【正文】 術(shù)以及計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，家居也先從傳統(tǒng)的毫無安全可言的普通家居發(fā)展到有一定安全性的智能家居，再發(fā)展到今天的數(shù)字化、信息化的 智能家居，這些變化使得智能家居越來越現(xiàn)代化、人性化，人民的生命和財產(chǎn)安全也得到了很好的保障。隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，人們可以利用手機通過網(wǎng)絡(luò)和自家的監(jiān)控系統(tǒng)建立連接，實時動態(tài)的監(jiān)控家里環(huán)境變化。 系統(tǒng)設(shè)計主要任務(wù) 本文利用 凌陽 ARM9嵌入式開發(fā)板， S5PV210 CPU核心板和裝有 Linux系統(tǒng)或裝有 Linux虛擬機的 PC機一臺 。本設(shè)計包括：硬件驅(qū)動程序接口的封裝、監(jiān)控軟件的編寫、設(shè)備操作與維護軟件三大部分。 1. 硬件部分： 智能家居控制系統(tǒng)其硬件部分主要由八大部分構(gòu)成，即 LED燈、蜂鳴器、按鍵、 以太網(wǎng) 模塊（ dm9000） 、 ds18b20溫濕度傳感器、煙霧傳感器（ ADC）、 s5pv210 CPU板模塊 與接口和電源部分。用戶可以通過 GPRS模組上的 RS232接口和 PC機直接相連接使用，通過 SHT11溫濕度傳感器檢測溫度變化，電源部分則為各個部分提供工作電源。 2. 軟件部分： 軟件設(shè)計部分主要由三大部分構(gòu)成：即底層驅(qū)動程序接口函數(shù)、監(jiān)控軟件、上層操作與維護軟件。 沈陽師范大學學士學位論文 3 第二章 軟件的功能和性能描述 軟件的功能需求 監(jiān)控功能 1. 監(jiān)控室內(nèi)溫度 通過溫度傳感器（ ds18b20）定時對室內(nèi)溫度進行采樣 ，如果室內(nèi)溫度超過設(shè)定的溫度閥值，系統(tǒng)自動對室內(nèi)溫度異常進行處理（蜂鳴器報警、 led燈閃爍）。 2. 監(jiān)控紅外傳感器 通過按鍵來模擬紅外傳感器，以阻塞或者異步通知方式進行對紅外傳感器進行監(jiān)控， 如果紅外傳感器探測有非法份子闖入，系統(tǒng)自動對異常進行處理（蜂鳴器報警、 led燈閃爍）。 3. 監(jiān)控室內(nèi)煙霧濃度 通過測電壓值來模擬煙霧傳感器，定時對室內(nèi)煙霧濃度進行采樣，如果室內(nèi)煙霧濃度超過設(shè)定的煙霧濃度閥值，系統(tǒng)會自動對室內(nèi)異常進行處理（蜂鳴器報警、 led燈閃爍）。 智能服務(wù)器 1. 獲取室內(nèi)參數(shù) 通過獲取各個芯片的參數(shù)，來動態(tài)顯示室內(nèi)相關(guān)信息，比如當前室內(nèi)溫度，濕度，煙霧濃度，場景狀態(tài)等。 2. 配置管理 通過智能服務(wù)器終端界面進行參數(shù)配置。 智能客戶端 1. 故障報警 系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的各種故障可以上報至操作維護終端， 軟件支持告警過濾、 告警復位等功能，重要告警，存儲到 FLASH ，以備查閱。 2. 性能管理 系統(tǒng)內(nèi)部相關(guān)工作參數(shù)上報至操作維護終端。 3. 配置管理 系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)支持設(shè)置和查詢。 3. 軟件版本管理 系統(tǒng)支持軟件版本的查詢和軟件的在線升級。 4. 系統(tǒng)自檢 沈陽師范大學學士學位論文 4 系統(tǒng)支持自檢 ，故障定位到模塊級。 軟件的性能需求 1．支持 3G網(wǎng)絡(luò) 支持 3G網(wǎng)絡(luò)之后，能通過 3G網(wǎng)絡(luò)進行通信，使得通信變得更加快捷和方便。 2．支持視頻傳輸 支持視頻輸出之后，能用攝像頭，通過網(wǎng)絡(luò)來傳輸視頻信號，使得通信變成可視化。 沈陽師范大學學士學位論文 5 第三章 軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 硬件結(jié)構(gòu)概述 系統(tǒng)硬件框圖 智能家居系統(tǒng)由 TPAD ， 3GModem， ZIGBEE， PC三個單元組成，硬件框架如圖 31， 各個單元，除了 3GModem 都有相應(yīng)的軟件在運行。 各個單 元電源目前板卡是單獨供電，沒有使用 PMIC進行有效管理。 TPAD 是整個家居系統(tǒng)的控制中心和處理單元，主要對溫度，煙霧，紅外進行采集和分析，并且能通過 CMOS 或者 CCD攝像頭進行視頻采集，并且能夠與 ZIGBEE， 3GModem 進行通信。 3GModem主要能夠進行語音通話，網(wǎng)絡(luò)傳輸； ZIGBEE無線通信模塊進行控制命令的處理。 圖 31 智能家居系統(tǒng)硬件框架示意圖 硬件接口描述 1．操作維護平面 操作維護平面包括系統(tǒng)信息的監(jiān)控， 設(shè)備的控制， 軟件升級等由上位機發(fā)起的配置和控制，其硬件 接口如圖 32所示。 系統(tǒng)上電后， TPAD 進行硬件初始化工作，讀取相應(yīng)的信息并在 LCD 上顯示，由上位 機發(fā)起的配置，控制命令都有 TPAD統(tǒng)一進行解析和處理，再由 TPAD對 3GModem， ZIGBEE進行配置。 沈陽師范大學學士學位論文 6 系統(tǒng)運行狀態(tài) （ 主要指系統(tǒng)存活狀態(tài)信息， 版本信息， 告警信息， 溫度信息等） 監(jiān)測信令的流程為：上位機周期性查詢 TPAD系統(tǒng)信息，如果溫度超過設(shè)定值，可以將告警存 入 FLASH，并將告警信息上報給上位機軟件。 圖 32 操作維護平面硬件接口示意圖 圖 32中，各個維護接口說明如下： M1：操作維護配置參數(shù)，自檢結(jié)果上報，告警信息，處理器狀態(tài)，版本查詢，以太網(wǎng)接口； M2：操作維護參數(shù)配置，按鍵鍵盤； M3：操作維護獲取紅外狀態(tài)，信號線； M4：操作維護獲取溫度值，信號線； M5：操作維護配置或者獲取 3GModem信息， RS232接口； M6：操作維護配置或者獲取 ZIGBEE信息， RS232接口； 2．控制平面 系統(tǒng)上電后， 啟動監(jiān)控軟件， 監(jiān)測溫度傳感器， 煙霧傳感器， 紅外傳感器的信息， 針對不同的情況，作相應(yīng)的處理。 同時， 監(jiān)聽和處理上位機和智能服務(wù)器終端的請求 ， 并作相應(yīng)的處理， 其硬件接沈陽師范大學學士學位論文 7 口如圖 33所示。 圖 33 控制平面硬件接口示意圖 圖 33，各個控制接口實現(xiàn)說明如下： S1：系統(tǒng)監(jiān)聽和處理上位機的處理請求，以太網(wǎng)接口； S2：系統(tǒng)監(jiān)聽和處理智能服務(wù)器終端的配置請求和查詢信息， LCD ； S3：系統(tǒng)接受和處理鍵盤輸入信息，按鍵鍵盤； S4：系統(tǒng)阻塞或者異步通知方式監(jiān)測紅外傳感器狀態(tài)，信號線； S5：系統(tǒng)定時監(jiān)測溫度傳感器信息，信號線； S6：系統(tǒng)與 3GModem 進行數(shù)據(jù)通信， RS232 接口； S7：系統(tǒng)與 ZIGBEE 進行數(shù) 據(jù)通信， RS232 接口。 軟件功能劃分 軟件層次架構(gòu) 智能家居系統(tǒng)上的軟件包括 PC軟件和嵌入式軟件，其中 PC軟件的實現(xiàn)基于 PC機，嵌入式軟件的實現(xiàn)基于 ZIGBEE芯片（ TIZC3530 ） ， ARM（三星 S5PV210） 。 PC機軟件基于 Ubuntu 操作系統(tǒng)， ARM上運行的軟件基于操作系統(tǒng)，從開發(fā)的層次上分為驅(qū)動平臺和應(yīng)用軟件，如圖 34所示。 沈陽師范大學學士學位論文 8 圖 34 系統(tǒng)軟件模型 軟件子系統(tǒng)劃分 按照不同層次軟件所實現(xiàn)的特定功能對軟件進行模塊劃分，軟件子系統(tǒng)劃分如下： 1. PC應(yīng)用軟件（智能客戶端） 該軟件面向研發(fā)和測試人員，進行對系統(tǒng)的維護和相關(guān)操作。 2. 嵌入式應(yīng)用軟件 1) Main：監(jiān)控溫度，煙霧，紅外傳感器，并作相應(yīng)的處理異常功能，同時監(jiān)聽和處理 PC 軟件發(fā)送的請求 2) 智能服務(wù)器終端：顯示和配置系統(tǒng)信息； 3) ZIGBEE ：處理 Main下發(fā)的信令。 軟件運行環(huán)境和開發(fā)平臺 嵌入式軟件 S5PV210 搭載嵌入式 linux 操作系統(tǒng)，調(diào)試軟件環(huán)境 Ubuntu，編譯器使用armlinuxgcc(), 。 智能客戶端 操作系統(tǒng)： Ubuntu 開發(fā)環(huán)境： QT4 輔助軟件： qtcreator,qtdesigner 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議： UDP 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境：以太網(wǎng) 沈陽師范大學學士學位論文 9 第四章 軟件子系統(tǒng)功能設(shè)計 PC 軟件設(shè)計 概述 PC軟件主要通過以太網(wǎng)跟 TPAD進行連接，并對系統(tǒng)進行相應(yīng)的操作和維護，下面主要介紹智能客戶端功能設(shè)計。 智能客戶端軟件功能設(shè)計 1. 控制 1) 本機編號：序號 1/2/3/4 2) TPAD實時時鐘的配置： yyyymmddhh:mm:ss 3) 自檢 4) 校準 5) 系統(tǒng)重新 復位 6) 配置 ZIGBEE 7) 發(fā)送 3GModem 短信息 8) 開關(guān)報警器 9) 配置 LED燈工作狀態(tài) 10) 配置設(shè)備信息 2. 顯示 1) 本機編號， TPADcpu利用率，內(nèi)存使用率，剩余磁盤空間 2) 顯示室內(nèi)溫度，采樣電壓和軟件版本 3. 監(jiān)控 重要告警的記錄和顯示 4．嵌入式軟件的上傳和下載 嵌入式軟件（ Main）設(shè)計 Main 軟件功能設(shè)計 1. 功能 1) 監(jiān)控室內(nèi)溫度， 監(jiān)測是否超過預先設(shè)定值， 如果超過， 表示發(fā)生異常， 進一步處理。 2) 監(jiān)控室內(nèi)煙霧， 監(jiān)測是 否超過預先設(shè)定值， 如果超過， 表示發(fā)生異常， 進一步處理。 沈陽師范大學學士學位論文 10 3) 監(jiān)控紅外傳感器，監(jiān)測是否有非法分子闖入。 2. 流程 系統(tǒng)上電以后，啟動 Main軟件，分別啟動相應(yīng)的處理功能。 3. 接口 與智能客戶端之間：接受智能客戶端發(fā)送的請求，作出相應(yīng)的處理，將處理結(jié)構(gòu)反饋給智能客戶端，通過以太網(wǎng)進行通信。 智能服務(wù)器終端設(shè)計 智能服務(wù)器終端軟件功能設(shè)計 1. 功能 動態(tài)顯示系統(tǒng)狀態(tài)和信息，以方便用戶查看。 2. 流程 界面初始化，并獲取系統(tǒng)信息顯示。 3. 接口 依據(jù)軟件接口，獲取系統(tǒng)信息。 沈陽師范大學學士學位論文 11 第五章 接口設(shè)計 接口描述 智能家居項目軟件子系統(tǒng)分為不同處理器和同一處理兩種情況，不同處理器之間軟件接口通過硬件接口實現(xiàn)；同一處理器的接口通過內(nèi)部消息或者共享全局變量來實現(xiàn)。 各個接口的綜合描述如圖 51所示。 圖 51 軟件接口列表 源子系統(tǒng)只能客戶端可以通過以太網(wǎng)與目標子系統(tǒng) Main進行通信，智能客戶端可以配置系統(tǒng)設(shè)備信息，查詢系統(tǒng)信息。 源子系統(tǒng) Main可以通過以太網(wǎng)與目標子系統(tǒng)智能客戶端進行通信，智能客戶端可以反饋系統(tǒng)信息給 Main。 源子系統(tǒng)智能服務(wù)器終端可以通過操作系統(tǒng)內(nèi)部消息進行通信，智能服務(wù)器終端可以查詢系統(tǒng)設(shè)備信息，或者視頻數(shù)據(jù)，配置系統(tǒng)。 目標子系統(tǒng)智能服務(wù)器終端可以通過操作系統(tǒng)內(nèi)部消息進行通信，智能服務(wù)器終端可以反饋消息。 沈陽師范大學學士學位論文 12 第六章 系統(tǒng)主要流程描述 初始化流程 系統(tǒng)初始化主要完成軟件加載和初始化工作，初始化流程如圖 61 所示，具體描述如下： （ 1）系統(tǒng)上電； （ 2）啟動 bootloader, 實現(xiàn)硬件初始化， 加載 logo ， 初始化組合按鍵， 通過啟動參數(shù)加載內(nèi)核到內(nèi)存，啟動內(nèi)核，并給內(nèi)核傳 遞參數(shù)； （ 3）啟動內(nèi)核，主要完成驅(qū)動初始化工作，掛接根文件系統(tǒng)； （ 4）掛接根文件系統(tǒng)， 進行相關(guān)初始化配置工作， 創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點， 掛接文件系統(tǒng)（ sysfs,tmpfs,ramfs 等） ，配置網(wǎng)絡(luò)環(huán)境； （ 5）掛接用戶分區(qū)，進行智能服務(wù)器終端和 Main初始化工作，打開設(shè)備，創(chuàng)建相應(yīng) 的監(jiān)控任務(wù)，等待數(shù)據(jù)交互，初始化完成。 圖 61 系統(tǒng)初始化流程 沈陽師范大學學士學位論文 13 業(yè)務(wù)流程 智能家居系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程包括 PC軟件智能客戶端跟 Main的業(yè)務(wù)交互， 同時 Main本身也有監(jiān)控溫度和監(jiān)控紅外的功能，系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程圖如圖 62所示，具體業(yè)務(wù)說明如下： 圖 62 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程示意圖 智能客戶端與 Main ： 1. 客戶端通過以太網(wǎng)接口向 Main發(fā)送查詢系統(tǒng)信息請求， 系統(tǒng)信息包括， 系統(tǒng)是否正常工作，當前 CPU 利用率，內(nèi)存利用率，剩余磁盤空間大小，當前室內(nèi)溫度，軟件和硬件版本號， Main最后上報信息給客戶端； 2. 客戶端通過以太網(wǎng)接口向 Main發(fā)送配置設(shè)備請求， 配置項包括配置硬件寄存器，EEPROM，溫度閥值，手機號碼， 3GModem 短消息信息， ZIGBEE 控制命令， Main 最后上報配置結(jié)果； 3. 客戶端通過以太網(wǎng)接口向 Main發(fā)送軟件在線升級請求，最后上報升級結(jié)果； 4. 客戶端通過以太網(wǎng)接口向 Main發(fā)送設(shè)備自檢請求，最后上報自檢結(jié)果； 5. 客戶端通過以太網(wǎng)接口向 Main發(fā)送時鐘校準請求，最后上報校準結(jié)果。 沈陽師范大學學士學位論文 14 智能服務(wù)器終端設(shè)計： 顯示室內(nèi)溫度，濕度，紅外狀態(tài)； Main內(nèi)部處理： 1. 啟動監(jiān)控溫度線程，定時采集室內(nèi)溫度，并做相應(yīng)的處理流程； 2. 啟動監(jiān)控紅外線成， 阻塞或者異步通知方式采集紅外狀態(tài)， 并做相應(yīng)