基于ARM9的智能家居监控系统Word格式.doc

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西安文理学院本科毕业设计（论文）评阅教师评分表

2011年1月10日至2011年5月20日

评阅教师评语：

评阅教师签名：

西安文理学院本科毕业设计（论文）答辩记录

学号

专业名称

答辩时间

2011年5月20日

答辩地点

指导教师

题目

答辩小组

成员

姓名

职称

提问及回答情况记录：

记录人签字：

年月日

答辩成绩：

答辩小组组长签名：

年月日

毕业论文成绩

答辩委员会

认定成绩

毕业论文等级

系（院）答辩委员会意见：

负责人签名：

注：

1、毕业论文成绩=指导教师成绩×

40%＋评阅教师成绩×

20%＋答辩成绩×

40%；

2、答辩委员会认定成绩是根据该生毕业设计期间的表现及该专业整体论文情况的综合评定成绩。

3、论文等级分优秀（≥90分）、良好（80~89分）、中等（70~79分）、及格（60~69分）、

不及格（<

60分）。

摘要：

智能家居，又称智能住宅。

它是以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信息家电、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。

与智能家居的含义近似的还有家庭自动化、电子家庭、数字家园、网络家居，智能家庭等。

智能家居也可以定义为一个系统，即利用计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术、将与家居生活有关的各种子系统，有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。

本课题是基于ARM9的智能家居监控模块设计与实现，采用ARM9内核的S3C2410处理器为控制芯片，再将Linux系统移植到硬件平台上，然后设计好相应的驱动程序和应用程序，最后将软件下载到硬件平台来对家电进行本地和远程控制。

系统硬件主要完成家居设备状态的监控功能，而系统软件主要完成各个模块之间交互通信的功能。

关键词：

SmartHome；

ARM9；

Linux；

嵌入式；

智能家居

TheDesignandImplementationofsmarthomemonitoringsystem（controlmodule）basedonARM9

Abstract:

SmartHome,alsoknownasSmartResidential.Itisresidentialasaplatform,combiningarchitecture,networkcommunications,informationappliances,equipmentautomation,collectionsystem,structure,services,managementfortheintegratedhigh-performance,comfort,safety,convenience,environmentalprotection,livingenvironment.ThemeaningofintelligenthomeandweresimilartoHomeAutomation,ElectronicHome,Digitalfamily,NetworkHome,Inte1ligenthome/building.Intelligenthomecanalsobedefinedasasystem.Theuseofcomputertechnology,networkcommunicationtechnology,integratedwiringtechnology,homelifeandthevarioussubsystems,thecombinationofmanagement,throughco-ordination,sothathomelifemorecomfortable,safeandeffective.

ThistopicisARM9-basedsmarthomeremotemonitoringsystem（controlmodule）TheDesignandImplementation.WeusetheS3C2410coreARM9processorchipforthecontrolof.Linuxsystemandthenmigratetothehardwareplatform,andthendesigntheappropriatedriversandapplications,andfinallydownloadthesoftwaretothehardwareplatformforlocalandremotehomeappliancecontrol.Thesystemhardwaremainlycompletehouseholdequipmentstatemonitoringfunction,andsystemsoftwaretocompletethemaininteractivecommunicationbetweenthevariousmodulesofthefunction.

Keywords:

SmartHome；

Embedded

目录

第一章绪论 1

1.1选题的目的与意义 1

1.2研发背景 2

1.2.1ARM介绍 2

1.2.2嵌入式Linux介绍 2

第二章嵌入式系统开发概述 3

2.1嵌入式系统的特点 3

2.1.1嵌入式系统通常是面向特定任务的 4

2.1.2嵌入式系统运行环境差异很大 4

2.1.3嵌入式系统比通用PC系统资源少得多 4

2.1.4低功耗、体积小、集成度高、成本低 4

2.1.5高效、可靠、稳定 5

2.1.6具有较长的生命周期 6

2.1.7目标代码通常是固化在非易失性储器中 6

2.1.8一般是实时操作系统（RTOS），系统有实时约束 6

2.1.9嵌入式软件开发走向标准化 6

2.1.10需要专用开发工具和方法进行设计 7

2.1.11嵌入式微处理器通常包含专用调试电路 7

2.2嵌入式系统的组成结构 7

2.2.1硬件基本结构 7

2.2.2软件的层次结构 9

2.2.3BootLoader 9

第三章智能家居概述 10

3.1研究背景 10

3.2国内外研究现状 11

3.2.1国外研究现状 11

3.2.2国内研究现状 12

第四章嵌入式Linux和嵌入式Linux开发环境 13

4.1嵌入式Linux 13

4.2嵌入式Linux开发 14

4.3交叉开发环境 16

4.4交叉编译和链接 17

第五章智能家居基本模块及解决方案 17

5.1智能家居的基本功能模块 18

5.2家庭对外通信模块 19

5.3家庭网关模块 19

5.4家庭安全防范模块 20

5.5家庭设备自动控制模块 20

第六章嵌入式系统平台的建立 21

6.1嵌入式Linux开发环境的建立 21

6.1.1交叉编译工具链的安装 21

6.1.2开发工具Qt的移植 24

第七章模拟实现硬件设计 30

7.1Video4Linux和USB摄像头驱动配置 30

7.1.1．Vedeo4Linux简介 30

7.1.2．OV511摄像头驱动的加载 30

7.2图像获取 31

结束语 33

致谢 34

参考文献 35

附录 36

第2页

西安文理学院本科毕业设计（论文）

第一章绪论

当网络席卷整个社会，带来经济飞速发展的同时，也给人们的生活带来无限的惊奇。

不断更新的生活方式，使得越来越多的人追求对生活的舒适度和享受度。

智能家居作为新生力量呼之欲出，自然地走进了我们的生活，随之，引领新一代的数字家庭生活。

目前，智能家居在全球都呈现良好的发展趋势。

国外，智能家居在美国、德国、新加坡、日本等国都有广泛应用。

目前在新加坡也有近30个住宅小区近5000户的家庭采用了“家庭智能化系统”，美国已有近4万户家庭安装了这一类的“家庭智能系统”。

三星已经开始在中、韩两国同时推出起智能家居系统。

统计资料显示：

2004年，家庭网络市场总额可达57亿美元，国际智能家居的产品销售额可达148亿美元。

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。

他们正是基于对这个难得机遇的意识，开始为研究和开发相关系统和产品进行先期的部署和规划，越来越多的企业开始介入智能家庭网络这个全新的领域[3]。

1.1选题的目的与意义

本课题是基于ARM9的智能家居监控模块开发与实现，我们采用ARM9内核的S3C2410处理器为控制芯片，再将Linux系统移植到硬件平台上，然后设计好相应的驱动程序和应用程序，最后将软件下载到硬件平台来对家电进行本地和远程控制。

系统主要有GSM通讯模块和ARM9系统板两个部分组成。

而系统软件主要完成各个模块之间交互通信的功能。

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，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，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。

数字家庭伴随着无线而产生，也使无线技术得到了充分的应用和体现。

1.2研发背景

1.2.1ARM介绍

ARM公司是专门从事基于RISC技术芯片设计开发的公司,作为知识产权供应商,本身不直接从事芯片生产,靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片,世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核,根据各自不同的应用领域,加入适当的外围电路,从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场。

目前,全世界有几十家大的半导体公司都使用ARM公司的授权,因此既使得ARM技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持,又使整个系统成本降低,使产品更容易进入市场被消费者所接受,更具有竞争力。

目前,采用ARM技术知识产权（IP）核的微处理器,即我们通常所说的ARM微处理器,已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场,基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器75％以上的市场份额,ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。

1.2.2嵌入式Linux介绍

Linux从1991年问世到现在，短短的十几年时间已经发展成为功能强大、设计完善的操作系统之一；

可运行在X86、Alpha、Sparc、MIPS、PPC、Motorola、NEC、ARM等多种硬件平台，而且开放源代码，可以定制；

可与各种传统的商业操作系统分庭抗争。

越来越多的企业和研发机构都转向嵌入式Linux的开发和研究上，在新兴的嵌入式操作系统领域内也获得了飞速发展。

嵌入式Linux的特点：

第一，Linux系统是层次结构且内核完全开放。

Linux是由很多体积小且性能高的微内核系统组成。

在内核代码完全开放的前提下，不同领域和不同层次的用户可以根据自己的应用需要方便地对内核进行改造，低成本地设计和开发出满足自己需要的嵌入式系统。

第二，强大的网络支持功能。

Linux诞生于因特网时代并具有Unix的特性，保证了它支持所有标准因特网协议，并且可以利用Linux的网络协议栈将其开发成为嵌入式的TCP/IP网络协议栈。

此外，Linux还支持ext2、fat16、fat32、romfs等文件系统，为开发嵌入式系统应用打下了很好的基础。

第三，Linux具备一整套工具链，容易自行建立嵌入式系统的开发环境和交叉运行环境，可以跨越嵌入式系统开发中仿真工具的障碍。

Linux也符合IEEEPOSIX.1标准，使应用程序具有较好的可移植性。

传统的嵌入式开发的程序调试和调试工具是用在线仿真器（ICE）实现的。

它通过取代目标板的微处理器，给目标程序提供一个完整的仿真环境，完成监视和调试程序；

但一般价格比较昂贵，只适合做非常底层的调试。

使用嵌入式Linux，一旦软硬件能够支持正常的串口功能，即使不用仿真器，也可以很好地进行开发和调试工作，从而节省一笔不小的开发费用。

嵌入式Linux为开发者提供了一套完整的工具链（toolchain）。

它利用GNU的gcc做编译器，用gdb、kgdb、xgdb做调试工具，能够很方便地实现从操作系统到应用软件各个级别的调试。

第四，Linux具有广泛的硬件支持特性。

无论是RISC还是CISC、32位还是64位等各种处理器，Linux都能运行。

Linux通常使用的微处理器是IntelX86芯片家族，但它同样能运行于Motorola公司的68K系列CPU和IBM、Apple、Motorola公司的PowerPCCPU以及Intel公司的StrongARMCPU等处理器。

Linux支持各种主流硬件设备和最新硬件技术，甚至可以在没有存储管理单元（MMU）的处理器上运行。

这意味着嵌入式Linux将具有更广泛的应用前景。

第二章嵌入式系统开发概述

本章主要描述嵌入式系统的特点及相关开发技术。

2.1嵌入式系统的特点

由于嵌入式系统是应用于特定环境下，针对特定用途来设计的系统，所以不同于通用计算机系统。

同样是计算机系统，嵌入式系统是针对具体应用设计的“专用系统”。

它的硬件和软件都必须高效率地设计、“量体裁衣”、去除冗余，力争在较少的资源上实现更高的性能。

它与通用的计算机系统相比具有以下显著特点：

2.1.1嵌入式系统通常是面向特定任务的

嵌入式系统通常是面向特定任务的，而不同于一般通用PC计算平台，是“专用”的计算机系统。

嵌入式系统微处理器大多非常适合于工作在为特定用户群所设计的系统中，称为“专用微处理器”，它专用于某个特定的任务，或者是很少几个任务。

具体的应用需求决定着嵌入式处理器的性能选型和整个系统的设计。

如果要更改其任务，就可能要废弃整个系统并重新进行设计。

2.1.2嵌入式系统运行环境差异很大

嵌入式系统无所不在，但运行环境也差异很大，可运行在飞机上、冰天雪地的两极中、骄阳似火下的汽车里、要求温湿度恒定的科学实验室等。

特别是在恶劣的环境或突然断电的情况下，要求系统仍然能够正常工作。

这些情况对设计人员来说意味着要同时考虑到硬件与软件。

“严酷的环境”一般意味着更高的温度与湿度。

军用设备标准对嵌入式元器件的要求非常严格并且在价格上和商用、民用差别很大。

比如英特尔公司的8086，当它用在火箭上时，单价竟高达几百美元。

2.1.3嵌入式系统比通用PC系统资源少得多

通用PC系统有数不胜数的系统资源，可以轻松完成各种工作。

你可以在自己的PC机上编写程序的同时播放MP3、CD、下载资料等等。

因为个人PC拥有512MB内存、80GB硬盘空间并且在SCSI卡上连接着软驱和CD-ROM驱动器已是目前非常普遍的配置了。

而控制GPS接收机的嵌入式系统，由于是专门用来执行很少的几个确定任务，它所能管理的资源比通用PC系统少得多。

当然这主要是因为在设计时考虑到经济性，不能使用通用CPU。

这就意味着所选用的CPU只能管理很少的资源，它的成本更低、结构更简单。

2.1.4低功耗、体积小、集成度高、成本低

嵌入式系统“嵌入”到对象的体系中，对对象、环境和嵌入式系统自身具有严格的要求，一般的嵌入式系统具有低功耗、体积小、集成度高、成本低等特点；

通用PC有足够大的内部空间提供良好的通风能力，但是系统中的奔腾或AMD处理器均配备庞大的散热片和冷却风扇进行系统散热。

而许多嵌入式系统就没有如此充足的电能供应，尤其是便携式嵌入式设备，即便是有足够的电源供应，散热设备的增加也往往是不方便的。

因此嵌入式系统设计时应尽可能的降低功耗。

整个系统设计有严格的功耗预算，系统中的处理器大部分时间必须工作在降低功耗的“睡眠模式”下，只有在需要任务处理时它才会“醒来”。

软件必须围绕这种特性进行设计。

因此一般的外部事件通过中断“驱动”、“唤醒”系统工作。

功耗约束影响了系统设计决策的方方面面，包括处理器的选择、内存体系结构的设计等。

系统要求的功耗约束很有可能决定软件是用汇编语言编写，还是用C或C++语言编写，这是由于必须在功耗预算内使系统达到最高性能。

功耗需求由CPU时钟速度以及使用的其他部件（RAM，ROM，I/O设备等）的数量决定。

因此，从软件设计人员的观点看来，功耗约束可能成为压倒性的系统约束，它决定了软件工具的选择、内存的大小和性能的高低[4]。

能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在高度集成的SoC系统芯片内部，而不是微处理器与分立外设的组合，就能节省许多印制电路板、连接器等，使系统的体积、功耗、成本大大降低，也能提高移动性和便携性，从而使嵌入式系统的设计趋于小型化、专业化。

嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，在在保证稳定、安全、可靠的基础上量体裁衣，去除冗余，力争用较少的软硬件资源实现较高的性能。

这样，才能最大限度地降低应用成本，从而在具体应用中更具有市场竞争力。

2.1.5高效、可靠、稳定

建立完整的嵌入式系统的系统测试和可靠性评估体系，保证嵌入式系统高效、可靠、稳定工作；

嵌入式应用的复杂性、繁杂性要求设计的代码应该是完全没有错误的，怎样才能科学、完整的测试全天候运行的嵌入式复杂软件呢？

首先，需要有科学的测试方法，建立科学的系统测试和可靠性评估体系，尽可能避免因为系统的不可靠造成巨大损失。

其次，引入多种嵌入式系统测试方法和可靠性评估体系。

在大多数嵌入式系统中一般都包括一些机制，比如看门狗定时器，它在软件失去控制后能使之重新开始正常运行。

总之，嵌入式软件测试和评估体系是非常复杂的一门学科。

2.1.6具有较长的生命周期

嵌入式系统是和实际具体应用有机结合的产物，它的升级换代也是和具体产品同步进行的。

因此，一旦定性进入市场，一般具有较长的生命周期。

2.1.7目标代码通常是固化在非易失性储器中

嵌入式系统的目标代码通常是固化在非易失性储器（ROM/EPROM/EPROM/FLASH）中；

嵌入式系统开机后，必须有代码对系统进行初始化，以便其余的代码能够正常运行，这就是建立运行时的环境，比如初始化RAM放置变量、测试内存的完整性、测试ROM完整性以及其他初始化任务。

为了系统的初始化，几乎所有的系统都要在非易失性存储器（现在普遍使用Flash）中存放部分代码（启动代码）。

为了提高执行速度和系统可靠性，大多数嵌入式系统也常常把所有的代码（也常常使用所有代码的压缩代码）固化、存放在存储器芯片或处理器的内部存储器件中，不使用外部的磁盘等存储介质。

2.1.8一般是实时操作系统（RTOS），系统有实时约束

嵌入式系统往往对时间的要求非常严格，嵌入式操作系统一般是RTOS。

嵌入式实时操作系统随时都要对正在运行的任务授予最高优先级。

嵌入式任务是时间关键性约束，它必须在某个时间范围内完成，否则由其控制的功能就会失效。

比如控制飞行器稳定飞行的控制系统如果因反馈速度不够，其控制算法就可能会失效，飞行器在空中飞行会出问题。

2.1.9嵌入式软件开发走向标准化

嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行。

为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配RTOS（Real－TimeOperatingSystem）开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。

2.1.10需要专用开发工具和方法进行设计

从调试的观点看，代码在ROM中意味着调试器不能在ROM中设置断点。

要设置断点，调试器必须能够用特殊指令取代用户指令，嵌入式调试己经发展出支持嵌入式系统开发过程的专用工具套件。

2.1.11嵌入式微处理器通常包含专用调试电路

嵌入式系统一般是专用系统，而PC是通用计算平台

嵌入式系统的资源比PC少得多

嵌入式系统软件故障带来的后果比PC机大得多

嵌入式系统一般采用实时操作系统

嵌入式系统大都有成本、功耗的要求

嵌入式系统得到多种微处理体系的支持

嵌入式系统需要专用的开发工具

2.2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