基于ARM9的無(wú)線智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、學(xué) 號(hào):2012407218 2015-2016學(xué)年第一學(xué)期嵌入式系統(tǒng)期 末 論 文 論文題目姓名:張江州院 系:信息技術(shù)學(xué)院專 業(yè):農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化年 級(jí):2012論文提交日期:2015年 10月成 績(jī): 一、摘要21世紀(jì)是信息技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代,社會(huì)的信息化喚起了人們對(duì)住宅智能化及家居智 能化的要求,智能住宅己成為中國(guó)房地產(chǎn)市場(chǎng)的主流。計(jì)算機(jī)行業(yè)和家電行業(yè)、電信行業(yè)、 安防監(jiān)控行業(yè)的互相滲透、 互相融合, 使信息時(shí)代的未來(lái)家居生活逐步成為現(xiàn)實(shí)。 建設(shè)部要 求根據(jù)不同消費(fèi)者的需要,推動(dòng)家居數(shù)字化、建筑智能化,到 2010年全國(guó)大中城市 60%的 住宅要實(shí)現(xiàn)智能化由此可見中國(guó)智能家居市場(chǎng)潛力

2、巨大。智能家居 (Smart Home,又稱智能住宅。通俗地說(shuō),是利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)、嵌入式系 統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù),將家庭中的各種設(shè)備 (如照明系統(tǒng)、環(huán)境控制、安防系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)家電 通過(guò)家庭網(wǎng)絡(luò)連接到一起。 一方面, 智能家居將讓用戶有更方便的手段來(lái)管理家庭設(shè)備, 比 如,通過(guò)無(wú)線遙控器、電話、互聯(lián)網(wǎng)或者語(yǔ)音識(shí)別方式控制家用設(shè)備 ; 另一方面,智能家居 內(nèi)的各種設(shè)備相互間可以通訊, 不需要用戶控制也能根據(jù)不同的狀態(tài)互動(dòng)運(yùn)行, 從而給用戶 帶來(lái)最大程度的高效、便利、舒適與安全。關(guān)鍵字:智能家居 數(shù)字智能1引言20世紀(jì) 80年代初,隨著大量采用電子技術(shù)的家用電器面市,開始出現(xiàn)了 住宅電子化 (HE,Ho

3、me Electronics 的概念。 80年代中期,將家用電器、通訊設(shè) 備 與 安 防 設(shè) 備 的 功 能 綜 合 為 一 體 , 形 成 了 家 居 自 動(dòng) 化 概 念 (HA, HomeAutomation 。 80年代末,由于通信與信息技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了對(duì)住宅中 各種通信、家電、安防設(shè)備通過(guò)總線技術(shù)進(jìn)行連接、控制與管理的商用系統(tǒng),這 在美國(guó)稱為智慧屋 (WH,Wise Home,在歐洲稱為時(shí)髦屋 (SH,Smart Home。當(dāng)時(shí) 日本正處于房產(chǎn)市場(chǎng)低迷時(shí)期, 日本建設(shè)省在推進(jìn)智能建筑概念時(shí), 抓住用于住 宅總線技術(shù)的契機(jī),提出了家庭總線系統(tǒng)概念 (HBS,Home Bus Syste

4、m。而隨著 技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展和生物識(shí)別技術(shù)的實(shí)用化普及, 智能家居的概念才真正體現(xiàn)了其 本意, 在好萊塢科幻電影中看到的那種高度智能化的家居系統(tǒng)正在走進(jìn)我們的生 活。日本松下公司正在把 “數(shù)碼家庭”的概念應(yīng)用到養(yǎng)老院,養(yǎng)老院的所有 房間都裝有多種測(cè)量?jī)x器、觸摸式顯示屏、數(shù)碼攝像機(jī)等,并與局域網(wǎng)相連,這 樣每個(gè)居住者的體溫、 血壓等多項(xiàng)數(shù)據(jù)可以傳送到護(hù)理中心, 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療護(hù)理。美國(guó)麻省理工學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室正在研究“智能房間” ,通過(guò)生物傳感器探測(cè)人的行 為來(lái)自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)居住系統(tǒng)。日本大型住宅公司 MISAWA HOME 為解決購(gòu)房者對(duì) 房屋防盜系統(tǒng)的不滿意,新近推出 “保全住宅” 該住宅內(nèi)部采用指

5、紋辯識(shí)門禁系 統(tǒng),另設(shè)有隱藏式防盜室, 當(dāng)遇到小偷闖入時(shí)屋主可躲進(jìn)去緊急避難, 防盜室設(shè) 有兩道厚重的門,其中內(nèi)門只要從里面上鎖后, 外部無(wú)法靠人力打開。 防盜室內(nèi) 裝設(shè)電話專線,電話線埋在地下, 另外還可在屋內(nèi)放置一個(gè)機(jī)器人, 畝以依歹徒 恐嚇的聲音來(lái)反應(yīng),并出聲求救,發(fā)揮報(bào)警求救功能 6。二、設(shè)計(jì)目的及意義本設(shè)計(jì)是基于 ARM9的智能家居監(jiān)控模塊開發(fā)與實(shí)現(xiàn),我們采用 ARM9 內(nèi)核的 S3C2410處理器為控制芯片, 再將 Linux 系統(tǒng)移植到硬件平臺(tái)上, 然后設(shè)計(jì)好相應(yīng) 的驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序, 最后將軟件下載到硬件平臺(tái)來(lái)對(duì)家電進(jìn)行本地和遠(yuǎn)程控 制。系統(tǒng)主要有 GSM 通訊模塊和 ARM

6、9系統(tǒng)板兩個(gè)部分組成。而系統(tǒng)軟件主要完成 各個(gè)模塊之間交互通信的功能。智能家居與普通家居相比, 它不僅具有傳統(tǒng)的居住功能,提供舒適安全、高 品位且宜人的家庭生活空間, 還由原來(lái)的被動(dòng)靜止結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇?dòng)智慧的工 具,提供全方位的信息交換功能, 幫助家庭與外部保持信息交流暢通, 優(yōu)化人們 的生活方式,幫助人們有效安排時(shí)間, 增強(qiáng)家居生活的安全性, 甚至為各種能源 費(fèi)用節(jié)約資金。智能家居是數(shù)字家庭的一部分, 只有將智能控制和上網(wǎng)功能集成起來(lái), 才形 成真正意義上的數(shù)字家庭。數(shù)字家庭涉及的領(lǐng)域?qū)⒕C合生活中的娛樂(lè)、工作、 投 資理財(cái)、學(xué)習(xí)、醫(yī)療、教育等,是實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部、家庭和社會(huì)的實(shí)時(shí)性溝通的綜 合

7、系統(tǒng)。數(shù)字家庭伴隨著無(wú)線而產(chǎn)生,也使無(wú)線技術(shù)得到了充分的應(yīng)用和體現(xiàn)。 三、智能家居基本模塊及解決方案首先對(duì)智能家居系統(tǒng)的功能模塊做了系統(tǒng)的分析, 提取出四個(gè)最基本的功能 模塊, 然后在比較國(guó)內(nèi)外各種實(shí)現(xiàn)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上, 確定課題各模塊的選 型,最終提出一套自己的智能家居解決方案。3.1 智能家居的基本功能模塊目前的智能家居行業(yè), 首先,處于一個(gè)初始發(fā)展時(shí)期,國(guó)際社會(huì)暫時(shí)還沒(méi)有 形成一個(gè)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn) ; 其次,智能家居的應(yīng)用場(chǎng)所一家庭住宅或住宅小區(qū),不同的實(shí)際環(huán)境也對(duì)智能家居提出了不同的要求與解決辦法 ; 此外,居民都希望能夠 對(duì)智能家居進(jìn)行個(gè)性化配置,滿足自身的特殊需求。這樣的形勢(shì), 致使

8、開發(fā)商在 實(shí)施智能家居時(shí)的方式、 范圍及側(cè)重點(diǎn)也不盡相同。 有些用戶比較注重家電的智 能控制, 而有些用戶可能更加關(guān)心家庭安全防范, 還有些用戶則希望建立相對(duì)全 面的智能家居系統(tǒng),滿足多方面的需求。功能模塊見下圖。 圖 3.1 功能模塊圖圖 3.1是根據(jù)課題充分分析現(xiàn)有的智能家居解決方案,結(jié)合自己的調(diào)查研 究,從中提取出四個(gè)最為基本的功能模塊 :家庭對(duì)外通信模塊、家庭網(wǎng)關(guān)模塊、 家庭安全防范模塊、 家庭設(shè)備自動(dòng)控制模塊, 并在此基礎(chǔ)上確定自己的智能家居 解決方案。傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)是為了滿足住戶方便性的要求, 一般是為了實(shí)現(xiàn)家用電 器的遠(yuǎn)程控制的目的,所以只包括“家庭對(duì)外通信模塊” 、 “家庭

9、網(wǎng)關(guān)模塊” 、 “家 庭自動(dòng)控制模塊” ,隨著近年來(lái)盜竊等現(xiàn)象的愈演愈烈,用戶又提出了家庭安防 的要求, 而近年來(lái)通信、 計(jì)算機(jī)、 自動(dòng)化等技術(shù)的不斷發(fā)展使這種要求能夠成為 現(xiàn)實(shí)。 所以課題的解決方案中考慮到了用戶對(duì)家庭安防的需要, 在傳統(tǒng)模塊劃分 的基礎(chǔ)上增加了“家庭安防模塊” 。下文結(jié)合國(guó)內(nèi)外功能模塊的實(shí)現(xiàn)方式, 將對(duì)各模塊做詳細(xì)分析與評(píng)述, 最終 提出自己實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的技術(shù)路線。3.2 家庭對(duì)外通信模塊智能家居的最終目的都是為 “滿足人們對(duì)舒適、方便、高效和符合綠色環(huán)境 保護(hù)的需求” ,其中“方便”要求家庭內(nèi)部系統(tǒng)能夠通過(guò)家庭對(duì)外接口,實(shí)現(xiàn)家 庭外部的遠(yuǎn)程控制。 家庭對(duì)外通信模塊的作用在

10、于此, 它在智能家居系統(tǒng)中扮演 著非常重要的角色。具體來(lái)講, 該模塊的功能是提供一個(gè)家庭內(nèi)部與外部的通信鏈路, 通信的內(nèi) 容是數(shù)據(jù)信息或指令信息,常用的通信媒介有電話、 GSM 短信、 Internet 等。 隨著新技術(shù)的發(fā)展, 家庭對(duì)外通信模塊從功能和方式上得到了豐富 :功能上, 過(guò)去只是完成簡(jiǎn)單指令信息的單方傳輸, 現(xiàn)在更多的是提供數(shù)據(jù)信息的通信, 包 括通信交流、商務(wù)、娛樂(lè)、教育、醫(yī)療保險(xiǎn)等 ; 方式上,從電話通信到 Internet 通信,再到 GSM 手機(jī)短信通信,越來(lái)越體現(xiàn)出通信方法的多樣化和簡(jiǎn)便化。3.3 家庭網(wǎng)關(guān)模塊家庭網(wǎng)絡(luò)就是在家庭內(nèi)部通過(guò)適當(dāng)?shù)慕M網(wǎng)技術(shù)把家庭網(wǎng)關(guān) (Resi

11、dential Gateway,RG 與其他設(shè)備組成可以進(jìn)行信息交換的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò),并通過(guò)家庭網(wǎng)關(guān)與 外部網(wǎng)絡(luò)相連,形成面向家庭的業(yè)務(wù)提供平臺(tái)。 在智能家居的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中, 家庭 網(wǎng)關(guān)占據(jù)至關(guān)重要的位置。 家庭網(wǎng)關(guān)是連接外部公網(wǎng)和家庭私網(wǎng)的關(guān)口, 既負(fù)責(zé) 家庭內(nèi)部對(duì)公網(wǎng)的訪問(wèn)和交互,又負(fù)責(zé)用戶從公網(wǎng)上對(duì)家庭網(wǎng)絡(luò)的訪問(wèn)和控制, 另外還要負(fù)責(zé)家庭內(nèi)部設(shè)備的互連、互控等操作,因此, 家庭網(wǎng)關(guān)成為智能家居 研究的重點(diǎn)。本設(shè)計(jì)是選擇三星公司生產(chǎn)的 S3C2410芯片作為嵌入式家庭網(wǎng)關(guān),它的 ARM 內(nèi)核是 ARM920T 。之所以選擇該芯片是基于以下幾點(diǎn)考慮;(1它帶有 MMU ,支持 Windows CE和

12、大部分的 Linux 操作系統(tǒng);(2它主頻達(dá)到 202MHZ ,能夠滿足一般家庭網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?(3它具有三通道的 UART 口, 每個(gè) UART 口都支持 IrDAL0協(xié)議, 為紅外通信 提供接口;(4它大約有上百個(gè) GPIO 口可供用戶使用, 使多個(gè)家用電器的接入網(wǎng)關(guān)成為 可能;(5它還有一個(gè) loom 的以太網(wǎng)口,使家庭網(wǎng)關(guān)能夠輕松接入 Internet 。 3.4 家庭安全防范模塊安全防范就是保障人們?cè)谏a(chǎn)、 生活和一切社會(huì)活動(dòng)中人身生命、 財(cái)產(chǎn)和生 產(chǎn)、生活設(shè)施不受侵犯,防止侵害行為的總稱。智能家居在滿足人們舒適、方便 生活的同時(shí), 也要求為家庭提供安全防范方面的保障。 它包含的

13、內(nèi)容有防止入侵、 盜竊、破壞、爆炸等,它的原則是“以防為主,打防并舉” ,安全防范工作貫徹“人防、技防、物防”相結(jié)合的方針政策。因此，智能家居將家庭安全防范模塊 定義為其四個(gè)基本要素之一。課題將安全防范的內(nèi)容分為兩部分，分別是家庭內(nèi) 部環(huán)境安全、家庭對(duì)外非法入侵預(yù)防，這兩方面都體現(xiàn)了現(xiàn)代技術(shù)在智能家居中 的應(yīng)用。 在此提出一套可行的安防方案，可供以后繼續(xù)研究實(shí)踐: (1住宅內(nèi)部采用被動(dòng)紅外探測(cè)器、可燃?xì)怏w探測(cè)器、溫/濕度傳感器； (2住宅外部可選擇窗磁、門磁開關(guān)、紅外探測(cè)器、玻璃破碎探測(cè)器、雙鑒 探測(cè)器等； (3住宅內(nèi)外部的探測(cè)裝置與報(bào)警控制器通過(guò)無(wú)線方式相連； (4報(bào)警控制器與中心控制器通過(guò)

14、有線方式相連。 3.5 家庭設(shè)備自動(dòng)控制模塊 智能家居的初衷是解決家庭設(shè)備的自動(dòng)控制問(wèn)題， 將更多的設(shè)備通過(guò)某種方 式連接，達(dá)到統(tǒng)一、集中控制，為家庭生活帶來(lái)方便。因此，現(xiàn)代智能家居的最 基本的功能需求體現(xiàn)在家庭設(shè)備的自動(dòng)控制， 家庭設(shè)備自動(dòng)控制模塊也就成為其 最基本的模塊。 對(duì)不同的家庭設(shè)備，課題給出了不同的解決方案: (1對(duì)于電飯鍋、電燈一類的開關(guān)量家庭設(shè)備，建議采用以繼電器為核心的 控制電路控制。具體方案為首先將繼電器、二極管、三極管、限流電阻等連接成 一個(gè)控制電路，然后將繼電器的一個(gè)電源腳接到開發(fā)板的 S3C2410 芯片的一個(gè) GPIO 引腳上，繼電器的另一個(gè)引腳接 VCC，這樣，可

15、以通過(guò)燒寫在 S3C2410 中的 程序，來(lái)控制 GPH1 輸出高低電平，進(jìn)而控制繼電器的吸合、斷開，然后由繼電 器來(lái)控制家用電器的開關(guān)。 (2對(duì)于電視機(jī)、空調(diào)一類提供紅外接口的家庭設(shè)備，通過(guò)統(tǒng)一的紅外控制 器控制;可行的方案是采用紅外模塊， 紅外模塊可直接與 S3C2410 的 UART 口相連， 這樣由 S3C2410 中的程序來(lái)發(fā)送和接收紅外數(shù)據(jù)。 可能涉及到的程序有紅外驅(qū)動(dòng) 程序、發(fā)送數(shù)據(jù)程序、接收數(shù)據(jù)程序等。 (3對(duì)于信息家電，首先通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口接入家庭以太網(wǎng)，如果信息家電支持 家電生產(chǎn)廠商的遠(yuǎn)程服務(wù)，智能家居系統(tǒng)便可以減少對(duì)它的操作，如果不支持， 則需要借助于信息家電提供的以太網(wǎng)交互

16、命令，通過(guò)智能家居系統(tǒng)執(zhí)行相關(guān)操 6 作。 四、自我評(píng)價(jià)： 在經(jīng)過(guò)充分的考察了解和對(duì)大量資料的研究后， 分析了國(guó)內(nèi)外智能住宅的現(xiàn) 狀和發(fā)展趨勢(shì)，并結(jié)合我國(guó)住宅的實(shí)際情況以及人們的需要，給出了一種智能家 居控制系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的努力，設(shè)計(jì)終于接近尾聲，在設(shè)計(jì) 過(guò)程中，我學(xué)到了許多在書本學(xué)不到東西，這些對(duì)將來(lái)的學(xué)習(xí)和工作都提供了一 筆寶貴的財(cái)富。 由于時(shí)間短、實(shí)驗(yàn)條件有限，更多的是本人能力有限，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)論文中的全 部設(shè)計(jì)，但是在不斷的摸索開發(fā)中我漸漸熟悉了嵌入式系統(tǒng)基本的開發(fā)流程，熟 悉了一些基本工具的使用，理解了一些基本原理，算是一個(gè)小小的入門。設(shè)計(jì)過(guò) 程中， 我感覺(jué)從事嵌入式開發(fā)