基于ARM的网络智能家居系统的设计与实现.docx

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基于ARM的网络智能家居系统的设计与实现

基于ARM的网络智能家居系统的设计与实现

苏州大学应用技术学院09电子转班级（学号0916936074）［徐金波］

基于ARM的网络智能家居系统的设计与实现

苏州大学应用技术学院09电子转班级（学号0916936074）［徐金波］

【摘要】：

伴随着社会经济水平的提高，人们对家居生活的质量的要求也越来越高。

随着计算机与嵌入式技术的生活化，各种智能化、信息化的消费电子产品不断涌现。

这些家用电器在方便人们的生活，提高人们的生活质量的同时，也提出了一个问题，如何对家庭中越来越多的信息家电进行有效的控制。

智能家居是由欧美等发达国家提出的一种概念，旨在将家庭中离散的信息设备连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或异地的监视控制和家庭事务的管理。

本文针对这一目标设计了一款基于网络平台的智能家居控制器。

智能家居控制器是智能家居系统中不可缺少的一部分。

本文在ARM平台上，结合嵌入式Linux系统，Internet技术，在智能家居控制器上实现了嵌入式Web服务器、CGI脚本服务体系及后台控制系统。

分析并定义了智能家居控制器与信息家电之间的通信方式。

用户在任何可以获得Internet的地方，通过web浏览器登录家居控制系统的主控页面，就可以控制自己家中的信息家电。

具体如下：

本文分析了智能家居的起源、发展和研究现状。

对比了当前较为流行的几种可用于构建智能家居内部网络的相关技术，确定以蓝牙技术作为家庭内部网络通信工具。

并在文中阐述了实现蓝牙技术串口通信的方法。

以ARM9核心开发板搭建了智能家居控制器的硬件实验平台，并阐述了系统实现所需要的软件开笈平台的建立过程。

描述了引导程序u-boot的移植、Linux系统内核的移植、根文件系统的制作、交叉编译环境的构建过程。

分析了家居控制系统的工作原理。

完成了嵌入式Web服务器的移植，描述了CGI服务脚本体系并给出了具体的实现方法。

分析并设计了后台服务模块的程序结构及工作流程，描述了实现过程。

本文实现了智能家居控制器的网络控制功能。

经过模拟平台的搭建及对系统的测试，利用现有网络资源，本文设计的智能家居控制器能够实现与被控端设备的连通及控制信号的发送，实现了对信息家电的控制，基本实现了既定的目标要求。

【关键词】：

ARM；智能家居；控制器；CGI；

[Abstract]:

Withtheimprovementofsocio-economiclevel，people'sdemandsofhome-1ivingqualitybecomemoreandmore。

Asthecomputerandembeddedtechnologycomingintoourlife，lotsofintellectualizedandinformationappliancescontinuetoemerge．Whiletheseinformationappliancesmakingconvenienceandimprovingpeople’shome-livingquality,italsoraisesaquestionthathowtocontrolmoreandmoreinformationapplianceseffectively．

TheconceptofSmartHomeismadebythosedevelopedcountriessuchastheEuropeandtheUnitedStates．ItaimedthatallindependentinformafionappliancesinhomeconnecttoaHomeIntelligenceSysteminordertosupervisorytheminhomeorremoteandmanagefamilyaffairs．

Soaimedatthisissue，thethesisdesignedakindofhomecontrollerbasedonnetwork．HomecontrollerisallindispensablepartofSmartHomemanagementsystem．OnARMplatform，thisthesisimplementedembeddedWebserver,CGIscriptsservicesystemandbackgroundcontrolsystembasedonembeddedLinuxsystemsandInternettechnology．Thisthesisanalyzedanddefinedakindofcommunicationmodebetweenhomecontrollerandinformationappliances．Userscanlogonthehomepageofhomecontrolsystemviahternetbrowseratanylocationtocontroltheirinformationappliances．

Themainworkinthisthesisisbelow：

Thethesisanalysedtheorigin，developmentandresearchofSmartHome．BuilthardwareexperimentalplatformofhomecontrollerbasedOntheARM9coredevelopmentboard，anddescribedbuildingprocessofsoftwaredevelopmentplatformwhichisneedbythesystemimplementation。

Itdescribesthetransplantationofthebootloader,u-boot，andLinuxkernel，theprocessofmakingarootfilesystem，theconstructionofcross-compilerenvironment.

Analyzedtheprincipleofhomecontrolsyster.CompletedthetransplantationofembeddedwebServer．DescribedtheCGIscriptingsystemandgiwaconcretemethodtorealizeit。

Analyzedanddesignedtheprogramframeworkofbackgroundservicemoduleanddescribeditsrealezedprocess．

ThisthesisrealizedthefianetiontocontroltheinformationappliancesonnetworkwiththeSmartHomecontroller．Afterconst~ctingthesimulatedplatformandtestingthesystem,itconfirmedthattheinformationappliancescontrollerdesignedinthisthesiscanconnectandsendcontrolsignaltothecontrolledappliances，whichrealizedthecontrolofinformationappliancesusingofexistingnetworkresources．Theexpectedrequirementshavebeenfuilfilled

[Keywords]:

ARM；SmartHome；CGI；Controller；

前言

智能家居也叫智能住宅，英文叫SmartHome。

也可以叫做网络家庭、电子家庭、家庭自动化等等。

智能家居概念的起源甚早，首先由美国、欧洲等经济比较发达的国家提出来的。

其目标就是:

"通过家庭内部的一个智能系统，将各种信息家电连接起来进行集中的或异地的监视控制"。

智能家居系统是一个综合的信息管理平台。

本文设计的智能家居控制器,是智能家居系统的核心，通过控制嚣将家庭内部网络和外部网络进行连接及数据交换。

在家庭内部网络，利用控制器连接各种信息家电，对设备的各类信息进行采集。

在外部网络，用户通过Internet连接到控制器，可以查看或者修改信息家电的状态。

方便了人们对信息家电的监测和控制。

智能家居作为综合国力和科技水平的具体体现，能够为人们提供安全、舒适、节能和高效的现代生活方式，市场前景广阔。

智能家居是未来家庭生活的趋势。

但是由于国内的相关企业起步较晚，因此在家电的技术层次上还大多停留在PC平台的有线通信上。

鉴于有线通信的种种缺点，国很多企业也开始了针对无线家居控制的研究，但是具体的产品应用还不是很多。

本是针对目前智能家居的背景情况，依托ARM平台和internet技术，研究一种可行的基于网络的智能家居控制系统，实现信息家电的管理。

所完成的工作主要有；

1．分析了智能家居的起源、发展和研究现状。

对比了当前较为流行的几种可用于智能家居内部网络的相关技术。

2．措建了智能家居控制器的硬件实验平台，并阐述了系统实现所需要的软件开发的建立过程。

描述了引导程序u-boot的移植、Linux系统内核的移植、根文件系统的、交叉编译环境的构建以及BOA移植的实现方法。

3．分析了基于网络技术的智能家居控制系统的工作原理。

完成了嵌入式Web服务移植，描述了CGI服务脚本体系并给出了具体的实现方法。

分析并设计了后台服务的程序结构及工作流程，描述了实现方法。

第1章绪论

第1.1节研究背景

智能家电是计算机技术、电子技术、控制技术向传统家电产业渗透发展的必然结果。

近年来随着信息化的普及应用，通讯的高层次化与自由化、业务量急速增加，以及人类对工作、生活环境的安全性、效率性、舒适性要求的提高，对家居智能化提出了强劲需求；此外在技术方面，由于电子技术、计算机控制技术、通信技术的飞速进步，也促进了智能家居的发展。

目前通常把智能家居定义为利用计算机技术和电子控制技术，通过家庭信息管理平台将与家居生活有关的各种子系统有机地结合的一个系统。

也就是说，首先它们都要在一个家居中建立一个通讯网络，为家庭信息提供所需的通路，在家庭网络操作系统的控制下，通过相应的硬件和执行体系，实现对连接在家庭网络上的家电和设备的监控。

其次，它们要通过一定的系统界面平台，构成与外界的通讯通道，实现与家庭以外的网络互通信息，实现远程控制、监视和交换信息的，最终满足人们对安全、舒适、方便和符合绿色环境保护的越来越高的需求。

进入21世纪，数字化技术取得了更加迅猛的发展并日益渗透到各个领域。

随着Internet网向普通家庭生活不断扩展，消费电子、通讯、计算机一体化趋势日趋明显，智能化信息家电产品已经开始步入社会和家庭。

智能家居在我国已经历了7年的发展。

智能家居涉及不少行业领域：

电子、通信、计算机、自动控制、建筑装饰等，在实际需求确定中最重要的一点不是智能化如何先进，产品如何高档，而是智能家居系统怎样与家居环境有机融为一体。

智能家居怎样做到实用、易用、人性化，真正提高人们的生活品质，才是智能家居的发展方向。

第1.2节国内、外智能家居的发展与现状

早在1979年，美国斯坦福研究所就提出了在建筑物内将家用电器、电器设备的控制线统一为家庭总线的概念。

之后，在美国成立了现代住宅研究会，专门从事这一顿域的研究。

1983年，美国电子工业协会开始制定家用电器的设计标准。

1984年，第一幢智能建筑在美出现后，美国住宅建筑者协会成立了现代住宅开发公司，开始有关基础性研究工作，并在1989年推出了将电力供应、空调控制和数据通信合成一个整体的布线系统示范单元。

在这期间，智能住宅的概念在欧美等发达国家得到了广泛的认同和发展。

欧洲在1985年把集成化的家居系统研究列为尤利龙计划，大力进行该方面的研究。

在上世纪80年代，欧洲电器标准化委员会制定了家用数字总线标准，进一步规划了智能住宅的技术标准。

在东南亚，新加坡的智能建筑技术研究处于领先水平，如宝德胜家庭智能化系统，已经用于30多个住宅小区。

在“亚洲家庭电器与电子消费品国展览会”上展示的“未来之家”，其智能品质受到人们的普遍关注。

由于我国的房地产，自动化技术等起步较晚，对智能住宅的研究刚刚起步，但己经引起了有关部门的高度重视。

有关机构统计表明，全球家庭智能化市场的年平均增长率为8％，家庭网络市场总额为57亿美元，智能家居产品销售额达到140亿美元。

为了抢夺这块“蛋糕”．国内众多企业纷纷试水该产业，包括TCL、海尔、清华同方等大型企业利用品牌优势系入该产业，而数干家中小企业也一日益成为行业中的生力军。

业界人士认为，制约该产业发展有“三道坎”：

一是由于智能家居产业国家还没有统一的行业标准，很多中小企业各自为政，相互间的产品不具兼容性；第二，由于技术人员投有做深入的市场调查，开发出的产品虽然技术上具有先进性，但实用性差，操作复杂，与市场需求脱节：

第三，由于技术上需要投入大量研发资金，一些中小企业没有能力持续创新，更难形成规模生产，造成产品价格居高不下。

总的来说，我国智能家居信息化有着广泛的市场前景，研究适合于中国国情的智能家居系统必然有着巨大的市场前景。

第1.3节智能家居远程控制系统技术的发展趋势

数据采集是现代检测技术的基础，同时也是自动化测试中重要的组成部分，它为测试系统提供可供分析的数据。

常用的数据采集系统有两种，一种是以单片微处理器为核心的数据采集系统．它的构成主要由传感器、放大器、采样保持器、模拟多路开关、A／D转换器、微处理器及其它一些外围器件构成。

第二种是基于通用微型计算机（如PC机）的数据采集系统。

这类系统一般由计算机和数据采集卡组成，目前数据采集卡一般基于标准总线（如工控标准总线STD、传输位总线BIT—BUS、CAN总线、PC总线等总线系统）并带有高速DSP，通过计算机插槽与计算机相连，形成内插式工作方式。

数据采集系统的性能可以通过以下几个指标来衡量：

（1）系统分辨率。

是指系统可以分辨的输入信号的最小变化量。

（2）系统精度。

指当系统工作在额定采集速率时．每个离散子样的转换精度，是系统实际输出值与理论输出值之差。

系统精度是系统各个环节精度的集中表现．一般达不到模／数转换器的精度。

模／数转换器的精度是系统精度的极限值。

（3）采集速率。

是指在满足系统精度指标的前提下，系统对输入模拟信号在单位时间内所完成的采样次数，即系统每个通道、每秒钟可采集的子样数目。

（4）动态范围。

信号的动态范围是指信号的最大幅值和最小幅值之比的分贝数。

目前国外的数据采集系统的研制已经相当成熟，而且种类繁多，性能好，功能强大，并且以基于通用微型计算机的系统居多，这种系统的核心是可插入计算机标准插槽的高速数据采集卡。

在国内，很多大学、科研机关、公司也从事着数据采集系统的研制。

随着数据采集技术不断发展．市场上出现了很多新型的数据采集器。

如北京中泰研创科技有限公司的数据采集系统PCI-8344B，它具有16位A/D，8通道并行同时转换，每个通道的转换速率都可以达到l00KHz。

四川拓普数字设备有限公司的PCI-10016具有4通道模拟量输入，具有16位的A/D，最高采样率l00Ksps。

北京康泰电子有限公司的DAQ-1602/PCI16位PCI总线数据采集板，具有16位、250KHz和500KHz的A/D输入、四种可编程增益选择、2048字节的数据缓存。

对比国内外现有数据采集系统的性能、价格和功能，可以看出：

国外的数据采集系统精度高、采样速度快、功能全，但是价格昂贵．并且体积较大，操作复杂。

国内的数据采集系统虽然价格较为便宜，但与国外的相比无论精度和速度都存在一定的距离。

第1.4节方案研究的内容与特色

方案研究的目的就在于设计一种低成本、高效率、简捷便利的智能家居控制器。

传统控制技术中．若对家居设备进行监控，需要通过专用通信线，不仅通信介质是专用的，而且通信协议、配套软件和硬件都要专门设计。

而采用嵌入式Web技术，只需将嵌入式设备连接到Internet，便可方便的实现监控功能。

本文设计的控制器采用嵌入式Web技术将家庭中的大量传统家电设备和信息家电互连，实现集中控制和管理，并可提供一个家居内部以太网与外部以太网或Internet的接口，以满足远程访问和控制，使原来的普通住宅真正成为一座融安全性、舒适性、方便性、健康性、经济性于一体的智能化住宅。

利用以太网能与Intemet进行无缝连接，还有比较大的带宽，能适应家庭语音、视频等数据量较大的通信场合。

用以太网组建智能家居网络平台具有其它网络无法达到的优点。

嵌入式设备可以通过以太网口直接与Interact进行交互。

无需增加额外的设备如协议转换网关等。

为适应现代家庭生活而设计的家庭网络智能控制体系结构，方案集成了当今的网络技术、自动化技术、计算机技术。

整体来看，智能家属系统由家庭智能应用终端、嵌入式家庭内部网络通信平台、和嵌入式智能家庭网关组成。

一方面，家庭内部网可以通过内部智能通信平台在家庭内部通过摇控板、按键操作等方式与用户进行交互，如无线控制设备的开关、异常事件如煤气泄漏、漏电、漏水、火情的语音报警等。

另一方面．家庭内部网也可以通过网关与Internet进行交互，用户可以通过Web来访问或控制家用电器设备（主动访问），或者家电设备可以通过手机模块进行短信群发或邮件群发等方式向用户报告家庭内部状况（被动访问）。

本文中着重讨论了利用以太网口以嵌入式计算机为硬件平台，开发家居控制中心的设计与实现。

主要完成的工作有：

（1）、在目标机的NANDFlash上下载引导程序U-Boot

（2）、在目标机的NANDFlash上移植和下载Linux内核

（3）、在目标机的NANDFlash上下载自制根文件系统

（4）、安装交叉编译环境

（5）、配置NFS网络文件系统

（6）、架设嵌入式WEB服务器

（7）、编写Linux驱动程序

（8）、设计WEB用户界面

（9）、编写启动脚本

所设计的方案具有以下的特色：

（1）、由于采用的嵌入式WEB服务器BOA为单任务服务器，因此不具有并发性。

通过采用Linux的内核定时器机制使系统具有了并发执行多个任务的能力，同时提高了WEB页面的响应速度，改善了用户的体验和系统的整体性能。

（2）、系统所采用的用户界面贯彻了“傻瓜化”思想，简单易用。

即使不会用电脑也能在几分钟内轻松学会。

同时系统豹安全性也得到了改善。

（3）、“一键通”。

即插上网线后打开电源就能使用。

同样贯彻了“傻瓜化”的思想。

第2章智能家居远程控制系统的总体方案

第2.1节系统的需求分析

经过前几年各商家、媒体对家居智能化概念性的宣抟，现在消费者对智能家居产品已经不断熟悉。

有关调查显示，消费者已经接受了智能家居这一产品的概念且有购买意向。

而在家电控制产品价格方面绝大多数的消费者的承受价位在5000元以内，近l／3的消费者承受价位在2000元以下。

然而时至今日，国内厂家自行研制、开发的智能家居产品不太成熟，而有一些国外的知名品牌由于价格太高，无法满足国内市场的需求。

所以智能化家居产品的确蕴涵了无限商机。

但是要真正挖掘如此大的市场，则需要研究消费者的深层需求哪。

嵌入式技术在最近几年得到了广泛的发展。

嵌入式处理器的性能得到了显著的提高，这就为以嵌入式为基础的智能化家居系统的发展奠定了硬件基础，使较复杂的检测和识别算法在系统中得到应用。

在软件方面，出现了丰富的支持嵌入式设备的软件，使嵌入式系统的开发的难度降低。

出现了大量专注于嵌入式的企业，使嵌入式开发中能得到良好的技术支持。

同时智能化家居的概念也更加明确。

相关的智能化技术得到了显著的发展，使开发能获得大量先进的资料。

第2.2节系统的总体规划设计

随着互联网技术的发展，宽带网络在全国范围内迅速扩展。

许多新建住宅小区都将以太网铺设到了用户家庭，使得整个小区的居民通过以太网实现宽带上两成为可能。

同时，随着社区服务的完善。

智能小区需要通过一个安装在每个家庭的终端设备实现信息发布、物业管理、三表传送、紧急求助等功能。

以往，这样的信息终端和社区服务中心通过铺设专线，如485总线来进行连接，工程量大，故障率高，且由于只能采取主机轮循方式而效率较低。

如果能够利用已经铺设到用户家庭的、现成的、稳定的以太网络组建社区综合服务体系是一项非常有意义的事情。

而目前基于以太网的信息终端通常采用32bit的微处理器和Linux等通用操作系统，这种结构开发周期短、功能强、信息交换速率高、但致命的是成本太高，这也是一直在国内无法推广的主要问题。

因此，向智能小区的每个住宅提供一个基于16/32位MCU连接以太网的低成本信息终端。

不仅具有实用价值，而且市场前景也相当广阔。

在本方案中，设计了一台家居服务器，即家庭主机，可以安装在智能小区的每个家庭中，它是相对独立的智能测控设备，可以直接与小区的以太网相连接。

考虑作为一个成本敏感的消费电子产品，以提供实用化功能为原则，将其控制在一个适当合理的价格范围。

在此应用中，信息终端对数据交换的速率要求并不高，所以可采用价格低廉的高速CPU，从而将整个终端的成本降到用户能承受的范匿内。

2.2.1.系统的体系结构

（1）、嵌入式家庭远程监控系统结构:

如图2-1所示。

图2-1嵌入式家庭远程监控系统

反馈

（2）、系统软件架构

请求

图2-2系统框架

2.2.2.系统实现功能

系统采用32位嵌入式系统作为控制终端和家中各种家电设备相连，完成数据采集和控制信号的传输。

控制终端和Internet的互连和用户的交互，则由控制终端嵌入式操作系统的Web服务器来完成，在嵌入式系统的存储器中存放着我们设计好的控制页面，该页面位于服务器默认的目录下，当控制终端配置好IP地址并运行Web服务器后，远程用户在网络上任何一台客户机上输入控制终端的IP地址，就可以访问到服务器的监控主页。

用户和服务器的动态交互是通过CGI程序束实现的，它是服务器接受用户信息进行处理并将结果返回给用户的过程。

当用户通过控制页面输入了一个控制命令（比如电灯的打开），这个指令将作为一个请求传给Web服务器，服务器守护进程接收到该请求后，就会创建一个子进程称为CGI子进程，该CGI子进程将用户的请求设置成环境变量，然后启动外部CGI程序，该程序的输出通过硬件控制器变为开关量或模拟量，从而实现对家庭中各种设备的控制和调节，结果可以返回给客户端浏览器。

第3章智能家居远程控制系统硬件设计

第3.1节硬件体系架构

硬件平台一般采用模块法设计，包括核心板和扩展板。

核心板为基于ARM的最小系统，包括ARMS3C2410、Flash、SDRAM、串口等基本部分。

这样，只需设计不同的扩展板即可实现不同的系统功能，节省了开发成本并提高开发的灵活性，扩展板主要包括特殊用图的USB接口、以太网接口、LCD接口。

主要模块的功能描述：

CPU单元：

S3C241016/32-bitARM920T内