基于ARM和Linux的智能家居系统研究.pdf

1、基于A R M 和L i n u x 的智能家居系统研究学位论文完成日期：指导教师签字：答辩委员会成员签字：2 01 4 0 4丝雄豇基于A R M 和L i n u x 的智能家居系统研究删摘要随着经济的发展，人们期望拥有一个安全、舒适、节能和便捷的家居环境。智能家居系统通过计算机技术、嵌入式技术、传感器技术、网络通信技术的融合，及远程监控、安全防范、照明控制、网络连接等功能与一体，满足信息时代人们对高品质生活的追求。智能家居系统在国内的应用正处于发展阶段，有着广泛的市场，因此，对智能家居系统的研究有着重要的意义。本文介绍当前国内外智能家居系统研究现状，并对现有的智能家居系统中存在的不足进行

2、分析，提出了一种基于A R M 和L i n u x 的智能家居系统解决方案。首先详细分析了系统硬件平台的搭建，介绍了智能家居的整体设计，各部分电路的详细设计。其次对L i n u x 系统内核和引导程序进行裁剪和移植，并制定了相应的根文件系统。再次完成了智能家居软件设计与实现，主要完成触摸屏界面程序、语音导航控制程序、遥控器控制程序、I n t e m e t 远程控制程序。最后总结了本文智能家居系统的优势与不足。关键词：A R M 9L i n u xD T M F 语音导航控制短信控制智能家居S T U D Y0 FT H ES M A I U lH O 匝S Y S T E MB A

3、S E DO NA 刷MA N DL I N U XA BS T R A C TW i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m i c，p e o p l ea r el o o k i n gf o r w a r dt oh a v eas a f e，c o m f o r t a l e，e n e r g y-s a v i n ga n dc o n v e n i n e n tl i v i n ge n v i r o n m e n t T h es m a r th o m es y s t e mt a k ea d v

4、a n t a g eo fc o m p u t e rt e c h n o l o g y,e m b e d d e dt e c h n o l o g y,s e n s o rt e c h n o l o g y,n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi n t e g r a t i o n，w h i c hs e t sr e m o t em o n i t o r i n g，s a f e t yp r e c a u t i o n s，l i g h tc o n t r o l，n e

5、 t w o r kc o n n e c t i v i t yf u n c t i o n st om e e tt h es t a g eo fd e v e l o p m e n ti nt h ei n f o r m a t i o na g e T h es m a r th o m es y s t e mi si nt h es t a g eo fd e v e l o p m e n ti nt h ec o u n t r y，w h i c hh a saw i d er a n g eo fm a r k e t，t h e r e f o r e，t h e

6、s t u d yo fs m a r th o m eh a sa ni m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e T h ep a p p e rd e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n ts t a t u so fs m a r th o m ei nc u r r e n td o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a l，a n da n a l y s i st h ei n a d e q u a t eo fs m a r th o m e，a n da d v

7、 a n c e sas o l u t i o no fA R Ma n dL i n u x-b a s e ds m a r th o m es y s t e m F i r s t l y,t h ep a p e ra n a l y s i st h ec o n s t r u c t i o no ft h eh a r d w a r ep l a t f o r m，i n c l u d i n gt h ei n t e g r a ld e s i g no ft h es m a r th o m ea n dt h ed e t a i l e dd e s i

8、 g no f e a c hp a r t S e c o n d l y,t h ep a p e rc o m p l e t et h ec u t t i n ga n dt r a n s p l a n to f t h eL i n u xk e r n e la n db o o tl o a d e r,a n dd e v e l o p e dac o r r e s p o n d i n gf i l es y s t e m F o l l o w i n g，t h ep a p e rc o m p l e t et h es o f t w a r ed e

9、 s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fs m a r th o m e，m a i n l yt oc o m p l e t et h et h es c r e e ni n t e r f a c ep r o g r a m，t h ev o i c en a v i g a t i o nc o n t r o lp r o g r a m，t h er e m o t ec o n t r o lp r o g r a ma n dt h ep r o g r a mo f n e t w o r kc o n t r 0 1b a

10、s e do nI n t e r n e n t L a s t l y,t h ep a p p e rs u m m a r i z et h ea d v a n t a g ea n dt h ed i s a d v a n t a g eo f t h es m a r th o m e K E YW O R D S：A R M 9，L i n u x，D T M F,v o i c en a v i g a t i o n，m e s s a g ec o n t r o l，s m a r th o m eV目录摘j 1 2 E IA B S T R A C T I I I1

11、 绪论11 1 智能家居概述11 2 国内外研究现状21 3 本文研究内容和章节安排32 基于A R M 的智能家居硬件平台的搭建52 1 系统总体架构设计52 2 系统优势及创新点62 3 硬件总体结构72 4A R M9 控制器一92 4 1 控制器的选择92 4 2A R M9 控制器设计1 02 5 手机通信电路132 5 1G P R S 手机模组电路一l32 5 2 手机按键解码电路l72 6 外围传感器和执行器电路设计212 6 1 无线遥控器与接收器电路设计2 12 6 2 红外报警传感器电路设计2 32 6 3 烟雾报警传感器电路设计2 42 6 4 温湿度传感器电路设计2

12、42 6 5 直流电机驱动电路设计2 52 7 本章小结2 63 嵌入式L I N U X 操作系统在A R M 平台上移植。2 73 1 嵌入式L I N U X 操作系统2 73 2B o o t l o a d e r 的移植2 93 2 1B o o t l o a d e r 概述2 93 2 2U B o o t 移植步骤3 0V3 3 嵌入式L i n u x 内核的移植3 53 3 1L i n u x 内核概述3 53 3 2L i n u x 内核移植步骤3 93 4 根文件系统的移植4 33 4 1 根文件系统概述4 33 4 2 根文件系统移植步骤4 33 5 本章小结

13、4 64 智能家居系统功能实现4 74 1 应用程序总体结构4 74 2 触摸屏界面程序设计4 74 2 1Q t 介绍4 74 2 2 触摸屏界面程序设计4 84 3 语音导航控制程序设计5 04 3 1G P R S 控制模块5 04 3 2 语音服务模块5 24 4 遥控器控制程序设计5 94 5I n t e r n e n t 远程控制程序设计6 04 5 1W e b 服务器的选择6 34 5 2B o a 服务器的移植6 44 5 3C G I 编程6 44 6 本章小结6 75 总结与展望6 8参考文献6 9致谢7 4攻读硕士学位期间发表的学术论文7 5独创性声明7 6基于A

14、R M 和L i n u x 的智能家居系统研究1 1 智能家居概述1 绪论随着社会经济水平的不断提高和计算机网络技术、智能控制技术、微型传感器等技术的飞速发展，人们对物资生活水平的要求也越来越高，生活节奏也越来越快，智能家居生活应运而生。事实上人们对于生活的便捷化和舒适化的追求的历史由来己久，从最开始的温饱生活到电灯、电风扇、电视、空调等快速走进千家万户，仅提供起居生活的功能早己无法满足人们对于家居的要求，舒适、便捷、健康、安全逐渐成为了人们新的目标。智能家居(S m a r tH o m e)这一概念最早是在美国和欧洲一些经济发达国家提出的，是家庭楼宇自动化控制、电子家庭、数字家园等概念的

15、统称和升华。智能家居是以住宅为平台，集合了嵌入式控制技术、无线通信技术、互联网信息技术等，建立起了家庭设备的集中化和智能化的管理监控平台。随着生活品质的提高，目前智能家居的功能也日趋丰富，包括智能照明系统、智能家电控制系统、室内健康环境控制系统、安保消防系统、远程抄表、智能影音系统等等。在智能家居中，通信网络是整个系统的神经，是感知和传递信息不可或缺的部分。包括家庭内网和外网两部分。智能家居的内网组网技术主要有无线连接、有线连接和混合连接三种组网方式。目前大多数智能家居系统通信采用有线连接的方式，如R S 4 8 5 总线、以太网，以及短距离的R S 2 3 2 串口、U S B 等。这种方式

16、稳定可靠，但需要大量的改造和布线工作，而且不能灵活移动，也没有足够的可扩展性，这样浪费了大量的人力财力，增加了系统成本。随着技术的进步和成本的降低，无线组网方式近几年逐渐应用到了智能家居系统中，它采用红外、W i F i、Z i g B e e 等技术来进行各个设备之间的数据传输，将家居设备整合到同一平台进行集中监控。混合连接方式则是有线和无线相结合的一种方式，部分控制节点采取有线连接，这种方式在一定程度上能够综合两种连接方式的优势，但可扩展性和统一性较差，难以做到标准化生产和应用【2 1。基于A R M 和L i n u x 的智能家居系统研究智能家居的外网一般为I n t e m e t，

17、用户通过I n t e r n e t 与家庭内网通信，远程监控家居状况。包括C S(客户端服务器)、B S(浏览器朋艮务器)两种模式。1 2 国内外研究现状智能家居概念的起源较早，但直到1 9 8 4 年美国联合科技公司楼宇建筑设备信息化、整合化的概念应用在美国康乃迪克州哈特佛市的C i t y P l a c e B u i l d i n g 旧楼改造时，采用计算机系统对该大楼的中央空调、电梯、公共照明等设备进行监控，同时还提供了语音通信、电子邮件和情报资料咨询等信息类服务，才出现了首栋真正的智能型建筑，揭开了世界各国争相建造智能家居的序幕【l】。据称，发展到2 0 0 0 年日本就已经

18、有6 5 的建筑实现不同程度的智能化。韩国三星公司从2 0 0 3 年初，开始在中国和韩国同时推出智能家居系统，该系统通过机顶盒和网络，将家居自动控制、家电信息化、安保消防设备以及影音娱乐和信息中心这五部分集成一个多方位的面向宽带互联网的家居控制网络。最受关注的是2 0 0 5 年微软总裁比尔盖茨耗资5 3 亿美元的巨资铺设了8 4 公里电缆在华盛顿湖建筑了一套智能家居系统。该豪宅完全按照智能家居的概念建造而成，具备了高速上网的专线，以及所有的门窗、灯具、电器的计算机集成控制，还拥有一台高性能的服务器作为管理整个系统的服务器平台。豪宅的大门还设有气象情况感知器，智能系统可根据各项气象指标，监控

19、室内的温度和通风情况。2 0 0 5 年以后，智能家居在中国也步入快速发展的时期，国内企业如海尔、联想、T C L、清华同方等先后在其家电设备中引入智能家居的概念，除了这些家电巨头，专业的智能家居及安防公司也涌现出来共同推动智能家居的发展和应用，形成与国外企业如霍尼韦尔、松下、施耐德电气、L G、c o n t r o l l 4等相互抗衡与合作的局面【3 1。2 0 0 9 年的金融危机让很多智能家居的从业者放慢了脚步，新产品研发、产品推广计划，区域整体营销均取消或推迟。然而在国内，从智能家居行业到整个家居行业却并没有受到太多影响。据有关资料显示，从2 0 0 8 年至2 0 1 1 年智能

20、家居一直呈现出多头进入的发展趋势，而2 0 1 2 年则进入突发2基于A R M 和L i n u x 的智能家居系统研究的增长阶段，呈现出以本土企业为主，扎根区域市场销售为特色的发展趋势。纵观智能家居领域这些年的发展，普遍受到业界的广泛关注，这一概念也越来越普及，但智能家居技术的发展仍然充满不确定性。其中基于家庭网络如何提供更多丰富多彩的业务以及降低设备的使用复杂性、提高运行管理能力、提高开放性、提高网络安全性等是发展关注的重点【4 1。我国工业和信息化部发布的“十二五”物联网发展规划，包括家电智能化控制在内的智能家居被列入重点领域的应用示范工程。“十二五”物联网发展规划提出，到2 0 1

21、5 年，我国要在核心技术研发与产业化、关键标准研究与制定、产业链条建立与完善、重大应用示范与推广等方面取得显著成效，初步形成创新驱动、应用牵引、协同发展、安全可控的物联网发展格局。同时，在重点领域开展应用示范工程，其中，智能家居的内容包括家庭网络、家庭安防、家电智能控制、能源智能计量、节能低碳、远程教育等。1 3 本文研究内容和章节安排本文研究的智能家居系统，以A R M9 控制器为控制核心，在外围电路中加入摄像头、温湿度传感器、红外传感器、烟雾传感器、步进电机、蜂鸣器、G P R S 模组、无线遥控接收模块和手机按键信号(D T M F)解码电路。可以通过触摸屏、无线遥控器、电脑或者手机浏览

22、网页、手机发送短信、拨打电话(即语音导航控制)对家居进行智能监控。可以实现电器的开关控制、室内温湿度检测、视频监控、窗帘和窗户的开关控制、防盗防火报警、紧急情况短信报警等功能。论文的主体部分主要分为以下几部分：第一部分为第一章绪论，对智能家居进行了概述，介绍了智能家居的研究背景，研究意义，国内外研究现状等。简单介绍了本文研究的智能家居的硬件组成和功能，为后面几部分做好铺垫。第二部分为二、三、四章，主要研究了智能家居的总体设计方案，以及围绕该方案进行的硬件和软件平台的搭建。总体方案设计包括系统总体分析和优势及创新点。硬件平台的搭建包括控制器、G P R S 模块、外传感器和执行器件的选择与电路设

23、计。软件平台的搭建即嵌入式L i n u x 操作系统在A R M平台上移植，包括B o o t l o a d e r、嵌入式L i n u x 内核、根文件系统三部分的移基于A R M 和L i n u x 的智能家居系统研究植。第三部分为第五章，设计了智能家居控制系统的软件。包括触摸屏界面程序设计、语音导航控制程序设计、短信报警与控制程序设计、遥控器控制程序设计、I n t e m e t 远程控制程序设计。第四部分为第六章，是论文的结论与展望，对论文的工作进行了总结，和下一步的研究工作进行了说明。4基于A R M 和L i n u x 的智能家居系统研究2 基于A R M 的智能家居硬

24、件平台的搭建2 1 系统总体架构设计智能家居系统一般分为本地控制终端、家庭本地网络、家庭网关、远程控制终端四部分。本地控制终端包括温湿度传感器、红外传感器、烟雾传感器、摄像头、电机、继电器开关等。家庭本地网络包括连接本地控制终端节点的通信设备、控制器等。连接本地控制终端节点通信设备可以为4 8 5 总线等有线设备，也可以为Z i g b e e 等无线设备。外网包括移动电话网络和I n t e m e t。远程控制终端包括手机、电脑等。如图2 1 所示。各本地控制终端将采集到的数据传递给家庭本地网络，经家庭本地网络控制器处理后，再由家庭网关发送给外网，家庭网关也可以从外网接收控制命令，经家庭本

25、地网络，将控制命令发送给本地控制终端，实现对本地控制终端的控制。用户可以通过智能手机、电脑等远程控制终端实现对本地控制终端的监控。外网本地家庭家庭远程控制本地控制终端网络网关状态信息终端，控制信息k图2-l 智能家居总体结构图F i g 2-1T h eo v e r a l ls t r u c t u r eo f s m a r th o m e现有智能家居的远程控制方式主要为基于I n t e r n e t 的远程控制方式，用户可以通过智能手机或者电脑登陆I n t e m e t 进行对家居进行远程监控。包括B S(浏览器服务器)、C S(客户端服务器)两种控制模式。C S 的优点

26、是能充分发挥客户端P C 的处理能力，很多工作可以在客户端处搜索理后再提交给服务器，因此客户端响应速度要比浏览器快。但是，与基于A R M 和L i n u x 的智能家居系统研究智能家居系统并不需要处理大量的数据。而且客户端需要安装专用的客户端软件，用户才可以使用，首先涉及到安装的工作量，其次任何一台电脑出问题，如病毒、硬件损坏，都需要进行安装或维护。系统软件升级时，每一台客户机需要重新安装。并且客户端软件对操作系统也会有限制，需要针对手机的安卓、I O S、W i n p h o n e 操作系统，电脑的L i n u x、W i n d o w s 操作系统开发不同的客户端软件，因此客户

27、端软件的开发、维护、升级成本非常高。B S 最大的优点就是可以在任何地方进行操作而不用安装任何专门的软件。只要有一台能上网的电脑就能使用，客户端零维护。综上所述，本系统采用了B S 控制模式。现有智能家居设计，B S 模式的服务器包括两种方案，一是在p c 机上搭建W e b 服务器，二是在嵌入式控制器上搭建嵌入式W e b 服务器。由于智能家居只限于家庭内部成员的访问，所以访问量很小，完全不需要p c 机强大的性能，小型的嵌入式W e b 服务器就可以满足性能要求。而且嵌入式的方案成本更低，因此本文选择在A R M9 控制器上搭建W e b 服务器的设计方案。基于I n t e m e t

28、的远程控制方式，速度快，传输信息量大，非常适合智能家居的远程控制。但是在某些场合，用户无法登陆I n t e r n e t 或者不方便登陆I n t e r n e t 时，则无法对家居进行远程监控。对于部分老人、小孩、盲人，他们不会使用I n t e m e t。针对以上问题，本系统加入了语音导航控制和短信控制。用户可以通过拨打电话，根据语音导航提示信息，选择不同的按键进行远程监控。也可以通过发送短信查询家居状态信息和远程控制。在家庭本地网络中加入无线遥控器，通过无线遥控器可以遥控家中电灯、空调等电器、窗帘和窗户的开关。在遥控器中加入了一键报警按钮，比如当老人在家中跌倒了或者出现其他意外情

29、况，可以按下该按钮，即可给设定手机发送报警短息。2 2 系统优势及创新点本系统采用三星的A R M9 芯片$3 C 2 4 4 0，可以提供较强的运算性能，价格较低。操作系统采用开源的L i n u x 操作系统，功能强大，并且是免费的，降低了成本。本地控制界面软件采用了Q t 设计，可使用触摸屏进行家居的控制，具6基于A R M 和L i n u x 的智能家居系统研究有良好的人机界面，并具有很好的稳定性。在本地控制中还加入了无线遥控、接收模块，使用户在家中的控制更加舒适、方便。在遥控器中加入了一键报警按钮，当遇到紧急情况时，可以按下此按钮给指定手机发送短息报警，非常适合单独在家的老人和小孩

30、使用。系统采用在A R M9 控制器上搭建W e b 服务器的方式进行远程I n t e m e t网络控制，与以往产品相比，省去了p c 机，节省了成本也提高了稳定性，防止了由于p c 机的误操作引起的系统故障。同时，这种B S(浏览器客户端)模式，比C S(服务器客户端)模式更方便用户对家居进行控制。用户可以在任意一台可上网的计算机手机上通过浏览器对家居进行控制，而不需要安装客户端软件。这也节省了客户端软件的开发和维护成本。本系统在远程控制中加入了短信控制和语音导航控制(即拨打电话控制)。现有产品对家居的控制，都依赖于I n t e m e t，而本系统在远程控制中加入了短信控制和语音导航

31、控制，用户可以在不方便登录I n t e m e t 的环境下对家居进行监控。同时，对于老人小孩等不能熟练的访问I n t e m e t 的人群，也能方便的使用本系统。本系统通过软硬件的选择搭配，具有丰富的功能和更多样化的远程和近程控制方式，使用户的使用更加方便。与以往产品相比，成本低廉，操作简单，拥有更广泛的适用人群。如图2 2 所示，本系统硬件共分为三部分：A R M9 控制器、手机通信电路、外围传感器和执行器电路。7基于A R M 和L i n u x 的智能家居系统研究手一温湿度传感器机通串口刮红外传感器信I 0电路一烟雾传感器A 剐M9一电机控制器一电灯一热水器摄像U S B叫空调

32、头一无鬻7图2-2 硬件总体结构图F i g 2-2T h eo v e r a l ls t r u c t u r eo f t h eh a r d w a r eA R M9 控制器以A R M9 芯片$3 C 2 4 4 0 为控制核心并加入存储芯片、电源、网卡等外围电路，是整个智能家居控制系统的核心。手机通信电路包括G P R S 手机模组电路和手机按键信号(D T M F)解码电路，实现短信报警、短信控制、语音导航控制功能。G P R S 手机模组电路通过串口与A R M9 控制器通信，手机按键信号解码电路通过I O 口与A R M9 控制器通信。外围传感器和执行器电路包括温湿度

33、传感器电路、红外传感器电路、烟雾传感器电路、电机、电灯、空调等的驱动电路、无线遥控器、接收器电路和摄像头。摄像头与A R M 9 控制器通过U S B 接口通信，其余各部分与A R M9 控制器通过I O 口通信。8基于A R M 和L i n u x 的智能家居系统研究2 4A R M9 控制器2 4 1 控制器的选择现有智能家居嵌入式控制器芯片有以下几种选择：单片机、A R M9、A R M ll 或者更高端的处理器如C o t e x A 系列。在功能相对简单的情况下，单片机是最好的选择，其价格优势非常明显，但是其功能相对较弱，并且不能运行大型的操作系统，无法实现本系统中比较复杂的控制程序，因此在本系统中不能选择单片机作为控制器。A R M9 芯片功能强大，能运行L i n u x、W i n c e 等嵌入式操作系统，支持多线程、多进程的编程，能够很好的支持触摸屏，具有良好的人机界