【正文】 ............................................................................... 56 總結(jié) ............................................................................................................................ 56 展望 ............................................................................................................................ 56 致謝 .......................................................................................................................................... 58 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 59 攻讀研究生期間的研究成果 .................................................................................................. 62 蘭州交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1 緒論 智能家居控制系統(tǒng) 研究現(xiàn)狀 從 90 年代末開(kāi)始，隨著多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、視頻壓縮編碼技術(shù)、數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的快速發(fā)展，現(xiàn)在市場(chǎng)上的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的類(lèi)型基本存在兩種類(lèi)型。通過(guò) 遠(yuǎn)程家居智能控制系統(tǒng)不僅能實(shí)時(shí)監(jiān)控和查看用戶(hù)房屋內(nèi)各種電器的情況，還能通過(guò) Inter 網(wǎng)絡(luò)或手機(jī)根據(jù)需要隨時(shí)、隨地控制房屋內(nèi)的各種電器設(shè)備。本文提出以三星 S3C2410 嵌入式處理器為核心處理器，搭建了基于嵌入式 LINUX 操作系統(tǒng)的家庭智能管理平臺(tái)。 （保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說(shuō)明） 學(xué)位論文作者簽名： 導(dǎo)師簽名： 簽字日期： 年 月 日 簽字日期： 年 月 日 碩 士 學(xué) 位 論 文 基于 ARM 遠(yuǎn)程家居智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ARMbased Intelligent Control System For The Remote Home 作 者 姓 名： 翟寧 學(xué)科、專(zhuān)業(yè) ： 交通信息工程與控制 學(xué) 號(hào) ： 0207466 指 導(dǎo) 教 師： 何濤 完 成 日 期： 2020 年 4 月 蘭 州 交 通 大 學(xué) Lanzhou Jiaotong University I 摘要 隨著科學(xué)技術(shù)的告訴發(fā)展，人們生活信息化水平的不斷提高，各種互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)和電子信息技術(shù)推動(dòng)了人類(lèi)文明的巨大進(jìn)步。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 學(xué)位論文作者簽名： 簽字 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解 蘭州交通大學(xué) 有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。隨著電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展、創(chuàng)新，智能化程度的提高，我們無(wú)時(shí)無(wú)刻不在享受科學(xué)技術(shù)給我們的生活帶來(lái)的方便。設(shè)計(jì)了一種智能家居控制系統(tǒng)，用戶(hù)通過(guò) INTERNET 網(wǎng)絡(luò)或手機(jī)等無(wú)線接入技術(shù)來(lái)訪問(wèn)家庭的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)對(duì)家居環(huán)境的智能無(wú)線監(jiān)控、遠(yuǎn)程查詢(xún)、集中管理和遠(yuǎn)程控制。這樣不僅消除了存在和潛在的安全隱患，還可以節(jié)省能源的消耗，與國(guó)家提倡的建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)相對(duì)應(yīng)。一種是基于數(shù)字錄像設(shè)備為核心的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，另外一種是基于嵌入式視頻 web 服務(wù)器的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)將網(wǎng)絡(luò)攝像頭收集到的圖片信息通過(guò)圖片信息壓縮，通過(guò)內(nèi)部總線送到系統(tǒng)內(nèi)置的 Web 服務(wù)器，用戶(hù)可以直接通過(guò)網(wǎng)絡(luò)用瀏覽器查看 Web 服務(wù)器上存儲(chǔ)的由攝像頭采集的圖像信息。 不需要專(zhuān)人來(lái)進(jìn)行管理，系統(tǒng)性能可靠穩(wěn)定。它依托于網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)字化視頻的壓縮、傳輸、存放和播放做為視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心技術(shù)，通過(guò)實(shí)用智能的圖形圖像分析技術(shù)，基于 ARM 遠(yuǎn)程家居智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 并且將門(mén)禁系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)整合到一個(gè)應(yīng)用平臺(tái)上，從而引發(fā)了視頻控制領(lǐng)域的一次技術(shù)變革。通過(guò) GPRS 模塊發(fā)射和接收無(wú)線信號(hào)來(lái)為外部網(wǎng)絡(luò)提供網(wǎng)絡(luò)接口 ,用來(lái)連接家庭內(nèi)部局域網(wǎng)絡(luò)和外部 Inter 網(wǎng)絡(luò)，通 過(guò) Inter 網(wǎng)絡(luò)或手機(jī)等方式用戶(hù)可以方便的來(lái)訪問(wèn)家庭的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)用戶(hù)對(duì)室內(nèi)各種狀況的遠(yuǎn)程監(jiān)視和各種家用設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)通 過(guò)系統(tǒng)中的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊將采集到的溫度傳感器的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量通過(guò)系統(tǒng)總線傳送給系統(tǒng)處理器，經(jīng)處理器處理后根據(jù)系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定數(shù)據(jù)值比較來(lái)控制各個(gè)設(shè)備。 (4)紅外家電控制：通過(guò)紅外發(fā)射電路控制電視、空調(diào)等紅外可控的家電設(shè)備，接收用 戶(hù)指令。這種模式改變了以往不間斷監(jiān)控模式的方法，可以智能感知異常，并且可以記錄現(xiàn)場(chǎng)狀況在異常發(fā)生的時(shí)候，并通過(guò)下發(fā)短信告知用戶(hù)。 (5) 系統(tǒng)界面簡(jiǎn)潔，友好、美觀，直觀易操作、富于人性化。開(kāi)發(fā)板的外部存儲(chǔ)器，內(nèi)存為 64M， NOR Flash： 2M， NAND Flash： 128M。一 50芯 LCD 接口引出了 LCD 控制器和觸摸屏的全部信號(hào)。電源接口，開(kāi)關(guān)電源直接供電，允許輸入直流電壓范圍是 7～ 20V，推薦使用 12V，帶有電源開(kāi)關(guān)和指示燈。 Linux 是一個(gè)相似于 Unix 操作系統(tǒng)。在當(dāng)前各 種嵌入式操作系統(tǒng)迅速發(fā)展的情況下， Linux 操作系統(tǒng)逐漸形成了可以與 windwosCE 等嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行相抗衡競(jìng)爭(zhēng)的嵌入式操作系統(tǒng)。 (2) 高可靠性和適應(yīng)性的特點(diǎn) 高可靠性和穩(wěn)定性是 Linux操作系統(tǒng)重要的特性，因?yàn)?Unix的優(yōu)點(diǎn)被 Linux所繼承，其適應(yīng)性和可靠性程度也更為加強(qiáng) [6]。高可靠性事嵌入式 Linux操作系統(tǒng)不同與其它嵌入式操作系統(tǒng)最為重要的特點(diǎn)。大多數(shù)的嵌入式操做系統(tǒng)并不是具有嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性特性，有些甚至根本沒(méi)有實(shí)時(shí)性，而基與嵌入式 Linux 內(nèi)核操作系統(tǒng)能夠很好地滿(mǎn)足嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，此外還提其他任務(wù)間的調(diào)用接口以及實(shí)時(shí)任務(wù)。在程序開(kāi)發(fā)時(shí)應(yīng)用程序可以在普通計(jì)算機(jī)上交叉編譯，調(diào)試時(shí)可通過(guò)串口登陸硬件平臺(tái)，同時(shí)還可以利用 NFS 網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)來(lái)調(diào)試所編寫(xiě)的程序文件。因此，本系統(tǒng)選用 作為智能家居控制系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。 (2) 遠(yuǎn)程家居智能控制系統(tǒng)中各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)，主要包括： A/D 模塊驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)，紅外模塊驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)， lcd，鍵盤(pán)，攝像頭等模塊驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)。使用戶(hù)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)、隨地蘭州交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 7 方便的訪問(wèn)系統(tǒng)，查詢(xún)家里各種設(shè)備的各種情況，從而達(dá)到對(duì)家居中各種設(shè)備的預(yù)警、控制、調(diào)節(jié)，達(dá)到家居智能化的目的。其中的程序用戶(hù)通常也不能對(duì)其進(jìn)行修改，即便是在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成以后，也都是在專(zhuān)用的開(kāi)發(fā)環(huán)境和開(kāi)發(fā)工具下對(duì)程序進(jìn)行進(jìn)行開(kāi)發(fā)的。嵌入式系統(tǒng)將操作系統(tǒng)和所有應(yīng)用軟件進(jìn)行整體設(shè)計(jì)并且一次性的安裝。 (4)嵌入式設(shè)備的系統(tǒng)要求簡(jiǎn)單的系統(tǒng)軟件。典型的嵌入式操作系統(tǒng)有windowsCE， PowerPc、 PalmOS， Vxworks， uClinux 還 有 UC/OSⅡ 等等 [12]。系統(tǒng)中應(yīng)用軟件的可靠性以及其執(zhí)行效率性能等等。 Linux 操作系統(tǒng)的內(nèi)核主要包含五大部分內(nèi)容：進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程間通信、內(nèi)存管理、虛擬文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)接口，我們也稱(chēng)之為 Linux 操作系統(tǒng)的五個(gè)子系統(tǒng) [6]。我們之所以將用戶(hù)進(jìn)程也那入操作系統(tǒng)的范圍是因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)于用戶(hù)進(jìn)程的運(yùn)行狀態(tài)有著密切的聯(lián)系。 (2) Linux 內(nèi)核由 5 個(gè)功能相互聯(lián)系的主要的子模塊構(gòu)成，如圖 所示為 Linux 內(nèi)核功能結(jié)構(gòu)： ① 進(jìn)程調(diào)度：控制著各個(gè)進(jìn)程 對(duì) CPU 的訪問(wèn)，由進(jìn)程調(diào)度程序選擇優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的進(jìn)程調(diào)度算法。硬件無(wú)關(guān)部分主要提供了進(jìn)程間的映射和虛擬內(nèi)存技術(shù)，硬件相關(guān)部分主要為系統(tǒng)管理硬件設(shè)備提供虛擬接口，可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)對(duì)硬件的操作。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是指特定編寫(xiě)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序模塊為某一硬件的支持。負(fù)責(zé)系統(tǒng)與具體的硬件設(shè)備進(jìn)行相互的通信是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，每一種硬件設(shè)備都存 在與之相互對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。 Linux 操作系統(tǒng)，可以支持多種不通的進(jìn)程值間的通信機(jī)制。 Linux 上的有十分豐富的軟件資源，并且軟件每天都在 更新。 ② Linux 有功能強(qiáng)大的內(nèi)核，而且內(nèi)核的性能穩(wěn)定、高效、多任務(wù)。 Linux 無(wú)論是在 CISC 還是 SISC 體系結(jié)構(gòu)下， 32位或者 64 位的處理器上 Linux 都可以運(yùn)行 [17]。 Linux 繼承了 UNIX 操作系統(tǒng)的特點(diǎn)，所以這確保了它所支持的所有標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議并且可以開(kāi)發(fā)成為基于嵌入式的 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧利用 Linux 的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。 智能家居系統(tǒng)中 Bootloader 的移植 Bootloader 的基本概念 開(kāi)發(fā)一個(gè)基與嵌入式 Linux操作系統(tǒng)的系統(tǒng)從軟件看通?？梢詫⑾到y(tǒng)分成為四個(gè)步驟：引導(dǎo)加載程序、 Linux 內(nèi)核、文件系統(tǒng)、用戶(hù)應(yīng)用程序 [32]。一般的是將 BootLoader 程序裝進(jìn) RAM 中，然后在RAM 中執(zhí)行程序，這有點(diǎn)類(lèi)似于 BIOS，但是功能方面比 BIOS 要弱的很多 [28]。 換而言之，通過(guò)執(zhí)行系統(tǒng)中 Bootloader 這段小程序，我們可以將系統(tǒng)中的硬件設(shè)備進(jìn)行初始化、建立內(nèi)存空間的映射表，從而建立適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)軟硬件環(huán)境將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境設(shè)置到一個(gè)適合的狀態(tài)，并為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核做好準(zhǔn)備，起到真正達(dá)到引導(dǎo)和加載內(nèi)核的目的。對(duì)于兩塊不同的嵌入式的板來(lái)說(shuō)，即使使用統(tǒng)一種處理器，要想使一塊板上的 Bootloader能夠在另一塊板上運(yùn)行，一般也都需要修改 Bootloader 的源代碼。 嵌入式系統(tǒng)中廣泛采用的非易失性存儲(chǔ)器通常是 Flash，而 Flash 又分為 Nor Flash和 Nand Flash 兩種。也可以設(shè)計(jì)得很簡(jiǎn)單，只是完成最基本的功能。 Linux 在啟動(dòng)過(guò)程中可以將系統(tǒng)信息通過(guò)串口輸出，這樣便可恨清楚的了解 Linux 的啟動(dòng)過(guò)程。 (4) 設(shè)置 Linux 的啟動(dòng)參數(shù)， BootLoader 在執(zhí)行的過(guò)程中必須初始化和設(shè)置 Linux內(nèi)核的啟動(dòng)參數(shù)。但為了保持和以前版本的兼容性，它仍然支持 struct param_struct 參數(shù)傳遞的方式，只不過(guò)在內(nèi)核啟動(dòng)過(guò)程中它將被轉(zhuǎn)換成標(biāo)記列表的方式。 (5) 調(diào)用 Linux 內(nèi)核映像，系統(tǒng)中 Bootloader 完成的最后一項(xiàng)工作便是調(diào)用 Linux的內(nèi)核。 內(nèi)核移植 Linux內(nèi)核基礎(chǔ)知識(shí) 我們?cè)谶M(jìn)行 Linux 內(nèi)核移植之前，非常有必要對(duì) Linux 內(nèi)核進(jìn)行一下深入的了解，了解 Linux 內(nèi)核在整個(gè)嵌入式系統(tǒng)中非常重要。比如 的內(nèi)核就是 內(nèi)核的穩(wěn)定版本。 蘭州交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 15 什么是標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核 按照資料上的習(xí)慣說(shuō)法，標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核或稱(chēng)基礎(chǔ)內(nèi)核，就是指主要是在 Linux 內(nèi)核也是與平臺(tái)架構(gòu)相關(guān)的[25]。這些內(nèi)核首先保證的是在基于 Intel X86 的體系結(jié)構(gòu)上能夠正常的運(yùn)行啟動(dòng)，這些內(nèi)核基于 X86 處理器的體系結(jié)構(gòu)，比如對(duì) 內(nèi)核的進(jìn)行 make menuconfig配置的時(shí)侯我們就可以看到， Processor type and features中只有 38 48 58PentiumMMX、 PentiumClassic、 PentiumPro/Celeron/PentumII、 PentiumIII/Celeron、Pentium Athlon/Elan、 Crisoe、 WinchipC Winchip2A、 CyrixIII/C3 選項(xiàng)，其選項(xiàng)中并沒(méi)有像 S3C2410 等這樣芯片結(jié)構(gòu)的支持。 Linux內(nèi)核的選擇 依據(jù)不同的體系結(jié)構(gòu)選擇內(nèi)核的版本是很困難的，應(yīng)該與負(fù)責(zé)維護(hù)該 內(nèi)核的小組時(shí)常保持聯(lián)系，方法是通過(guò)訂閱一些合適的郵件列表 maillist，并且查看郵件中相關(guān)的重要新聞，以及瀏覽一些關(guān)于內(nèi)核的主要站點(diǎn)，可以得到該內(nèi)核的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)。 ARM Linux 的移植，建議使用 或 版本。然而你在做 make config 的時(shí)候?qū)⒁粋€(gè)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序由內(nèi)核支持改變?yōu)?module 或者取消其支持，這樣將可能影響到 Y 的一個(gè)參數(shù)的設(shè)置，這時(shí)就需要重新編譯 Y，重新編譯或連接 X。 (2) make clean 。在 Linu