基于arm9的智能家居远程监控系统监控模块的设计与实现终稿.docx
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基于arm9的智能家居远程监控系统监控模块的设计与实现终稿
目录
引言1
第一章嵌入式系统概述2
1.1嵌入式系统的特点2
1.1.1专用性强2
1.1.2实时性好2
1.1.3可裁剪性好2
1.1.4可靠性高2
1.1.5功耗低3
1.2嵌入式系统的组成结构3
1.2.1硬件基本结构3
1.2.2软件的层次结构4
第二章智能家居概述5
2.1研究背景5
2.2国内外发展现状5
2.2.1国外发展现状5
2.2.2国内发展现状6
第三章嵌入式Linux6
第四章需求分析7
4.1用户需求7
4.2需求分析7
4.2.1GSM信息接收处理7
4.2.2处理信息及画面显示7
4.2.3系统结构框图8
第五章智能家居基本模块及解决方案8
5.1智能家居的基本功能模块8
5.2家庭对外通信模块9
5.3家庭网关模块10
5.4家庭安全防范模块10
5.5家庭设备自动控制模块11
第六章模拟实现硬件设计11
6.1硬件选型12
6.2硬件连接及测试12
第七章嵌入式系统平台的建立14
7.1嵌入式系统交叉编译环境的建立14
7.2嵌入式Linux移植15
7.2.1Linux移植流程15
7.2.2Bootloader移植15
7.2.3Linux内核移植16
7.2.4YAFFS2文件系统制作19
第八章模拟实现软件设计20
8.1获取短信内容模块20
8.1.1接收短信模块20
结论25
致谢26
参考文献27
基于ARM9的智能家居远程监控系统（监控模块）的设计与实现
黄杰
摘要：
智能家居（SmartHome）是以家为平台，兼备建筑、设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。
自动化的智能家居不再是一幢被动的建筑，相反，成了帮助主人尽量利用时间的工具，使家庭更为舒适、安全、高效和节能。
关键词：
嵌入式智能家居远程监控系统
引言:
许多人的概念里，智能家居离我们的生活似乎异常遥远，只是存在于高科技展览会里的表演，或是富豪们向人们炫耀财富而展示的一种家居装饰。
事实上，近年来智能家居已开始一步一步走进越来越多的普通家庭。
随着科技的不断完善，智能家居也跟着不断完善发展。
国外，智能家居在美国、德国、新加坡、日本等国都有广泛应用。
目前在美国已有近4万户家庭安装了这一类的“家庭智能系统”。
在国内，智能家居已经走过了“概念期”，正是基于对智能家居市场发展前景的展望，使得智能家居不断地纳入各研发单位、房产开发公司、网络公司下期的开发计划，也是竞相销售的卖点。
随着家居智能化系统的不断完善，我们想象中的家中布满线网的情形不会再有了，家里一个小小的的角落就可解决全部问题。
安装一套智能家居，已经不再是一个概念，而是生活中切切实实可以享受到的高科技带来的便利生活体验。
智能家居与普通家居相比，它不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间，还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。
智能家居是数字家庭的一部分，只有将智能控制和上网功能集成起来，才形成真正意义上的数字家庭。
数字家庭涉及的领域将综合生活中的娱乐、工作、投资理财、学习、医疗、教育等，是实现家庭内部、家庭和社会的实时性沟通的综合系统。
第一章嵌入式系统概述
1.1嵌入式系统的特点
从嵌入式系统的构成上看，嵌入式系统是集软硬件于一体的、可独立工作的计算机系统；从外观上看，嵌入式系统像是一个“可编程”的电子“器件”；从功能上看，它是对宿主对象进行控制，使其具有“智能”的控制器。
从应用的角度看，嵌入式系统与通用计算机系统相比，有如下一些特点：
1.1.1专用性强
由于嵌入式系统通常是面向某个特定应用的，所以嵌入式系统的硬件和软件，尤其是软件，都是为特定用户群来设计的，它通常都具有某种专用性的特点。
1.1.2实时性好
目前，嵌入式系统广泛应用于生产过程控制、数据采集、传输通信等场合，主要用来对宿主对象进行控制，所以都对嵌入式系统有或多或少的实时性。
例如，对嵌入在武器装各中的嵌入式系统、在火箭中的嵌入式系统、一些工业控制装置中的控制系统等应用中的实时性要求就极高。
也正因为这种要求，在硬件上嵌人式系统极少使用存取速度慢的磁盘等存储器。
存储器
存储器是用来存储程序和数据的部件，有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证正常工作。
它根据控制器指定的位置存进和取出信息，[全文]在软件上更是加以精心设计，从而可使嵌入式系统快速地响应外部事件。
当然，随着嵌入式系统应用的扩展，有些系统对实时性要求也并不是很高，例如近年来发展速度比较快的手持式计算机、掌上电脑等。
但总体来说，实时性是对嵌入式系统的普遍要求，是设计者和用户重点考虑的一个重要指标。
1.1.3可裁剪性好
从嵌人式系统专用性的特点来看，作为嵌入式系统的供应者，理应提供各式各样的硬件和软件以各选用。
但是，这样做势必会提高产品的成本。
为了既不提高成本，又满足专用性的需要，嵌入式系统的供应者必须采取相应措施使产品在通用和专用之间进行某种平衡。
目前的做法是，把嵌人式系统硬件和操作系统设计成可裁剪的，以便使嵌入式系统开发入员根据实际应用需要来量体裁衣，去除冗余，从而使系统在满足应用要求的前提下达到最精简的配置。
1.1.4可靠性高
由于有些嵌入式系统所承担的计算任务涉及产品质量、人身设各安全、国家机密等重大事务，加之有些嵌入式系统的宿主对象要工作在无人值守的场合，例如危险性高的工业环境中、内嵌有嵌入式系统的仪器仪表。
仪器仪表
广义的说仪器仪表也可具有自动控制、报警、信号传递和数据处理等功能，如气动调节仪、电动调节仪表，以及集散型仪表控制系统等也皆属器仪表。
仪器仪表能改善、扩展或补充人的官能。
如显微镜、望远镜、声级计、酸度计、高温计等，可以扩展人的视、听、尝、摸外部事物的官能；有些仪器仪表，如磁强计、射线计数计等，可感受和测量到人所不能感受到的物理量；还有些仪器仪表可以超过人的能力去记录、计算和计数，如高速照相机、计算机等。
[全文]
中、在人际罕至的气象检测系统中以及为侦察敌方行动的小型智能装置中等。
所以与普通系统相比较，对嵌入式系统可靠性的要求极高。
1.1.5功耗低
有很多嵌入式系统的宿主对象都是一些小型应用系统，例如移动电话、PDA、MP3、飞机、舰船、数码相机等，这些设各不可能配各容量较大的电源电源
电源是向电子设备提供功率的装置，也称电源供应器，它提供计算机中所有部件所需要的电能。
[全文],因此低功耗一直是嵌入式系统最求的目标。
嵌入式系统的硬件部分看起来与通用计算机系统没有什么区别，也由处理器、存储器、外部设各、I/O接口、图形控制器等部分组成。
但根据嵌人式系统应用上的特点，致使嵌人式系统在硬件的选用方面还是与通用计算机系统有较大区别的。
为满足嵌入式系统在速度、体积和功耗上的要求，像操作系统、应用软件、特殊数据等需要长期保存的数据，通常不使用磁盘这类具有大容量且速度较慢的存储介质，而大多使用EPROM、EEPROM或闪存（FlashMemory）。
dsp是digitalsignalprocessor的简称，即数字信号处理器。
它是用来完成实时信号处理的硬件平台，能够接受模拟信号将其转换成二进制的数字信号，并能进行一定形式的编辑，还具有可编程性。
由于强大的数据处理能力和快捷的运行速度，dsp在信息科学领域发挥着越来越大的作用。
除了一些通用外围芯片之外，为适应专用性的要求，嵌入式系统通常还要使用一些专用外围芯片。
这些ASIC芯片一般是由具体设各生产商自行开发的具有高速或高性能的专用芯片，也正是这些芯片形成了设各生产商的知识产权。
1.2嵌入式系统的组成结构
嵌入式系统的硬件是嵌入式系统软件环境运行的基础，它提供了嵌入式系统软件运行的物理平台和通信接口；嵌入式操作系统和嵌入式应用软件则是整个系统的控制核心，控制整个系统运行、提供人机交互的信息等。
由于嵌入式系统和实际应用对象密切相关，而实际应用非常繁杂，应用也日新月异，很难用一种构架或模型加以描述。
1.2.1硬件基本结构
嵌入式系统的硬件架构如图1-1下半部分所示，是以嵌入式处理器为中心，配置存储器、I/O设备、通信模块以及电源等必要的辅助接口组成。
图1.1典型的嵌入式系统组成
嵌入式系统是“量身定做”的“专用计算机应用系统”，又不同于普通计算机组成，在实际应用中的嵌入式系统硬件配置非常精简，除了微处理器和基本的外围电路以外，其余的电路都可以根据需要和成本进行“裁剪”、“定制化”（Customize），非常经济、可靠。
嵌入式系统硬件核心是嵌入式微处理器，有时为了提高系统的信息处理能力，常常外接DSP和DSP协处理器（也可内部集成）完成高性能信号处理。
在嵌入式系统设计中，要尽可能的选择能满足系统功能接口的SoC芯片，这些SoC集成了大量的外围USB、UART、以太网、AD/DA、IIS等功能模块。
可编程片上系统SOPC（SystemOnProgrammableChip）结合了SoC和PLD、FPGA各自的技术优点，使得系统具有可编程的功能，是可编程逻辑器件在嵌入式应用中的完美体现，极大的提高了系统的在线升级、换代能力。
因此现代嵌入式设计是以处理器/SoC/SOPC为核心，完成系统设计的，其外围接口包括存储设备、通信接口设备、扩展设备接口和辅助的机电设备（电源、连接器、传感器等）构成硬件系统。
1.2.2软件的层次结构
依据系统所提供的程序界面来编写应用程序，可以大大的减少应用程序员的负担。
对于使用操作系统的嵌入式系统来说，嵌入式系统软件结构一般包含四个层面：
设备驱动层、实时操作系统（RTOS）、应用程序接口（API）层、实际应用程序层。
对于PC机，其开机后的初始化处理器配置、硬件初始化等操作是由BIOS完成的，但对于嵌入式系统来说，出于经济性、价格方面考虑一般不配置BIOS，因此我们必须自行编写完成这些工作的程序。
这就是所需要的开机程序，在嵌入式中称为BootLoader程序。
系统加电复位后，几乎所有的CPU都从由复位地址上取指令。
比如，基于ARM7TDMI核的CPU在复位时通常都从地址0x00000000取它的第一条指令。
而以处理器为核心的嵌入式系统通常都有某种类型的固态存储设备被映射到这个预先设置好的地址上。
因此在系统加电复位后，处理器将首先执行BootLoader程序。
BootLoader是系统加电后、操作系统内核或用户应用程序运行之前，首先必须运行的一段程序代码。
通过这段程序，可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境设定在一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核、运行用户应用程序准备好正确的环境
系统的启动通常有两种方式：
直接从Flash启动，将压缩的内存映像文件从Flash（为节省Flash资源、提高速度）中复制、解压到RAM，再从RAM启动。
当电源打开时，一般的系统会去执行ROM（应用较多的是Flash）里面的启动代码。
这些代码是用汇编语言编写的，其主要作用在于初始化CPU和板上的必备硬件如内存、中断控制器等。
第二章智能家居概述
2.1研究背景
智能家居（SmartHome）是以家为平台，兼备建筑、自动化，智能化于一体的高效、舒适、安全、便利的家居环境。
自动化的智能家居不再是一幢被动的建筑，相反，成了帮助主人尽量利用时间的工具，使家庭更为舒适、安全、高效和节能。
与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，即提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间，还提供全方位的信息交互功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性。
2.2国内外发展现状
2.2.1国外发展现状
自从世界上第一幢智能建筑1984年在美国出现后，美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案。
智能家居在美国、德国、新加坡、日本等国都有广泛应用。
1998年5月新加坡举办的“98亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会”上，通过在场内模拟“未来之家”，推出了新加坡模式的家庭智能化系统。
它的系统功能包括三表抄送功能、安防报警功能、可视对讲功能、监控中心功能、家电控制功能、有线电视接入、电话接入、住户信息留言功能、家庭智能控制面板、智能布线箱、宽带网接入和统软件配置等。
这种“未来之家”家庭智能化系统，市场真正启动尚需时日。
目前在新加坡也有近30个社区（住宅小区）近5000户的家庭采用了“家庭智能化系统”，美国已有近四万户家庭安装了这一类的“家庭智能化系统”，相信到了21世纪将会有更多的住宅安装上这一类高科技智能化系统产品。
目前美国有一种占据市场主流的产品X-10，销售已超过1亿个，设计户型为单体别墅，应用多为旧房改造，仅在美国便有超过400万个家庭在使用。
但这些产品技术限制较多，并不适合在我国原样照搬使用应用。
三星从今年春节后，开始在中、韩两国同时推出其智能家居系统，通过机顶盒和网络，将家居自动化控制、信息家电、安防设备以及娱乐和信息中心这四部分集成一个全面的，面向宽带互联网的家居控制网络。
2.2.2国内发展现状
在我国，智能化住宅和智能化家居虽然起步比较晚，但发展速度很快。
80年代，我国居住条件非常困难，根本谈不上智能化的问题。
80年代初所建成的住宅，其电器设计内容仅在以下方面:
楼房照明系统、高层供水泵控制系统和消防泵控制系统。
用户电量的计量和收费，采用房管部门或住户轮流抄表收费的方式。
生活用水的计量则主要是按户或按人口数收费。
弱电系统也是从80年代开始才陆续设置电话配线和公用电视天线系统。
80年代末90年代初，我国家庭基本实现电器化，住宅内的弱电系统有所增加，如对讲系统等。
到了90年代末，电脑、有线电视、机顶盒、移动通信等数字化通信产品开始走进家庭。
2000年9月7-8日，由信息产业部组织，在四川省绵阳市召开了国家经贸委2000年国家技术创新重点专项计划—“家庭信息化网络技术研究及产品开发”项目工作会议。
2002年由建设部住宅产业化促进中心和中国建筑科学研究院主编的《居住区智能化系统配置与技术要求（审查稿）》己送审，等待批准。
建设部住宅产业化促进中心正在牵头编制行业标准“居住区智能化产品应用技术要求”。
2002年建设部科学技术委员会智能建筑技术开发推广中心组织编制了《建设行业智能建筑试点项目住宅小区智能化系统工程验收评估标准》作为建设行业智能建筑试点项目住宅小区智能化系统工程验收评估标准。
第三章嵌入式Linux
嵌入式linux是将日益流行的Linux操作系统进行裁剪修改，使之能在嵌入式计算机系统上运行的一种操作系统。
嵌入式linux既继承了Internet上无限的开放源代码资源，又具有嵌入式操作系统的特性。
嵌入式Linux的特点是版权费免费;购买费用媒介成本技术支持全世界的自由软件开发者提供支持网络特性免费，而且性能优异，软件移植容易，代码开放，有许多应用软件支持，应用产品开发周期短，新产品上市迅速，因为有许多公开的代码可以参考和移植，实时性能RT_LinuxHardhatLinux等嵌入式Linux支持，实时性能稳定性好安全性好。
嵌入式Linux的应用领域非常广泛，主要的应用领域有：
信息家电、PDA、机顶盒、DigitalTelephone、AnsweringMachine、ScreenPhone、数据网络、Ethernet、SwitchesRouterBridge、Hub、Remoteaccessservers、ATM、Framerelay、远程通信、医疗电子、交通运输、计算机外设、工业控制、航空航天领域等。
第四章需求分析
4.1用户需求
系统需要完成的任务有：
接收和处理单片机发送过来的传感器信息；
处理传感器信息并通过短信发送给手机；
通过GSM接收和发送短信数据；
分析处理接收到的短信，得出相应操作信息发送给单片机并将操作反馈给手机；
在TFT-LCD上构建图形窗口，建立操作界面。
4.2需求分析
本课题主要解决接收和发送短信并在TFT-LCD上显示。
由于监控程序运行在嵌入式Linux下，这就涉及到Linux下与GSM模块通信问题。
需要构建定位图形窗口，涉及到窗体应用程序的编写。
4.2.1GSM信息接收处理
基本功能为初始化Linux串口配置，接收串口发送过来的信息，进行字符串分析处理，分离出当前信息，以备图形窗体程序使用。
4.2.2处理信息及画面显示
基本功能包括实现直观的窗体界面，显示当前传感器状态值，显示接收到的短信。
4.2.3系统结构框图
根据上述分析，系统的硬件结构框图如图4.1所示：
图4.1系统硬件结构框图
第五章智能家居基本模块及解决方案
5.1智能家居的基本功能模块
目前的智能家居行业，首先，处于一个初始发展时期，国际社会暂时还没有形成一个公认的标准;其次，智能家居的应用场所一家庭住宅或住宅小区，不同的实际环境也对智能家居提出了不同的要求与解决办法;此外，居民都希望能够对智能家居进行个性化配置，满足自身的特殊需求。
这样的形势，致使开发商在实施智能家居时的方式、范围及侧重点也不尽相同。
有些用户比较注重家电的智能控制，而有些用户可能更加关心家庭安全防范，还有些用户则希望建立相对全面的智能家居系统，满足多方面的需求。
功能模块见下图。
图5.1功能模块图
图5.1是根据课题充分分析现有的智能家居解决方案，结合自己的调查研究，从中提取出四个最为基本的功能模块:
家庭对外通信模块、家庭网关模块、家庭安全防范模块、家庭设备自动控制模块，并在此基础上确定自己的智能家居解决方案。
传统的智能家居系统是为了满足住户方便性的要求，一般是为了实现家用电器的远程控制的目的，所以只包括“家庭对外通信模块”、“家庭网关模块”、“家庭自动控制模块”，随着近年来盗窃等现象的愈演愈烈，用户又提出了家庭安防的要求，而近年来通信、计算机、自动化等技术的不断发展使这种要求能够成为现实。
所以课题的解决方案中考虑到了用户对家庭安防的需要，在传统模块划分的基础上增加了“家庭安防模块”。
下文结合国内外功能模块的实现方式，将对各模块做详细分析与评述，最终提出自己实现各个模块的技术路线。
5.2家庭对外通信模块
智能家居的最终目的都是为“满足人们对舒适、方便、高效和符合绿色环境保护的需求”，其中“方便”要求家庭内部系统能够通过家庭对外接口，实现家庭外部的远程控制。
家庭对外通信模块的作用在于此，它在智能家居系统中扮演着非常重要的角色。
具体来讲，该模块的功能是提供一个家庭内部与外部的通信链路，通信的内容是数据信息或指令信息，常用的通信媒介有电话、GSM短信、Internet等。
随着新技术的发展，家庭对外通信模块从功能和方式上得到了丰富:
功能上，过去只是完成简单指令信息的单方传输，现在更多的是提供数据信息的通信，包括通信交流、商务、娱乐、教育、医疗保险等;方式上，从电话通信到Internet通信，再到GSM手机短信通信，越来越体现出通信方法的多样化和简便化。
本课题选择将GSM短信与Internet相结合的方式作为智能家居远程控制方式（这也正是本课题的特点之一），也就是将手机短信通过Internet发到能连网的家庭网关上，当然这需要用到一个中介:
SP技术。
这种设计主要基于以下几点考虑:
（1）GSM短信不受环境限制，只要手机有信号的地方都可以随时随地发送，而且其成本低廉，所以应该充分利用;
（2）GSM短信控制方式，大多数设计者都是利用在家庭网关上插GPRS模块来实现家庭网关与手机之间的通信，这样做有两大缺点:
一是增加GPRS模块就增加了系统的成本，二是对GPRS的驱动开发增大了开发的难度。
（3）近年来新出现的SP中介组织使短信在Internet上传输成为可能，而且它还提供方便的程序接口，帮助用户在能连网的PC机或嵌入式网关上获取短信内容，进而实现GSM短信的控制功能。
同时，使用SP服务收费低、也免去了对硬件的驱动开发。
5.3家庭网关模块
家庭网络就是在家庭内部通过适当的组网技术把家庭网关（ResidentialGateway,RG）与其他设备组成可以进行信息交换的内部网络，并通过家庭网关与外部网络相连，形成面向家庭的业务提供平台。
在智能家居的实现过程中，家庭网关占据至关重要的位置。
家庭网关是连接外部公网和家庭私网的关口，既负责家庭内部对公网的访问和交互，又负责用户从公网上对家庭网络的访问和控制，另外还要负责家庭内部设备的互连、互控等操作，因此，家庭网关成为智能家居研究的重点。
本课题是选择三星公司生产的S3C2410芯片作为嵌入式家庭网关，它的ARM内核是ARM920T。
之所以选择该芯片是基于以下几点考虑；
（1）它带有MMU，支持WindowsCE和大部分的Linux操作系统；
（2）它主频达到202MHZ，能够满足一般家庭网关数据传输的需要；
（3）它具有三通道的UART口，每个UART口都支持IrDAL0协议，为红外通信提供接口；
（4）它大约有上百个GPIO口可供用户使用，使多个家用电器的接入网关成为可能；
（5）它还有一个loom的以太网口，使家庭网关能够轻松接入Internet。
5.4家庭安全防范模块
安全防范就是保障人们在生产、生活和一切社会活动中人身生命、财产和生产、生活设施不受侵犯，防止侵害行为的总称。
智能家居在满足人们舒适、方便生活的同时，也要求为家庭提供安全防范方面的保障。
它包含的内容有防止入侵、盗窃、破坏、爆炸等，它的原则是“以防为主，打防并举”，安全防范工作贯彻“人防、技防、物防”相结合的方针政策。
因此，智能家居将家庭安全防范模块定义为其四个基本要素之一。
课题将安全防范的内容分为两部分，分别是家庭内部环境安全、家庭对外非法入侵预防，这两方面都体现了现代技术在智能家居中的应用。
课题中，由于实验条件等的限制，并没有对安防模块进行实验。
在此提出一套可行的安防方案，可供以后继续研究实践:
（1）住宅内部采用被动红外探测器、可燃气体探测器、温/湿度传感器；
（2）住宅外部可选择窗磁、门磁开关、红外探测器、玻璃破碎探测器、双鉴探测器等；
（3）住宅内外部的探测装置与报警控制器通过无线方式相连；
（4）报警控制器与中心控制器通过有线方式相连。
5.5家庭设备自动控制模块
智能家居的初衷是解决家庭设备的自动控制问题，将更多的设备通过某种方式连接，达到统一、集中控制，为家庭生活带来方便。
因此，现代智能家居的最基本的功能需求体现在家庭设备的自动控制，家庭设备自动控制模块也就成为其最基本的模块。
对不同的家庭设备，课题给出了不同的解决方案:
（1）对于电饭锅、电灯一类的开关量家庭设备，建议采用以继电器为核心的控制电路控制。
具体方案为首先将继电器、二极管、三极管、限流电阻等连接成一个控制电路，然后将继电器的一个电源脚接到开发板的S3C2410芯片的一个GPIO引脚上，继电器的另一个引脚接VCC，这样，可以通过烧写在S3C2410中的程序，来控制GPH1输出高低电平，进而控制继电器的吸合、断开，然后由继电器来控制家用电器的开关。
（2）对于电视机、空调一类提供红外接口的家庭设备，通过统一的红外控制器控制;可行的方案是采用红外模块，红外模块可直接与S3C2410的UART口相连，这样由S3C2
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