【正文】 CDLiquid Crystal Display液晶顯示器LEDLight Emitting Diode發(fā)光二級管LILOLinux LoaderLinux加載程序MCSMicrocontroller System微控制系統(tǒng)MIMEMultipurpose Internet Mail Extensions多用途網(wǎng)際郵件擴(kuò)充協(xié)議MJPEGMotion Joint Photographic Experts Group運(yùn)動聯(lián)合圖像專家小組PCPersonal Computer個(gè)人計(jì)算機(jī)PNGPortable Network Graphic Format可移植的網(wǎng)絡(luò)圖像格式QTEQuickTimeEvent快速反應(yīng)事件RAMRandom Access Memory隨機(jī)存儲器RISCReduced　Instruction　Set　Computer精簡指令集計(jì)算機(jī)ROMReadOnly Memory只讀存儲器RSRemended Standard推薦標(biāo)準(zhǔn)RXReceive接收SDSecure Digital Memory Card安全數(shù)碼卡SPISerial Peripheral Interface串行外設(shè)接口STMSynchronous Transfer Module同步傳輸模式TCPTransmission Control Protocol傳輸控制協(xié)議TTLTime To Live生存時(shí)間TXTransmit傳送UARTUniversal Asynchronous Receiver/Transmitter通用異步接收/發(fā)送裝置UDPUser Datagram Protocol用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議USBUniversal Serial Bus通用串口總線UVCUSB Video ClassUSB視頻類別VCCVolt Current Condenser電源XI基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 1 章 緒 論從20世紀(jì)80年代初，家用電器開始采用電子工藝技術(shù)，住宅電子化概念（HE,Homen Electronics）逐漸出現(xiàn)在人們的視野當(dāng)中。到90年代中期，將家用電器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、家庭安防設(shè)備等各自獨(dú)立的系統(tǒng)整合為一體后，人們進(jìn)入到了住宅自動化HA,Home Automation）的時(shí)代。而進(jìn)入到21世紀(jì)，隨著電子工藝技術(shù)的革新，信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，嵌入式設(shè)備以嶄新的面孔出現(xiàn)在人們的生活中，它將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、家電設(shè)備、安保設(shè)備通過主控制器進(jìn)行控制、管理，即現(xiàn)如今的住宅智能化（HI，Home Intelligent），也就是智能家居的雛形。智能家居，即通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)整合自動化控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)于一體的網(wǎng)絡(luò)化、智能化家居控制系統(tǒng)。智能家居能夠讓用戶使用更加便捷、人性化的方式來控制管理家用電器，比如，通過觸摸屏、遙控器、電話、互聯(lián)網(wǎng)等控制家用設(shè)備；另一方面，智能家居內(nèi)的各種設(shè)備相互間可以通訊，不需要用戶指揮也能根據(jù)不同的狀態(tài)互動運(yùn)行，從而給用戶帶來最大程度的高效、便利、舒適與安全。智能家居系統(tǒng)一般主要包括：智能家居（中央）控制管理系統(tǒng)、燈光控制系統(tǒng)、家庭安防系統(tǒng)、家居布線系統(tǒng)、家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、背景音樂控制系統(tǒng)、家庭多媒體系統(tǒng)、家庭環(huán)境控制系統(tǒng)等八大子系統(tǒng)[1]。其中，智能家居（中央）控制管理系統(tǒng)、家居照明控制系統(tǒng)、家庭安防系統(tǒng)是其必備系統(tǒng)。而基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，正是智能家居系統(tǒng)的一個(gè)簡單縮影，在三大必備系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，參考增加了背景音樂控制系統(tǒng)、家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等功能模塊。下面是系統(tǒng)的整體架構(gòu)框圖，如圖 11所示。前端數(shù)據(jù)集子系統(tǒng)終端服務(wù)器子系統(tǒng)系統(tǒng)上位機(jī)反控子系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊前臺界面后臺控制網(wǎng)絡(luò)瀏覽控制獨(dú)立數(shù)據(jù)采集圖 11 系統(tǒng)整體架構(gòu)框圖基于S3C2440的智能家居嵌入式系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)分為三個(gè)子系統(tǒng)，即前端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、終端服務(wù)器子系統(tǒng)、上位機(jī)反控子系統(tǒng)。其中前端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與傳輸，與終端服務(wù)器子系統(tǒng)通過串口或者I2C進(jìn)行單工通信；終端服務(wù)器子系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲與傳輸，其搭載的嵌入式BOA服務(wù)器可以通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問控制，并且該子系統(tǒng)也可以進(jìn)行獨(dú)立數(shù)據(jù)采集傳輸；上位機(jī)反控子系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲與備份，另外可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問控制。47第 2 章 嵌入式系統(tǒng)環(huán)境搭建一般嵌入式Linux系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分[1]：(1) 引導(dǎo)加載程序：其中包括內(nèi)部ROM中的固化啟動代碼和Bootloader兩部分。固化啟動代碼是廠家生產(chǎn)芯片時(shí)固化在ROM中的，其主要作用是引導(dǎo)Bootloader；而Bootloader是用來初始化硬件環(huán)境，加載Linux內(nèi)核。(2) Linux內(nèi)核：通過Bootloader傳遞內(nèi)核參數(shù)來引導(dǎo)加載內(nèi)核。(3) 文件系統(tǒng)：包括根文件系統(tǒng)和建立在Flash設(shè)備上的其他文件系統(tǒng)，包含了Linux系統(tǒng)能夠運(yùn)行所必需的應(yīng)用程序、庫文件等，比如用戶操作Linux的控制界面shell程序、動態(tài)鏈接的程序運(yùn)行時(shí)所需要的glibc等。(4) 用戶應(yīng)用程序：用戶自定義的應(yīng)用程序，它們也存儲在文件系統(tǒng)當(dāng)中，當(dāng)然在用戶應(yīng)用程序以及內(nèi)核層之間還可能包含嵌入式用戶界面GUI。嵌入式Linux系統(tǒng)的典型架構(gòu)，如圖 21所示。圖 21 嵌入式Linux系統(tǒng)中的典型分區(qū)結(jié)構(gòu)根據(jù)上述嵌入式Linux系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，這其中包括Bootloader的移植、Linux內(nèi)核裁剪、Rootfs根文件系統(tǒng)制作、QT4 GUI的移植、Sqlite3嵌入式數(shù)據(jù)庫的移植、Boa嵌入式服務(wù)器的搭載等。 Bootloader的移植Bootloader是在操作系統(tǒng)內(nèi)核啟動之前運(yùn)行的一段小程序，通過這段程序，可以初始化硬件設(shè)備，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備一個(gè)正確的環(huán)境，然后從別處（比如Flash、NET、SD卡等）引導(dǎo)Linux內(nèi)核映像文件，最終加載Linux內(nèi)核，啟動Linux系統(tǒng)。現(xiàn)如今，bootloader的種類非常多，一般比較常用的bootloader[1]，在x86架構(gòu)上有GRUB、LILO等，而在ARM架構(gòu)上則有Vivi、U_Boot等，其適用性如表 21所示。從表中可以看出，U_boot對各種平臺的支持性比較好，事實(shí)上，U_boot是遵循GNU條款的開放源代碼項(xiàng)目，可以引導(dǎo)多種操作系統(tǒng)、支持多種架構(gòu)的CPU，比如ARM、X8PowerPC等。支持多種操作系統(tǒng)，比如Linux、NetBSD、VxWorks、Windows等。表 21 bootloader的分類Bootloader描述 X86 ARM PowerPCVivi針對三星的引導(dǎo)程序 否 是 否 U_Boot 通用引導(dǎo)程序 是 是 是 LILO Linux磁盤引導(dǎo)程序 是 否 否 GRUBGNU的LILO替代程序 是 否 否但是，U_Boot一直以來都沒有支持S3C2440，移植U_Boot仍是使用SBC2410的文件作為藍(lán)本，主要針對S3C2440與S3C2410的不同，以及SBC2410與Micro440外設(shè)的不同來做相應(yīng)的調(diào)整與修改，并增加新的功能特性。S3C2440與S3C2410的主要區(qū)別是[2]2440的主頻更高，在接口方面，增加了攝像頭接口和AC97音頻接口，在寄存器方面，NAND FLASH控制寄存器有較大變化，另外，芯片的時(shí)鐘控制寄存器也有一定的變化，其他寄存器是兼容的。下面是Bootloader移植的簡要步驟：步驟一：修改頂層Makefile，定義交叉編譯工具鏈和開發(fā)板配置選項(xiàng)，在/board目錄中建立開發(fā)板micro2440目錄，并拷貝復(fù)制sbc2410x的文件到此，并作適當(dāng)修改；步驟二：測試編譯環(huán)境，對出現(xiàn)的錯(cuò)誤進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整修改。如果測試編譯通過，說明編譯環(huán)境的基本的開發(fā)板代碼沒有問題，由于編譯的藍(lán)本是基于SBC2410的，接下來的工作主要是按照代碼的執(zhí)行流程來針對mico2440做相應(yīng)的修改；步驟三：進(jìn)入/cpu/arm920t/，針對CPU頻率的不同修改初始化設(shè)置，針對寄存器配置的不同，作相應(yīng)的調(diào)整與修改；步驟四：在UBoot啟動的其一階段，初始化Nand Flash控制器，起到代碼重定向的作用，但是在第二階段的start_armboot函數(shù)還是需要再次初始化Nand Flash控制器，真正啟動U_boot,2410與2440 Nand Flash控制器上的寄存器和啟動流程差別很大，需要修改Nand Flash底層驅(qū)動代碼。接下來增加對yaffs2文件系統(tǒng)的支持，對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、串口傳輸?shù)茸飨鄳?yīng)的修改；步驟五：根據(jù)配置文件，重新編譯移植。 Linux內(nèi)核裁剪，采用新的調(diào)度算法，使進(jìn)程間的切換更加高效。在虛擬機(jī)下建立內(nèi)核源碼樹，對于ARM架構(gòu)的S3C2440，與其體系相關(guān)的內(nèi)核代碼在arch/arm目錄下，在后面相關(guān)的移植裁剪工作，也主要是針對此目錄下的文件。對于ARM架構(gòu)，通過缺省配置內(nèi)核，在頂層目錄下執(zhí)行命令make menuconfig，選擇支持的平臺S3C2410進(jìn)行相應(yīng)的配置，同樣在頂層目錄下執(zhí)行命令make zImage，編譯內(nèi)核，在arch/arm/boot目錄下生成相應(yīng)的內(nèi)核映像文件zImage。下面主要是針對與平臺相關(guān)的驅(qū)動，手工定制Linux內(nèi)核。(1) 主配制菜單界面，如圖 22所示。圖 22 主配置菜單界面(2) LCD驅(qū)動配置界面在主菜單界面，進(jìn)入Device DriversGraphic SupportLCD Select 選擇如圖 23所示的LCD型號支持。圖 23 LCD驅(qū)動配置界面(3) 觸摸屏驅(qū)動配置界面在主菜單界面，進(jìn)入Device DriversInput device SupportTouchscreens 選擇如圖 24所示的觸摸屏配置支持。圖 24 觸摸屏驅(qū)動配置界面(4) USB鼠標(biāo)鍵盤配置界面在主菜單界面，進(jìn)入Device DriversHID Device USB Device選擇如圖 25所示的USB鼠標(biāo)鍵盤配置支持。(5) USB攝像頭驅(qū)動配置界面在主菜單界面，進(jìn)入Device DriversMultimedia deviceVideo capture adapters–V4L USB device選擇如圖 26所示的USB攝像頭配置支持。圖 25 USB鼠標(biāo)鍵盤配置界面圖 26 USB攝像頭驅(qū)動配置界面(6) DM9000網(wǎng)卡驅(qū)動配置界面在主菜單界面，進(jìn)入Networking SupportNetworking Options,缺省配置一般網(wǎng)絡(luò)支持，比如TCP等，進(jìn)入Device DriversNetwork Device supportEthernet（10M or 100M）選擇如圖 27所示的網(wǎng)卡驅(qū)動配置支持。(7) AC97音頻驅(qū)動配置界面在主菜單界面，進(jìn)入Device DriversSound card support Advanced Linux Sound Architecture選擇如圖 28所示的音頻驅(qū)動配置支持。圖 27 DM9000網(wǎng)卡驅(qū)動配置界面圖 28 AC97音頻驅(qū)動配置界面(8) 串口驅(qū)動配置界面在主菜單界面，進(jìn)入Character devicesSerial drivers選擇如圖 29所示的串口配置支持。(9) 文件系統(tǒng)配置界面在主菜單界面，進(jìn)入File systemsMiscellaneous filesystems選擇如圖 210所示的yaffs2支持。進(jìn)入File systemsNetwork filesystem，選擇如圖 211所示的NFS文件系統(tǒng)支持。圖 29 串口驅(qū)動配置界面圖 210 yaffs2文件系統(tǒng)配置界面圖 211 nfs文件系統(tǒng)配置界面 根文件系統(tǒng)制作區(qū)別于Windows系統(tǒng)，Linux中并沒有C、D、E等盤符的概念，它是以樹狀形式來組織管理所有目錄、文件的，而其他分區(qū)則是以掛載的形式掛接在某個(gè)目錄上，然后通過訪問目錄來訪問相應(yīng)分區(qū)上的文件。事實(shí)上根文件系統(tǒng)就是被掛載在目錄“/”上，在根文件系統(tǒng)目錄下又有其相應(yīng)的各個(gè)目錄、文件，比如/etc、/mnt、/dev、/lib等，其他分區(qū)掛載在/mnt目錄下，比如CDRom等。每一個(gè)分區(qū)上的文件需要遵循一定的文件系統(tǒng)類型，比如常見的yaffs、ntfs、fat3ext3等。實(shí)際上，除了這幾種確實(shí)存儲在存儲分區(qū)上的文件系統(tǒng)類型以外，Linux還有幾種虛擬的文件系統(tǒng)，比如sysfs、proc等，與實(shí)際存在的文件系統(tǒng)區(qū)別是，他們的目錄文件并不存儲在實(shí)際的存儲設(shè)備上，而是在訪問時(shí)由內(nèi)核臨時(shí)動態(tài)生成。嵌入式Linux系統(tǒng)，在由U_boot引導(dǎo)內(nèi)核之后，需要加載根文件系統(tǒng)，而所謂的根文件系統(tǒng)，是根據(jù)需要專門定制后移植到嵌入式開發(fā)板上的。實(shí)際上，制作根文件系統(tǒng)，就是按照需要?jiǎng)?chuàng)建各種目錄，并在里面存放需要的文件，比如在/etc目錄下存放系統(tǒng)配置文件，在/lib目錄下存放系統(tǒng)庫文件，在/dev目錄下存放設(shè)備節(jié)點(diǎn)文件，在/sbin、/bin目錄下存放可執(zhí)行文件等。在虛擬機(jī)下編輯執(zhí)行腳本程序rootfs .sh，完成根文件系統(tǒng)目錄的創(chuàng)建工作，完善最小根文件系統(tǒng)，其中包括/bin、/dev、/lib等。使用BusyBo