【文章內(nèi)容簡介】 知特性更具智能化物聯(lián)網(wǎng)就是要實現(xiàn)全面的感知感知人物的各種基本特征行為以此能將現(xiàn)有智能家居系統(tǒng)功能和性能帶來質(zhì)的提升這使得現(xiàn)有智能家居技術難以滿足其要求一系列新技術將應用到智 能家居行業(yè)中更多的數(shù)字化前端設備將取代既有非數(shù)字化產(chǎn)品網(wǎng)絡攝像機網(wǎng)絡型報警器數(shù)字化探測器等日益成為主流人工智能云計算嵌入式芯片等將大量被使用到智能家居產(chǎn)品中這些都伴隨著大量新技術的更新就如同入侵報警系統(tǒng)從傳統(tǒng)的信號驅(qū)動技術逐漸被下一代目標驅(qū)動技術所取代模擬攝像機逐漸被網(wǎng)絡攝像機所取代 [1]。 智能家居能夠很好的滿足人們對居住環(huán)境安全、舒適、智能的要求，在不斷標準化的前提下，在 3G 和互聯(lián)網(wǎng)技術的推動下，它的功能日臻完善和成熟，在“數(shù)字生活”的構建中將發(fā)揮更加重要的作用。 主要研究內(nèi)容與創(chuàng)新 本文以現(xiàn)有的 智能家居系統(tǒng)為研究對象，提出了一種以傳統(tǒng)住宅為基礎的智能家居控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)完成的主要工作內(nèi)容如下： （ 1） 借鑒現(xiàn)有技術方案的基礎上，提出了自己的設計方案； （ 2） 以 2440 開發(fā)板為硬件平臺完成了中央控制器的設計與實現(xiàn)； （ 3） 控制模塊方面，實現(xiàn)了與 ZigBee 間通信、溫濕度采集、視頻監(jiān)控、GSM、 RFID 等模塊的集成工作。 （ 4） 娛樂模塊方面，實現(xiàn)了數(shù)碼相冊、 Mplayer 播放器、拼圖小游戲模塊中山大學南方學院 2021屆本科生畢業(yè)設計 4 的集成工作。 （ 5） 通過家庭子網(wǎng)將各個模塊與中央控制器緊密的聯(lián)系在一起組成了一套完整的控制系統(tǒng)。 本文的創(chuàng)新部分主要是在控制系統(tǒng)中融入了相當于 手機的功能，實現(xiàn)了 實現(xiàn)了普通手機的拔號、接聽來電、收發(fā)短信的功能， 可以自由輸入要拔打的電話號碼（包括長號和短號集群網(wǎng)的短號），接聽語音來電，接收并顯示短信息。 本文的組織結(jié)構 本文的內(nèi)容結(jié)構如下： 第 1 章 緒論 介紹了智能家居的基本概念、并深入調(diào)研了智能家居在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。 第 2 章 系統(tǒng)總體設計方案 闡述了本系統(tǒng)的設計方案并對系統(tǒng)的主要功能進行簡單的介紹。 第 3章 相關技術綜述 對相關技術進行簡單闡述。 第 4 章 智能家居 硬件平臺設計 對主要嵌入式 Linux 硬件環(huán)境構建和硬件資源進行了具體說明。 第 5章 智能家居軟件設計 介紹智能家居軟件設計。首先介紹了如何搭建嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境；接著介紹了智能家居終端的家居控制、數(shù)碼相冊、播放器、小游戲 4 個部分；最后詳細介紹了主要的技術設計 GSM、攝像頭、與 ZigBee 的串口通信、虛擬鍵盤的設計以及溫濕度模塊設計與實現(xiàn)。 第 6 章 系統(tǒng)調(diào)試 介紹了系統(tǒng)調(diào)試運行的環(huán)境以及系統(tǒng)的運行結(jié)果。 本章總結(jié) 本章主要介紹了智能家居的基本概念、并深入調(diào)研了智能家居在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢以及本文主要研究內(nèi)容與創(chuàng)新。 中山大學南方學院 2021屆本科生畢業(yè)設計 5 第 2 章 系統(tǒng)總體設計方案 系統(tǒng)的組成 基于層次化、模塊 化的搭建和開發(fā)， 本系統(tǒng)分為 4 個部分：家居控制、安防檢測、娛樂功能和語音通話。同時，按顯示界面來分，有 4 個界面：家居控制界面、數(shù)碼相冊界面、播放器界面、游戲界面。本系統(tǒng)以 ZigBee 無線傳感器模塊為主的基層和以 S3C2440 ARM 板作為開發(fā)平臺以 Linux 系統(tǒng)作為操作系統(tǒng)的界面及控制層。 其中以家居控制界面為主體， 基層包括：多個 ZigBee 網(wǎng)絡路由節(jié)點、 ZigBee 網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，系統(tǒng)擴展板、 RFID 門監(jiān)、紅外、傳感器、窗簾控制、GSM 模塊、 USB 攝像頭等。界面及控制層包括： S3C2440 ARM 開發(fā)平臺、 ARM終端、 PC 服務器端、手機、 7 寸 LCD 觸摸屏。系統(tǒng)總體結(jié)構，如圖 21 所示。 圖 21 系統(tǒng)總體結(jié)構圖 功能描述 按系統(tǒng)終端顯示的 4 個界面來分： 1) 家居控制界面 （ 1） 顯示：用于顯示家居控制界面的所有內(nèi)容，如：當前家電狀態(tài)、當前環(huán)境溫濕度、收到的短信內(nèi)容、攝像頭拍攝內(nèi)容、虛擬鍵盤等，提供一個友好的顯示界面。 （ 2） 攝像頭：用戶可以選擇開啟或關閉攝像頭的監(jiān)控功能。當用戶開啟了中山大學南方學院 2021屆本科生畢業(yè)設計 6 攝像頭，用戶可以看到系統(tǒng)實時監(jiān)控的視頻圖像顯示在 LCD 觸摸屏上；用戶亦可以選擇關閉攝像頭。實時的視頻監(jiān)控，讓用戶可以實時的查看到家中情況，達到 安全監(jiān)控的效果。 （ 3） GSM：包括通話功能和短信功能。用戶可以在編輯框中輸入要拔打的號碼，然后按下拔打的按鈕，即可拔出對應的號碼；同時若有來電，蜂鳴器會響，用戶可以直接接聽或掛斷。用戶可以接收短信息，并將短信息進行系統(tǒng)設定格式匹配，若匹配成功，則可直接控制家電狀態(tài)，信息內(nèi)容如：“ GSM ON”，則匹配成功，可直接控制。同時將收到的短信內(nèi)容以文本的形式顯示。若家中出現(xiàn)異常，則會自動發(fā)送短信息到指定手機號碼。如出現(xiàn)報警信息等，盡量的減少用戶的損失，讓用戶提早做出安全措施。 （ 4） Linphone： IP 電話工具，用與呼叫服 務器，實現(xiàn)與服務器端的語音通話。 （ 5） 溫濕度：通過 DHT11 溫濕度傳感器檢測當前環(huán)境溫度，并實時顯示在LCD 上。 （ 6） 開關或狀態(tài)控制：各用電器的狀態(tài)控制，如打開 /關閉攝像頭、打開 /關閉 GSM、打開 /關閉網(wǎng)絡、打開 /關閉紅外等。用戶可以通過控制模塊直接控制系統(tǒng)的各功能。 （ 7） 虛擬鍵盤：當雙擊編輯框時，彈出虛擬的數(shù)字鍵盤供用戶輸入。設計出數(shù)字虛擬鍵盤是為了方便用戶輸入號碼和 IP 地址的功能。人性化的虛擬鍵盤，達到了容易操作，大眾化的效果。 （ 8） 串口：主要用于與 ZigBee 網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器間的數(shù)據(jù)交換，繼而與若干個ZigBee 網(wǎng)絡節(jié)點通 信并控制連接網(wǎng)絡節(jié)點的燈、紅外等設備。實現(xiàn)了無線連接的控制系統(tǒng)。 2) 數(shù)碼相冊 （ 1） 圖片顯示：系統(tǒng)通過讀取指定路徑的圖片文件，并將所有圖片自動排列成從左到右，并顯示出選中的圖片。圖片顯示的方式給用戶一種新穎的感覺。 （ 2） 切換操作：即切換圖片的操作，用戶可以通過點擊觸摸屏的左半屏或右半屏，則圖片會向右或向左移一下，并選擇上一張圖或下一張圖，顯示于屏幕正中部。操作模式與當今社會上的主流電子相冊相似，具有一定的普遍性。 3) 播放器 （ 1） 圖像顯示：系統(tǒng)通過用戶添加的視頻文件，并執(zhí)行播放操作，則其視頻的內(nèi)容將顯示出來。當打開的文件是音頻 文件時，則只能聽到聲音，無圖像顯示。 （ 2） 控制操作：播放器有播放、暫停、停止、快進、快退、靜音、曲目選擇、上一曲 /下一曲、音量控制、拖動進度條以調(diào)節(jié)播放位置。實現(xiàn)了一般的播中山大學南方學院 2021屆本科生畢業(yè)設計 7 放器功能。 （ 3） 曲目列表：用戶可以通過系統(tǒng)添加很多條曲目，并按添加順序排列。用戶可以自身的選擇曲目。 4) 拼圖游戲 （ 1） 顯示效果：系統(tǒng)提供了友好的界面，并對用戶操作進行實時顯示。智能家居中能用的，當用戶完成了圖片的拼接后，系統(tǒng)會彈出“勝利”的對話框。 （ 2） 操作控制：用戶可以通過系統(tǒng)本身帶有的上、下、左、右方向鍵來對拼圖游戲的操作。 本章總結(jié) 本章主要闡 述了本系統(tǒng)的設計方案并對系統(tǒng)的主要功能進行簡單的介紹。 中山大學南方學院 2021屆本科生畢業(yè)設計 8 第 3 章 相關技術綜述 嵌入式系統(tǒng)的概念與技術特點 1) 嵌入式系統(tǒng)的概念 [5] 根據(jù) IEEE（國際電氣和電子工程師協(xié)會）的定義：嵌入式系統(tǒng)是”用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和設備的裝置”（ Devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。這個的定義是從嵌入式系統(tǒng)的用途方面進行定義的。 嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟硬件可裁剪、適用應用系統(tǒng)的對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。同時具有軟件代碼小、高度自動化、響應速度快等特點，特別適合于要求實時和多任務的體系。嵌入性、專用型、與計算機系統(tǒng)是它的三個基本要素。 （ 1）嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應用的，它必須與具體應用相結(jié)合才會具有生命力、才更具有優(yōu)勢。因此可以這樣理解上述三個面向的含義，即嵌入式系統(tǒng)是與應用緊密結(jié)合的，它具有很強的專用性，必須結(jié)合實際系統(tǒng)需求進行合理的裁減利用。 （ 2） 嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術、半導體技術和電子技術和各個行業(yè)的具體應用相結(jié)合后的產(chǎn)物，這一點就決定了它必然是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。所以，介入嵌入式系統(tǒng)行業(yè)，必須有一個正確的定位。例如 Palm 之所以在 PDA 領域占有 70%以上的市場，就是因為其立足于個人電子消費品，著重發(fā)展圖形界面和多任務管理；而風河的 Vxworks之所以在火星車上得以應用，則是因為其高實時性和高可靠性。 （ 3）嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應用需求對軟硬件進行裁剪，滿足應用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求。 所以，如果能建立相對通用的軟硬件基礎，然后在其上開發(fā)出適應各種需要的系統(tǒng)，是一個比較好的發(fā)展模式。目前的嵌入式系統(tǒng)的核心往往是一個只有幾 K 到幾十 K 微內(nèi)核，需要根據(jù)實際的使用進行功能擴展或者裁減，但是由于微內(nèi)核的存在，使得這種擴展能夠非常順利的進行。 2) 嵌入式系統(tǒng)的特點 [5] 嵌入式設備常應用于“特定”場合，與“通用的”個人電腦相比，具備以下特點： （ 1） 軟件、硬件可裁剪。 將市面上的手機拆開，會發(fā)現(xiàn)雖然它們的功能是相似的，但是所用芯片多種多樣，所用的操作系統(tǒng)也有多種，操作界面更是千變?nèi)f化，操作的舍不得性各有千秋。這不同于個人電腦， CPU除了 INTEL就是 AMD 公司的，操作系統(tǒng)多用 Windows。中山大學南方學院 2021屆本科生畢業(yè)設計 9 功能、成本、開發(fā)效率等條件決定了嵌入式設備的選材多樣化，軟件、硬件可裁剪，即當不需要某項功能時，可以去除相關的軟硬件。 （ 2） 對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求。 功能、可靠性、功耗這 3 點是軟件開發(fā)人員最關注的地方。仍以手機為例，當選定硬件平臺之后，處理器的性能已經(jīng)被限定了，怎樣使得手機的操作更人性化、菜單響應更快捷、具備更多更好的功能，這完全取決于軟件。需要驅(qū)動程序和應用程序配合，最大程序地發(fā)揮硬件的性能。 嵌 入式處理器 在智能家居系統(tǒng)中，嵌入式控制中心是整個家居系統(tǒng)的核心處理模塊，而嵌入式處理器則是家庭控制中心的核心部件，其性能的好壞直接決定了整個系統(tǒng)的運行效果。 嵌入式系統(tǒng)硬件的設計圍繞嵌入式處理器進行。嵌入式處理器根據(jù)從各種外部設備接收到的輸入信息來完成必要的計算和處理工作，并把計算結(jié)果送到輸出接口，驅(qū)動外部設備 [6]。 嵌入式微處理器是整個家居系統(tǒng)的核心，目前各種嵌入式處理器層出不窮，嵌入式處理器市場呈現(xiàn)出百花齊放的景象。目前常用的嵌入式處理器的主要結(jié)構歸結(jié)起來有： 8051 體系結(jié)構、 ARM 體系結(jié)構、 MIPS 體系結(jié)構、 PowerPC、 DSP、x86 等 [20]： 1) 8051 體系結(jié)構 8051 單片機最早由 Intel 公司推出。它在一塊超大規(guī)模集成電路芯片上同時集成了 CPU、 ROM、 RAM 以及 TIMER、 COUNTER 等部件，具有 64KB 的尋址能力。由于某些原因， 8051 在國內(nèi)的使用非常普遍，但總的來說 8051 因其微處理器性能落后，仍然是一款低端產(chǎn)品。 2) ARM 體系結(jié)構 ARM 處理器遍及工業(yè)控制、消費類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場，基于 ARM 技術的處理器應用約占據(jù)了 32 位 RISC 微處理器75%以 上的市場。目前市面上常見的 ARM 處理器架構，可分為 ARM ARMARM11 和 Cortex 系列。 IPhone、 NOKIA、 HTC 等智能手機中的微處理器，就是由高通和德州儀器授權生產(chǎn)的 ARM 處理器。 3) MIPS 體系結(jié)構 MIPS 是美國歷史悠久的 RISC 處理器體系，分為 32bit 以及 64bit 兩大家族，以技術授權作為主要營利方式。 MIPS 除了在手機中應用的比例極小外，其在一般數(shù)字消費、網(wǎng)絡語音、個人娛中山大學南方學院 2021屆本科生畢業(yè)設計 10 樂、通訊、與商務應用市場有著相當不錯成績，不過近年來因為其它 IP 授權公司的興起，其占有比率稍有衰退。 MIPS 應用最為廣泛的應屬家庭視聽電器（包含機頂盒）、網(wǎng)通產(chǎn)品以及汽車電子方面。 4) PowerPC 體系結(jié)構 PowerPC 是早期 Motorola 和 IBM 聯(lián)合為 Apple 的 MAC 機開發(fā)的 CPU 芯片，PowerPC 的體系結(jié)構也是 RISC（精簡指令集計算），有 200 多條定長 32 位的指令，通常只執(zhí)行一個單一的操作（比如將內(nèi)存加載到寄存器，或者將寄存器數(shù)據(jù)存儲到內(nèi)存），同時支持字節(jié)（ 8 位）、半字（ 16 位）、字（ 32 位）和雙字（ 64位）數(shù)據(jù)類型。 5) DSP 體系結(jié)構 DSP 是一種專用微處理器，主要對數(shù)字信號進行實時處理