基于ARM的家庭安防智能机器人文档格式.docx
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Abstract
Withthedevelopmentofelectronicinformationindustry,theresearchofintelligentrobotandrelatedtechnologyhasbecomemoreandmorepopular.Withtheintelligenthomefurnishingasbackground,wedesignedakindofhomesecuritymonitoringsystembasedonARM9processor.Firstofall,wetransplantedtheLinuxoperatingsystemonARM,acquiringtheimagebyUSBcamera,andtransmitstheimagestothePCviawirelessnetwork.Then,wedesignafriendlyman-machineinterface,real-timemonitoringofhomefurnishingenvironment,makingthedetectionandpreventionoffamilysecuritybecomepossible.Atthesametime,weadoptmodularizationdesignofthecontrolsystem,whichcontributestothefunctionalexpansionandupgradingofthesmartcar.
"
PC+motioncontroller"
modeisthemostcommonformofopenCNCsystemcurrently.PCmachineisusedforman-machineinterfacecontrol,datastorageandcommunication;
motioncontrollerisusedtorealizethereal-timecontrolandI/Ointerrupt.Intelligentrobotinthisdesignhasthefollowingfunctionsduringcruise,includingavoidancefunction,temperatureacquisitionsystem,gasdetection,flamedetectionandimageacquisitionandtransmissionfunctionobstacleinfrared.Robotcanfreelymovinginthehouse,ifencounteredobstaclesintheprocessofrunning,itcanthroughtheinfraredsensortodetectthespecificrangeofobstacles,andsteerclearofobstacles.Atthesametime,allkindsofsensorsinstalledonthevehicle,dynamicmonitoringhomefurnishingenvironmentparameters.Mostimportantly,thecameracanimagereal-timeacquisitionofhomefurnishingenvironment,throughWiFitransmittedtothecomputer,evenwearethousandsofmilesawaycanalwaysseethehomefurnishingenvironment.
Keywords:
Embeddedsystem;
ARMprocessor;
intelligenthomefurnishing;
USBcamera
目录
摘要I
AbstractII
目录III
第一章绪论1
1.1嵌入式系统概述及发展现状1
1.2ARM系列微处理器简介1
1.3嵌入式Linux操作系统及特点2
1.4研究背景和意义3
1.5研究目标、研究内容和拟解决的关键问题4
第二章家庭安防智能机器人的方案设计5
2.1系统总体设计思路5
2.2系统总体设计方案选择5
2.2.1系统设计方案选择5
2.2.2小车底盘选择6
2.3系统模块化设计7
2.3.1核心模块8
2.3.2直流电机驱动模块10
2.3.3红外避障模块10
2.3.4图像采集模块11
2.3.5无线传输模块11
2.3.6环境参数采集模块13
第三章家庭安防智能机器人的硬件设计15
3.1核心模块硬件设计15
3.1.1主控制芯片S3C244015
3.1.2辅控制芯片STC15F2K61S217
3.1.3 辅助系统18
3.2直流电机驱动模块设计19
3.2.1电机概述19
3.2.2驱动芯片L293简介20
3.3红外避障模块设计22
3.3.1方案比较和论证22
3.3.2红外避障模块22
3.4无线传输模块设计23
3.4.1Wi-Fi无线传输技术简介23
3.4.2无线数传模块24
3.4.3无线网卡27
3.5环境参数采集模块设计27
3.5.1温度传感器模块27
3.5.2烟雾传感器模块28
3.5.3火焰传感器模块28
3.5.4红外热释电模块29
第四章ARM9上的Linux系统移植以及网络摄像机的设计31
4.1Linux操作系统内核的装载31
4.2linux交叉编译及移植33
4.2.1建立Linux交叉编译环境33
4.2.2linux移植34
4.3Linux操作系统下网络摄像机的实现36
4.3.1准备工作37
4.3.2编译组件37
4.3.3测试网络摄像机37
第五章家庭安防智能机器人的软件设计40
5.1软件设计总体方案40
5.2小车驱动模块软件设计41
5.3红外避障模块软件设计43
5.4环境监测模块软件设计43
5.5无线传输模块软件设计44
5.6上位机软件设计45
5.6.1上位机软件界面程序设计46
5.6.2上位机软件数据处理程序设计47
第六章家庭安防智能机器人的联合调试49
6.1系统调试与测试49
6.2系统功能及前景展望49
总结51
参考文献52
附录A实物图54
附录B程序56
致谢65
第一章绪论
1.1嵌入式系统概述及发展现状
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，且软硬件可剪裁，是对功能、可靠性、成本、功耗和应用环境有严格要求的专用计算机系统。
是将应用程序、操作系统和计算机硬件集成在一起的系统。
它一般由以下几部分组成：
嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统及特定的应用程序[1]。
嵌入式系统有如下共同点：
（1）功能专一：
专门为某一特定应用系统而设计；
（2）结构紧凑：
嵌入式系统结构必须特别的紧凑，从而达到小体积，高性能，低成本，低功耗；
（3）智能灵活及实时性：
即要对不同的情况做出不同的反应，同时必须实时地给出计算的结果并进行实时控制[2]。
嵌入式系统的出现至今已经有30多年的历史，近几年来，计算机、通信、消费电子的一体化趋势日益明显，嵌入式技术已经成为一个研究热点。
目前根据其发展现状，嵌入式计算机可以分成下面几类：
⑴嵌入式微处理器（EmbeddedMicroprocessorUnit，EMPU）
⑵嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit，MCU），又称单片机
⑶嵌入式DSP处理器（EmbeddedDigitalSignalProcessor，EDSP）DSP
⑷嵌入式片上系统（SystemOnChip）[3]
目前，中国嵌入式系统市场处于快速增长时期。
在近几年以及未来的几年内，嵌入式系统的发展为几乎所有的电子设备注入了新的活力，由于迅速发展的Internet和非常廉价的微处理器的出现，嵌入式系统将在我们的日常生活里形成一个更大的领域。
中国嵌入式系统的主要客户分布在消费类电子、通信、医疗、安全等行业。
当前中国嵌入式系统市场上的几大热点应用有[4]:
汽车与电力系统的电源管理、高清数字电视以及数字机顶盒、智能手机和具有联网功能的智能化工业设备、终端。
嵌入式工业设备则将集成进更多的通信与联网等智能化功能，并将在汽车电子市场、医疗电子市场、机械电子市场、视频电子市场和数码电子市场得到更为广泛的应用。
1.2ARM系列微处理器简介
ARM（AdvancedRISCMachine）是英国ARM公司设计开发的通用32位RISC（ReducedInstructionSetComputer）微处理器体系结构，其主要优势在于简单的设计和高效的指令集。
ARM的设计目标是微型化、低功耗、高性能的微处理器实现。
目前，ARM微处理器家族在嵌入式系统、掌上电脑、智能卡和GSM终端控制器等领域获得了广泛的应用，几乎占据了嵌入式处理器的半壁河山。
作为一种RISC体系结构的微处理器，ARM微处理器具有RISC体系结构的典型特征。
还具有以下特点[5]：
（1）在每条数据处理指令当中，都控制算术逻辑单元（ALU）和移位器，以使ALU和移位器获得最大的利用率；
（2）自动递增和自动递减的寻址模式，以优化程序中的循环；
（3）同时Load和Store多条指令，以增加数据吞吐量；
（4）所有指令都条件执行，以增大执行吞吐量。
这些都是对基本RISC体系结构的增强，使得ARM处理器可以再高性能、小代码尺寸、低功耗和小芯片面积之间获得好的平衡。
ARM处理器的应用领域
到目前为止,ARM处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域：
1、工业控制领域：
作为32的RISC架构,基于ARM核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，ARM微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8位/16位微控制器提出了挑战。
2、无线通讯领域：
目前已有超过85%的无线通讯设备采用了ARM技术，ARM以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。
3、网络应用：
随着宽带技术的推广，采用ARM技术的ADSL芯片正逐步获得竞争优势。
此外，ARM在语音及视频处理上行了优化,并获得广泛支持，也对DSP的应用领域提出了挑战。
4、消费类电子产品：
ARM技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。
5、成像和安全产品：
现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM技术。
手机中的32位SIM智能卡也采用了ARM技术[6]。
1.3嵌入式Linux操作系统及特点
Linux系统是包含内核、系统工具、完整的开发环境和应用的类UNIX操作系统。
这个操作系统是由全世界各地的成千上万的程序员设计和实现的，它诞生于1991年的10月5日（这是第一次正式向外公布的时间）。
其目的是建立不受任何商品化软件的版权制约的、全世界都能自由使用的UNIX兼容产品。
由于Linux内核及多数应用程序都基于GPL（GNU公共许可协议），且具有结构清晰、功能简捷等特点，逐渐成为一个稳定可靠、功能完善的操作系统。
Linux为嵌入式操作系统提供了一个极有吸引力的选择。
将Linux应用于嵌入式环境，是基于其具有以下特点：
（1）Linux操作系统是层次结构，并且内核源代码完全开放。
不同领域和不同层次的用户可以根据自己应用的需要，对内核进行修改，能够低成本的开发出满足自己需要的嵌入式系统。
（2）其具有强大的网络支持功能。
Linux诞生于Internet时代，并具有Unix的特性，这保证了它支持所有标准Internet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，为嵌入式系统应用开发打下了很好的基础。
（3）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。
而且，Linux也符合IEEEPOSIX.1标准，使应用程序具有较好的可移植性[7]。
1.4研究背景和意义
当前，人类进入信息爆炸的时代，各类信息极度丰富，数字技术和网络技术的高速发展，只有借助于各种计算机，才能够对各类信息进行处理，它们已不再局限于以前的PC，而是由形态各异、性能千差万别的嵌入式系统来完成。
ARM处理器是世界上最流行的嵌入式处理器，广泛应用于个人通信等嵌入式领域。
而随着智能科技和机器人技术的发展，未来机器人进入家庭已成为必然。
其中，智能服务机器人进入家庭提供家庭安防尤为重要，但事实上在网络环境下进行家居环境的检测和控制这一技术还并未进入千家万户。
基于这种思想，本设计提出了家庭安防智能机器人系统，该系统可以通过ARM处理器与PC机的网络通信实现对家居环境的异地监视、控制，并可以实现家居环境多个参数的检测。
本设计符合家电上网的设计概念，实现对家居环境的远程监测与控制，并能将家居环境中温度、湿度、煤气浓度等环境信息以网页的形式显示在远程主机上。
本设计可以应用于家居、教室或医院病房等环境的检测和控制，稍加改进也可以应用于无人环境、危险环境基于web网络的远程控制。
总之，如果本设计能够加以完善利用，将会有很大的商业价值[8]。
1.5研究目标、研究内容和拟解决的关键问题
⒈研究目标
结合ARM、Linux操作系统、无线通讯等技术手段，设计一种比较完善的嵌入式家居监控系统，并完成其系统原理设计、软硬件设计等工作，使其在可靠性、适应性、实时性等方面获得尽可能多的实用价值。
⒉研究内容
本设计以ARM9为中央控制核心，STC15F2K61S2为辅处理芯片，L293驱动二个直流电机控制小车的运动，采用ZC301摄像头采集图像，通过网络把采集到的图像传送给PC机监控界面，可以实现远程视频实时监控，同时可以通过传感器采集环境参数并上传到上位机监控界面。
为了实现该目的，本课题所研究的主要内容如下：
⑴系统软硬件的设计。
⑵摄像头驱动的安装及调试。
⑶Linux操作系统内核的装载及S3C2440芯片上程序的交叉编译和移植。
⑷PC与ARM核心处理器之间的无线通信、PC与增强型51单片机之间的串口通信的实现。
⒊拟解决的关键问题
⑴Linux嵌入式操作系统的运用及其Linux的移植方法。
⑵ARM板、MCU与PC机之间的无线通信实现方法。
⑶网络摄像机的实现方法、上位机监控界面的制作方法和控制命令的传送途径。
第二章家庭安防智能机器人的方案设计
2.1系统总体设计思路
本设计的核心思想就是机器人小车在家居环境中可以自由行进，行进过程中摄像头可以实时采集环境图像，并通过无线网络上传到PC机上，这样可以保证家居主人可以随时随地清楚地知晓家居环境状况，保证家居环境安全。
总体设计方案结构框图如图2.1所示。
S3C2440为主控制芯片，主要负责对摄像头采集到的信息进行处理与发送；
51单片机为辅控制芯片，主要通过控制电机实现小车的运动，通过传感器实现家居环境参数的采集。
值得注意的是，在本设计中51单片机与S3C2440嵌入式处理器芯片分别通过无线网与PC机通讯，他们之间互不关联。
图2.1总体设计方案结构框图
2.2系统总体设计方案选择
2.2.1系统设计方案选择
本设计在选题之后，确定了三个总体设计方案,具体如下：
方案一：
ARM，即只用一块嵌入式开发板完成整个设计的所有任务。
方案二：
ARM+普通51单片机，即通过ARM处理器与普通51单片机联调，共同完成设计任务。
方案三：
ARM+增强型51单片机，即ARM处理器和增强型51单片机共同作用，实现整个设计任务。
在经过反复的比较论证之后，首先排除了第一种方案，因为我现在只处于嵌入式系统开发入门阶段，很多具体问题都不能自己解决，特别是本设计中的许多程序需要在Linux系统上进行移植，大大增加了设计的难度，这是其一；
其二是本设计中的很多任务在51单片机上就可以完成，比如各种环境参数采集，并且这方面程序在网上很多，可移植性强，执行效率也较高。
随后又排除了第二种方案，普通51单片机虽然可实现本设计中的部分任务，但是因为其片内RAM较小，而本设计涉及参数较多，在程序方面要求会更高；
而增强型51单片机的内存较普通51单片机有较大提高，并且芯片响应速率高，性能良好。
在硬件方面能解决的问题尽量不要放到软件部分解决，这样可以提高程序的可读性及可行性，故综合比较之后选择方案三，即选择ARM处理器与增强型51单片机共同完成设计[9]。
2.2.2小车底盘选择
驱动小车有三种方案。
普通玩具小车是使用两个电机，且两个电极均为玩具直流电机。
前面两个轮为一个电机控制，用来控制方向，后面两个轮由一个电机控制，用来驱动小车，这就是传统的控制小车方向的方式，但是一般的说来，玩具电动车具有如下缺点：
一方面，这种玩具电动车由于装配紧凑，使得各种所需传感器的安装十分不方便。
另一方面，玩具直流电机，力矩小，空载转速快，负载性能差，不易调速。
而且这种电动车一般都价格不扉。
因此放弃了此方案。
四电机四轮驱动小车，这种方案适合对小车灵活性要求高，完成任务较多，功能比较强大的竞赛类项目使用，如实现寻迹，避障，测速，走迷宫，搬运，遥控等功能，因为这种方案可以更加灵活的控制小车，而且转向性好，可以实现原地360°
转向。
但是本设计中对小车灵活性要求不是特别高，因为本设计侧重点不在于此，为节约成本，故排除此方案。
购买的智能小车底盘采用两电机三轮驱动，即前面安装一个万向轮，可360°
自由转动，后面两轮由两个电机控制，这种驱动方式转向性也较好，且外部辅助电路也比较简单。
最重要的是，本次设计的小车驱动部分是用单片机作为总控制中心，这种小车底盘做工优良，载重能力强，预留的小孔便于进行模块扩展，能够达到运行灵活平稳，安全高效的效果[10]。
综合比较之后，最终选择方案三。
下面着重介绍一下该小车底盘的优点：
中型车体架构，前轮是万向轮支撑。
车身尺寸：
22cm*17cm；
车高：
48mm。
亮点一：
有机玻璃作车身，铝合金电机固定座，坚固轻便。
亮点二：
车前端留有很多传感器安装孔，方便安装；
另留有槽形固定孔，适合不同大小的控制板电路模块的固定。
亮点三：
专业橡胶轮胎，摩擦力大，抓地性能好，耐磨。
亮点四：
电机和轮子之间为黄铜联轴器结构，稳固，强度高。
亮点五：
全金属齿轮减速电机，寿命长，扭力大，转速高。
车的底盘是用4mm厚的进口有机玻璃雕刻而成，CNC精加工，留有很多固定孔，用于固定电机板和电机驱动板以及各类传感器；
可扩展性好，有机玻璃可轻松使用各种手钻，小电钻来钻出安装孔。
可方便搭载二层或三层建筑。
车后轮为橡胶轮胎，和电机通过联轴器（黄铜材质），电机固定座（铝合金材料）紧密结合在一起。
承载能力很强，负重5KG左右。
车体的机械结构包括万向轮、两个后轮、车底盘、两个电机固定座、两个联轴器，两个电机、铜柱螺丝等，小车底盘实物图如图2.2所示。
图2.2智能小车底盘
2.3系统模块化设计
所谓的模块化设计，简单地说就是将产品的某些要素组合在一起，构成一个具有特定功能的子系统，将这个子系统作为通用性的模块与其他产品要素进行多种组合，构成新的系统。
根据模块化设计思路和整个系统所要实现的功能，可以将此系统分为六大主要模块来设计，核心模块、直流电机驱动模块、红外避障模块、图像采集模块、无线传输模块、环境参数采集模块[11]。
2.3.1核心模块
⒈ARM处理器S3C2440
本设计采用的ARM开发板是广州天嵌计算机科技有限公司生产的TQ2440系列，该开发板的微控制器采用三星公司的S3C2440AL，它主要负责处理摄像头采集回来的图像信息，并对其进行处理，再通过无线网络将图像信号远传到上位机。
TQ2440开发板采用核心板＋实验底板设计，更便于开发学习。
插针式核心板,采用六层军工布线设计,名厂PCB板,沉金工艺,具备了较好的电气连接能力,以及较强的抗震性能,比市面上某些四层板运行程序更加稳定高效。
接口丰富，功能强大，适用于各种手持设备，消费电子和工业控制设备的开发。
TQ2440开发板实物图如2.3所示：
图2.3TQ2440开发板实物图
⒉增强型51单片机STC15F2K61S2
这是STC最新的增强型51，相比较传统51，有以下优点：
1TSTC-Y5内核，比传统51快6-12倍，内部RAM扩大，传统51为128字节或256字节，它达到了2.25KB，内部高精准可调RC振荡器，有一个16位自动重载定时器，串口波特率设置更灵活，有片内SPI控制器，速度可达1/4主频速度，有片内PWM/PCA控制器，可捕获外部缓冲或者产生PWM，有片内AD，分辨率10位，8通道[12]。
因为本设计中51单片机的主要任务之一便是通过PWM控制步进电机，故自身能产生PWM的STC15F2K61S2便作为首选，并且本设计采集参数较多，对内部RAM的要求也较高，这款芯片无论在运算速度还是在内部资源上均可胜任系统的性能要求，所以本设计用这款增强型51单片机取代了传统的STC89C51系列单片机。
图2.4STC15单片机开发板实物图
本系统中STC15F2K61S2单片机作为辅控制芯片，主要负
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