【正文】 部要求根據(jù)不同消費者的需求，推動家居數(shù)字化、建筑智能化，產(chǎn)品便利化的發(fā)展，未來智能家居市場潛力巨大。把與家庭生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機結(jié)合在一起統(tǒng)一管理，使生活舒適、安全、和高效，具有良好的發(fā)展前景。其在 2020 年的產(chǎn)業(yè)規(guī)模超過 2600億元人民幣，行業(yè)競爭 將會 越來越激烈。因此 可總結(jié)出 ，物聯(lián)網(wǎng)的定義是：通過射頻識別（ RFID）、光電 感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物體與互聯(lián)網(wǎng)相連接 ，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。 物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分。其英文名稱是“ The inter of things”。 物聯(lián)網(wǎng)上部署了海量的多種類型傳感器，每個傳感器都是一個信息源，不同類別的傳感器所捕獲的信息內(nèi)容和信息格式不同。在市場應(yīng)用方面， 2020 年從整體來看，占據(jù)中國物聯(lián)網(wǎng)市場主要份額的應(yīng)用領(lǐng)域為智能工業(yè)、智能物 流、智能交通、智能電網(wǎng)、智能醫(yī)療、智能農(nóng)業(yè)、智能環(huán)保和智能家居等。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和物質(zhì)生活水平的提高，人們對家居生活環(huán)境的要求也越來 越高。 智能家居是一個多功能的系統(tǒng)，它包括可視化對講、家庭內(nèi)部的安全防范、家電遠程監(jiān)控，遠程視頻監(jiān)控、遠程醫(yī)療診斷及護理系統(tǒng)，網(wǎng)上教育系統(tǒng)、家庭影星系統(tǒng)等。在目前的智能家居市場中不少企業(yè)均是發(fā)展項目與渠道建設(shè)并行發(fā)展，其中項目合作占據(jù)著相當重要的位置，這些項目往往也是定位相對高端的別墅、復(fù)式樓和大戶型高檔小區(qū)住宅居多。智能家居就是在這樣的背景下產(chǎn)生的。針對智能家居系統(tǒng)的特點和所要實現(xiàn)的基本功能，分析了智能家居控制器的基本結(jié)構(gòu)， 然后對各個模塊電路進行了詳細設(shè)計 。智能家居系統(tǒng)是將 大大小小的各種家用電器以及家庭安全保護設(shè)備通過有線或無線的方式連接起來，可以進行集中或遠程的監(jiān)控、管理，為家庭住宅環(huán)境的安全提供了高效的管理方式。 所謂智能家居（ Smart Home）是現(xiàn)代電子技術(shù)、自動化技術(shù)及通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。智能化與遠程控制是智能家居的兩大特點。家居智能化系統(tǒng)將家庭中各種與信息相關(guān)的通信設(shè)備、家用電器以及家庭保安裝置通過有線或無線的方式連接起來，并進行集中或異地的監(jiān)控、管理，保持家庭住宅環(huán)境的舒適、協(xié)調(diào)。 智能家居控制系統(tǒng)提供高效、舒適的家居環(huán)境，確保住戶的生命財產(chǎn)安全；集中或遠程調(diào)節(jié)家居環(huán)境的溫度、濕度以及風(fēng)的速度等，同時檢查空氣成分，提高空氣質(zhì)量；調(diào)節(jié)音響，電視等娛樂設(shè)施，愉悅心情；合理利用太陽能活周遭環(huán)境的變化，盡可能的節(jié)約能耗，達到合理利用資源；提供現(xiàn)代化的通信、信息服務(wù)。 2020 年，網(wǎng)絡(luò)化家居的建設(shè)帶來了高達 4500 億美元的市場價值，這其中有 3700 億美元是智能家電硬件產(chǎn)品的價值，剩余的部分則是軟件和技術(shù)支持服務(wù)的費用。近年來，以美國微軟公司及摩托羅拉公司等為首的一批國外知名企業(yè)，先后擠身于智能家居的研發(fā)中。這套系統(tǒng)的功能較為強大，與其它家居控制系統(tǒng)如 ABB、 C_BUS 等比起來更容易接收，使用也相對簡單。 但由于其工程要求復(fù)雜嚴苛，并且價格較高，因此一直無法打開國內(nèi)市場。 國內(nèi) 的發(fā)展現(xiàn)狀 20 世紀 90 年代后期，我國的智能小區(qū)日益興起。隨著信息化走進了千家萬戶，由國家經(jīng)貿(mào)委牽頭成立了家庭信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)委員會，而信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系研究及產(chǎn)品開發(fā)已經(jīng)被列為了國家技術(shù)創(chuàng)新的重點專項計劃。海爾在技術(shù)上同微軟合作，利用微軟的 Windows Me 技術(shù)和海爾的網(wǎng)絡(luò)家電，使“ e 家庭”已具雛形，已推出了網(wǎng)絡(luò)洗衣機、網(wǎng)絡(luò)冰箱、網(wǎng)絡(luò)空調(diào)、網(wǎng)絡(luò)微波爐等一系列網(wǎng)絡(luò)家電。 B 系列：遵循 X10 協(xié)議的家庭控制產(chǎn)品，適用于中檔住宅區(qū)。隨著科技的提高，經(jīng)濟的發(fā)展，人們的物質(zhì)生活水平的提高，對家居環(huán)境的要求也越來越高，作為家居智能化的核心部分 —— 智能家居控制系統(tǒng)也越發(fā)顯得重要。同時，智能家居控制器可以根據(jù)住戶的要求調(diào)整方案，加強緊急處理，危機救護等急救控制，充分達到只要是“用戶想要的，就是我們追求的”宗旨。 梁力源：基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居系統(tǒng) 6 第 2 章 系統(tǒng)的總體 方案 設(shè)計 系統(tǒng)需求分析 針對國內(nèi)市場的實際情況分析，消費者對遠程抄表和物業(yè)管理興趣索然，但是對家電控制、家居安防報警網(wǎng)絡(luò)卻情有獨鐘，所以目前眾多企業(yè) 都往這一方向發(fā)展。同時智能化家居的概念也更加明確，相關(guān)的智能化技術(shù)得到了顯著地發(fā)展，使開發(fā)能獲得大量先進的資料。 （ 3） 能實時測量 家居內(nèi)溫度、煙霧情況，當室內(nèi)煙霧濃度偏高時，系統(tǒng)可以打開室內(nèi)抽風(fēng) 機把室內(nèi)有害氣體抽出室外，當室內(nèi)煙霧濃度過高，系統(tǒng)啟動火災(zāi)報警模塊，提示家居主人預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生。 系統(tǒng)設(shè)計的原則 智能家居又稱智能住宅，它的最基本目的是為人們提供一個舒適、安全、高效、方便、實用的生活環(huán)境。 根據(jù)目前國內(nèi)外智能家居系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，人們不僅關(guān)注家居內(nèi)部控制，更加注重對家用電器內(nèi)部情況進行遠程實時監(jiān)控。 各個模塊相互獨立，某個模塊出現(xiàn)故障不影響其他模塊運行。 系統(tǒng)主要硬件介紹 ARM 處理器 嵌入式系統(tǒng)常用的處理器有單片機和 ARM，由于考慮到單片機引腳少、功 能簡單以及后續(xù)學(xué)習(xí)研究等原因，故選擇功能更強大的 ARM 處理器 [6]。 本系統(tǒng)初期采用友 善之臂公司集成的 mini2440 開發(fā)板， 開發(fā)板硬件資源如下所示。 ? 在板 2M Nor Flash，掉電非易失，已經(jīng)安裝 BIOS。 梁力源：基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居系統(tǒng) 10 ? 接口和資源： ? 1 個 100M 以太網(wǎng) RJ45 接口 (采用 DM9000 網(wǎng)絡(luò)芯片 ) 。 ? 1 個 SD 卡存儲接口。 ? 6 USER buttons(帶引出座 ) 。 ? 1 個 mm 間距 20pin 攝像頭接口。 ? 實時時鐘： ? 內(nèi)部實時時鐘（帶后備鋰電池） 。 ? 操作系統(tǒng)支持： ? + +(獨創(chuàng)雙圖形系統(tǒng)共存，無縫切換 ) 。 在遠程監(jiān)控和無線公話以及無線 POS 終端等領(lǐng)域您都能看到 TC35 無線模塊在發(fā)揮作用。 ? SIM 卡連接方式： 外接 。 ? 通訊接口： RS232（指令和數(shù)據(jù)的雙向傳送 ）。 下面圖 是 TC35 模塊和 max232 串口轉(zhuǎn)換電路。 ? 先進的單總線數(shù)據(jù)通信。 ? 工作電壓： 3~5V/DC。 （ 3） VDD 為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。 MQ2 的主要特征如下： ? 工作溫度： 10℃～ +50℃ ? 報警濃度： ～ %FT ? 工作濕度： 10～ 90% ? 工作電源： 12VDC/9VDC ? 信號輸出：常開 /常閉 ? 安裝方式：吸頂 ? 外殼：阻燃樹脂 ? 產(chǎn)品尺寸：直徑 105mm 厚度 32mm 圖 MQ2 引腳接線圖 根據(jù) MQ2 的工作原理（其電導(dǎo)率隨著氣體濃度的增大而增大，其電阻是電導(dǎo)率的倒數(shù)，所以隨著煙霧濃度的增大其電阻是減小的）并且參考圖 MQ2Datasheet 上的測試電路，在根據(jù)圖 的電路圖，可以得到 煙霧傳感器的輸出電壓如式 所示。 本設(shè)計試圖把光電傳感器安裝在家庭保險柜或其他重要的財產(chǎn)出，當小偷或其他非家庭主人試圖靠近保險柜等重要財產(chǎn)處能自動觸發(fā)語音報警，從而達到防盜的目的。 ISD1700 系列錄放芯片可工作于獨立按鍵模式和 SPI 控制模式。 圖 isd1760 語音芯片 接線引腳圖 2020屆計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 繼電器 由于家電電器工作電壓是 220V，而單片機工作電壓是 5V，因而監(jiān)控家電時需要引入繼電器。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用。一個典型簡單的功率驅(qū)動環(huán)節(jié)就是繼電器的驅(qū)動。嵌入式 Linux(EmbeddedLinux)是指對標準 Limix 進行小型化裁剪處理后，可固化在存儲器或單片機中，適合于特定嵌入式應(yīng)用場合的專用 Linux 操作系統(tǒng)。 （ 4） 完善的網(wǎng)絡(luò)通信和文件管理機制： Linux 支持所有標準的 Inter 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并且很容易移植到嵌入式系統(tǒng)當中。 ? μC/OS II μ C/OS是美國人 Jean Labrosse 在 1992年開發(fā)的一個嵌入式操作系統(tǒng) [8]，并于 1998年推出了它的升級版本μ C/OSII。由于免費、源碼開放、規(guī)模較小，μ C/OSII 不僅在眾多的商業(yè)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用，而且被大學(xué)所接納，作為教學(xué)用的嵌入式實時操作系統(tǒng)。 VxWorks 采用 GNU 類型的編譯和調(diào)試器，它的大多數(shù) API 函數(shù)都是專有的。從 1996 年 4月 發(fā)布至今， PlamOS 逐步鞏固了其在 PDA 市場上的霸主地位。 Windows CE 為工作、家庭及其間的任何一部分開啟了動態(tài)的、嶄新的開發(fā)遠景。 一般而言，在選擇嵌入式操作系統(tǒng)時，可以遵循以下原則 [9]。 （ 2） 可移植性。軟件的通用性和軟件的性能通常是矛盾的，即通常以損失某些特定情況下的優(yōu)化性能為代價。集中精力研發(fā)出產(chǎn)品的特色，其他功能盡量由操作系統(tǒng)附加或采用第三方產(chǎn)品，因此操作系統(tǒng)的可利用資源對 于選型是一個重要的參考條件， Linux 和 WinCE 都有大量的資源可以利用，這是他們被看好的重要原因。 （ 4） 系統(tǒng)定制能力。 （ 5） 成本。成本是需要綜合權(quán)衡以后進行考慮的，選擇某一系統(tǒng)可能會對其它一系列的因素產(chǎn)生影響，如對硬件設(shè)備的選型、人員投入、以及管理和與其它合作伙伴的共同開發(fā)之間的溝通等許多方面的影響。 智能家居系統(tǒng)并不需要很嚴格的實時性，而且在本系統(tǒng)的設(shè)計中，關(guān)鍵任務(wù)將可以由可編程器件實現(xiàn)，僅向系統(tǒng)提供一個狀態(tài)信息。2020屆計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 在版本方面，選擇 內(nèi)核的 arm linux，該內(nèi)核在原有內(nèi)核的基礎(chǔ)上進行了一定程度的裁減，同時也是專門支持 ARM 系統(tǒng)芯片的 Linux 版本，這也為后期的進一步裁減做好了鋪墊的工作。 CRAMFS 文件系統(tǒng)是專門針對閃存（如 NorFlash)設(shè)計的只讀壓縮的文件系統(tǒng)，采用實時解壓縮方式，小巧且速度快。 本章小 結(jié) 本章通過對智能家居的分析，確定了系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計，然后針對其方案進行軟硬件選型。 在操作終端上創(chuàng)建工作目錄 /opt/FriendlyARM/mini2440，在此終端上解壓安裝源代碼，此次用的是內(nèi)核自帶的內(nèi)核源代碼 : 。 (1)將 復(fù)制到某個目錄下如 tmp\，然后進入到該目錄，執(zhí)行解壓命令： cd /tmp tar xvzf –C / (2) Step2：把編譯器路徑加入系統(tǒng)環(huán)境變量，運行命令 gedit /root/.bashrc 編輯 /root/.bashrc 文件，在最后一行添加： export PATH=$PATH: /opt/FriendlyARM/toolschain/保存退出， 注銷系統(tǒng)后，使設(shè)置生效，重新登錄系統(tǒng) (不必重啟機器，開始 logout 即可 )，在命令行輸入 armlinuxgcc – v，若沒有輸出錯誤信息即表示建立交叉編譯環(huán)境成功。下面介紹 NFS 服務(wù)器的安裝和配置。 ? 最后啟動 NFS 服務(wù)。 （ 3） 文件系統(tǒng)，包括了系統(tǒng)命令和應(yīng)用程序。因此，在嵌入式世界里建立一個通用的 BootLoader 幾乎是不可能的。 定制 Linxu 內(nèi)核 Linux 是最受歡迎的自由電腦操作系統(tǒng)內(nèi)核 。技術(shù)上說 Linux 是一個內(nèi)核。 Linux 內(nèi)核源代碼很龐大，想要短時間內(nèi)讀懂大部分內(nèi)核源代碼幾乎是不可能的，此次設(shè)計用的是開發(fā)板自帶的內(nèi)核，版本號是 。這種機制有利于用戶和操作系統(tǒng)的交互。這些存放在同一個分區(qū)中的基本且必需的文件合起來稱為根文件系統(tǒng)。 ? /lib 存放共享庫和可加載（驅(qū)動程序），共享庫用于啟動系統(tǒng)。 ? /usr 存放的是共享、只讀的程序和數(shù)據(jù)，這表明 /usr 目錄下的內(nèi)容可以在 多個主機間共享，這些主要也符合 FHS 標準的。 ? /tmp 存放臨時文件，通常是空目錄，一些需要生成臨時文件的程序用到的 /tmp 目錄梁力源：基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居系統(tǒng) 24 下，所以 /tmp 目錄必須存在并可以訪問。每個硬件模塊在嵌入式開發(fā)中稱為設(shè)備，每個設(shè)備想要 運行都要在 Linux 內(nèi)核中編寫設(shè)備驅(qū)動程序。應(yīng)用層通過系統(tǒng)調(diào)用進入內(nèi)核層，內(nèi)核層根據(jù)系統(tǒng)調(diào)用號來調(diào)用驅(qū)動程序?qū)?yīng)的接口函數(shù)。內(nèi)核模塊可以單獨編譯，在運行時被鏈接到內(nèi)核，作為內(nèi)核的一部分在內(nèi)核空間中運行。 梁力源：基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居系統(tǒng) 26 本系統(tǒng)設(shè)計中用到的設(shè)備都是指字符設(shè)備驅(qū)動，這里主要講解字符設(shè)備及其相關(guān)內(nèi)容。 另外，上層應(yīng)用程序是在 qtopia 中編譯的，而智能家居系統(tǒng)每個模塊必須互不干擾，其中一個模塊發(fā)生故障應(yīng)不影響其他模塊的運行，要實現(xiàn) 每個模塊能單獨工作，這里用到了多線程的技術(shù)，為每個模塊創(chuàng)建 Timer 定時器，把每個模塊的程序放在定時器函數(shù)中運行 ， 下面分別詳細介紹本設(shè)計的幾個模塊的調(diào)試過程。 cdev 結(jié)構(gòu)體、 file_operations 和用戶空間調(diào)用驅(qū)動的關(guān)系如圖 所示。本設(shè)計就是用動態(tài)可加載方式逐個模塊調(diào)試好，調(diào)試好后在直接編譯進內(nèi)核中，然后開機就運行應(yīng)用程