基于嵌入式技术的智能家居系统研究与设计本科论文

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1、摘 要智能家居能够为人们提供前所未有的便捷与安全，进而广受市民的追捧，同时也是国际上探究的重要课题。伴随嵌入式技术的迅速推广与运用，不仅使智能家居的多样化功能变为现实，还极大的减少了开发费用，缩短研发周期，反映出巨大的市场应用前景与推广价值。本文在综合ZigBee无线通信技术、嵌入式技术以及网络技术的基础上，完成家居智能化系统，同时探究此系统的关键，也就是智能家居网关。当中，对以ARM平台作为基础的智能家居网关的软硬件展开了探究。与其他过去的智能家居网关有所差别，本文是将网络服务器引入智能家居网关中，使用户能够通过任意一部终端实现智能家居网关的登录与访问，进而掌握家中设施情况，同时实现对设施动

2、作的调控，从某种意义上增强了用户接入的便捷性。用户在访问智能家居系统以后，能够直接了解家中智能设施的情况，还可以掌握这些设施的运行状态。用户上传指令至智能家居网关以后，系统经过解析与处理，再将指令传送给ZigBee 协调器，最后完成查看与控制设施的任务。利用定期的信息上传功能，完成对家中设施情况的实时监测，并且还添加了不同的场景模式，进而完成对家居设施的个性化控制。本文首先针对智能家居系统的内涵展开了简要的阐述，同时对该领域目前的实际情况及其日后的推广前景展开论述。在此基础上对本系统的内容展开研究，明确系统的整体功能，同时明确网关的整体开发规划。本文的核心内容是在ARM 平台的基础上研发系统，

3、大体上涉及下面三点：第一，把 BootLoader 与 Linux 系统引入到mini2440 开发板中，同时编制根文件系统，进而为软件研发构建好平台。第二，构建网络服务器，同时编制网页与 CGI程序，完成远程控制。第三，确定网关和 ZigBee 协调器之间的协议，完成与家居设施节点之间的通信。关键词：嵌入式；智能家居；网络服务器；ZigBeeResearch and design of smart home system based on embedded technologyDiscipline: Control engineeringStudent Signature: Supervis

4、or Signature: Supervisor Signature:AbstractSmart home can provide people with unprecedented convenience and safety, then the mass market likes it very much, and it is also the important issue to explore . With the rapid promotion and application of embedded technology, it not only makes the diversif

5、ication of smart home features to be reality, but also greatly reduces the development costs, and shorten the development cycles, all of them reflects the huge market prospects and promotional value.Based on the comprehensive ZigBee (wireless communication technology), embedded technology and networ

6、k technology, I work on completing home automation system, at the same time I want to explore the key to this system which is the intelligent home gateway. Among software and hardware ARM processor as the basis for the intelligent home gateway launched research in-depth. Differ from the past with ot

7、her smart home gateway, network server is the introduction of smart home gateways and enables users to log on and access to achieve intelligent home gateway through any one terminal, then grasp the situation at home facilities, while achieving operation of the facility regulation, in a sense enhance

8、d convenience of user access. After the user to access the smart home system, direct insight into the smart home facilities situation, it can also keep running these facilities. Users to upload commands to the intelligent home gateway after the system has been parsed and processed, and then sent to

9、the ZigBee coordinator instruction, and finally complete the task view and control facilities. People use the regular information uploading, and completing home installations of the real-time monitoring. they also add a different scene modes, and then complete the facility personalized home control.

10、Firstly, for the connotation of smart home system, the paper launches a brief exposition of the field, meanwhile it also starts on the current situation and future prospects for promotion . On the basis of the content , the major of the paper is to study the system, clear overall system functionalit

11、y, and overall the development plan clearly gateway. The core content of this paper is reaching the system which based on the ARM platform , it generally involves the following three points. First, the BootLoader and Linux systems introduced into mini2440 development board, while the preparation of

12、the root file system, and then building a good platform for software development. Second, building a network server, while preparing web pages and CGI programs, completing remote control. Third, determining the protocol gateways and ZigBee coordinator between the completion of the communication and

13、the node and the home facilities.Keywords: embedded; smarthome; web server; ZigBee目 录1 绪 论11.1 研究背景及意义11.2 智能家居的研究现状21.2.1 国外研究现状21.2.2 国内研究现状31.3 智能家居目前存在的问题及其发展前景31.4 论文主要研究内容52 智能家居总体方案设计62.1 系统的功能要求62.2 现代智能家居的发展趋势62.3 智能家居解决方案的选择62.4 智能家居通信方式的选择72.5 系统软件和硬件型号的选择92.5.1 系统硬件型号的选择92.5.2 系统软件型号的选择1

14、02.6 总体功能设计113 智能家居系统硬件概述133.1 系统硬件结构设计133.2 存储器控制系统133.3 电源与复位系统163.4 系统通信接口183.5 本章小结214 Web服务器实现224.1 搭建宿主机软件平台224.1.1下载安装Linux系统224.1.2 构建交叉编译环境224.2 目标板运行环境搭建244.2.1 格式化 Nand Flash244.2.2 安装 Bootloader254.2.3 安装 Linux 内核254.2.4 安装根文件系统254.3 Web 服务器在 ARM-Linux 平台实现264.3.1 安装和配置相关应用264.3.2 网页和 CG

15、I 程序设计274.3.3 动态 Web 页面在嵌入式 Linux 下的实现304.4 照明系统功能实现314.5 本章小结355 ZigBee 协调器通信设计365.1 ZigBee 通信简介365.2 通信转换协议设计365.3 ZigBee 模块程序设计375.3.1 ZigBee 协调器的程序设计375.3.2 ZigBee 终端节点的程序设计375.4 智能家居照明系统实例375.4.1 智能家居照明系统的功能375.4.2 基于 ZigBee 智能家居照明系统方案385.4.3 智能照明系统的技术细节385.5 本章小结386 总结40参考文献43致 谢45学位论文知识产权声明46

16、学位论文独创性声明47i1 绪论1 绪 论1.1 研究背景及意义伴随着信息、通信以及集成电路等技术的持续革新与运用，智能家居系统正逐步优化和完善，这也是现在家居生活的趋势。现在网络迅速推广与升级，让智能家居变成一项关键的探究课题，引导公众步入全新的领域1。它基于人平时的生活，将人性化、智能化以及技术化作为前进趋向，优化人们的生活，使人们拥有更便捷的生活体验。智能家居是将家居作为前提，综合了通信、嵌入式、安全预警、多媒体等不同的技术手段，把家居生活上升至全新的阶段：便捷化、安全、个性化、环保以及智能化的居住环境2。伴随经济进步、网络科技的迅速推广与升级，公众对生活的理念也慢慢有所改变，日益关注居

17、住环境的智能化、个性化以及便捷化。在智能家居正是基于此种时代环境而诞生的。早上起床的时候，窗帘会缓慢的自动拉开，然后在欢快的音乐声中抖擞精神，使你全天都保持活力。不管是什么季节，房间里一直维持着适宜的温度，同时自动进行空气交换，照明的强度会伴随主人的心情持续改变，为你创建一个舒适且人性化的环境。在你外出的时候，室内的家电设施便转为睡眠模式，屋内自动设定警报，保证整个房间的安全性这些过去根本没有办法想象的场景，现在正慢慢实现。依据物联网“十二五”规划中的相关内容可知，交通、环保、电网、家居、安防以及物流等九个领域的智能化应用会是日后探究与关注的核心方向。在这些领域中，智能家居属于最具代表性且实际

18、的应用，人们日后迟早会如同过去对待电脑、手机以及空调一般逐渐接纳与认同它，进而实现智能家居应用于无数人的家中。目前政府与研究者均普遍认为，尽管智能家居业目前尚未表现出爆发式发展的势态，但是在物联网的持续推动下，日后智能家居的市场潜力必然无法估量。依据市场调研结论可知，尽管目前使用智能家居的住户比较少，但是倘若智能家居系统步入成熟阶段，必然有相当多的人愿意试用。智能家居现在还处于有待开发的产业，其潜在的市场前景非常乐观。智能家居的形成大体上是由于下面两点因素：第一，现在的社会生活状况逐渐改善，人们对居住环境的需求也逐渐提升，仅仅是温馨舒适已经不能符合人们对便捷化、安全性以及智能化的要求。第二，网

19、络技术的迅速推广与运用，不同类型的新产品与新理念持续出现，为智能家居构建了良好的技术与理论基础。市场需求、理论技术等要素全部具备，在此种环境下智能家居便应运而生，并迅速推广开来。谷歌并购NEST，京东投资智能家居的硬件生产商，小米开发智能路由器等现象，均说明网络公司与过去的电器厂商合作这一趋势，必然会引导智能家居进入崭新的阶段。社会对环保的重视程度逐渐加深，因而制造业不得不思考可持续发展的问题，而智能家居恰好顺应了此趋势，能够让人们的生活实现节能与高效，所以得到公众的关注3。目前我国构建智能城市的进度持续加快，当中智能公交给公众创造了极大的便利，公众能够便捷的查看公交到站信息。同样智能家居也能

20、够使公众的生活透明化，这势必是日后的演变方向。伴随嵌入式与无线传感等技术的持续革新与完善，电器设施中能够配置通信装置，进而从单独的设备转变为网络框架的节点设备，用户便能够借助于不同的手段对其展开管理，诸如远程控制等4。在这些理论的基础上，智能家居能够把不同的电器利用家庭网络组合起来，借助相应的手段，完成设施和住房的充分结合，进而构建起温馨舒适、高效便捷且安全环保的居住环境。Linux这一操作系统拥有更小的内核与更高的效率，还能够给予直接的网络支持；借助于该系统本身具有的TCP/IP协议来完成远程监测与控制、图像传送等功能，同时因为模块的加载动态让该系统的裁减非常便捷，可依据实际应用需要，对内核

21、展开调配与缩减，ARM和Linux构成了到现在为止研发嵌入式系统的最佳搭配。1.2 智能家居的研究现状1.2.1 国外研究现状20世纪后期，美国率先提出了智能家居的初步模型，一些经济、技术实力较强的国家着手探究有关智能家居的课题。由于各个国家的实际状况有所差别，所以他们研发的智能家居也风格迥异。美国是最先开始研发智能家居的国家，其技术最先进、理念也是最新颖的，所以其家居系统适宜舒适与享受作为目标。但是此类家居系统通常损耗能量较多，与目前国际上提倡的环保思想有所出入。而德国设计的智能家居比较侧重于基础性能与实用价值，依靠他们严谨的风格持续完善各项功能的运用5。澳大利亚设计的智能家居系统相当有特色

22、，他们让家居设施全部自动化，无需手动开关。这便如同目前广泛使用的智能手机一般，功能键日益减少，基本上是触屏操作，因此全部自动化的家具应当是日后演变的方向。并且，他们在设计智能家居系统的过程中对安全性的考虑相当深入，这是由于安全性属于检验智能家居的关键指标之一。新加坡研发的智能家居系统是将实用理念发挥到了极致。其系统大体上涉及可视对讲、安防报警、信息留言、家电监控、三表抄送等功能，在目前已有的生活条件下，让人们的生活更轻松便捷。日本在研究智能家居的过程中全面考虑到能耗问题，借助于信息、人工智能以及网络等技术，完成家居生活的现代化。他们努力围绕人这一根本，在关注性能的过程中还考虑到环保。物联网在日

23、本已较为成熟，不但屋内的设备完成了联网，还借助于生物认证技术，完成门的自动识别功能。当有人站立在门前时，系统会自动辨识此人是不是社区居民，待明确之后门才会自动开启。此外，厕所这一生活中的关键场所，同样完成了智能化，可为主人供应所需物品，同时自动清理厕所卫生。韩国政府出台了诸多政策来构建智能社区，该国的数字化家庭系统独具特色：无论住户在哪里，均能够随时利用屋内所有设备，体验各种服务。住户利用手机便能够远程监控家中的设施情况，这是该国信息业预期日后居家生活的蓝图。而该国的目标是变成国际上网络覆盖率最高的国家，同时在国际上占据智能家居业的优势地位，一直处在科技发展的最前端。1.2.2 国内研究现状国

24、内关于智能家居方面的研究相对较晚，不过研究进展很快，一些技术已经和国际先进水平没有多少差距。我国智能家居研究最开始是小区智能化技术工程领域起步的，在2000年相关理论知识开始陆续传入国内6。随后一些传统家电、互联网厂商开始加入到此方面的应用和研发中，伺候开始受到广泛的关注。家居智能化是又一场数字革命，其较好满足了人们追求现代化，智能、舒适、便利生活的要求，是未来家居领域的主要发展趋势。此外国家管理部门对此也给予了较大关注，并专门就建设智能化示范小区做了相关规划，建立了相关国家标准。可以预见随着政府政策的支持，在社会需求的推动下，智能化家居在未来必然获得更大的发展。为了推动家居智能化的发展，国家

25、也成立了家庭信息网络技术委员会，并在一些国家计划中对此类产品的研发做了专门立项，这对智能家居的发展会起到很大的促进作用。很多以嵌入式技术为基础的智能家居系统被不断的研发出来，其操作方便控制简单，可以较好的满足各种智能化控制和操作方面的要求，给人们的生产和生活带来了很大的便利。智能家居在以后的发展中，应该不是单纯侧重于技术方向，还应该同时考虑都人们的具体需求，实现以人为本要求。这主要是从经济方面考虑的，目前的房价已经很高了，对很多居民造成了较大的经济压力，在此情况下如果智能家居还是不注重经济性能，则可能其价格会超过人们的心理预期和承受能力。此外如果这种智能网络的功能过于复杂，则将其运营和维护费用

26、也会很高，因而应该抛弃不实用的功能，以此来减少维护成本减少浪费7。综上分析，在智能住宅建设过程中，应该考虑到用户的实际需求，追求人性化的设计，避免出现一些不适用浪费情况。根据实际调查情况得知，目前大部分购房者对紧急呼叫系统有较高的需求，并认为其很有使用价值。此外门铃对讲系统，和家庭安防系统、以及水电自动收费系统也有较高的要求。1.3 智能家居目前存在的问题及其发展前景虽然在各种因素的推动下，目前智能家居正处于火热发展阶段，与此相关的物联网、智慧城市建设工作也取得了很大进展，这些都似乎预示着智能家居行业将迎来前所未有的发展良机。不过如果冷静分析思考，可以发现此行业也存在很多问题8。比如智能家居市

27、场发展了这么长时间，为何实际使用智能家居的用户并不是很多，相关产品在市场上也没有大量涌现。根据相关调查研究得知，智能家居市场还存在以下问题亟待解决。（1）传夸大其词 产品华而不实目前市场上和智能家居相关的产品广告让人眼花缭乱，很多媒体广告中都充斥了关于此类产品的宣传，且在介绍其功能性能方面存在很大虚假成分。在各种夸张虚假宣传之下，购买者很容易感到无所适从，不知道如何决策。此外由于广告宣传夸张的原因，很多消费者对其期望较高，实际购买使用产品后，一般会感到失望。（2）产品质量低劣 系统稳定性较差在实际市场需求的推动下，国内智能家居行业持续发展了这十多年，不过由于受到质量等问题的影响，市场一直没有发

28、展壮大并成熟起来。根据相关调查结果得知，很多用户充满期望而购买这类产品之后，在使用中经常出现一些质量方面问题，这对其用户体验产生了很大负面影响。如果售后也没有有效解决这些问题，或者问题多次出现，则用户会对这些产品丧失信心。也有一些厂商在生产过程中，没有进行长期的老化及功能测试，因而产品在使用较长时间后，容易出现此方面的质量问题。因而在以后发展过程中，应该首先努力解决好质量问题。不过当前的国内智能家居在技术方面还存在一定的不成熟之处。具体表现在相应的维护和改造工作较复杂，如传统的电器设备在改造时，可能需要重新铺设线路，此外还存在一些误操作，等方面问题。（3）系统功能复杂 实用性不强目前已经有很多

29、领域的厂商加入到智能家居领域，并开发出各种功能丰富的产品，且市场宣传推广工作也做的很出色。不过一个很主要的问题却始终被用户忽略，也就是用户的真实需求。很多厂商生产的产品中加入了很多五花八门的功能，不过其实用性并不是很强，一些功能反而成为累赘。在没有有效满足用户需求的情况下，这类产品很容易被市场淘汰。（4）经销代理支持不够 难成气候此类产品市场销售的主要方式就是渠道经销和代理，不过有很大一部分公司却将重点放在了招商方面，对实际生产却并不重视，或者没有实际产品，主要是做一些推广加盟工作，然后自己收取加盟费。而在后期服务过程中，不对加盟商进行专业的培训与指导，这样很容易引发坑害客户的问题，扰乱了市场

30、秩序，对行业的发展造成了严重影响。（5）兼容性差 标准不统一智能家居的科技技术含量较高，其应用了很多软硬件和计算机与通信技术。与此行业还不是很成熟，因而相应的通信协议标准还没有有效的建立起来。各企业应用的通信协议五花八门，这样不同厂商的产品无法进行兼容，很容易出现混乱情况。因而在未来发展过程中，应该成立相应的行业协会，并据此建立统一的通信标准。（6）房地产销售 名不符实一些房地产商为了提高销售效果，而推出了一些智慧楼宇，这些在一定程度上确实满足了高端用户的需求，且有效增加了楼盘销售额。不过这其中也存在一些隐忧。具体表现在，开发商主要目的还是为了销售楼盘而对配套的系统并不是很重视，相关产品可能只

31、是配置了一些简单的功能。因而产品选型门槛过低，这样很容易引发一些后续问题，并造成维护成本过高，而影响了用户对此类产品的形象。（7）产品价格高 难以普及从市场调查了解得知，目前大多数用户都认为智能家居产品的价格过高，超出了心理预期，这对其市场宣传推广造成了较大影响。根据市场生产情况得知，此类产品的价格虽然很高，不过由于没有大规模生产，因而其成本也较高，在前期研发过程中要投入大量人力、物力。而在生产和市场宣传推广方面也需要较高的花费，因而此类产品的推广普及因为价格因素而受到较大影响。1.4 论文主要研究内容本文主要是设计和实现了此类智能家居产品，进行了如下方面的研究：第一章，简要介绍了此类产品的相

32、关概念，以及研究背景与意义，预计智能家居行业存在的问题等。第二章，具体设计了此类产品的方案，在用户和需求分析的基础上设计了此种产品的设计和组件方案，然后选择了软硬件。第三章，简要介绍了此系统相关的硬件结构以及性能等。第四章，具体实现了此类智能系统，先对搭建目标板软件平台做了说明，接着介绍了 CGI 的的相关原理，还对web 服务器实现方法做了详细介绍。第五章主要是设计了 ZigBee 协调器，在介绍与此相关技术基础上，设计了通信转换协议，同时以照明系统为例具体说明了此系统的工作原理。第六章分析了本产品的缺陷和不足，讨论了以后的改进方向。432 智能家居总体方案设计2 智能家居总体方案设计2.1

33、 系统的功能要求最近几年，在互联网和通信技术的迅速发展带动下，智能家居也进入快速发展阶段，用户的购买欲也被积极调动起来，市场开始开出呈现出一定的火热局面。与此同时随着物联网和智慧小区的推广普及，智能终端产品的大量应用，人们很希望对所有电器设备进行统一的管理。这就需要设计出智能化控制系统，对此类控制系统的主要要求就是方便控制，容易操作可靠性高。2.2 现代智能家居的发展趋势在城市化人们压力不断增加的形势下，民众追求的生活方式也发生了明显的改变，从豪华奢侈开始转变为简单轻松休闲。这样可以更好满足用户此类需求的智慧型家居开始被设计出来。目前大多数城市家庭中都具备了很多电器产品和相应的遥控器，对这些不

34、同的设备通过遥控器来控制时，一般较麻烦且操作不方便，在控制对象很多的情况下。操作困难变得很复杂，且可能出出错。因而很有必要设计出一种集中控制模式来对这些设备进行统一集中管理，以便提高管理效率，增加生活的舒适度。为了满足此方面要求，物联网相关技术被研发出来，在物联网的帮助下，家庭中的各种终端都可以连接到网中，这样就可以通过手机或者电脑对这些产品进行集中控制，且不同设备之间也可以进行数据传输，从而达到智能和集中控制的目的。距离来说窗帘拉开后，室内光线充足，则感光系统在检测到环境状况后，对灯光系统进行调节，以此来实现节省电能的效果，这样用户就可以不必自己去调节，从而提高了生活的品味和现代化程度。2.

35、3 智能家居解决方案的选择目前计算机技术已经很成熟，很多以单片机为基础的嵌入式设备被不断的研发出来，其可以较好的满足各种智能化控制和操作方面的要求，给人们的生产和生活带来了很大的便利。与此同时很多传统的 IT 设备开始变为嵌入式设备，例如手机、家电、汽车，也都不同程度的应用到嵌入式技术。这类技术的广泛应用为智能家居行业的发展产生了巨大的促进作用，是未来此方面的主要发展方向。嵌入式系统是在嵌入式技术基础上发展起来的，其主要是将系统嵌入到应用对象软硬件体系中789，以便实现相应的功能性能要求。这类系统有很多性能优势，在工业生产领域有广泛应用。这类系统主要以应用对象需求为中心，口语根据需要来控制其中

36、的软件，因而相关的、成本、体积、功能都可以较好的满足用户要求，其主要特征如下：1）嵌入式系统系统资源一般较少，无法安装计算机操作系统，这样就需要精简内核，并以此来满足设计需求。2）嵌入式系统软硬件有较高的结合性，不过此类系统面临的应用环境较复杂，因而对系统的专用性要求较高。这样在应用需求改变情况下，就需要进行相应的修改。程序的编译以及下载都和硬件体系有一定关联性之外，不可以独立进行，需要考虑到较多因素。3）这类系统对设计工作没有多高的要求。其功能较为单一，因而成本较低，这样软件的安全性和元件的可替换性也同时提高，对其推广应用有一定促进作用。4）嵌入式系统对控制性能要求较高，因而其对软件代码的质

37、量、效率等也要求较严格，在设计和时需要确保这些要求都满足。5）标准化开发此类系统的应用程序在芯片上就可以直接运行，不过开发者需要选择相应的RTOS开发平台，以此来方便的进行任务调度，以及系统函数、库接口等调用处理，以此来确保系统性能可靠，以及软件质量符合要求。6）开发环境此类系统的开发对相关开发工具和环境有较高的要求，主要包括相关软硬件设备以及仪器仪表，在开发过程中需要进行交叉调试，也就是先在PC宿主机上开发，之后通过相应的通信模式发送到到目标机上调试处理。此种系统的软硬件结合较为紧密，因而在硬件改变情况下，软件也需要相应的改变。其和普通的 PC 系统有明显的区别，具体包括软硬件两部分，其中硬

38、件主要如处理器、存储器及外设等。而软件则主要是指操作系统和应用程序。系统运行过程中相关的资源调度和交互处理主要是通过操作系统来实现的。此类系统选用的微处理器一般为 32 位 RISC式的，和基于个人计算机的控制模式相比，其表现出如下方面的优势：性能方面：所选用的处理器主频可以在较大范围内变化，最高可以达到 624MHz。因而其处理能力和单片机系统相比显著提高，不过体积却没有增大，可以较好满足嵌入要求。实性性方面：此类控制系统的控制实时性较高，由于控制距离一般很近，因而疾病上不会出现明显的延迟情况，可以较好满足此方面的要求。人机交互方面：此类控制器对大屏幕的液晶显示器有较高的支持性，图像界面显示

39、功能很强大，且可以选择多种方法来进行输入。软件资源方面：与此相关的软件资源很多，一些产品还带有网络通信协议栈，这样对系统开发工作带来了很大的便利。系统升级方面：此种控制器的功能较为单一，其专业性很强，且具有开放的用户程序接口（API），因而相应的升级和更新很容易进行。2.4 智能家居通信方式的选择虽然经过了十多年的发展，不过当前的国内智能家居在技术方面还存在一定的不成熟之处。具体表现在相应的维护和改造工作较复杂，如传统的电器设备在改造时，可能需要重新铺设线路，此外还存在一些误操作，等方面问题。这些都需要进一步改进完善。目前智能家居的组网方式主要有有线和无线两种。（1） 有线传输方式通过此方式组

40、网时，全部终端控制设备都是通过实体线路与智能家居网关连接起来的，不同设备需要的线路可能不一样，有的设备可能需要多条线来连接。这样就对布线工作带来了较大的难度。若布线工作没有做好，则可能影响美观性，且对使用维护工作也会造成一定影响。在设备出现故障而需要换线时，相应的维护工作就较复杂。因而在智能家居领域，此种布线模式的应用频率不很高，在一些特殊情况下才选用。（2）无线传输方式在一些比较特殊的环境中，比如我们的家庭环境，安装通信网络信号一定要符合家庭的某些特点，比如家庭网络需要方便性，还不能影响整体的美观。众所周知，日常的家用网络对网速的要求并不像工作中要求的那么高，所以家庭中无线网络就更受青睐。现

41、目前，从理论上来讲，可以作为家居系统中的无线网络的传输主要有以下几种：蓝牙：早在几年之前，蓝牙技术就已经出现在我们的日常生活中了。最早出现的蓝牙设备主要有智能手机、手提电脑、无线传输耳机等。在这些设备中，我们经常看到人们用它们来传输数据。特别是蓝牙耳机，在我们的日常生活中的应用最为广泛，人们在开车或者接听电话不方便时，都可以选择使用蓝牙耳机来接收语音信息，蓝牙耳机极大的方便了我们的社会生活。虽然蓝牙耳机在我们的日常生活中发挥着巨大的作用，但是蓝牙耳机也有自身的局限性，比如在我们智能家居系统中，蓝牙耳机由于传输信号较短的缺陷就无法使用在我们的家居信号的传送中。此外、蓝牙耳机还有一些其它的缺点，比

42、如蓝牙通信的信息网络的建设能力以当前的通信技术来说还难以达到技术要求，蓝牙网络在断开后信号无法再自动连接。而且，使用蓝牙信号在通信的过程中信号很容易被人窃取，信息安全难以得到保证，安全隐患较大。无法使用蓝牙通信最重要的一个原因就是蓝牙通信的技术成本昂贵，无法大规模的运用在日常的家居生活中。WIFI：WIFI信号的传送相对于蓝牙技术来说优点就较多，当前，我国的WIFI使用率也比较高，在工作或者生活中WIFI随处可见，智能手机、电脑、平板电脑等都可以实现WIFI信号联网，从而使人们无论身处何地都可以享受高速网络带来的便利。所以，当前许多大型的饭店或者酒店，都连接了无线WIFI来吸引顾客。虽然WIF

43、I的技术已经十分成熟且使用范围比较广泛，但是在家居系统中，WI-FI技术依然很少使用，主要的原因就是WIFI的安全性能难以达到标准，且WI-FI信号的建网能力较低，太过耗能，在未来的节能生活中没有发展优势。ZigBee：ZigBee无线通信技术是最近几年才发展起来的新型技术，相对于蓝牙技术和WI-FI技术来说，ZigBee的发展要晚很多，并且ZigBee的应用范围相对狭窄，没有得到大众的认可。尽管如此，我们也不能忽视ZigBee自身的长处，ZigBee自身有很多优点，比如ZigBee能够自动组网，安全性能较高，耗电量较低，应用成本较低，在以后的发展中相信ZigBee会被更多的使用。ZigBee

44、信息模块能够嵌入到多种设备中，在很多远程数据的采集上应用的较多，在远程数据采集中，ZigBee不仅通讯距离较长且安全性能较高，自身的组网能力也要远远好于蓝牙和WIFI传输，虽然ZigBee的传输速率较慢，但是其已足够能满足智能家居系统中的信息传递。2.5 系统软件和硬件型号的选择2.5.1 系统硬件型号的选择对于系统硬件型号的选择，首先我们需要选择的就是对处理器型号的选择。处理器是整个系统的核心部件，处理器能够处理所有的数据信息，还能完成智能化操作，故处理器的作用十分明显。所以，处理器性能的好坏直接影响到整个系统的运行的流畅度。当前，市场上的处理器的型号各种各样，各个处理器之间的功能也不尽相同

45、，不同型号的处理器在不同领域的应用范围不同，故在选择处理器时，需要认真选择最适合系统的处理器，在处理器的选择上，需要注意以下几点：（1）应用类型当前嵌入式处理器的型号主要有几下几种类型：单片机、DSP和ARM，它们各自的应用范围也不尽相同，各有优劣。单片机在一些简单的工业控制系统或者自动化控制系统中运用较广，因为单片机的开发时间较短，使用成本较低，DSP在通讯领域和视频领域中的应用较为广泛，主要是因为DSP的运算速度很快。ARM由于可以搭载操作系统，且在面对复杂任务时能够表现出一定的稳定性，故当任务较繁琐且任务较多时可以采用ARM处理器。（2）处理器的性能指标由于处理器的功能存在较大的差异，所

46、以尽管有些处理器的类型与型号相同，但是它们的技术指标和性能存在着很大的差别，比如同类型同型号的处理器的能耗、体积、成本等都有可能不同。（3）其他方面此外，除了上面所说的那些问题之外，在处理器的选择上我们还需要综合各方面的因素考虑。比如需要考虑厂家提供的处理器的开发是否完备，售后技术支持是否健全，处理器的使用环境如何等。在考虑了以上的问题之后，在本次设计中，选择的处理器是ARM处理器。本次设计中选用的ARM处理器的优点明显，ARM处理器的功耗较低，16/32位双指令集，IC的合作伙伴较多。当前，全球的嵌入式处理器应用的范围日趋广泛，主要的原因就是ARM处理器的优点较多。目前，世界各地的ARM处理

47、器生产厂家较多，并且ARM处理器的内核结构种类较多，同样的ARM在核心部件上都有可能是不同的配置。所以，当选择ARM处理器时，对于ARM处理器的各种性能指标一定要做一个详细的调查研究。在ARM处理器选择之后，首先需要对ARM的内核结构进行设计，因为ARM处理器能够为不同领域的应用设计出不同的内核结构。比如在使用Linux或者win CE这样的操作系统时，必须选择的芯片级别为ARM920T以上的。因为操作系统的内存管理需要MMU的支持，然而MMU只有ARM920T这类级别的芯片才有。此外，系统芯片的工作频率也非常重要，系统处理器处理任务的能力大小就是取决于芯片的频率大小。通常，比较常用的ARM7

48、处理器的芯片的系统是时钟的频率大约为20-133Mhz，故系统的处理速度大约在0.9MIPS/MHz。对于另一种芯片ARM9芯片，它的主时钟运行频率大约在100-233Mhz，芯片的处理速度大约为1.1MIPS/MHz。此外，不同型号的处理器在时钟的处理上也有所不同，有些处理器的时钟频率只设置了一个，有些处理器为ARM核，串行接口和USB接口等提供了不同的时钟频率。接着，系统芯片的存储容量的大小也非常关键。现在一些市场上的ARM芯片的内部存储器的容量比较小，因此，需要设计额外的外部扩展存储电路。此时，应该选择内部存储空间较大的ARM存储器。然后，就是需要考虑从处理器的外围电路。现在很多ARM的

49、生产厂家都会在处理器生产时添加额外的功能，这样可以使处理器能够适应不同的应用领域。这样的额外功能就是所谓的外围电路。比较出名的外围电路主要有IIC接口，RTC模块等电路。因此， 在选择具体的处理器时，还需要考虑的就是选择那些外围符合系统需求的处理器，这样才能提高系统的可靠性。综上所述，本次设计主要选择的是基于ARM920T内核的mini2440型号的开发板作为系统的控制中心。2.5.2 系统软件型号的选择当前嵌入式操作系统的种类较多，但是受用户青睐的操作系统主要有以下几种，比如闭源的Vxworks、eCOS、WinCE等，其次就是开源的嵌入式操作系统Linux、uC/OSII等。Vxworks

50、和WinCE的实时性较好，能够与很多的网络协议相容，但是它们的操作不开源且价格太贵，所以比较小的嵌入式系统不适合使用它们。而系统开源的的实时效果较好，同时也支持很多的网络协议，但是它的缺点就是用户自身操作部分较多，开发时间和难度较大。不同的操作系统，需要实现不同的功能，需要考虑综合因素，在本次设计中主要采用的是的操作系统，它的主要优点有以下几个方面：（1）开放性该系统的开放性能较好，而且标准规范，不同的系统之间能够兼容，还能够实现软件内的共享。（2）多用户该系统的资源可以在不同且多个用户之间使用，且权限不同，不同的用户之间还不会产生干扰。（3）多任务系统和其它操作系统一样，能够实现多任务操作。

51、多任务就是指处理器能够实现多个不同的程序的执行。系统中，处理器的占用时间被规划成片，不同的进程在不同的片区。所以，能够实现多个任务的同时进行。（4）良好的用户界面Linux系统界面主要有两种，一种是用户界面，另一种是系统调用界面。用户界面是在命令的基础上的，可以通过与实现交互。由于命令的功能比较强大，所以可以使该命令单独运行。系统调用是指为用户提供的接口，当用户需要使用该接口时，可以通过体统的内核进行调用。同时，在该系统中，我们还可以用图形界面来进行以上的操作。（5）设备独立性系统中大部分的东西都可看作是系统文件，所有的设备都包括在内。假如设备上存在驱动程序，在应用层面上就可以将其看作是系统的

52、内部文件，对这类文件的操作与其它文件类似。（6）安全可靠操作系统的安全防护较多，比如经常用到的权限等，这些防护措施很好的为用户提供了安全保障。（7）可移植性操作系统和某些操作系统一样，都具有可移植性，并且操作形同的可移植性较好，移植起来还比较方便，所以使用系统的开发效率较高。2.6 总体功能设计物联网时代已经初见端倪，将来所有的物品都会处于同一网络中。受此发展趋势影响，嵌入式产品的发展前景非常广阔，同时其将来主要发展趋势为基于互联网的嵌入式服务器。互联网和嵌入式服务器协同作用，共谋发展。在互联网中终端中，嵌入式网络产品起着重要作用。借助内置的嵌入式网络服务器，已经实现了网络通信、智能家电以及监

53、控系统等多种设备的联网。用户能够直接借助客户端浏览器，实现内置网络服务器设备的远程访问与控制，进而对其运行情况以及相关动作等加以监控。图2.1较为形象地展示了系统原理。图2.1 智能家居系统原理展示图在此次针对智能家居系统的研究中，对其价值的阐述主要有以下几点：第一，ARM 开发板应用 Linux 系统，同时构建嵌入式网络服务器，能够进行CGI 动态网页编程操作。第二，基于网页浏览器，在没有任何专门软件支持下，用户能够访问开发板上的嵌入式网络服务器，得到跨平台访问权利。第三，基于串口和ZigBee 协调器，嵌入式网络服务器实现通信功能，能够实现客户端浏览器与局域网设备节点两者在信息上沟通与交流

54、。第四，用户借助浏览器，能够对处于ZigBee 网络中的节点设备运行情况进行在线监控。如果系统稳定性较差，则此功能难以实现。3 智能家居系统硬件概述3 智能家居系统硬件概述3.1 系统硬件结构设计在对智能家居网关系统硬件进行设计时，需要遵循下述原则：可靠性、集成度、环保性以可延展性。硬件部分涉及到的主要单元有:ARM9 主板、外围扩展设备、通信模块。ARM主板为mini2440 开发板（以S3C2440 芯片为基础）结合Linux 操作系统。此主板系统中运行的软件有：Webserver 服务器、CGI 应用程序以及数据库等。外围扩展设备功能为：编码译码设备地址，同时预留接口以备系统扩展升级之用

55、。通信模块的主要功能为：把服务器中的命令（由互联网处获取）传输给终端设备（位于局域网中），同时把后者的运行情况再上报给客户端（位于互联网中）。外围接口所含单元有： RS232 串行、USB 主从以及以太网接口，以及液晶控制器等。在本研究中，智能家居网关即基于ARM 处理器的嵌入式处理平台。它主要涉及下述单元:电源、ARM 处理器、存储器、人机交互模块与通信模块等。3.2 存储器控制系统S3C2440含有 Nand Flash 与Nor Flash这两种启动模式。如图3.1所示，启动模式不同，其在划分每个片选的存储空间上，也存在区别。图 3.1 Nand与 Nor 存储空间分配示意图当通过 Na

56、nd Flash运行时，BootSram 内存（在存储器芯片内部）映射至 nGCS0 片选的区域；当通过 Nor Flash运行时， Nor Flash（连接nGCS0 信号线） 映射至 nGCS0片选的区域。Mini2440 的内存是两片SDRAM（为32M bytes ） ，后者采取外接方式，经过并联连接，总线数据宽度达到32-bit ，有助于数据访问速度的加快；因为连接为并联，两者全部采取nGCS6片选，物理起始地址为：0x30000000。图3.2展示了一些SDRAM 运行原理。图 3.2 SDRAM部分原理示意图Mini2440 具备Nor Flash与 Nand Flash这两类F

57、lash，其大小分别为2Mbyte、128M。借助选择器，开发板能够通过两种方式启动，其NOR Flash与NAND Flash 。其中，后者在连接中央处理器时，需要借助专门的控制接口，不需要地址线，呈8位数据总线。但是，早读写数据用时上，Nand Flash并不逊色。在制作U 盘或者 SD卡时，基本全部应用Nand Flash。图3.3较为详细地展示出NAND FLASH以及 NOR FLASH的工作原理。在连接中央处理器时，后者需要用到地址线与数据线，其条数各为22条、16 条，地址线自A1起，在进行每次读写时，最小单位可达2字节。参照原理图，连接芯片的线有20根，故而，在支持 Nor F

58、lash上，最大可达8M。图 3.3 Nand Flash 与 Nor Flash 原理示意图3.3 电源与复位系统开发板的电源模块是外接的 5伏电源，同时借助降压芯片，使得整个系统能够形成3.3伏、1.8伏以及1.25伏这3种电压。开发板的设计对象并非手持式移动设备，故而，在电源管理电路上存在一定缺陷。S1开关的开闭关系到整体系统电源的启动与停止，软件不能对其施加影响。图3.4较为详细地说明了相应的电源电路原理。图 3.4 电源电路原理示意图CON8为开发板上的另一电源接口，其为单排插座，中端是“地”，两端电压是 5伏。借助CON8，能够实现连接外部电源。两个5伏存在区别，分别代表与外界电源

59、连接的5伏以及与拨动开关S1之后连接的5伏。图3.5较为详细地展示出两者间的联系程度。图 3.5 电源开关原理示意图如图3.6所示，通过复位芯片 MAX811，开发板的复位系统能够安全地实现中央处理器所需的低电平复位。图 3.6 复位系统原理示意图3.4 系统通信接口S3C2440具备 UART0、1以及2这3个串口。其中，UART0与1能够结合，从而构成一个全功能型串口。在日常应用中，一般涉及到的串口功能仅有发送(TXD)与接收(RXD)这两个。在对应板上，3个串口各自对应的接口为CON1、CON2以及CON3。其全部是TTL电平，直接引自中央处理器。其中，由于实施了 RS232 电平转换，

60、借助直连线，COM0能够同PC机互通信息，如下图3.7所示。图 3.7 串口对应关系示意图在系统板中，USB涉及USB Host与USB Slave这两类接口。其中，前者也被称为USB主端口，在功能上，其同日常应用的USB接口一致，能够连接多种USB外设，如键盘、 鼠标以及U盘等；后者也被称为USB从端口。通常应用中，会借助此端口，将程序下载至目标板。基于USB_EN 信号，程序能够对USB Slave 与PC 的通断加以控制。如图3.8所示，其采取的中央处理器资源为 GPC5。图 3.8 USB接口原理示意图 DM9000为开发板网卡芯片。其自身能够适应10/100M网络。借助一般的网线，能

61、够实现开发板与路由器、交换机的连接。开发板MAC 地址为出厂设置状况，但是能够借助软件加以修改。图3.9较为详细地展示了以太网运行原理。图 3.9 以太网运行原理示意图开发板出厂时不含一个程序。需要借助JTAG 接口烧写第一个程序。一般情况下，首先对BOOTLOADER进行烧写，例如Supervivi。当 USB接口下载复杂程序时，Supervivi能够为其提供较大便利。另外，在研发程序时，实施单步调试环节经常会用到JTAG 接口，不管JLINK、ULINK还是另外的仿真调试器，连接接口全部为JTAG。标准的JTAG 接口具备四根信号线，分别为模式选择、时钟、数据输入以及数据输出，以及电源线以

62、及地线，合计6根线。为了便于调试，一些仿真器同时提供复位信号。故而，标准JTAG 接口指的是，具备以上提及的JTAG 信号线，并非形式上的体现。具体原理如下图3.10所示。图 3.10 JTAG接口原理示意图GPIO指的是通用型输入输出接口，此处GPIO 接口指的是mini2440 开发板上的 CON4（详见图3.11）。CON4含有部分中央处理器引脚与其它富余的GPIO引脚。在图3.11中，GPI0也包括 SPI接口、I2C 接口、GPB0 以及GPB1等，这些GPI0的功能具备特定性。借助相应的CPU寄存器，能够对其功能加以变化，图 3.11具体体现出接口资源。图3.11 GPIO口分配示

63、意图3.5 本章小结本章主要阐述了智能家居系统中的硬件部分。为了保证软件的质量与价值的充分体现，一定要有效掌握硬件部分。首先，说明了硬件部分的结构，其构成模块主要有:电源、ARM 处理器、存储器、人机交互模块与通信等。之后，对其存储控制系统、电源复位系统与通信接口进行了说明。在此次研究中，主要应用以太网接口、串行接口以及USB接口作为通信接口。其中，这三个接口的功能分别为：网络服务器与外界网络通信（以太网接口）、系统研发调试（串行接口），将交叉编译后的程序下载至开发板中（USB接口）。4 Web服务器实现4 Web服务器实现4.1 搭建宿主机软件平台在本研究中，目标板所应用的软件平台为Linu

64、x 操作系统。一般情况下，因为目标板诸多限制，如有限的硬件资源、有限的ARM 架构下支持软件、存在一定难度的操作等，建议在研发中，通过借助功能强大、资源充足的宿主机平台上，然后下载至目标板中运行。故而，在为正式投入目标软件研究时，需要先于宿主机上完成软件平台的搭建工作。4.1.1下载安装Linux系统在具体应用中可以选择众多版本的Linux，例如，Debian、Ubuntu、Fedora以及Redhat等。其中，在计算机上，fedora具备良好运行性，同时教易安装软件。故而，在此次研究中，应用fedora 18 发行版。4.1.2 构建交叉编译环境针对Linux平台，因为中央处理器架构存在区别，仅可以通过电脑运行宿主机上编译的程序，目标板无法完成此操作。故而，一定要确保在宿主机环境下借助交叉编译工具链，交叉编译所编写的C语言或其他语言源程序，使其成为能够在 ARM平台上运行的二进制文件，然后，借助串口或 FTP 途径，下载至目标板中开始运行。对arm-linux-gcc-4.4.3来说，其具体的安装与配置流程为：首先，完