boa W ebServer,就可以通过 IE 访问系统所设计的网页。(4) 嵌入式数据库的选择及移植本系统在设计中选用 SQLite 数据库，该数

18、据库具有功能强大、接口简单、速度快、 占用空间小的优点，使英比较适合应用在嵌入式系统中。系统在设计中实现了 SQLire3 在 ARM 微处理器上的移植。具体移植方法如下：1在 http：// F 载最新的源代码包 sqlite 3. 3. 8. tar. g 乙 并将其解压 后将生成 SQLite 目录。2安装交叉编译工具 arm-linux-gcco1/13修改 Makefile 文件。Makefile 的修改主要包括两个方而：首先是将编译器、归档工具等 换成交叉工具链中的对应工具，比如，gcc 换成 arm-linux-gcc, ar 换成 ar-linux-

19、ar, ranlib 换成arm-linux-ranlib 等：苴次是去掉与 TCL 相关的编译选项，因为默认情况下，将会编 译 SQLite3的 Tel 语言绑泄，但是在移植到 ARM 丄 inux 的时候并不需要，因此将两个与 T CL 有关的行注释掉。4利用 Make 命令编译生成目标文件 SQLite3。嵌入式数拯库 SQLite 的应用开发主要是利 用它所提供的 C 语言 API 函数来开发的，其核心的三个函数如下：4. 1. 2 应用软件设计智能家居控制中心的核心是一个嵌入式 Web 服务器，其应用软件的设计包括网页设计和 C GI应用程序设计两部分。网页设计采用设计工具 Drea

20、mweaver, FrongtPage, Photosho p, Flash 来实现。应用程序设计中考虑到系统硬件资源有限，故采用了 CGI 技术实现浏览 器与嵌入式 Web服务器的动态数据交互。把 CGI 程序保存在服务器端，当 Web 页而打开 时，客户端调用 CGI应用程序来实现用户的功能需求。在系统设计中，CGI 应用程序的编 写采用 C 语言，实现外部实时数拯采样、与外部设备的通信与控制等。本系统控制中心的 应用软件工作流程如图 4 所示。4. 2 智能终端应用软件设汁由于每一个独立的智能家居终端实现的功能不同，所以针对不同的智能家居终端需要编写 不同的应用软件，实现家电实时状态采样

21、及控制、三表实时数据采样及安防设备实时状态 采样等功能。此外，由于本系统设计中智能家居终端的控制核心为 MCU,所以其应用软件 设计相对主控中心来说要简单些。设计中应用程序按照软件设讣流程图进行编写，编写完 中之后，对软件进行仿真、调试，最终固化应用程序。下而以智能家电终端为例，说明智 能终端应用软件设汁。智能家电终端的软件工作流程如图 5 和图 6 所示。1/1版权申明本文部分内容，包括文字、图片、以及设计等在网上搜集整 理。版权为潘宏亮个人所有This article includes some parts, including text, pictures,and design. Cop

22、yright is PanHongliang s personal ownership 用户可将木文的内容或服务用于个人学习、研究或欣赏，以及 其他非商业性或非盈利性用途，但同时应遵守著作权法及其他相关 法律的规定，不得侵犯木网站及相关权利人的合法权利。除此以 外，将木文任何内容或服务用于其他用途时，须征得本人及相关权 利人的书而许可，并支付报酬。Users may use the contents or services of thisarticle for personal study, research or appreciation, and othernon-commercial or non-profit purposes, but at