基于嵌入式的智能家居控制系統(tǒng)

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1、,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級(jí),,第三級(jí),,第四級(jí),,第五級(jí),,*,,*,基于嵌入式的智能家居控制系統(tǒng),演講者：物聯(lián),201602,尚志,智能家居控制系統(tǒng)概述：,,智能家居系統(tǒng)是利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、智能云端控制、綜合布線技術(shù)、醫(yī)療電子技術(shù)依照人體工程學(xué)原理，融合個(gè)性需求，將與家居生活有關(guān)的各個(gè)子系統(tǒng)如安防、燈光控制、窗簾控制、煤氣閥控制、信息家電、場景聯(lián)動(dòng)、地板采暖、健康保健、衛(wèi)生防疫、安防保安等有機(jī)地結(jié)合在一起，通過網(wǎng)絡(luò)化綜合智能控制和管理，實(shí)現(xiàn)“以人為本”的全新家居生活體驗(yàn)。,,智能家居研究背景及意義,,隨著信息技術(shù)的發(fā)展和物質(zhì)生活水平的提

2、高，人們對家居生活環(huán)境的要求越 來越高，家居不僅是居住的場所，也是休閑、娛樂的地方[1]。目前，高科技已經(jīng) 應(yīng)用于智能住宅中，智能的含義也在不斷地深入和變革，不僅是對家居設(shè)備進(jìn)行 控制，而且希望能夠隨時(shí)隨地地了解家中情況并對其進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。,,智能家居系統(tǒng)的系統(tǒng)總設(shè)計(jì)：,,嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì),,硬件設(shè)備,,觸摸式液晶屏控制,,瀏覽器控制,,系統(tǒng)測試,嵌入式系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)架構(gòu),嵌入式系統(tǒng)搭建,,Uboot,程序,Linux,內(nèi)核,根文件系統(tǒng),,嵌入式硬件平臺(tái),應(yīng)用軟件層,系統(tǒng)軟件層,,嵌入式系統(tǒng)的架構(gòu),,嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪，對功能、 體積、功耗、可靠性要求嚴(yán)

3、格的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)組成如圖,2.2,所 示，由硬件平臺(tái)、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)用軟件層組成。硬件平臺(tái)包括微處理器和外圍設(shè)備等；系統(tǒng)軟件層包括操作系統(tǒng)、根文件系統(tǒng)和底層驅(qū)動(dòng)；應(yīng)用軟件層包括各種應(yīng)用程序，如,Qt,應(yīng)用程序。,嵌入式硬件平臺(tái)是系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)，決定系統(tǒng)所具有的功能，上層結(jié)構(gòu)都是基于這些功能進(jìn)行開發(fā)的。硬件平臺(tái)有微處理器、存儲(chǔ)器（ROM、RAM等）、通用外圍設(shè)備接口（SPI、I2C、USB 等）和 I/O 接口（數(shù)模轉(zhuǎn)換接口、模數(shù)轉(zhuǎn)換接口、輸入/輸出等）。微處理器、時(shí)鐘芯片和存儲(chǔ)器芯片組成嵌入式核心控制模塊，可根據(jù)任務(wù)需求，添加控制模塊的外圍電路，實(shí)現(xiàn)功 能擴(kuò)展。,,Linux 操

4、作系統(tǒng)是系統(tǒng)軟件層核心，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的資源分配和任務(wù)調(diào)度，包含 各種硬件驅(qū)動(dòng)程序，針對具體應(yīng)用可以對系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行裁剪，減少內(nèi)核文件數(shù)量， 提高系統(tǒng)運(yùn)行速度。,,應(yīng)用軟件層位于整個(gè)系統(tǒng)的最頂層，由 Email、文字處理、通訊軟件、個(gè)人 信息處理和人機(jī)交互軟件等組成，根據(jù)具體需求，有針對性地在應(yīng)用軟件層上進(jìn) 行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。,,嵌入式系統(tǒng)搭建,,嵌入式系統(tǒng)搭建如圖,2.3,所示，主要分為,uboot,程序、,Linux,內(nèi)核和根文件 系統(tǒng)。,uboot,程序包括引導(dǎo)程序和啟動(dòng)參數(shù)；,Linux,內(nèi)核是嵌入式中的操作系統(tǒng)； 根文件系統(tǒng)包括系統(tǒng)文件和應(yīng)用程序等。,uboot 是由 DENX 團(tuán)隊(duì)開發(fā)

5、，用于多種嵌 入式 SOC（X86、ARM 等）的 BootLoader 程序。uboot 是通用的 BootLoader 程序，一是它能夠加載多種不同的操作系統(tǒng)（如 Linux、VxWorks 等）；二是它支持多種架構(gòu)的微處理器（如 PowerPC、x86、ARM 等）。uboot 操作模式分為啟動(dòng)模式和交互模式，啟動(dòng)模式用于初始化硬件設(shè)備、設(shè)置內(nèi)存空間映射和為后續(xù) 的內(nèi)核啟動(dòng)做準(zhǔn)備；交互模式用于文件下載，將內(nèi)核鏡像等系統(tǒng)文件下載到內(nèi)存。,,Linux 內(nèi)核是嵌入式操作系統(tǒng)的核心，主要實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ) 管理、設(shè)備驅(qū)動(dòng)掛載、文件管理、進(jìn)程管理、網(wǎng)絡(luò)通信和系統(tǒng)調(diào)用等功能。 選擇 Linux 作為嵌入式操

6、作系統(tǒng)，原因有三點(diǎn)：第一專用性強(qiáng)，針對不同任務(wù)可對內(nèi)核進(jìn)行裁剪，精簡內(nèi)核、提高工作效率和穩(wěn)定性；第二功能強(qiáng)大，Linux自帶虛擬文件系統(tǒng)和內(nèi)存管理，支持 YAFFS2、CRAMFS等多種格式的文件，支持多種設(shè)備驅(qū)動(dòng)，包括網(wǎng)卡、音頻和 USB 驅(qū)動(dòng)等，支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，具有完善 的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；第三Linux 內(nèi)核源代碼是開放的，不存在黑箱技術(shù)，有眾多的志愿開發(fā)者在協(xié)同工作，為 Linux 提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。,,根文件系統(tǒng)與普通的文件系統(tǒng)不同，它是Linux 啟動(dòng)后去掛載的第一個(gè)文件系統(tǒng)。根文件系統(tǒng)按照樹型結(jié)構(gòu)組織，包含系統(tǒng)運(yùn)行 需要的文件和程序，如內(nèi)核鏡像文件、嵌入式 Qt 軟件等。根文件系統(tǒng)包

7、含的目 錄有固定的命名，表 2.1 所示是根文件系統(tǒng)中的目錄名及其說明。,,系統(tǒng)硬件,選擇,Samsung,公司生產(chǎn)的,S3C2440,微處理器，它 是基于,ARM,公司設(shè)計(jì)的,ARM920T,內(nèi)核，是一款,32,位,RISC,微處理器。,S3C2440,微處理器配有,CMOS,標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲(chǔ)器單元，在高性能和低功 耗方面提供最佳特性，具體有以下幾點(diǎn)：,,（,1,）完整的體系結(jié)構(gòu)：具有豐富和強(qiáng)大的指令系統(tǒng)，,MMU,支持多種操作 系統(tǒng)，緩存結(jié)構(gòu)能減少執(zhí)行的帶寬和延遲性；,,（,2,）強(qiáng)大的系統(tǒng)管理：具有大小端轉(zhuǎn)換模式，存儲(chǔ)器有完整的訪問周期， 在掉電時(shí)能夠自動(dòng)更新，配有多種不同的啟動(dòng)模式；,

8、（,3,）高速緩存存儲(chǔ)器：由,64,路的指令和數(shù)據(jù)緩存組成，可以進(jìn)行直寫和回 寫操作；,,,,（,4,）多種電源管理模式：普通模式，正常運(yùn)行模式；空閑模式，停止,CPU,的時(shí)鐘；睡眠模式，關(guān)閉所有外設(shè)電源；,,,（,5,）豐富的擴(kuò)展接口：觸摸屏、,IIC,總線、,IIS,總線、,SD,主機(jī)、,USB,主機(jī) 和,SPI,接口等。,觸摸式液晶屏控制,觸摸式液晶屏控制實(shí)現(xiàn)方案包括操作界面與串口通信，操作界面由,Qt,界面 程序?qū)崿F(xiàn)，串口通信由串口驅(qū)動(dòng)、,Qt,串口通信類和,Linux,系統(tǒng)函數(shù)共同完成， 圖,3.2,所示是觸摸式液晶屏控制方案設(shè)計(jì)。,操作界面,,操作界面主要使用Qt技術(shù)，Qt 是一款

9、基于 C++語言進(jìn)行開發(fā)的圖形界面軟件，它支持跨平臺(tái)運(yùn)行，對 于不同的操作平臺(tái)有對應(yīng)的 Qt 軟件安裝包，Qt 專用性強(qiáng)、占用資源少、無需額 外安裝其他軟件。在計(jì)算機(jī)中安裝 X86 和嵌入式兩個(gè) Qt 軟件版本，將編寫好的 Qt 文件經(jīng)嵌入式版本下的 Qt 類庫進(jìn)行編譯，生成可執(zhí)行程序，經(jīng) NFS 根文件系 統(tǒng)將程序拷貝到嵌入式主板中，啟動(dòng)主板，程序可在觸摸屏上運(yùn)行。,,Qt 界面設(shè)計(jì)由安全設(shè)置、家電控制和環(huán)境信息三部分構(gòu)成。安全設(shè)置是從 系統(tǒng)和住戶的安全性方面考慮，防止外人進(jìn)入系統(tǒng)，對家居設(shè)備進(jìn)行操控和獲取 信息，造成安全和財(cái)產(chǎn)方面的損失；家電控制主要包括燈光、窗簾和空調(diào)控制； 環(huán)境信息是用

10、溫濕度傳感器，對室內(nèi)的溫度和濕度信息進(jìn)行采集。,,串口通信方式,,數(shù)據(jù)通信是觸摸式液晶屏控制的核心，選擇串口通信方式，實(shí)現(xiàn)觸摸屏與 ZigBee 協(xié)調(diào)器之間的數(shù)據(jù)通信。串口通信屬于異步通信，按位發(fā)送和接收字節(jié)， 端口可同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀、寫等操作。串口通信布線簡單，經(jīng)地線、發(fā)送、接收 3 根線即可實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的連接。串口設(shè)備與其他硬件設(shè)備一樣，在 Linux 系統(tǒng)中 是以設(shè)備文件的形式存在，編寫串口驅(qū)動(dòng)模塊，以insmod 方式將驅(qū)動(dòng)模塊加載到Linux內(nèi)核，運(yùn)用Qt串口通信類和Linux系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)行串口數(shù)據(jù)操作。,,瀏覽器控制,運(yùn)用 B/S 模式實(shí)現(xiàn)瀏覽器控制，B/S 模式的工作框架如圖 4.1

11、 所示，包括 瀏覽器、Web 服務(wù)器、后臺(tái) CGI 程序和 ZigBee 協(xié)調(diào)器。,,工作流程,,（,1,）瀏覽器發(fā)送請求，在地址欄中敲入網(wǎng)頁控制系統(tǒng)的,URL,地址，瀏覽器 遵循,Http,和,TCP/IP,協(xié)議生成請求報(bào)文，將請求報(bào)文發(fā)送給服務(wù)器，報(bào)文里面包 括,URL,地址、請求方式和狀態(tài)碼等信息。,Http,（超文本傳輸）協(xié)議屬于應(yīng)用層 協(xié)議，用于瀏覽器與服務(wù)器之間的超文本文件傳輸。,TCP/IP,協(xié)議稱為網(wǎng)絡(luò)通訊 協(xié)議，屬于傳輸層協(xié)議，由網(wǎng)絡(luò)層的,IP,協(xié)議和傳輸層的,TCP,協(xié)議組成，,TCP/IP,協(xié)議定義設(shè)備如何連入,Internet,和數(shù)據(jù)如何在它們之間傳輸。,,（,2,）服

12、務(wù)器返回響應(yīng)，嵌入式系統(tǒng)中的,Web,服務(wù)器接收到請求報(bào)文后，對 報(bào)文進(jìn)行解析，根據(jù),URL,地址和請求方式在文件系統(tǒng)中查找相應(yīng)的文件，將文 件以響應(yīng)報(bào)文的形式返回給瀏覽器，響應(yīng)報(bào)文包括報(bào)文頭與報(bào)文體。,,（,3,）調(diào)用后臺(tái),CGI,程序，實(shí)現(xiàn)控制主板與,ZigBee,協(xié)調(diào)器之間的串口通信。,CGI,程序獲取從瀏覽器發(fā)送過來的環(huán)境變量，根據(jù)變量的字節(jié)數(shù)，開辟內(nèi)存空間 創(chuàng)建具體對象或結(jié)構(gòu)體，運(yùn)用系統(tǒng)函數(shù)去操作串口文件設(shè)備，向串口設(shè)備發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。,,（,4,）瀏覽器收到響應(yīng)進(jìn)行解析，將文件以網(wǎng)頁形式在瀏覽器上呈現(xiàn)，文件 包括,Html,文件、,JavaScript,文件、樣式表和圖片等。這些文

13、件不是由,Web,服務(wù) 器一次性傳遞給瀏覽器，存在先后順序，,Web,服務(wù)器先將,Html,文件發(fā)送給瀏覽 器，瀏覽器接收到文件后進(jìn)行加載，發(fā)現(xiàn),Html,文件中包含,JavaScript,文件會(huì)再 次發(fā)送請求，向,Web,服務(wù)器請求,JavaScript,文件，收到請求后，,Web,服務(wù)器根據(jù) 請求再次從文件系統(tǒng)中找到相應(yīng)文件，將它返還給瀏覽器，其他文件也一樣。經(jīng) 過多次請求和響應(yīng)，當(dāng)瀏覽器接收完所有需要的數(shù)據(jù)后會(huì)停止請求，網(wǎng)頁加載成功。,系統(tǒng)測試,根據(jù)前面的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)功能，對智能家居控制系統(tǒng)的各個(gè)模塊進(jìn) 行測試，包括嵌入式系統(tǒng)、硬件設(shè)備、觸摸式液晶屏界面和瀏覽器頁面。對系統(tǒng)整體進(jìn)行測試

14、并記錄測試數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)控制，順利完成最初的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)功能。,,總結(jié)與展望,,根據(jù)嵌入式技術(shù)的自身特點(diǎn)和智能家居市場的發(fā)展?fàn)顩r，提出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的家居設(shè)備的環(huán)境溫度采集和燈光、窗簾、空調(diào)控制等功能。,,隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，軟件架構(gòu)的日趨完善，芯片集成度的不斷提升，都將為智能家居控制領(lǐng)域提供更大的發(fā)展和提升空間，擴(kuò)大智能家居產(chǎn)品市場。為人們帶來更加便利、更加安全舒適的生活。,,參考文獻(xiàn),王統(tǒng) 基于嵌入式的智能家居控制系統(tǒng) 杭州 杭州電子科技大學(xué),,百度百科 智能家居系統(tǒng),,俞超 嵌入式系統(tǒng)實(shí)例分析——智能家居控制系統(tǒng),,Thank You,！,