精品資料（2021-2022年收藏）嵌入式智能家居控制器的設(shè)計(jì)

1、嵌入式智能家居控制器的設(shè)計(jì)1智能家居控制系統(tǒng)的概述隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、通信技術(shù)的不斷發(fā)展，人們更加關(guān)注生活環(huán)境的舒適性和安全性。人們期望智能化的生活家居環(huán)境，因此設(shè)計(jì)一套智能家居控制系統(tǒng)顯得十分必要。人們對(duì)家居的要求早已不只是物理空間，更為關(guān)注的是一個(gè)安全、方便、舒適的居家環(huán)境。家居智能化技術(shù)起源于美國(guó)，它是以家為平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。智能家居控制系統(tǒng)是以HFC、以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線、公共電話網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)為物理平臺(tái)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為技術(shù)平臺(tái)，現(xiàn)場(chǎng)總線為應(yīng)用操作平臺(tái)，構(gòu)成一個(gè)完整的集家庭通信、家庭設(shè)備自動(dòng)控制、家庭安全防范等功能的控制系統(tǒng)。大型的智能家居控制器的組成:系統(tǒng)服務(wù)器、各種路由器、家庭控

2、制器、電纜調(diào)制解調(diào)器頭端設(shè)備CMTS、各種探測(cè)器、交換機(jī)、通訊器、無(wú)線收發(fā)器、各種傳感器、交換機(jī)、各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)、打印機(jī)等主要部分組成。在分析了國(guó)內(nèi)外智能家居控制器的發(fā)展現(xiàn)狀之后，針對(duì)監(jiān)視家庭的設(shè)施（本地或遠(yuǎn)程）和控制家庭的設(shè)施（本地或遠(yuǎn)程）的要求，設(shè)計(jì)了ARM嵌入式智能家居控制器的整體方案和布局。結(jié)合自己所學(xué)的內(nèi)容，對(duì)部分內(nèi)容進(jìn)行了具體闡述。本文提出了一個(gè)實(shí)現(xiàn)智能家具的方案：將GPRS模塊與Window CE 操作系統(tǒng)相結(jié)合，外加各種床干起組成了一個(gè)智能家居系統(tǒng)，同時(shí)，詳細(xì)介紹了基于宿主機(jī)-目標(biāo)機(jī)的交叉開發(fā)環(huán)境，在PC機(jī)上安裝Windows CE.net 4.2，利用微軟提供的platform

3、 builder 4.2工具，安裝目標(biāo)平臺(tái)的BSP及定制Windows CE 操作系統(tǒng)內(nèi)核影像，然后下載內(nèi)核影像文件到ARM9目標(biāo)板，最后利用Active Syne同步軟件通過(guò)USB電纜使開發(fā)板與PC互相通信。利用Embedded visual C開發(fā)工具完成信息收集、命令處理、GPRS通信模塊的設(shè)計(jì)。2智能家居控制器總體設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與分析本設(shè)計(jì)屬于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。確定單片機(jī)控制系統(tǒng)總體方案，是進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要、最關(guān)鍵的一步?？傮w方案的好壞，直接影響整個(gè)控制系統(tǒng)的性能及實(shí)施細(xì)則。總體方案的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)被控對(duì)象的任務(wù)及工藝要求而確定的。設(shè)計(jì)方法大致如下：根據(jù)系統(tǒng)的要求，首先確定出系

4、統(tǒng)是采用開環(huán)系統(tǒng)還是閉環(huán)系統(tǒng)，或者是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。選擇檢測(cè)元件，在確定總體方案時(shí)，必須首先選擇好被測(cè)參數(shù)的測(cè)量元件，它是影響控制精度的重要因素之一。選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是微型機(jī)控制系統(tǒng)的重要組成部件之一。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇一方面要與控制算法匹配，另一方面要根據(jù)被控對(duì)象的實(shí)際情況確定。選擇輸入/輸出通道及外圍設(shè)備。選擇時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：被控對(duì)象參數(shù)的數(shù)量；各輸入/輸出通道是串行操作還是并行操作；各通道數(shù)據(jù)的傳遞速率；各通道數(shù)據(jù)的字長(zhǎng)及選擇位數(shù)；對(duì)顯示、打印有何要求；畫出整個(gè)系統(tǒng)流程圖和原理圖。2.1.1 單片機(jī)控制部分本系統(tǒng)是單片機(jī)在系統(tǒng)檢測(cè)以及工程控制方面的應(yīng)用，其特點(diǎn)是體積小，成本低，功能

5、強(qiáng)，功耗低，是微機(jī)應(yīng)用產(chǎn)品化的最佳機(jī)種之一，它已廣泛地應(yīng)用在產(chǎn)品智能化和工業(yè)自動(dòng)化上。而把單片機(jī)面向工控領(lǐng)域?qū)ο?，嵌入到工控?yīng)用系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的計(jì)算機(jī)稱之為嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)一般分為四種:工控機(jī)，通用CPU 模塊，嵌入式微機(jī)處理，單片機(jī)。嵌入式系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：(1)面對(duì)控制對(duì)象。如傳感信號(hào)輸入、人機(jī)交互操作,伺服驅(qū)動(dòng)等。(2)嵌入到工控應(yīng)用系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)形態(tài)。(3)能在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中可靠運(yùn)行的品質(zhì)。(4)突出控制功能。如對(duì)外部信息的捕捉、對(duì)控制對(duì)象實(shí)時(shí)控制和有突出控制功能的指令系統(tǒng)(I/O 控制、位操作和轉(zhuǎn)移指令等)。單片機(jī)有唯一的專門為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的體

6、系結(jié)構(gòu)與指令系統(tǒng)，最能滿足嵌入式應(yīng)用要求。單片機(jī)是完全按嵌入式系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)的單芯片形態(tài)應(yīng)用系統(tǒng)，能滿足面對(duì)控制對(duì)象、應(yīng)用系統(tǒng)的嵌入、現(xiàn)場(chǎng)的可靠運(yùn)行及非凡的控制品質(zhì)等要求，是發(fā)展最快、品種最多、數(shù)量最大的嵌入式系統(tǒng)。2.1.2系統(tǒng)工作流程部分圖1-1系統(tǒng)工作流程圖2.2智能家居控制器的硬件設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)智能家居控制器時(shí)，考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和擴(kuò)展性，因此將控制器硬件設(shè)計(jì)成核心板和控制板兩部分。核心板主要用來(lái)構(gòu)建嵌入式最小系統(tǒng)，控制板主要是一些外圍接口。系統(tǒng)硬件如下圖所示：圖1-2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)核心板由微處理器以及外圍的存儲(chǔ)芯片等構(gòu)成，這里采用三星公司成產(chǎn)的S3C2440微處理器。S3C2440微處理器廣

7、泛應(yīng)用于便捷式通信產(chǎn)品、手持運(yùn)算、多媒體等嵌入式領(lǐng)域，并且能夠較為輕松地運(yùn)行Windows CE 同時(shí)考慮到整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求高，故采用了三星生產(chǎn)的S3C2440微處理器。 GPRS模塊采用ZOGLAB公司生產(chǎn)的MC35TS芯片。通過(guò)串口信號(hào)線TXD2和RXD2和微處理器相連接。LCD直接由CPU來(lái)控制，不過(guò)要增加驅(qū)動(dòng)電路。觸摸屏才有4線電阻式，直接將它和CPU的nYPON、YMON、nXPON、XMON相連。家電控制接口的輸入控制信號(hào)連接到CPU的GPIO端口，當(dāng)要對(duì)某個(gè)家電進(jìn)行控制時(shí)，只需要向指定的端口寫入0或1，然后再有家電控制接口通過(guò)有線或無(wú)線的方式去控制相應(yīng)的家電。2.3智能家居控制

8、器的軟件設(shè)計(jì)考慮系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性以及網(wǎng)絡(luò)功能的要求，可以考慮選擇Windows CE和Linux操作系統(tǒng)，但綜合考慮開發(fā)難易程度以及Windows CE良好的用戶界面，易于操作等特點(diǎn)，同時(shí)我們主要是應(yīng)用層的開發(fā)，故決定選用Windows CE操作系統(tǒng)。在WindowsCE.net產(chǎn)品的開發(fā)中，有三個(gè)重要的方面，一個(gè)是內(nèi)核定制，一個(gè)是驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)，最后一個(gè)是應(yīng)用程序的開發(fā)，微軟在這幾個(gè)方面都提供了非常好的開發(fā)工具，這就是內(nèi)核定制工具Platform Builder和應(yīng)用程序開發(fā)工具Embedded visual C。2.3.1操作系統(tǒng)平臺(tái)定制在嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)成功搭建的基礎(chǔ)上，如何根據(jù)具體應(yīng)用針

9、對(duì)特定的硬件定制裁減Windows CE嵌入式操作系統(tǒng)是本課題的關(guān)鍵。嵌入式系統(tǒng)通常是一個(gè)資源受限的系統(tǒng)，直接在嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺(tái)上編寫軟件很困難，目前一般采用宿主機(jī)/目標(biāo)機(jī)模式，即首先在通用計(jì)算機(jī)上編寫程序，然后通過(guò)交叉編譯生成目標(biāo)平臺(tái)上可運(yùn)行的二進(jìn)制文件，最后下載到目標(biāo)平臺(tái)上運(yùn)行。在進(jìn)行嵌入式開發(fā)之前，首先應(yīng)該建立和配置好交叉開發(fā)環(huán)境。WinCE平臺(tái)的定制過(guò)程如下：(1)選擇操作系統(tǒng)的基本配置，并且為特定的平臺(tái)選擇相應(yīng)的微處理器和板級(jí)支持包BSP(Board Support Packet)。(2)利用標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)向?qū)?，根?jù)Windows CE的架構(gòu)創(chuàng)建一個(gè)定制平臺(tái)，根據(jù)目標(biāo)硬件設(shè)備開發(fā)Boo

10、t Loader、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、適當(dāng)?shù)牟脺p、添加組件，如果需要還須對(duì)某些配置文件進(jìn)行修改，然后封裝所需要的各個(gè)功能模塊，編譯生成OS鏡像文件；(3)通過(guò)以太網(wǎng)、USB或串口將鏡像文件下載到目標(biāo)設(shè)備，可以使用Platform Builder提供的調(diào)試工具查看Windows CE的運(yùn)行情況并進(jìn)行調(diào)試，若需要，進(jìn)行重復(fù)配置、封裝、下載及調(diào)試，直到滿足要求，完成平臺(tái)的創(chuàng)建；(4)最后導(dǎo)出相應(yīng)的SDK(Software Development Kit)軟件開發(fā)工具包，運(yùn)行后安裝到EVC中，使得可以進(jìn)行特定硬件平臺(tái)上的應(yīng)用程序開發(fā)。SDK包含程序庫(kù)、頭文件、示例程序源代碼和庫(kù)函數(shù)使用文檔，同時(shí)還包括編程指

11、導(dǎo)和API以及設(shè)備驅(qū)動(dòng)工具包（DDK）。2.3.2驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)系統(tǒng)所涉及的GPIO驅(qū)動(dòng)及中斷驅(qū)動(dòng)程序，可以有兩種模型：?jiǎn)纹?qū)動(dòng)程序和分層驅(qū)動(dòng)程序。在這里我們采用的是分層的驅(qū)動(dòng)程序，分層驅(qū)動(dòng)程序由兩個(gè)設(shè)置好的層組成；上層是模型設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序(MDD),下層是依賴平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)程序(PDD)。微軟為鏈接驅(qū)動(dòng)程序提供了模型設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序(MDD)，對(duì)平臺(tái)和函數(shù)來(lái)講模型驅(qū)動(dòng)程序(MDD)是通用的，即是源代碼也是庫(kù)。模型驅(qū)動(dòng)程序執(zhí)行下列任務(wù)：(1)鏈接PDD層并定義它希望調(diào)用的函數(shù)，通常這些函數(shù)叫做設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供器接口（DDSI）；(2)把不同的函數(shù)集提供給操作系統(tǒng)，通常這些函數(shù)叫做設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口(DDI)

12、；(3)負(fù)責(zé)與GWES模塊和內(nèi)核通信，包括一些復(fù)雜的操作，例如中斷處理等。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口(DDI)是一套由MDD模型設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供、由GWES調(diào)用的函數(shù)，而設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口（DDSI）由PDD層的驅(qū)動(dòng)程序提供并供模型設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序(MDD)調(diào)用。對(duì)于分層的驅(qū)動(dòng)程序而言，編寫驅(qū)動(dòng)就是要編寫PDD層下的DDSI函數(shù)和MDD層下的DDI函數(shù)。通俗的來(lái)講，DDSI函數(shù)主要就是直接操作處理器中寄存器的值；而DDI函數(shù)就是在操作系統(tǒng)平臺(tái)上，向DDSI函數(shù)傳遞上層的參數(shù)。GPIO的PDD層驅(qū)動(dòng)：對(duì)于GPIO驅(qū)動(dòng)程序而言，PDD層下的DDSI主要由下列幾個(gè)函數(shù)組成：NGPIO Driver Get Devi

13、ce Info返回GPIO端口的狀態(tài)信息；GPIO的MDD層驅(qū)動(dòng)：MDD層下的DDI主要由下列幾個(gè)函數(shù)組成：從NGPIO Driver Get Devic eInfo函數(shù)中返回參數(shù)；NGPIO Set Device向NGPIO Driver Se tDevice函數(shù)傳遞參數(shù)；它們?cè)诓僮飨到y(tǒng)的層面上，通過(guò)向DDSI函數(shù)傳遞和返回參數(shù)，修改和獲取S3C2440寄存器的值。通過(guò)編寫調(diào)用這些函數(shù)的應(yīng)用程序，來(lái)實(shí)現(xiàn)我們需要的控制功能。2.4應(yīng)用軟件開發(fā)Windows CE是微軟開發(fā)的一種面向嵌入式應(yīng)用的Windows操作系統(tǒng)，具有和Windows基本一致的API。當(dāng)然Windows CE開發(fā)也有自己的特

14、點(diǎn)。Windows CE應(yīng)用程序開發(fā)應(yīng)注意以下方面的要求：(1)應(yīng)用程序必須使用Unicode字符集。(2)嵌入式設(shè)備通常沒(méi)有多少空間容納像臺(tái)式機(jī)那么多的內(nèi)存，因此，程序代碼應(yīng)優(yōu)化到盡可能小，程序越大，它所加載時(shí)間就越長(zhǎng)。應(yīng)用程序通過(guò)GPIO驅(qū)動(dòng)程序來(lái)讀取與S3C2440端口相連的傳感器的狀態(tài)，然后將信息返還給WinCE應(yīng)用程序5，應(yīng)用程序根據(jù)傳感器狀態(tài)將信息通過(guò)調(diào)用串口驅(qū)動(dòng)程序，發(fā)送AT命令4，傳給GPRS模塊，然后，GPRS模塊發(fā)送短信到用戶手機(jī)，用戶就可以觀察家里的變化了。當(dāng)用戶想對(duì)家中的某些設(shè)備進(jìn)行操作時(shí)，可以通過(guò)發(fā)送短信給GPRS模塊，然后模塊將信息傳給WinCE應(yīng)用程序，應(yīng)用程序就

15、可以控制IO口，來(lái)達(dá)到用戶的要求。將移植好的系統(tǒng)、應(yīng)用程序下載到智能家居控制器上。經(jīng)過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)具有操作方便、可靠性高和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)智能家居控制器將家電、傳感器、手機(jī)等許多獨(dú)立的設(shè)備連接成為一個(gè)系統(tǒng)，從而方便本地和遠(yuǎn)程控制。2.5智能家居器控制器能實(shí)現(xiàn)的功能和提供的服務(wù)（1）始終在線的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，與互聯(lián)網(wǎng)隨時(shí)相連，為在家辦公提供了方便條件。（2）安全防范：智能安防可以實(shí)時(shí)監(jiān)控非法闖入、火災(zāi)、煤氣泄露、緊急呼救的發(fā)生。一旦出現(xiàn)警情，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)向中心發(fā)出報(bào)警信息，同時(shí)啟動(dòng)相關(guān)電器進(jìn)入應(yīng)急聯(lián)動(dòng)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)防范。（3）家電的智能控制和遠(yuǎn)程控制，如對(duì)燈光照明進(jìn)行場(chǎng)景設(shè)置和遠(yuǎn)程控制、電器的自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制等。（4）交互式智能控制：可以通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能家電的聲控功能；通過(guò)各種主動(dòng)式傳感器（如溫度、聲音、動(dòng)作等）實(shí)現(xiàn)智能家居的主動(dòng)性動(dòng)作響應(yīng)。（5）