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1、嵌入式智能家居控制器的设计1智能家居控制系统的概述随着计算机控制技术、通信技术的不断发展，人们更加关注生活环境的舒适性和安全性。人们期望智能化的生活家居环境，因此设计一套智能家居控制系统显得十分必要。人们对家居的要求早已不只是物理空间，更为关注的是一个安全、方便、舒适的居家环境。家居智能化技术起源于美国，它是以家为平台进行设计的。智能家居控制系统是以HFC、以太网、现场总线、公共电话网、无线网的传输网络为物理平台，计算机网络技术为技术平台，现场总线为应用操作平台，构成一个完整的集家庭通信、家庭设备自动控制、家庭安全防范等功能的控制系统。大型的智能家居控制器的组成:系统服务器、各种路由器、家庭控
2、制器、电缆调制解调器头端设备CMTS、各种探测器、交换机、通讯器、无线收发器、各种传感器、交换机、各种执行机构、打印机等主要部分组成。在分析了国内外智能家居控制器的发展现状之后，针对监视家庭的设施（本地或远程）和控制家庭的设施（本地或远程）的要求，设计了ARM嵌入式智能家居控制器的整体方案和布局。结合自己所学的内容，对部分内容进行了具体阐述。本文提出了一个实现智能家具的方案：将GPRS模块与Window CE 操作系统相结合，外加各种床干起组成了一个智能家居系统，同时，详细介绍了基于宿主机-目标机的交叉开发环境，在PC机上安装Windows CE.net 4.2，利用微软提供的platform
3、 builder 4.2工具，安装目标平台的BSP及定制Windows CE 操作系统内核影像，然后下载内核影像文件到ARM9目标板，最后利用Active Syne同步软件通过USB电缆使开发板与PC互相通信。利用Embedded visual C开发工具完成信息收集、命令处理、GPRS通信模块的设计。2智能家居控制器总体设计2.1系统总体设计与分析本设计属于单片机应用系统。确定单片机控制系统总体方案，是进行系统设计最重要、最关键的一步。总体方案的好坏，直接影响整个控制系统的性能及实施细则。总体方案的设计主要是根据被控对象的任务及工艺要求而确定的。设计方法大致如下：根据系统的要求，首先确定出系
4、统是采用开环系统还是闭环系统，或者是数据处理系统。选择检测元件，在确定总体方案时，必须首先选择好被测参数的测量元件，它是影响控制精度的重要因素之一。选择执行机构，执行机构是微型机控制系统的重要组成部件之一。执行机构的选择一方面要与控制算法匹配，另一方面要根据被控对象的实际情况确定。选择输入/输出通道及外围设备。选择时应考虑以下几个问题：被控对象参数的数量；各输入/输出通道是串行操作还是并行操作；各通道数据的传递速率；各通道数据的字长及选择位数；对显示、打印有何要求；画出整个系统流程图和原理图。2.1.1 单片机控制部分本系统是单片机在系统检测以及工程控制方面的应用，其特点是体积小，成本低，功能
5、强，功耗低，是微机应用产品化的最佳机种之一，它已广泛地应用在产品智能化和工业自动化上。而把单片机面向工控领域对象，嵌入到工控应用系统中，实现嵌入式应用的计算机称之为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统。嵌入式系统一般分为四种:工控机，通用CPU 模块，嵌入式微机处理，单片机。嵌入式系统具有以下特点：(1)面对控制对象。如传感信号输入、人机交互操作,伺服驱动等。(2)嵌入到工控应用系统中的结构形态。(3)能在工业现场环境中可靠运行的品质。(4)突出控制功能。如对外部信息的捕捉、对控制对象实时控制和有突出控制功能的指令系统(I/O 控制、位操作和转移指令等)。单片机有唯一的专门为嵌入式应用系统设计的体
6、系结构与指令系统，最能满足嵌入式应用要求。单片机是完全按嵌入式系统要求设计的单芯片形态应用系统，能满足面对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行及非凡的控制品质等要求，是发展最快、品种最多、数量最大的嵌入式系统。2.1.2系统工作流程部分图1-1系统工作流程图2.2智能家居控制器的硬件设计在设计智能家居控制器时，考虑到系统的稳定性和扩展性，因此将控制器硬件设计成核心板和控制板两部分。核心板主要用来构建嵌入式最小系统，控制板主要是一些外围接口。系统硬件如下图所示：图1-2系统硬件结构核心板由微处理器以及外围的存储芯片等构成，这里采用三星公司成产的S3C2440微处理器。S3C2440微处理器广
7、泛应用于便捷式通信产品、手持运算、多媒体等嵌入式领域，并且能够较为轻松地运行Windows CE 同时考虑到整个系统实时性要求高，故采用了三星生产的S3C2440微处理器。 GPRS模块采用ZOGLAB公司生产的MC35TS芯片。通过串口信号线TXD2和RXD2和微处理器相连接。LCD直接由CPU来控制，不过要增加驱动电路。触摸屏才有4线电阻式，直接将它和CPU的nYPON、YMON、nXPON、XMON相连。家电控制接口的输入控制信号连接到CPU的GPIO端口，当要对某个家电进行控制时，只需要向指定的端口写入0或1，然后再有家电控制接口通过有线或无线的方式去控制相应的家电。2.3智能家居控制
8、器的软件设计考虑系统对实时性以及网络功能的要求，可以考虑选择Windows CE和Linux操作系统，但综合考虑开发难易程度以及Windows CE良好的用户界面，易于操作等特点，同时我们主要是应用层的开发，故决定选用Windows CE操作系统。在WindowsCE.net产品的开发中，有三个重要的方面，一个是内核定制，一个是驱动程序的开发，最后一个是应用程序的开发，微软在这几个方面都提供了非常好的开发工具，这就是内核定制工具Platform Builder和应用程序开发工具Embedded visual C。2.3.1操作系统平台定制在嵌入式系统硬件平台成功搭建的基础上，如何根据具体应用针
9、对特定的硬件定制裁减Windows CE嵌入式操作系统是本课题的关键。嵌入式系统通常是一个资源受限的系统，直接在嵌入式系统的硬件平台上编写软件很困难，目前一般采用宿主机/目标机模式，即首先在通用计算机上编写程序，然后通过交叉编译生成目标平台上可运行的二进制文件，最后下载到目标平台上运行。在进行嵌入式开发之前，首先应该建立和配置好交叉开发环境。WinCE平台的定制过程如下：(1)选择操作系统的基本配置，并且为特定的平台选择相应的微处理器和板级支持包BSP(Board Support Packet)。(2)利用标准开发向导，根据Windows CE的架构创建一个定制平台，根据目标硬件设备开发Boo
10、t Loader、设备驱动程序、适当的裁减、添加组件，如果需要还须对某些配置文件进行修改，然后封装所需要的各个功能模块，编译生成OS镜像文件；(3)通过以太网、USB或串口将镜像文件下载到目标设备，可以使用Platform Builder提供的调试工具查看Windows CE的运行情况并进行调试，若需要，进行重复配置、封装、下载及调试，直到满足要求，完成平台的创建；(4)最后导出相应的SDK(Software Development Kit)软件开发工具包，运行后安装到EVC中，使得可以进行特定硬件平台上的应用程序开发。SDK包含程序库、头文件、示例程序源代码和库函数使用文档，同时还包括编程指
11、导和API以及设备驱动工具包（DDK）。2.3.2驱动程序开发系统所涉及的GPIO驱动及中断驱动程序，可以有两种模型：单片驱动程序和分层驱动程序。在这里我们采用的是分层的驱动程序，分层驱动程序由两个设置好的层组成；上层是模型设备驱动程序(MDD),下层是依赖平台的驱动程序(PDD)。微软为链接驱动程序提供了模型设备驱动程序(MDD)，对平台和函数来讲模型驱动程序(MDD)是通用的，即是源代码也是库。模型驱动程序执行下列任务：(1)链接PDD层并定义它希望调用的函数，通常这些函数叫做设备驱动程序提供器接口（DDSI）；(2)把不同的函数集提供给操作系统，通常这些函数叫做设备驱动程序接口(DDI)
12、；(3)负责与GWES模块和内核通信，包括一些复杂的操作，例如中断处理等。设备驱动程序接口(DDI)是一套由MDD模型设备驱动程序提供、由GWES调用的函数，而设备驱动程序接口（DDSI）由PDD层的驱动程序提供并供模型设备驱动程序(MDD)调用。对于分层的驱动程序而言，编写驱动就是要编写PDD层下的DDSI函数和MDD层下的DDI函数。通俗的来讲，DDSI函数主要就是直接操作处理器中寄存器的值；而DDI函数就是在操作系统平台上，向DDSI函数传递上层的参数。GPIO的PDD层驱动：对于GPIO驱动程序而言，PDD层下的DDSI主要由下列几个函数组成：NGPIO Driver Get Devi
13、ce Info返回GPIO端口的状态信息；GPIO的MDD层驱动：MDD层下的DDI主要由下列几个函数组成：从NGPIO Driver Get Devic eInfo函数中返回参数；NGPIO Set Device向NGPIO Driver Se tDevice函数传递参数；它们在操作系统的层面上，通过向DDSI函数传递和返回参数，修改和获取S3C2440寄存器的值。通过编写调用这些函数的应用程序，来实现我们需要的控制功能。2.4应用软件开发Windows CE是微软开发的一种面向嵌入式应用的Windows操作系统，具有和Windows基本一致的API。当然Windows CE开发也有自己的特
14、点。Windows CE应用程序开发应注意以下方面的要求：(1)应用程序必须使用Unicode字符集。(2)嵌入式设备通常没有多少空间容纳像台式机那么多的内存，因此，程序代码应优化到尽可能小，程序越大，它所加载时间就越长。应用程序通过GPIO驱动程序来读取与S3C2440端口相连的传感器的状态，然后将信息返还给WinCE应用程序5，应用程序根据传感器状态将信息通过调用串口驱动程序，发送AT命令4，传给GPRS模块，然后，GPRS模块发送短信到用户手机，用户就可以观察家里的变化了。当用户想对家中的某些设备进行操作时，可以通过发送短信给GPRS模块，然后模块将信息传给WinCE应用程序，应用程序就
15、可以控制IO口，来达到用户的要求。将移植好的系统、应用程序下载到智能家居控制器上。经过测试，系统具有操作方便、可靠性高和抗干扰能力强等优点。通过智能家居控制器将家电、传感器、手机等许多独立的设备连接成为一个系统，从而方便本地和远程控制。2.5智能家居器控制器能实现的功能和提供的服务（1）始终在线的网络服务，与互联网随时相连，为在家办公提供了方便条件。（2）安全防范：智能安防可以实时监控非法闯入、火灾、煤气泄露、紧急呼救的发生。一旦出现警情，系统会自动向中心发出报警信息，同时启动相关电器进入应急联动状态，从而实现主动防范。（3）家电的智能控制和远程控制，如对灯光照明进行场景设置和远程控制、电器的
16、自动控制和远程控制等。（4）交互式智能控制：可以通过语音识别技术实现智能家电的声控功能；通过各种主动式传感器（如温度、声音、动作等）实现智能家居的主动性动作响应。（5）环境自动控制。如家庭中央空调系统。（6）现代化的厨卫环境。主要指整体厨房和整体卫浴。（7）家庭信息服务：管理家庭信息及与小区物业管理公司联系。（8）自动维护功能：智能信息家电可以通过服务器直接从制造商的服务网站上自动下载、更新驱动程序和诊断程序，实现智能化的故障自诊断、新功能自动扩展。2.6结束语当前家庭智能化技术正在迅速的发展，家庭智能控制器是智能家居系统的关键所在。以无线通信技术为基础，以嵌入式系统为核心的家庭智能控制器具有结构简单，性能稳定，功耗低等特点，其发展前景广阔。
