【正文】 關是一臺與 Intemet 相連，并且擁有固定 IP 地址的服務器，為了實現(xiàn)由手機移動終端到家庭網(wǎng)關的遠程數(shù)據(jù)傳輸，首先需要為手機移動終端開通 GPRS 數(shù)據(jù)業(yè)務，使用 WindowsMobile 的數(shù)據(jù)連接功能連接到當?shù)氐腉PRS 業(yè)務節(jié)點，然后通過 GPRS 網(wǎng)關接入 Inter，實現(xiàn)與家庭網(wǎng)關的無線通信?？紤]到手機的特點以及 GPRS 連接的特殊性，手機終端上應用程序的結構不易過于復雜，基于這點考慮，手機終端軟件提供了遠程控制必需的家居總體狀況查詢、設備列表、攝像監(jiān)控、設備管理、日志查詢等常用功能。手機終端上數(shù)據(jù)的格式使用標準化的，基于文本的 XML 格式，它能夠解決數(shù)據(jù)跨平臺的問題，并且與家庭網(wǎng)關上程序所用的數(shù)據(jù)格式相同，便于通信和分析。GPRS 模組采用如圖 45 所示的 SIM300 通訊芯片，利用無線移動網(wǎng)絡實現(xiàn)語音傳輸和點對點數(shù)據(jù)傳輸。同時，模組內具備 TCP/IP 協(xié)議棧，可以直接利用它實現(xiàn)無線上網(wǎng)。模組使用如圖 46 所示的標準 UART 串行通信接口與主芯片進行通信，可以與任何帶有通用 UART 串行通信接口的控制器進行連接。該模組具有以下特性：（1）支持 EGSM900M、 DCS1800M、PCS1900M 三種頻段，兼容 GSM Phase 2/2+。（2）集成 PAP 協(xié)議，可供 PPP 連接使用。（3）集成 TCP/IP 協(xié)議，方便實現(xiàn)上網(wǎng)功能。（4）支持包交換廣播控制通道（PBCCH） 。（5）無限制的輔助服務數(shù)據(jù)支持（USSD） 。華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文）30圖 45 GPRS 模組 SIM300 核心部分電路圖GPRS 模組使用標準串口與主控制器進行通訊。模組帶有一個 10 針的接口，可以直接和 MCU 相連接，也可以通過模組上的 RS232 接口和 PC 機直接相連接。圖 46 GPRS 模組接口部分電路圖GPRS 模組需通過 J4 的電源開關信號（PWRKEY）輸入引腳向 GPRS 模組輸入如圖 47 所示的上電時序 GPRS 才能被啟動，啟動后 GPRS 的信號指示燈會閃爍。也可以手動按下 GPRS 模組上的 ON/OFF 按鍵，大約 2 秒之后松開，GPRS 模組亦可以被啟動。華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文）31圖 47 GPRS 模組啟動時序圖GPRS 模組啟動之后，即可通過 UART 接口發(fā)送 AT 指令來控制語音或數(shù)據(jù)收發(fā)。 傳感器模塊的硬件電路設計 室內環(huán)境子系統(tǒng)本系統(tǒng)采用 SHT10 數(shù)字溫濕度傳感器對溫濕度進行測量。 SHT11 因其相對濕度和溫度一體測量，精確露點測量，全量程標定，無需重新標定即可互換使用，超快時間，兩線數(shù)字接口，尺寸小，可靠性高，穩(wěn)定，低功耗，精度高。硬件連接如圖 48 所示。VDDSCKDATAGNDS3C2440開發(fā)板VGPF0GPF1GND圖 48 溫濕度模組連接圖 安防子系統(tǒng)安防系統(tǒng)與中央控制器連接框圖如圖 49。華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文）32圖 49 中央控制器控制安防硬件連接框圖安防系統(tǒng)中燃氣傳感器采用 MQ6，它所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2)。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。MQ6 氣體傳感器對丙烷、丁烷、液化石油氣的靈敏度高，對天然氣也有較好的靈敏度，傳感器硬件連接電路如圖 410 所示。圖 410 燃氣聲光報警器電路原理圖火焰?zhèn)鞲衅魍ㄟ^目標與背景的溫差來探測目標，其工作原理是利用熱釋電效應，即在鈦酸鋇一類晶體的上、下表面設置電極，在上表面覆以黑色膜，若有紅外線間歇地照射，其表面溫度上升。其晶體內部的原子排列將產生變化，引起自發(fā)極化電荷，在上下電極之間產生電壓?；鹧?zhèn)鞲衅鲀炔坑泄鈱W濾鏡、場效應管、紅外感應源、偏置電阻等奇跡組成。光學濾鏡的主要作用是只允許火焰的紅外線通過，而將其他輻射濾掉，以抑制外界干擾。工作原理如圖 411華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文）33所示。圖 411 火焰?zhèn)鞲衅鞴ぷ髟韴D當檢測到火源時，Vout 端口有電壓輸出，輸出電壓值與距離（火焰與傳感器之間的距離）成反比，傳感器硬件連接電路如圖 412 所示。圖 412 防火聲光報警器電路原理圖人體會發(fā)射出的 10um 左右的特定波長紅外線，用專門設計的傳感器就可以針對性的檢測這種紅外線的存在與否，當人體紅外線照射到傳感器上后，因熱釋電效應將向外釋放電荷，后續(xù)電路經檢測處理后就能產生控制信號。這種專門設計的探頭只對波長為 10μm 左右的紅外輻射敏感，所以除人體以外的其他物體不會引發(fā)探頭動作。探頭內包含兩個互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元，而且制成的兩個電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對兩個熱釋元件幾乎具有相同的作用，使其產生釋電效應相互抵消，于是探測器無信號輸出。一旦人侵入探測區(qū)域內，人體紅外輻射通過部分鏡面聚焦，并被熱釋電元接收，但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同，熱釋電也不同，不能抵消，于是輸出檢測信號。工作原理如圖 413 所示。華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文）34圖 413 熱釋紅外傳感器工作原理為了增強敏感性并降低白光干擾，通常在探頭的輻射照面覆蓋有特殊的菲泥爾濾光透鏡，菲泥爾濾光片根據(jù)性能要求不同，具有不同的焦距（感應距離） ，從而產生不同的監(jiān)控視場，視場越多，控制越嚴密。傳感器的光譜范圍為1～10μm ，中心為 6μm，均處于紅外波段，是由裝在 TO－5 型金屬外殼的硅窗的光學特性所決定。熱釋電紅外傳感器不但適用于防盜報警場所，亦適于對人體傷害極為嚴重的高壓電及 X 射線、γ 射線工業(yè)無損檢測。本系統(tǒng)所使用的人體紅外傳感器為 5V 供電，感應距離為 7m，感應角度為 110176。，傳感器硬件連接電路如圖 414 所示。圖 414 防盜聲光報警器電路原理圖 攝像模塊的硬件電路設計本系統(tǒng)選用一款免驅的攝像頭，而且可以在非 PC 機上自動安裝驅動的攝像頭。華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文）35選擇一款遵循 v4l 協(xié)議的攝像頭，V4L 全稱是 Video4Linux（Video for Linux） ，是在 linux 內核中關于視頻設備的 API 接口，涉及開關視頻設備、采集并處理視頻圖像信息。V4L 從 版本的內核中開始出現(xiàn)。在 Linux 中，視頻設備是設備文件，可以像訪問普通文件一樣對其進行讀寫。特別要注意，選擇攝像頭的時候要選擇一款不僅在 windows 下免驅的，而且在 LINUX 下面也要免驅。本文選擇韓國的 YUNDAI 500 ，具有 USB 接口。S3C2440 芯片提供了一個 USBHOST 接口，但是對于目前的眾多 USB 設備來講不太夠用，所以 S3C2440 實驗儀擴展了 USB——HUB 接口，可以擴展四路 USB 設備，方便 USB 鍵盤、USB 鼠標、USB 攝像頭、USB 無線網(wǎng)卡等USB 設備同時使用，但是由于 S3C2440 實驗儀本身外擴了 SATA 硬盤，該硬盤在正常使用時需要占用一個 USB 主通道，板子只預留了三路 USB 接口。圖 415 USB 主接口部分電路圖S3c2440 芯片本身自帶了 USB——Slave 接口，可以方便地跟 PC 通過 USB接口進行高速數(shù)據(jù)通信，本實驗儀在燒寫 linux 鏡像時，可以通過此接口進行高速數(shù)據(jù)傳輸。華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文）36圖 416 USB 從接口的部分電路圖華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文）37第 5 章 智能家居系統(tǒng)的軟件設計 軟件系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境與設計流程嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，在應用中能夠適應對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)在應用數(shù)量上遠遠超過了各種通用計算機，一臺通用計算機的外部設備中就包含了 510 個嵌入式微處理器。ARM32 位體系結構目前被公認為是業(yè)界領先的 32 位嵌入式 RISC 微處理器結構，它的特點是可移植性強，可以在不同廠家相同內核的芯片中輕松切換、功耗特低、功能強大，低端可以作為高級單片機使用，高端功能接近于 PC 機。S3C2440 處理器核為 ARM920T，是三星公司 ARM9 系列中的主流產品。帶操作系統(tǒng)的嵌入式開發(fā)軟件上主要工作為針對自己開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)進行系統(tǒng)和應用支撐軟件的移植；在嵌入式操作系統(tǒng)和應用軟件上進行二次開發(fā)，形成自己的嵌入式系統(tǒng)。Linux 操作系統(tǒng)的嵌入式開發(fā)特點：（1）Linux 及其相關的軟件有廣大的社區(qū)和廣泛的使用人群；（2）其源代碼開放、功能強大、廣泛的后續(xù)支持等優(yōu)點是其他軟件所不能比擬的；（3）有全球最頂尖的程序員寫出的操作系統(tǒng)以及各種應用的源程序，是借鑒和學習的最好的工具。廣泛地用于儀器儀表、工業(yè)控制設備、電梯、程控交換機。 Linux 開發(fā)環(huán)境的建立（1）PC 機上安裝 Linux進行開發(fā)前，首先要做的是搭建一套基于 Linux 操作系統(tǒng)的應用開發(fā)環(huán)境，一般由目標板和宿主機所構成。個人用 Linux 開發(fā)嵌入式應用程序，可以在自己的 PC 上安裝一套 Linux 操作系統(tǒng)，而且是完全安裝。最理想的方法是在Windows 下可以直接使用 Linux，借助于 Windows 下的一些工具及網(wǎng)絡資源進行學習。Virtual PC、VMware、Virtual Box 等虛擬機正是這樣一類軟件，他們可以在 Windows 平臺下虛擬出多臺電腦，在一臺機器上同時運行二個或更多的操作系統(tǒng)，并進行數(shù)據(jù)交換，方便快捷。虛擬機可以說是一種軟件，也可以說是一種技術，它允許你在一臺主機上虛擬出多臺電腦，并在虛擬出的電腦上安華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文）38裝不同的操作系統(tǒng)。這里我們采用 VMware Player 虛擬機軟件，它是 VMware Workstation 的精簡版；用戶可以在一臺機器上同時運行多個操作系統(tǒng)。多個操作系統(tǒng)在主系統(tǒng)的平臺上,可像 Windows 應用程序那樣切換，而且每個操作系統(tǒng)都可以進行虛擬的分區(qū)、配置而不影響真實硬盤的數(shù)據(jù)。（2）ARM 平臺 Linux 系統(tǒng)搭建為了提高嵌入式開發(fā)效率，一個完善的嵌入式開發(fā)環(huán)境是必不可少的。具體過程如圖 51 所示，宿主機即為裝有 Linux 操作系統(tǒng)的 PC 機，目標機即為ARM 架構裝有 Linux 開發(fā)環(huán)境的硬件平臺，搭建過程需要將三個文件以件燒錄至 ARM 開發(fā)平臺，即系統(tǒng)引導代碼 uboot、Linux 內核鏡像文件 和文件系統(tǒng) 。JTAG 電纜串行電纜Ether 網(wǎng)交叉電纜HOST(PC) TARGET圖 51 宿主機和目標機的連接（3）引導程序 BootLoader系統(tǒng)引導代碼程序即 BootLoader，就是在操作系統(tǒng)內核運行之前運行的一段小程序。通過這段小程序，我們可以初始化硬件設備、建立內存空間映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適狀態(tài)，以便為最終調用操作系統(tǒng)內核準備好正確的環(huán)境。BootLoader 的作用是用來加載操作系統(tǒng)。從主機下載的文件通常首先被BootLoader 保存到目標機的 RAM 中，然后再被 BootLoader 寫到目標機的FLASH 類固態(tài)存儲設備中。BootLoader 的這種模式通常在第一次安裝內核與根文件系統(tǒng)時被使用；此外，以后的系統(tǒng)更新也會使用 BootLoader 的這種工作模式。工作于這種模式下的 BootLoader 通常都會向它的終端用戶提供一個簡單的命令行接口。（4）文件系統(tǒng)Linux 內核本身并不是操作系統(tǒng)，它是一個完整操作系統(tǒng)的組成部分。內核是操作系統(tǒng)的心臟，也是系統(tǒng)的大腦。它控制著基本系統(tǒng)的硬件，管理虛擬內存、任務、共享庫、需求加載、可執(zhí)行程序和 TCP/IP 網(wǎng)絡功能等。文件系統(tǒng)是對一個存儲設備上的數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)進行組織的機制，這種機制有利于用戶和操作系統(tǒng)的交互。根文件系統(tǒng)首先是一種文件系統(tǒng)，該文件系統(tǒng)不僅具有普通文件系統(tǒng)的存儲數(shù)據(jù)的功能，相對于普通的文件系統(tǒng)，它的特殊之處在于，它是內核啟動時所掛載的第一個文件系統(tǒng)。內核啟動會在根文件系華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文）39統(tǒng)掛載后，運行文件根文件系統(tǒng)中的一些初始化腳本，啟動一些服務。（5）交叉編譯由于嵌入式設備沒有足夠的內存及存儲資源來完成其編譯過程，所以出現(xiàn)交叉編譯器這種編譯工具，能在一種平臺上編譯出能在另一種平臺運行的程序，即在 PC 平臺將程序編譯好，生成能在 ARM 平臺運行的可執(zhí)行程序只需將其移植到 ARM 平臺上運行即可。采用交叉編譯的主要原因在于多數(shù)嵌入式目標機不能提供足夠的資源供編譯過程使用，只好將編譯工作轉移到宿主機中進行。交叉編譯環(huán)境是一個由編譯器、連接器和解釋器組成的綜合開發(fā)環(huán)境。交叉編譯工具主要包括針對目標系統(tǒng)的編譯器 FGG、目標系統(tǒng)的二進制工具 binutils、目標系統(tǒng)的標準 C 庫 glibc 和目標系統(tǒng)的 Linux 內核頭文件。 Linux 應用系統(tǒng)開發(fā)流程系統(tǒng)搭建流程圖如圖 52 所示，其中包括 PC 平臺 Linux 虛擬機環(huán)境建立、QT 環(huán)境安裝、ARM 平臺 Linux 系統(tǒng)搭建。燒寫 Uboot燒寫系統(tǒng)燒寫根文件系統(tǒng)打開虛擬機添加 Linux 虛擬鏡像安裝 VMware Player圖 52 系統(tǒng)環(huán)境搭建流程 遠程 PC 子系統(tǒng)的軟件設計