智能家具环境下传感器设计方案

1、1. 绪论1.1研究背景随着人们对居住条件、生活质量、信息获取的需求越来越迫切，社会信息化 脚步的进一步加快，家居信息化成为建设社会信息化过程的一个很重要环节。家庭是社会的细胞，唯有家庭实现了信息化，才可能真正实现社会的信息化。 对智 能家居系统的研究及开发是实现家庭信息化得必经之路。 但目前国内的研究尚未 建立一个完整的理论体系，对智能家居的理解也存在着种种差异；当前国内的智能家居产品大都功能贫乏，系统设计不规范、扩展性差，对当前的发展形式较难 适应，同时智能家居技术在我国处于起步阶段， 许多技术标准都未标准化，还有 很多工作需要做。因此加强智能家居应用方面的研究， 通过选取合适的技术，设

2、计合理的方案，组建一种符合我国国情的、具有自主知识产权的智能家居系统己 成为当前智能家居研究领域中极富挑战的课题。智能家居控制系统的应用需求随着人们生活水平的提高，智能化需求日益旺盛。智能控制器作为 智能产品的核心器件应该享有更为旷阔的发展空间， 未来成长较好。中国智能控 制产品规模与全球智能控制产品规模的增长率走势相接近，但是整体增长速度超 过全球增长速度。全球智能控制产品市场规模，逐年稳步增长。国内智能家居产品多集中在别墅和复式住宅等咼端家庭，咼端智能 化产品在智能家居销售份额中占很大的比重，中低端产品市场普及率较低。并且各地区间发展不平衡，主要集中于东部沿海发达城市，而中西部城市智能家居

3、市 场相对空白。另外，上海的智能家居市场的需求量较其他城市需求量大，主要原因就是上海的经济发展更好一些。智能家居发展初期始于安防控制，家庭用户主要采用环境监测、煤气探测、温湿度调节、防火报警等功能保障财产安全。目前，由于城市的安全环境越来越 好，人们更注重的则是家居的舒适和便利，而安防的侧重点将会越来越少。为此 环境控制和娱乐服务控制日渐成为更多智能家居市场更大的需求点。智能家居控制系统的研究及应用现状随着近年来科学技术的迅速发展和普及， 我们的工作、生活观念也发生了巨 大的改变，现代家庭生活追求的新方向一智能化生活已经悄然走进我们的生活，“智能家居”已成为家庭信息化和智能化必不可少的需求。智

4、能家居是指在小区 内部宽带网络己经普及的基础上利用小区内部的网络环境搭建的以家庭为单位 的控制系统。首先，在一个家居中建立一个通讯网络，为家庭信息提供必要的通 路，在家庭网络的操作系统的控制下， 通过相应的硬件和执行机构，实现对所有 家庭网络上的家电和设备的控制和监测。其次，通过一定的媒介，构成与外界的通讯通道，以实现与家庭以外的世界沟通信息，满足远程控制/监测和交换信息的需求。最后，智能家居的最终实现目的都是为满足人们对安全、舒适、方便和 符合绿色环境保护的需求。智能家居从功能上来说，主要分为家庭安防功能、家 庭数据采集功能、家电及家庭电子设备控制、家庭信息管理平台和家庭能源控制 功能等五大

5、功能。现在，世界各国都在跻身于网络信息服务技术的家庭应用， 硅谷目前的投资 和研发热点就是这方面的应用。圣保罗风险资本公司、 Flatiro n 合伙公司和松 下电子公司已经拨款1.4亿美元，投资于支持智能家居的信息家电公司。诺基亚、 摩托罗拉和至少另外五家电话制造商正在开发网络电话。而惠普、 IBM、太阳微 系统和索尼等公司正准备推出大量新发明的小玩意儿。从巴掌大小的扫描仪到赋 予这些装置动力的芯片和软件等不一而足。当前，我国对智能家居的研究刚起步。1994年，国家科委立项资助重大科 技项目“ 2002年小康型城乡住宅科技产业工程项目”其目标是以科技为先导。 以示范住宅小区建设为载体，推进我

6、国住宅产业现代化，构建新一代住宅产业， 在该项目中，把智能型住宅技术列为重中之重， 开展技术、产品与工程的应用研 究。2000年9月，长虹、海尔、春兰、TCL小天鹅、上广电、厦新、电子三所、 清华同方、中兴通9讯等数家家电巨头和科研院所参加了国家经贸委 2000年国 家技术创新重点专项计划“家庭信息化网络技术体系研究及产品开发” 项目工作 会议会议。此次会议成立了“中国家庭信息网络制标技术委员会” 。该委员会将 联合开发家庭信息网络中的共性技术和产品互联规范， 实现消费类电子、通信和 计算机行业间的大范围协作。现在国内智能家居系统的研究还处于起步阶段， 现有的智能家居系统通常构 建在单片机上，

7、只是对一些分散的智能家庭控制子系统的研究，例如三表抄送子系统（电表、水表和天然气表）、门禁子系统、可对讲子系统、医疗求助子系统和 控制子系统等。这些子系统互相独立，不能实现信息共享，使得安装和使用很不 方便。目前，智能家居网络系统还主要以有线形式为主，无线只是作为有线的补充，而且网络传输和处理能力较差。一个智能家居系统应该将家居的安防系统， 家电控制系统，通信系统，网络应用系统等等应用系统进行统一管理， 实现互联， 系统能够自动处理各种事件，并且用户能够通过电话或者In ternet进行远程管理，从而创造符合人们要求的便捷化。1.2课题研究目的及意义本课题的研究意义本文针对人们的需求和市场上现

8、有安防产品的不足，提出了一种“系统控制中心ZigBee无线传感器网络的智能家居安防系统解决方案。方案采用了现代先 进的技术成果，功能完善、性价比高，能够被广大用户所接受，同时克服了现有 安防产品的不足。系统用户可以根据需求来选择不同功能的传感器节点，这样既可以最大化地满足用户的需求，又比较经济实惠。同时，系统将各种报警探测器集成在家庭内 部网络中，方便各种报警探测器之间协同工作和集中控制，解决了现有安防产品功能单一的缺陷。系统采用ZigBee技术构建家庭监控网络，将报警信息集中到系统控制中心，再通过GPR测络实现报警信息和控制信息的远程传输，大大节省了报警信息远程传输的成本。ZigBee的高频

9、部分采用了直接序列扩频(Direct SequeneeSpread Spectrum，DSSS技术保证信号传输，避免了在 2.4GHz公用频段的干扰， 也解决了现有无线安防产品采用 ASK调制技术所造成的同频干扰问题。ZigBee 芯片是超低功耗的无线收发芯片，采用休眠模式，减少电池使用的成本。系统采用无线传输的通信方式，避免了布线的麻烦，也降低了系统安装的成 本。本课题的研究目的本课题研究的主要目的是深入研究智能家居涉及的相关理论与技术，将计算机技术及嵌入式控制技术等应用于智能家居控制系统中，基于此基础上，设计一个低成本、易维护、可扩展、易配置的家居中央控制平台。本设计选用了价格适中、货源稳

10、定的犯位ARM核的嵌入式微处理器53C2410作为硬件控制核心，选 用网络功能强大、开源、并且便于维护的嵌入式Linux操作系统作为软件开发平 台，在此基础上进行嵌入式开发，设计出一个面向家居系统的专用控制系统。1.3论文的主要工作和结构(1) 概述了智能家居系统的功能及国内外发展现状。(2) 阐述了智能家居系统的构架、家庭网络及智能家居控制平台涉及的相关 技术。(3) 详细介绍了智能家居控制平台实现的功能，并提出了智能家居控制平台 的设计方案。(4) 详细介绍了智能家居控制平台的硬件选型以及硬件设计。(5) 详细介绍了研究及实现智能家居控制系统所必需建立的软件开发环境， 软件开发平台的搭建过

11、程以及软件设计开发所采用的原理和方法。(6) 最后对全文进行了总结，并提出设计中存在的问题和需要改进的方向。2. ZigBee关键技术介绍ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无 线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行 数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。2.1IEEE802.15.4 简介随着通信技术的迅速发展，人们提出了在人自身附近几米范围之内信的需求，这样就出现了个人区域网络（personal area network, PAN和无线个人区 域网络（wireless personal area

12、 network, WPAN）的概念。WPAb网络为近距离范围内的设备建立无线连接，把几米范围内的多个设备通过无线方式连接在一 起，使它们可以相互通信甚至接入 LAN或In ternet。1998年3月，IEEE 802.15 工作组。这个工作组致力于 WPA网络的物理层（PHY和媒体访问层（MAC的 标准化工作，目标是为在个人操作空间（person al operat ing space, POS ）内 相互通信的无线通信设备提供通信标准。POS 般是指用户附近10米左右的空 间范围，在这个范围内用户可以是固定的，也可以是移动的。在IEEE 802。15工作组内有四个任务组（task gro

13、up, TG,分别制定适合 不同应用的标准。这些标准在传输速率、功耗和支持的服务等方面存在差异。下 面是四个任务组各自的主要任务：（1）任务组TG1:制定标准，又称蓝牙无线个人区域网络 标准。这是一个中等速率、近距离的 WPAN网络标准，通常用于手机、PDA等设 备的短距离通信。（2）任务组 TG2 制9定 IEEE 802.15.2 标准，研究 IEEE 802.15.1 与 IEEE 802.11 （无线局域网标准，WLAN的共存问题。（3）任务组TG3制定标准，研究高传输速率无线个人区 域网络标准。该标准主要考虑无线个人区域网络在多媒体方面的应用，追求更高 的传输速率与服务品质。（4）任

14、务组TG4制定标准，针对低速无线个人区域网络 （low-rate wireless perso nal area network, LR-WPAN）制定标准。该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或者家庭范围内不 同设备之音的低速互连提供统一标准。任务组TG4定义的LR-WPA网络的特征与传感器网络有很多相似之处，很多研究机构把它作为传感器的通信标准。LR-WPAI网络是一种结构简单、成本低廉的无线通信网络，它使得在低电能 和低吞吐量的应用环境中使用无线连接成为可能。与WLAN相比，LR-WPAN络只需很少的基础设施，甚至不需要基础设施。标准为LR-WPA网络制定了物理

15、层和MAC子层协议。IEEE 802.15.4 标准定义的LR-WPAI网络具有如下特点：（1）在不同的载波频率下实现了 20kbps、40kbps和250kbps三种不同的传 输速率；（2）支持星型和点对点两种网络拓扑结构；（3）有16位和64位两种地址格式，其中64位地址是全球惟一的扩展地址；（4）支持冲突避免的载波多路侦听技术（carrier sense multiple accesswith collision avoidanee, CSMA-CA）；（5）支持确认（ACK机制，保证传输可靠性。2.2 ZigBee 协议无线传感器网络节点要进行相互的数据交流就要有相应的无线网络协议（包

16、括MAC!、路由、网络层、应用层等），传统的无线协议很难适应无线传感器的 低花费、低能量、高容错性等的要求，这种情况下，ZigBee协议应运而生。Zigbee 的基础是IEEE 802.15.但IEEE仅处理低级 MAC层和物理层协议，因此 Zigbee 联盟扩展了 IEEE，对其网络层协议和API进行了标准化。Zigbee是一种新兴的 短距离、低速率的无线网络技术。主要用于近距离无线连接。它有自己的协议标 准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。Zigbee是一个由可多到6

17、5000个无线数传模块组成的一 个无线数传网络平台，十分类似现有的移动通信的CDMA网或GSM网，每一个Zigbee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间 可以进行相互通信；每个网络节点间的距离可以从标准的75米，到扩展后的几百米，甚至几公里；另外整个Zigbee网络还可以与现有的其它的各种网络连接。 通常，符合如下条件之一的应用，就可以考虑采用Zigbee技术做无线传输：需要数据采集或监控的网点多；要求传输的数据量不大，而要求设备成本低；要求 数据传输可性高，安全性高；设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块；电池供电；地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖；

18、现有移动网络 的覆盖盲区；使用现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统；使用GPS效果差，或成本太高的局部区域移动目标的定位应用。值得注意的是，在已经发布的ZIGBEE V1.0中并没有规定具体的路由协议，具体协议由协议栈实现。2.3 ZigBee网络拓扑结构从网络结构上看，zigbee网络有星形，树形，网状 3种模式，按照网络节 点功能划分可分为终端节点（ep）、路由器节点（rp）和协调器节点（cp）3种2。 其组织结构如下图示：Mtfc1 RED傩讹希Chwin >zigbee网络拓扑结构其中，协调器节点负责发起并维护一个无线网络，识别网络中的设备加入网 络;路由器节点支撑网络链路

19、结构，完成数据包的转发；终端节点是网络的感知者 和执行者，负责数据采集和可执行的网络动作。这就要求 zigbee网络节点需扮 演终端感知者、网络支持者、网络协调者 3种角色。从功能上，zigbee节点应由微控制器模块、存储器、无线收发模块、电源 模块和其它外设功能模块组成。其中，包括 dma usart模块、定时器模块、a/d 模块在内的丰富的外设功能来满足网络对硬件资源的需求，存储器模块完成协议栈的存储与执行，CPU实现数据的运算与处理，MAC定时器用于实现网络同步， 使用AEC技术对信息进行加密，无线模块完成收据的收发与信息帧控制。2.4 ZigBee网络的自适应机制Zigbee2006协

20、议栈的网络层路由协议是基于 Ad Hoc按需矢量路径协议AODV (Ad hoc On dema nd Dista nee Vector )，支持在环境中移动、连接失败和包丢 失的环境应用。AODV路由协议的实现分两部分：路由发现和路由维护。具体的 AODV&由协议实现可以查看 AODV、议原文。路由发现又分两部分，一部分是源节点发送数据的路由发现， 第二部分是中 间节点及目标节点的路由发现。路由维护：一旦一个节点的下一跳出现故障， 一 个链接被认为是失效的，链路上的其他节点就会开始链路修复。 通常是在一个数 据包到达这一链路后的下一次，开始一个新的发现过程。如果重新发现过程不能 启动

21、，或者是由于其他原因失败了，就会给这个数据包的发送节点发送一个 RERR这时它再重新发起一个路径发现过程，路径的建立都是自动的。ZigBee网络路由具有自我修复的功能，如果某一路连接断掉了，路由功能 将为失去连接的节点自动找到一个新的路线，这个也是ZigBee的关键特征之一。 当一个路由器收到从一个节点发往另一个节点的数据包，网络层根据以下步骤来 转发这个包：如果目的地是这个路由的邻居(包括是其子节点)，这个包将被直接发送到目的地；否则，这个路由器将检查自己的路由表来找到相应的目的地的 路由表记录。如果有一个动态路由表记录，这个包将转发到路由表记录的下一跳 地址；如果没有，将执行一个路由发现过

22、程，过程结束后这个包才会被发送。本 设计中创建了数据发送和接收两个任务， 对应图6.6和图6.7用来处理路由协议 的数据收与发：当应用层程序要发送数据到其他节点的时候， 就调用数据发送任 务；数据接收任务功能是处理网络层控制信息和转发数据报文等。 应用层和网络 层之间的通讯是通过True Time中的信箱创建消息量来实现的。3传感器节点和网关设计4智能家居控制子系统中央控制平台总体设计随着家用电器的不断数字化与智能化，新的家电产品在为人们提供更加强大 的功能的同时，也面临着新的挑战，比如，产品的造价高，开发时间长，维护、 升级费用昂贵等等。事实上，单个家电在不断增加功能的同时， 也形成了彼此相

23、 互隔离的信息孤岛，因而造成了资源浪费，成为信息家电发展中的瓶颈。为了解 决这一个问题，人们通过先进的网络技术，将单个家电通过统一的接口与协议相 互连接，并形成独立的功能模块以协同工作， 实现资源共享。学术界对智能家居 系统的组成没有定论，综合各种观点，一个完整的智能家居系统除了具有各种功 能的信息家电外，还必须包括以下几个模块：(1) 信息处理模块：为了使相互独立的信息家电可以实现信息共享与协同工作，智能家居系统中必须具有专门的信息处理模块。它的功能主要是收集家庭中 各个家电的工作状态和服务请求，对各种数据进行实时处理，并将结果送入功能 驱动模块。现阶段，无论是基于家庭网关的智能家居系统还是

24、基于家居服务器的 智能家居系统，多采用了集中式信息处理模块。由于家庭网络的拓扑结构比较简 单，集中式的信息处理设计实现都较为简单，控制的效率也较高，因而得到了广泛的应用。但是随着家庭中信息家电的数量不断增加，采用分布式的控制方式将具有更高的灵活性，这是未来智能家居系统的发展趋势。(2) 通信模块:如果说信息处理模块是智能家居系统的大脑，那么通信模块就是实现信息传导的神经。根据家庭组网的特点，通信模块常利用已有的布线或者 采用无线传输(如蓝牙、红外)等。由于不同的信息电器对传输时的带宽要求不同， 实际中的通信模块常采用多种方式混合组网。(3) 功能驱动模块：功能驱动模块是信息流入、流出各个信息电

25、器的接口。由 于各电器生产厂商的产品在功能和实现上都有很大的不同， 所以必须通过功能驱 动模块将信息处理模块的指令翻译成电器可以执行的电平信号， 以及将电器的各 种状态信息转换成信息处理模块可以理解的二进制信息。(4) 外界信息接口模块：该模块可以看成是一个家庭通向外界(如In ternet) 的网关。它在家庭内部各种电器信息共享的基础上， 进一步实现了基于In ternet 的资源共享，从而更进一步实现了共享的深度和广度， 也将是外来智能家居系统 的热点。由于家庭内部网络通常不使用 TCP/IP协议，所以外界的信息接口模块 中最基本的功能就是从TCP/IP协议到各种家庭内部网络协议的转换。根

26、据上述分析，一个具有集中式信息处理模块的智能家居系统的组成可以下 图所示：集中式信息处理模块的智能家居系统的组成图4.1控制平台功能与结构智能家居中央控制平台以中央控制器为核心，利用ZigBee无线网络构建家庭网络连接各种家电以及接收各种传感器信号；利用以太网接口接入广域网，实 现用户远程控制。对于大多数家电而言，其本身的计算能力和存储能力都非常有 限，依照传统的设计观念，只有通过提高家电本身的硬件能力和软件资源来实现 家电的各种网络功能。这样必然要提高家电的成本，这对家电的发展和普及是相 对不利的。基于以上原因，本设计利用宿主机代理网络家电加入家庭网络，并代理实现其网络功能，从而实现白色家电

27、的网络化中央控制平台的基本架构如下图所示：中央控制平台的基本架构图它包含如下的组件：(1) 用户室内无线家庭网络部分，这部分由ZigBee模块组成，实现了网络家 电宿主机和控制平台的无线通信。(2) 中央控制平台与Ini emet通信部分，这部分由中央控制器上的网络芯片 和嵌入式Linux操作系统所提供的TCP/IP协议栈以及嵌入式web服务器组成， 实现用户对家电设备的远程访问和控制。(3) 中央控制平台上的家居控制系统实现了集中控制家庭中的家电设备。 网络家电宿主机上实现了对家庭中家电设备的代理，家庭设备通过网络 家电宿主机加入到家庭网络中。4.2涉及到的软硬件介绍在现今的市场上，单片机的

28、生产厂商很多，单片机的类型也很多。作为主控 模块的控制器，在这众多的单片机类型中选择一款合适的型号是很重要的事情。 目前市场上的单片机有：1.80XX系列:80XX系列是INTEL公司最早推出且生产量最大的一个系列， 其 他公司，如PHILIPS和SIEMENS!提供这类产品。2. PIC 系列:PIC 是外部接口控制器(peripheral In terface Co ntrol)的简称，是Aiizona Mirerochip Technology公司的单片机产品。3.68HC11系列:68HC11系列是Motorola公司生产的最受欢迎的单片机系列 产品。4. MSP430系列:MSP43

29、O系列是TI公司推出的一种超低功耗的单片机。5. ARM系列:ARM系列是ARM公司推出的一种32位微处理器。在本系统中，对于单片机的选型应该遵循的原则或要求是：(1) 选择的单片机必须有较好的稳定性：(2) 选择的单片机必须具有丰富的片上外围设备，这样可以简化电路设计， 也可以使得电路的调试更加容易；(3) 选择的单片机要有方便的调试功能，单片机厂商要提供免费的调试软件， 使单片机程序大部分能够在PC机上仿真出来而且准确无误；而且，单片机语言要 多样化，既可以使用汇编也可以使用 c语言；(4) 选择的单片一机功耗要低，由于设计的通用智能终端长期在现场！ 一作，为了避免频繁更换和节约资源，要选

30、择功耗较低的处理器；美国德州仪器公司(TI)MSP430生产的系列单片机能很好地满足上述要求，其中尤以MSP430F44单片机最为适合。其主要特点和功能有：(1) 工作电压低(I.8-3.6V)，电流小(280uA/IMHz活动模式)，5种低功耗模 式，待机模式下电流为1.luA，掉电模式下更能达到0.luA。(2) 有丰富的中断源可任意嵌套，用中断请求将系统从被用状态唤醒仅需6us。(3) 片内看门狗及上电复位电路，多种时钟源 (xTAL1, xrrAL2或内部DOCFLL+)可供选择。I/O 口多，有双向并行I/O 口 P1和P2(有终端功能)及P3-P6 口，多数有 复用功能。(5) 有

31、两个16位定时器AB均各带3个比较捕获模块，每个模块可独立编 程，用于产生定时脉冲，捕获外部事件。 片内集成液晶驱动器，驱动能力可达 160段。(7) 通用通信模块UART(和UART1软件可选同步/异步方式。(8) 具有自动循环采集功能8通道12位ADC12自带采样保持器和可选电压 基准，可自动扫描。(9) JTAG接口或片内BOOT RO使程序下载调试极其方便，程序代码由安全 熔丝保护。(10) 不须加装存贮器，片内自带2K字节及在线可擦除编程32K字节主Flash 十256字节信息Flash.片内模块包含3个控制寄存器，时序发生器，提供编程 及擦除电压的电压发生器及Flash存贮器本身，

32、其中主Flash分为每段512字节 的段063,信息Flash分为每段128字节的段A、B。在无线收发模块的软件设计中，无线收发芯片的设置是尤为重要的一步，果 芯片的初始化设置没有设置好，将会导致整个无线收发模块停止工作。初始化设置包括射频输出频率的设置，调制方式的设置，控制寄存器的设置，通讯协议的 设置等等。输出频率和调制方式是初始化设置的基础，设计一个系统首先要确 定系统使用的频率和调制方式。进而要对通讯协议以及芯片的控制寄存器进行设 置。通讯协议的设置就是两个节点统一收发规则，要以同一种格式收和发，即数据以什么方式传送，传送几位数据，有无起始位和停止位，怎么检查传送是否正 确等等。最后一

33、步就是对控制寄存器的设置，将命令写入芯片，使芯片按照系统的要求工作。芯片初始化设置软件 smart studio:smart studio 是Chipcom公司推出的专 门为方便设置其公司生产的无线收发芯片的软件，这个软件将会帮助用户设置无 线收发芯片中的一些参数，并使它他们的配置达到最优。smart studio 可以帮助用户设置参数包括接收/发送模式；传输率和数据格式；射频输出功率；频率合 成主要参数：射频输出频率，FSK分频，晶振参考频率；频率合成锁定指示模式等。芯片选择界面如下图所示:严曲吃"：费.- - -界面中的选项卡如下图所示:5智能家居控制子系统详细设计智能家庭控制系

34、统是以HFG以太网、现场总线、公共电话网、无线网的传 输网络为物理平台，计算机网络技术为技术平台，现场总线为应用操作平台，构 成一个完整的集家庭通信、家庭设备自动控制、家庭安全防范等功能的控制系统。智能家居控制系统的总体目标是通过采用计算机技术、 网络技术、控制技术 和集成技术建立一个由家庭到小区乃至整个城市的综合信息服务和管理系统， 以 此来提高住宅高新技术的含量和居民居住环境水平。系统通常由系统服务器、家庭控制器（各种模块）、各种路由器、电缆调制解 调器头端设备 CMTS交换机、通讯器、控制器、无线收发器、各种探测器、各 种传感器、各种执行机构、打印机等主要部分组成。5.1硬件设计基于AR

35、M刖发平台的上述优点，本系统选用基于ARM920内核的32位嵌入 式微处理器S3C2410作为中央控制器的处理器。中央控制器以S3C2410为核心根据需求设计了存储系统，通信系统，人机接 口系统等。系统设计整体硬件图如下：系统设计整体硬件图(I) 存储系统选用SAMSUNG司的具有64MB容量的K9F1208乍为系统外部的NANDFLAS存储器。K9F1208是市面上一款嵌入式系统中常用的存储器，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。选用容量为 犯MB的Samsung公司的HY57v561620BT-HS片2片作为系统外部的 SDRA，用 作程序的运行空间、数据及

36、堆栈区，64M内存空间满足系统运行时对内存的需求。考虑到中央控制器的现有和将来的需要，系统的存储系统具有作为内存使用的64MB的 SDRAI和作为外存使用的 64MB的 NAND Flash,在S3C2410体系结构中，存储系统的存储空间分为 8个BANK每个BANK勺大小均为128MB总共为 IGB存储空间，采用NGCS0:78个通用片选信号引脚选择 8个BAN!区域。BANK0 到BANK5的开始地址是固定的，用于ROME SRAMBANK6和BANK；用于ROMSRAM 或SDRAMBANK6勺起始地址也为固定的，BANK7的起始地址是BANK6勺结束地 址，其起始地址和大小可通过编程改

37、变；所有内存块的访问周期都可编程，外部 等待扩展了访问周期；除了 BANK0所有的存储段都可以通过程序控制存取的位 数8/16/32 ;支持SDRAI的自动刷新和电源掉电模式等。S3C2410芯片内集成外部总线接口支持 SRAM SDRAM Flash等存储器，提高了系统的稳定性和可靠性。根据芯片上述要求，作为内存的SDRA地址空间使 用BANK6地址空间；作为外存的NANDFLAS占用BANK0空间。Flash存储器S3C24I0内部集成了 NAN闪存控制器，为了支持NAN加载启动代码S3C24I0提供一个内部SRAMS存区steppingstone，称为“步堆”。系统启动时，NANDFLA

38、SH 中的前4KB的代码被自动载到 steppingstone 中，被ARM执行。设置S3C24I0 的0M汇l:o弓I脚为00时，CPU从NAND Flash启动。用户启动前将引导加载程 序Boot Loader代码和操作系统的镜像存储在外部的 NAND Flash中，处理器上 电复位时，通过处理器内部的NAND控制器将Boot Loader代码自动加载到steppingstone 的4KB空间中，此时Steppingstone 定位于起始地址 0x0运行， Boot Loader程序开始执行，将操作系统的镜像加载至外部内存SDRAK中，然后操作系统便能够在SDRAM中运行，启动完成后，处理

39、器 Stepp in gsto ne的4KB 空间就可以释放并用于其他的用途。KgF1208是 Samsung公司生产的一款 512Mb(64MX8&)NAND Flash 存储器。 该存储器的工作电压为2.73.6V，内部存储结构为528字节x32页x4096块， 页大小为528字节，块大小为(16KB512字节);可实现程序自动擦写、页程序、 块擦除、智能的读/写和擦除操作，一次可以读/写或者擦除4页或者块的内容， 内部有命令寄存器。该器件按功能可以划分为：存储阵列、输入/输出缓冲、命令 寄存器、地址译码寄存器和控制逻辑产生。其中，命令寄存器用来确定外部设备对存储器进行操作的类型；

40、地址译码寄存器用于保存被访问的地址并产生相应的 译码选通信号。主设备通过8位I/O端口分时复用访问器件命令、地址和数据寄 存器，完成对芯片内存储器的访问。K9FI208上的片选使能信号引脚 CE低电平选中，K9F1208的低8位I/O 口与 S3C2410氐8位数据线DATA0DATA77应相连；WP引脚提供相关数据操作保护， 可通过引出一上拉电阻与电源 VCC相连。K9F1208的CLE和 ALE直接与S3C2410 的对应引脚相连；S3C24l0的读写控制信号nFW罰nFRE分别提供KgFI208的WE 和RE信号。从NAND闪存读取数据时，S3C24l0就通过相关控制信号输出把nFRE

41、设置成低电平，nFWE为高电平，在系统上电复位时 NAND闪存芯片上的逻辑电路 保证将数据送出；向NAN芯片上写数据时，S3C2410就通过相关控制信号输出把 nFWES置成低电平，nFRE为高电平。通信系统中设计了 JTAG仿真接口、1路以太网接口、3路RS232接口、1路 USBDEVICE接 口、I 路 USBHOS接 口。本系统选用 CIRRUSLOGI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。蓝牙模块选用爱立信公司的 R0K101008该模块是一款适合短距离无线通信的射频/基带

42、模块，且集成度高、 功耗小，完全兼容蓝牙协议 Versi on 1.1 ，可嵌入任何需要蓝牙功能的设备中。人机接口系统中设计了一个 LCD接口，支持240x320大小的TFTLCD显示触 摸屏。该LCD支持彩色/黑白/灰度，支持虚拟屏幕功能，可利用系统存储器作为 显示存储器，可编程屏幕大小；同时市场上一般型号的USB键盘或USB鼠标可以 插在USBDEVIC接口上，方便用户使用。3通道的UART专输，可进行基于中断 的操作;支持硬件握手协议；可编程的波特率；支持扩展模块等。ZigBee或蓝牙模 块通过UART接口与S3C2410相连接。5.2软件设计人机接口电路的软件设计：本设计键盘工作采用扫

43、描方式。进入键盘扫描状 态后扫描键盘，当键盘被按下时，消除抖动处理。否则，退出键盘扫描状态。消 除抖动延时后，再扫描键盘，识别有无按键按下，如果有，则判断是哪个键。然 后向控制任务的消息队列发送此按键所对应的消息。当停止按键后，延时挂起， 等待下一次按键。流程图如图下所示：键盘任务流程图键盘扫描的部分程序如下所示：Int keysea n(v oid)init np10 , nP11, nP12, nP13;Int n res=0;For(;)n p10=p1IN&BIT0;/读各引脚状态n P1 仁=(P1IN&BIT1)>>I;n P12=( P1IN &

44、; BIT2)>>2:n P13=( P1IN & BIT3)>>3;if(n p10=0 |n p1 仁=0 |n p12=0| np13=0)/ 是否有键按下break;有键按下Delay();延迟一段时间，消除抖动n p10=PIIN&BIT0;读取各个引脚状态n P11=(P1IN&BIT1)>>I;n P12=(P1IN&BIT2)>>2;n P13=(PlIN&BIT3)>>3;if(n p10=0| np11=0| np12=0| np13=0)是否有键按下n Res=Key Pr

45、ocess();有键盘按下，进行键盘分析Else return-1;/没有输入，为干扰Retur n n Res;实时时钟任务的设计：芯片有单字节传送方式和多字节传送方式， 通过把RST复位线驱动置高电平 来启动所有的数据传送。RST复位线有两种功能，首先RST逻辑控制允许地址和 命令序列送入移位寄存器，其次，RST提供了终止单字节或多字节传送的手段。数据输入时，时钟的上升沿数据必须有效，数据的输出在时钟的下降沿。如 果RST为低电平，那么所有的数据传送将被终止，且I/O引脚变为高阻状态。上 电时，在VCO2.5V之前RST必须为逻辑0。当把RST驱动置逻辑1时，SCLK必 须为逻辑0。程序流

46、程图如下图所示：初始化端口及端口电平模拟程序如下:#in clude<msp430x44x.h>VoidPort_i ni t(void)P2DIR=0;/P2为输入方向P2DIR| =CE;/设置CE为输出管脚P2DIR|=CLK;return;设置SCLK为输出管脚使能CE，实时时钟选通Void CE_E nable(void)P2OUT|=CE;return;Void CE_Disable(void)/实时时钟关闭P2OUT&=(CE);return;Void SCLK_HI(void)/SCLK置高P2OUT|=SCLK;return;Void SCLK_LOW(v

47、oid)/SCLK置低P2OUT&=(SCLK):return;LCD显示实时时间程序如下所示：#in clude<msp430x44x.h>#i nclude<DS1302.h>#include ” other.h ”#i nclude”LCD1602.h”Strict Timer Strict定义始终的数据结构un sig ned char Year;un sig ned char Mouth:un sig ned char Day:un sig ned char Hour:un sig ned char Minu te:un sig ned char Se

48、cond;unsigned char DateBuffer= 2008/01/01”:/定义日期显示格式unsigned char TimerBuffer= 00:00:00”;/定义时间显示格式un sig ned int Seeon dCo unt;void LCDdisplay(void)读取dsl3OZ时钟信息，并将结果存到显示 缓冲区中un sig ned int Temp:Temp=Read_DS1302_RTC(0X81);RealClock.Sec on d=Temp;TirnerBuffer7=Temp%16+0x30;TimerBuffer6=Temp/16+0x30:Te

49、mp=Read_DSI302_RTC(0X83);RealCloek.Mi nute=Temp;TimerBuffer4=Temp%16+0x30;TimerBufferl3=Temp/16+0x30:Temp=Read_DS1302_RTC(0X85):RealClock.Hour=Temp;Timer Buffer1=Temp%16+0x30:Timer Buffer0=Temp/16+0x30;Temp=Read_DS1302_RTC(0X87):RealClock.Day=Temp;DateBuffer9=Temp%16+0x30:DateBuffer8=Temp/16+0x30:Te

50、mp=Read_DS1302_RTC(0X89):RealClock.Mou nth=Temp;DateBuffer6Temp%16+0x30:DateBuffer5=Temp/16+0x30;Temp=Read_DS1302_RTC(0X8d);RealClock.Year=Temp:DateBuffer3=Temp%16+0x30;DateBuffer 2=Temp/16+0x30;LCD_displaystr_ram(0, 3, DateBuffer):LCD_displaystr_raln(l, l, TimeBuffer); /读秒信息/读分信息读时信息/读日信息/读月信息/读年信息

51、/刷新LCD上的日期信息/刷新LCD上的时间信息5.3 Web远程控制531嵌入式远程控制系统的设计智能家居的远程控制系统采用B/S结构，用户利用远程计算机访问In ternet ，通过浏览器访问嵌入式 Web Server，实现对智能家居设备的远程监 控。B/S模式与传统的C/S模式相比，具有使用简单，便于维护，扩展性好，无 需在客户端安装客户端软件等优点，只需打开客户端浏览器访问即可。远程控制 系统如示意图如下所示：|远程PC机嵌入式 Web server设计在嵌入式Linux系统下，主要有3个 Web Server: Httpd、Thttpd和BOAHttpd是最简单的一个Web ser

52、ver，它的功能最弱，不支持认证，不支持CGI（Common Gateway In terface，通用网关接口）。Thttpd 和 BOA都支持认证、CGI等，功能都比较全。这里我们选择支持CGI的、非常适合于嵌入式系统的BOA WebServer。BOA是一个单任务的 WEB艮务器，源代码开放、性能可靠、稳定性 好，特别适合应用在嵌入式系统中。本设计需要一个支持CGI功能的Web Server以便支持动态网页。BOA具有的功能特性满足本设计的需要，故选用BOA作为Web Server，其工作流程如下图所示：Web服务器Boa的工作流程图选用BOA乍为Web Server，可以方便地在嵌入式

53、 Linux操作系统上移植。 在移植前，根据具体的情况先对 BOA做配置及修改。其中boa.conf配置文件很 重要，它由一些规则组成，用于配置 BOA指定监听端口，服务器名称、CGI执 行文件路径等。533实现动态WebM面的C引技术到目前为止，实现动态 web页面有 4种技术可供选 择:CGI(cOInmonGatewayInterface) 、ASP(Active Server Page)、ASP.NET(Active Server P) 、PHP(Personal Home Page)和 JSP(Java server Page)。在 嵌入式Linux下如果要实现动态网页，只能采用 C

54、GI，因此目前嵌入式Linux还 不支持ASP PHP等动态web页面技术。CGI(CommoGateway Interface) 提供web服务器一个执行外部程序的通道， 这种服务端技术使得浏览器和服务器之间具有交互性。CGI程序属于一个外部程序，需要编译成可执行文件，以便在服务端运行。浏览器将用户输入的数据送到 Web!务器，Web服务器将数据使用STD取送给CGI程序，在执行CGI程序后， 最后使用STDOU输出HTML形式的结构文件，经Web服务器送回浏览器显示给用 户。CGI程序可以用任何程序设计语言编写， 如Shell脚本语言、Perl、Fortran、 Pascal、C语言等。但

55、目前嵌入式 Linux不支持Perl、Fortran等语言，而且用 C语言编写的CGI程序具有执行速度快、安全性高，所以我们选择用C来编写CGI 程序。CGI工作原理:CGI公共网关接口是在 WEB艮务器上定义了 WEB客户请求与 应答的一种方法。当客户端的用户向 WE曲艮务器发出HTTP请求(称为CGI请求)， 客户向服务器的请求只要属于 CGI范围，就启动WEB艮务器的一个CGI程序。它 的任务是把客户的请求从环境变量和标准输入Stdin中取出，并进行相应的加工处理。待处理结束后，由CGI程序通过标准输出决定如何对客户的请求做出应答， 将处理结果以HTMI格式回送到客户端浏览器。访问一个C

56、GI程序的完整过程如下：用户要求浏览器访问一个 CGI程序资源(URL地址指向这CGI程序);(1) 浏览器与web服务器建立连接，发送HTTP青求；(2) Web服务器接收到HTTP请求，分析浏览器请求的资源，发现是一个 CGI 程序；(3) 服务器将HTTP请求头标设置成环境变量，执行 CGI程序；如果HTTP青求方法是POSTCGI程序从标准输入读取浏览器发送的数据 内容，如果HTTP请求方法是GET CGI程序从环境变量 QUERY_STRING获取浏 览器发送的数据内容；(5) CGI程序根据浏览器发送来的数据，进行相应处理，并将生成的结果输 出到标准输出；(6) 服务器在CCI程序的结果上附加状态行和一些头标信息，然后将结果返 回给浏览器。操作过程如下图：STDOIJT访问CGI程序过程图系统在设计控制网页的时候，响应用户设置一次家电状态的操作，CGI程序必须使用webs Write函数将家电设置后的状态值刷回到相应的网页中去。系统设计了一个控制过程，用户通过 In ternet在控制页面上设置相应的控 制命令以及控制参数，然后交由特定的CGI处理程序处理后并发送到家居控制系 统，最终由设备来完成用户需求，如此