本科毕业设计论文智能家居系统高震.docx

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本科毕业设计论文智能家居系统高震

摘要

本系统基于智能家居发展的现状,结合家具系统的仿真模型,设计以S3C2410芯片为核心处理器的智能家居演示系统。

本系统利用嵌入式计算机技术、网络通信技术、自动控制等技术,将与家庭生活有关的各种应用子系统有机地结合在一起,通过综合管理,让家庭生活更舒适、安全、有效和节能。

可以利用手机短信、语音设备、联网PC机等方式实现对家用电器、智能设备信息的统一监视、控制与管理。

开发过程中,硬件上以博创公司的UP-2410开发平台为核心,外围扩展ZigBee模块、GPRS模块、语音识别模块、红外模块、传感器等,配合1:

20比例的家居沙盘模型与宿主PC机完成开发;软件上基于linux2.6内核进行目标机开发,宿主机使用Fedora与WindowsXP操作系统、Arm-Linux交叉编译环境、QT4.5图形库、MySql数据库进行开发,用到了内核的配置编译与调试技术、模块化驱动程序的使用、根文件系统的制作等技术。

本系统最大特色在于着眼建立一个以Internet网络为依托,ZigBee、蓝牙等近程通信技术复合的多层通信结构,其中以嵌入式智能家居主机为中心,其他单片机设备、嵌入式智能设备为终端节点组成一个星型网络,再连入Internet,力求最大化的适应智能家居的应用需求,最终提供舒适安全、高效节能、具有高度人性化的生活空间。

最后,论文还结合试验论述了智能家居的组建步骤和设计原则,论证了该行业的发展现状和应用前景,着重对“以人为本”的设计原则进行了阐述和倡导。

关键词:

智能家居;嵌入式系统;紫峰技术;WEB服务器

1绪论

1.1课题的来源及背景

信息技术的发展迅速,己深入人类生活的各个领域,并对人类的居住环境和建筑业发展产生了巨大的影响,人们已开始追求充满信息技术、安全技术、高效节能、并具有丰富人文环境的绿色住宅。

不断加快的生活节奏,使人们有了掌握海量信息的需求,急需有一个方便快捷的系统平台,把人们从繁重的家务劳作和繁琐的家电操作中解放出来,并能自动协助人们生活的智能化系统,这就是智能家居系统。

智能家居是信息技术和建筑的完美结合,其目标是使人们拥有安全、舒适、便利、节能、娱乐和优美的生活环境,这是新世纪住宅发展的必然趋势。

传统的家居环境在满足人们最基本的需要的同时,也逐渐凸显了局限性。

比如:

传统的家居没有室内灯光的统一管理,进出房间开灯不方便,不能够方便的做到人走灯灭、节约能源;传统家居环境的安全性能差,不能够做到对于各种危险情况如煤气泄露、入室抢劫等的敏感反应;不能满足远程对家居的智能监控、实时监控、集中监控。

智能家居,又称智能住宅,在国外常用SmartHome表示。

它一般是以住宅为基础平台,综合建筑装潢、网络通信、信息家电、设备自动化等技术,将系统、结构、服务、管理集成为一体的高效、安全、便利、环保的居住环境。

1.2国内外智能家居应用状况

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,日本等国都有广泛的应用。

我国将家庭智能化定义为:

利用4C(即计算机,通讯及网络,自控,IC卡)技术,通过有效的传输网络,将多元化信息服务与管理,物业管理与安防,住宅智能化系统集成,为住宅小区的服务与管理提供高技术的智能化手段,以期实现快捷高效的超值服务与管理,提供安全舒适的家居环境。

在2000年就已将建设智能化小康示范小区列入国家重点发展反向,这也必然促使智能化走向家庭智能化的方向发展。

智能家居可以定义为一个目标或者一个系统。

利用先进的计算机、网络通信、自动控制等技术,将与家庭生活有关的各种应用子系统有机地结合在一起,通过综合管理,让家庭生活更舒适、安全、有效和节能。

与普通家居相比,智能家居不仅具有传统的居住功能,还能提供舒适安全、高效节能、具有高度人性化的生活空间;将一批原来被动静止的家居设备转变为具有“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,帮助人们有效地安排时间,增强家庭生活的安全性,并为家庭节省能源费用等。

1.3主要研究内容

本文基于智能家居发展的现状,开发过程中硬件上以博创公司的UP-2410开发平台为核心,外围扩展ZigBee模块、GPRS模块、语音识别模块、红外模块、传感器等,配合1:

20比例的家居沙盘模型与宿主PC机完成开发;软件上基于linux2.6内核进行目标机开发,宿主机使用Fedora与WindowsXP操作系统、Arm-Linux交叉编译环境、QT4.5图形库、MySql数据库进行开发,用到了内核的配置编译与调试技术、模块化驱动程序的使用、根文件系统的制作等技术。

本系统的特色在于着眼建立一个以Internet网络为依托,ZigBee、蓝牙等近程通信技术复合的多层通信结构,其中以嵌入式智能家居主机为中心,其他单片机设备、嵌入式智能设备为终端节点组成一个星型网络,再连入Internet,力求最大化的适应智能家居的应用需求,最终提供舒适安全、高效节能、具有高度人性化的生活空间。

2系统方案

2.1系统功能设计

本次设计的智能家居系统的上位机部分主要由ARM9核心板、GPRS模块、ZigBee模块、温度采集部分、模拟输出部分组成。

逻辑功能方框图如下:

图2-1功能模块示意图

2.2硬件方案设计

开发环境:

1.博创科技的开发平台UP-tech2410s实验箱一套;博创UP-Star嵌入式工程师认证考试开发板一套;博创科技UP-2410开发办一套;

2.博创GPRS模块一件;

3.ZigBee模块一套;

4.自制1:

20比例家居仿真沙盘模型一件;

5.蓝牙模块;

6.IRDA红外模块;

7.摄像头一件;

8.温度、湿度传感器各一件。

2.2.1核心处理芯片的选择

核心处理芯片需要完成处理和支持整个系统的功能需求,主要完成AD、DA数据转换算法,提供实时的GPRS与ZigBee通信,完成短信息接收,模拟量输出及Web服务器的功能。

为完成上述功能,实现人机交互,对处理芯片进行选型,对比现有处理芯片的优缺点,选择ARM9S3C2410X芯片作为系统的核心处理芯片。

S3C2410X微处理器是一款由samsung公司为手持设备设计的低功耗、高集成度的基于ARM920T核的微处理器,为了降低系统总成本和减少外围器件,这款芯片还集成了以下部件:

16KB指令Cache、16KB数据Cache、MMU、外部存储器控制器、LCD控制器、NANDFLASH控制器、4个DMA通道、3个UART通道、1个IIC总线控制器、1个IIS总线控制器、4个PWM定时器、1个内部定时器、通用IO口、实时时钟、8通道10位ADC和触摸屏接口、USB主、USB从、SD/MMC卡接口等。

因其具有低功耗、高集成度等优点,最终选用博创公司的UP-2410作为试验平台,验证智能家居系统设计及开发的可行性。

2.2.2远程通信模块的选择

通信模块需要完成远程的无线通讯的功能,目前主流的无线传输技术主要有GPRS与CDMA。

GPRS(GeneralPacketRadioService,通用无线分组业务)作为第二代移动通信技术GSM向第三代移动通信(3G)的过渡技术,是一种基于GSM的移动分组数据业务,面向用户提供移动分组的IP或者X.25连接。

GPRS能给用户提供端到端的、广域的无线IP连接。

通俗地讲,GPRS是一项无线高速数据传输技术,它以分组交换技术为基础,用户通过GPRS可以在移动状态下使用各种高速数据业务,包括收发E-mail、进行Internet浏览、即时聊天等。

CDMA(CodeDivisionMultipleAccess,码分多址)是在数字技术上的分支——扩频通信技术上发展起来的一种新的无线通信技术。

CDMA技术的原理是基于扩频技术,即将需传送的具有一定信号带宽信息数据,用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制,使原数据信号的带宽被扩展,再经载波调制并发送出去。

接收端使用完全相同的伪随机码,与接收的带宽信号作相关处理,把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩,以实现数据传输。

本系统选用的是GPRS无线传输技术,其具有实时在线、高速传输等优点,符合本系统传输模块的功能要求。

2.2.3近程通信模块的选择

长期以来,低价、低传输率、短距离、低功率的无线通讯市场一直存在着。

自从(Bluetooth)出现以后,曾让工业控制、家用自动控制、玩具制造商等业者雀跃不已,但是蓝牙技术尽管有许多优点,但仍存在许多缺陷。

对工业,家庭自动化控制和工业遥测遥控领域而言,蓝牙技术显得太复杂,功耗大,距离近,组网规模太小等,而工业自动化,对无线数据通信的需求越来越强烈,而且,对于工业现场,这种无线数据传输必须是高可靠的,并能抵抗工业现场的各种电磁干扰。

智能家居网络传输数据量小,无需太大的传输速度,家庭中的各种家电设备多,需要的网络容量大,信息的实时性要好,时延要短。

ZigBee是近几年发展起来的一种短距离无线通信技术,具有短距离、低功耗、低数据率、低成本、安全可靠等优点。

ZigBee的技术特点决定了其能很好的满足智能家居网络的上述需求。

2.2.4模拟输入模块

A/D转换器是模拟信号源和CPU之间联系的接口,它的任务是将连续变化的模拟信号转换为数字信号,以便计算机和数字系统进行处理、存储、控制和显示。

在工业控制和数据采集及许多其他领域中,A/D转换是不可缺少的。

A/D转换器有以下类型:

逐位比较型、积分型、计数型、并行比较型、电压-频率型,主要应根据使用场合的具体要求,按照转换速度、精度、价格、功能以及接口条件等因素来决定选择何种类型。

方案一:

并行比较型AD采用多个比较器,仅作一次比较而实行转换,又称FLash(快速)型。

电路规模极大,价格也高,只适用于视频AD转换器等速度特别高的领域。

方案二:

串并行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间,称为Halfflash(半快速)型。

这类AD速度比逐次比较型高,电路规模比并行型小。

方案三:

逐次比较型(如ADC804)

逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成,从MSB开始,顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较,经n次比较而输出数字值。

其优点是速度较高、功耗低,在低分辩率(<12位)时价格便宜,但高精度(>12位)时价格很高。

ARMS3C2410芯片自带一个8路10位A/D转换器,并且支持触摸屏功能。

ARM2410开发板只用作3路A/D转换器,其最大转换率为500K,非线性度为正负1.5位。

综合考虑本系统的成本、功耗、易用性等实际需求以及核心板所提供的便利条件,基于在足够使用的情况下降低成本的原则,选择S3C2410芯片自带的8路10位A/D转换器。

2.2.5模拟输出模块

D/A转换器的内部电路构成无太大差异,一般按输出是电流还是电压、能否作乘法运算等进行分类。

大多数D/A换器由电阻阵列和n个电流开关(或电压开关)构成。

按数字输入值切换开关,产生比例于输入的电流(或电压)。

方案一:

电压输出型(如TLC5620、MAX504)。

电压输出型D/A转换器虽有直接从电阻阵列输出电压的,但一般采用内置输出放大器以低阻抗输出。

直接输出电压的器件仅用于高阻抗负载,由于无输出放大器部分的延迟,故常作为高速D/A转换器使用。

方案二:

电流输出型(如THS5661A)。

电流输出型D/A转换器很少直接利用电流输出,大多外接电流—电压转换电路得到电压输出,后者有两种方法:

一是只在输出引脚上接负载电阻而进行电流—电压转换,二是外接运算放大器。

方案三:

乘算型(如AD7533)。

D/A转换器中有使用恒定基准电压的,也有在基准电压输入上加交流信号的,后者由于能得到数字输入和基准电压输入相乘的结果而输出,因而称为乘算型D/A转换器。

方案四:

一位D/A转换器。

一位D/A转换器与前述转换方式全然不同,它将数字值转换为脉冲宽度调制或频率调制的输出,然后用数字滤波器作平均化而得到一般的电压输出(又称位流方式),用于音频等场合。

综合考虑本系统的成本、功耗、易用性等实际需求,本设计采用方案一,并采用博创试验箱上提供的MAX50410位D/A转换器,它由单个5V电源供电,电压输出缓冲,内部2.048V参考电压,INL=2,1LSB(MAX),电压不随温度变化,可变的输出范围:

0V~VDD,VSS~VDD,上电复位,串行输出。

2.2.6直流电机模块

输出或输入为直流电能的旋转电机,称为直流电机,它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。

当它作电动机运行时是直流电动机,将电能转换为机械能;作发电机运行时是直流发电机,将机械能转换为电能。

而直流电动机则以其良好的线性调速特性、简单的控制性能、较高的效率、优异的动态特性,一直占据着调速控制的统治地位,在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中也得到了广泛的应用。

PWM控制技术,是利用半导体开关器件的导通与关断,把直流电压变成电压脉冲列并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压的目的,因此问题的关键是要产生PWM信号,产生PWM信号有3种方法:

方案一:

分立电子元件组成的PWM信号发生器这种方式是用分立的逻辑电子元件组成PWM信号电路,是较早采用的方法,可靠性、可调性较差。

方案二:

软件模拟式利用单片机的一个I/O引脚,通过软件对该引脚输出高低电平来模拟PWM波,该方法占用CPU的时间较多,控制软件较复杂。

方案三:

专用PWM集成电路采用芯片制造商生产专用的PWM集成电路芯片,该方法功能强,但增加了调速系统的成本开销。

综合性能指标、成本、易用性等方面考虑,本方案采用软件模拟式产生PWM控制信号的方法控制电压。

2.2.7家居户型沙盘模型

在战争片中我们经常能看到作战指导人员在一个很大的沙盘前面布置作战计划;或是在房地产展销会上出现的楼群与室内户型结构的沙盘。

沙盘将地形地貌或很大的物件浓缩到一张桌子大小的台子上,使我们可以微观地观摩宏观的物体,是军事、科研、房地产、工业、农业、教学、影视拍摄等领域的得力助手,而在以用户需求为中心的智能家居工程的开发中,沙盘模型的合理应用更是可以极大的方便开发,缩短迭代周期,相比实地开发能够节省大笔经费。

这些沙盘,或者叫作模型的,是一种技术和工艺都较高的美术作品,属于工艺美术的范畴。

各个不同的时期制作沙盘的工艺和材料是不尽相同的,即使是现代,每一家模型公司的制作工艺和用料也是不太相同的。

下面我们就其制作工艺和用材作一个探讨。

沙盘有很多种,有军用的,有房地产用的,还有城建用的。

1987央视版电视剧《红楼梦》里的北大观园,就是以一个民间老艺人制作的大观园沙盘为蓝本而建造的。

大一些的、带地貌特征的一般称为沙盘,小一点以某种小型物件或是某些结构为蓝本而制作的称为模型。

这里以房地产沙盘模型为主,简要地介绍一下其制作流程。

1.所需要的设备有:

电脑,设计软件AutoCAD,雕刻机,工作台,油漆喷枪等。

2.所需要的原材料有:

各种厚度的有机玻璃板,各种厚度的PVC板,普通海绵,大孔海绵,背胶纸,各色绒线末,粗鱼线,铜丝电线,0.5mm漆包线,涂料,各色油漆,绒面墙纸,三氯甲烷,干花,发胶,小彩灯等。

3.所需要的工具有:

美工刀、锯条刀、木工工具、电工工具等。

制作流程如下:

一、沙盘台子

首先,要将顾客交付持房地产平面布置图和施工图纸研究透,组装部根据平面布置图及沙盘的比例来制作沙盘的台子。

台子一般做成台球桌状,如果是大型的沙盘,要做成几个小台子,拼到一起。

二、PVC板喷漆

喷漆部根据楼房图纸的设色调出相应颜色的油漆来,喷在相应的PVC板上,送到设计部进行雕刻。

三、雕刻楼房部件

设计部根据施工图按比例设计出楼房的结构,并在电脑上分解成不同的板块,按施工的要求设计出墙面的花纹、房顶的瓦棱、窗子等,然后发送到雕刻机在PVC板上雕刻出楼房的板块,送到制作部制作。

四、组合楼房

制作部根据设计部送来的楼房板块,根据说明和粘合方式,用三氯甲烷将PVC板块粘合成楼房的大致形状。

窗子的形状是直接雕刻在PVC板上的,用薄而透明的有机玻璃板粘在内部窗子的位置作为窗子的玻璃。

五、置景

置景部根据组装部所作的台子和平面布置图,在台子上划分出平面布局,用绿色绒面墙纸作为草地粘在绿化区,大孔海绵浸上绿色油漆晾干,裁成长条作为绿化带粘在小灌木区。

如果布局中有水和湖泊,可以用波纹面的有机玻璃板,背面喷湖蓝色漆,裁成河流或湖泊的形状放在相应的位置。

若是有高地,可将有机玻璃板或PVC板层层堆积并修整成形,再抹上涂料填充缝隙,晾干后覆上草地。

用灰色的背胶纸粘成公路,用白色背胶纸刻成公路线标粘在上面。

六、制作配件

制作部将铜丝电线剥皮,将铜丝拧成树干的形状,喷上漆。

普通海绵浸漆,晾干后粉碎,将树干的枝丫浸胶,粘上碎海绵,做成树。

若是绿树,海绵可浸绿漆,若是秋天的树,可浸橙色漆。

柳树可用0.2mm的漆包线拧成树干与树枝,然后在树枝上粘上绿色绒线末。

松树是将粗鱼线剪成细段,用夹子夹住,再将两根0.5mm的漆包线夹住绞动,松开夹子,就成了松树的形状,修剪一下,粘上绿色绒线末即可。

其它的花草可以用干花剪下来染色来制作。

用医用棉签或牙签做成路灯。

泡沫塑料可以用刀片雕刻成假山石的形状,喷上漆。

七、整体组合

置景部将制作部送来的花草树木及楼房按布置粘在相应的地方。

组装部根据每栋楼房所在的位置,打孔并装上小彩灯,使楼房模型内部能发光,如同开灯的效果,并接好线路。

设计部雕刻出楼房与路的标识、文字,做成小标牌,粘在相应的位置。

以上是房地产楼群沙盘的制作流程。

这些步骤可以分开进行,也可以颠倒工作顺序,或是几个步骤同步进行,每一个模型工作室的工作流程都不太相同。

户型的模型制作起来比大型的沙盘要简单点。

它大多用单独的小台子,用厚PVC板做墙。

为了看清内部构造,外墙一般用透明的有机玻璃板来制作。

工业模型的做法和沙盘相似,也要依图纸按一定的比例缩小,雕刻出板块,用三氯甲烷粘合。

图2-2沙盘模型图

2.3软件方案设计

2.3.1开发方式

传统的单片机开发一般需要经过以下步骤:

需求分析、硬件的选择设计及调试、软件开发及调试、系统联调。

嵌入式系统的开发也需要选择处理器以硬件平台等,但增加了RTOS(RealTimeOperationSystem,实时操作系统)移植部分。

RTOS作为软件平台是应用程序的基础,编写应用程序时不必过多考虑底层的工作,这两种开发方式的流程如图2-2所示。

图2-3嵌入式系统两种开发方式对比

嵌入式系统开发分为软件开发部分和硬件开发部分。

嵌入式系统在开发过程中一般都采用了“宿主板/目标板”开发模式,即利用宿主机(PC)上丰富的软硬件资源及良好的开发环境和调试环境来开发目标板上的软件,然后通过交叉编译环境生成目标代码和可执行文件通过串口、以太网接口等方式下载到目标板上,完成整个开发过程。

在软件设计上,整个开发过程基本包括以下几个步骤:

源代码编写:

编写源C/C++及汇编程序;

程序编译:

通过专用的编译器编译程序;

软件仿真调试:

在SDK中仿真软件运行状况;

程序下载;

软硬件测试调试:

通过JTAG联合调试程序;

下载固化:

程序无误,下载到产品上生产。

2.3.2嵌入式系统的选择

当选定了硬件系统后,为了配合硬件达到系统的最优控制要求,对市面上常用的嵌入式系统进行分析比较。

(1)价格比较:

Linux是完全免费的操作系统,只需遵循GPL声不需支付任何费用;WinCE是微软的商用嵌入式操作系统,使用它购买WinCE及其开发环境的费用,开发出来的每套产品也需交纳一定费用。

uc/os—II系统,可以免费用于学习或科研,但发商用产品或销售都是收费的。

(2)开放性比较:

Linux是源代码完全开放的操作系统,可以从由下载,并且在遵循GPL声明的前提下可以自由地修改、移植、传系统的开发和调试带来极大的便利;winCE是部分源码开放的商用操如果要修改其中的代码,需获得微软公司的授权;uc/os—II也是开放的实时操作系统。

(3)文件系统的比较:

Linux支持绝大部分文件系统,只需在编选择相应的文件系统即可;WinCE仅支持Windows系列的FAT16、有限文件系统:

uc/os—II本身没有包括文件系统,需购买或移植。

Linux与ARM处理器从以上可以看出,Linux系统在诸多方面都存在优势,而且本身的ARM处理器与Linux也有着紧密的联系。

因此我们采用Linux操作系统。

2.3.3开发软件

软件上基于linux2.6内核进行目标机开发,宿主机使用Fedora与WindowsXP操作系统、Arm-Linux交叉编译环境、QT4.5图形库、MySql数据库进行开发,用到了内核的配置编译与调试技术、模块化驱动程序的使用、根文件系统的制作等技术。

2.3.4开发环境的建立

配置开发主机:

配置MINICOM,一般参数为波特率115200,数据位8位,停止位1,无奇偶校验,软硬件控制流设为无。

在WINDOWS下的超级终端的配置也是这样。

MINICOM软件的作用是作为调试嵌入式开发板信息输出的监视器和键盘输入的工具;配置网络,主要是配置NFS网络文件系统,需要关闭防火墙,简化嵌入式网络调试环境设置过程。

建立引导装载程序BOOTLOADER,从网络上下载一些公开源代码的BOOTLOADER,如U-BOOT、BLOB、VIVI、LILO、ARM-BOOT、RED-BOOT等,根据自己具体芯片进行移植修改。

有些芯片没有内置引导装载程序,比如三星的ARM7、ARM9系列芯片,这样就需要编写烧写开发板上flash的烧写程序,网络上有免费下载的WINDOWS下通过JTAG并口简易仿真器烧写ARM外围flash芯片的程序。

也有LINUX下公开源代码的J-FLASH程序。

如果不能烧写自己的开发板,就需要根据自己的具体电路进行源代码修改。

这是让系统可以正常运行的第一步。

如果你购买了厂家的仿真器当然比较容易烧写flash了,但是其中的核心技术是无法了解的。

这对于需要迅速开发应用的人来说可以极大地提高开发速度。

下载别人已经移植好的LINUX操作系统,如UCLINUX、ARM-LINUX、PPC-LINUX等,如果有专门针对你所使用的CPU移植好的LINUX操作系统那是再好不过,下载后再添加自己的特定硬件的驱动程序,进行调试修改,对于带MMU的CPU可以使用模块方式调试驱动,对于UCLINUX这样的系统好像只能编译进内核进行调试。

建立根文件系统,从下载使用BUSYBOX软件进行功能裁减,产生一个最基本的根文件系统,再根据自己的应用需要添加其他的程序。

默认的启动脚本一般都不会符合应用的需要,所以就要修改根文件系统中的启动脚本,它的存放位置位于/etc目录下,包括:

/etc/init.d/rc.S、/etc/profile、/etc/.profile等,自动挂装文件系统的配置文件/etc/fstab,具体情况会随系统不同而不同。

根文件系统在嵌入式系统中一般设为只读,需要使用mkcramfs、genromfs等工具产生烧写映象文件。

建立应用程序的flash磁盘分区,一般使用JFFS2或YAFFS文件系统,这需要在内核中提供这些文件系统的驱动,有的系统使用一个线性flash(NOR型)512K-32M,有的系统使用非线性flash(NAND型)8-512M,有的两个同时使用,需要根据应用规划flash的分区方案。

开发应用程序,可以下载到根文件系统中,也可以放入YAFFS、JFFS2文件系统中,有的应用程序不使用根文件系

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