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基于 ARM 智能家居 控制系统
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曲阜师范大学硕士学位论文基于ARM的智能家居控制系统姓名:刘传朋申请学位级别:硕士专业:控制理论与控制工程指导教师:王强德20090401摘 要近年来,随着电子技术的发展,消费电子产品(Consumer Electronics)已与计算机(Compmer)、通信(Communication)两项产品的技术结合在一起,成为目前所统称的3C产品,并使家用电子电器产品步向智能家居的方向。但是目前大多数智能家居系统其控制器一般由8位或16位的单片机控制,其控制功能比较简单,很难实现网络化和无线传输,对于未来的智能家居系统的扩展性也比较有限。本文针对目前国内智能家居系统的局限性,提出一种基于嵌入式处理器ARM平台以及以太网和GPRS网络通信技术的智能家居系统,它不仅能对小区内住宅的安全状况进行实时监控,还能实现家用电器的远程控制、“三表’’(即水表、电表、燃气表)的远程抄送。同时该系统还提供了规范的串行通信接口,对于未来的系统的扩展提供了广阔的空间。本文首先详细的介绍了ARM处理器及嵌入式操作系统uClinux的发展概况,接着讨论了GPRS网络通信技术的工作原理,最后给出了智能家居控制系统的硬件设计和软件设计。该智能家居系统的硬件主要包括ARM主控模块的选型、报警I/O电路设计、以太网接口电路设计、图像处理模块电路和“三表“的串行口电路组成。软件上主要包括uClinux在$3C4510上的移植、图像采集与压缩程序、以太网驱动及通讯程序、RS-485串行接口程序、GPRS网络通信程序和报警I/O接口程序。该系统主要部分包括小区内住宅的安防监控,GPRS无线智能家电的远程控制和无线报警以及抄表的远程传送。利用当前较为成熟的GPRS技术和以太网实现对小区内用户进行集中安防监控与管理,同时给出了系统的功能和结构以及硬件原理框图和软件设计思路及主要程序。关键词:ARM,GPRS,以太网,图像处理,智能家居AbstractIn recent years,with the development of electronic technology,consumer electronicscombines witll computer,communication technology.It is collectively known as the 3C products,and make home electronics and electrical Products moving towards the direction of Intelligenthome.However,the majority of its Intelligent home system is usually controled by 8 or 1 6-bitsingle—chip,and its control functions are relatively simple.It is difficult to achieve networkingand wireless transmission.The future expansion of the Intelligent home system iS also morelimited.witll current limitations of Intelligent home system,this paper Proposes Intelligenthome system based on ARM embedded processors,as well as Ethernet and GPRS networkcommunication technology.It not only Can real—time monitor the safety conditions of thecommunity of residential,but also realize the remote control of home appliances and也e”three-sheet”(water meters,electricity meters,gas meter)remote copy.At the same time,the system also provides a standard serial communication interface,and it Can provide a broadspace for the future expansion of the system.The article fast introduced the ARM processor and the development of uClinux embeddedoperating system,and then discussed Principle of the GPRS network communication technology·finally the Intelligent home control system hardware and software are designed。The hardwarecontrol modules of intelligent home system mainly include ARM selection,alarm I/O circuitdesign,Ethernet interface circuit design,image processing module circuit and the”Three Tables”component of the serial port circuitry.On me software it mainly includes uClinux on$3C45 10transplant, image acquisition and compression process,the Ethernet driver and thecommunication process.RS.485 serial interface procedures,GPRS network communicationprocedures and alarm I/O interface program.The main part of the system is the community residential home security monitoring,GPRSwireless intelligent home appliances remote control, and at the same time include wirelessalarm and remote transmission of meter reading.using the current mature GPRS technology andthe ethernet,The residential district user is concentrated the peaceful against monitoring and themanagement.at the same time System function and structure as well as the block diagram ofhardware and software design ideas and main procedures ale proposed.Keywords:ARM,GPRS,Ethemet,Image processing,Intelligent home.曲阜师范大学硕士学位论文原创性说明本人郑重声明:此处所提交的硕士论文《基于ARM的智能家居控制系统》,是本人在导师指导下,在曲阜师范大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。论文中除注明部分外不包含他人已经发表或撰写的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体,均已在文中已明确的方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名:女j经肌 日期:沙尹y·2夕曲阜师范大学硕士学位论文使用授权书《基于ARM的智能家居控制系统》系本人在曲阜师范大学攻读硕士学位期间,在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归曲阜师范大学所有,本论文的研究内容不得以其他单位的名义发表。本人完全了解曲阜师范大学关于保存、使用学位论文的规定,同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本,允许论文被查阅和借阅。本人授权曲阜师范大学,可以采用影印或其他复制手段保存论文,可以公开发表论文的全部或部分内容。作者签名:叉Vl钮励j 日期:p吁s.2矿导师签名: 诜掩摩 日期: 弋、氓差壬叁婴鲍蟹缝塞星控割垂缝第一章绪论1.1课题背景随着现代电子科学技术的发展和人民生活水平的提高,人们对居住环境的要求也越来越高。以往只追求居室的空间和豪华装修,现在更要追求居室的安全、舒适、便捷和智能化,这样智能化家居的概念已为人们所逐步了解并接受。智能家居兴起于上世纪80年代的欧美和日本等国家,90年代末引入我国。智能家居是利用微处理电子技术来集成或控制家中的电子电器产品或系统。智能家居系统主要是以一个中央控制器(Central ProcessorUnit,CPU)接收来自相关电子电器产品的信息后,在以既定的程序发送适当的信息给其它电子电器产品,从而来控制家中的电子电器产品。中央微处理器必须通过许多介质(Interface)来控制家中的电子电器产品,这些介质既可以是键盘,又可以是触摸屏、按钮,电话机,手动遥控器等;消费者通过这些介质来发送信号至中央微处理器,或者接收来自中央微处理器的信号。本文提出一种基于ARM嵌入式处理器、以太网和GPRS通信技术的智能家居控制系统,他既能对小区内住宅的安全状况不断进行监控及报警处理,又能实现“三表“(水表、电表、燃气表)的远程抄表Ⅲ,同时还给出了标准化的USB和12C接口协议和设备文件,对于未来家居功能的扩展,具有很好的现实意义。1.2课题目标智能家居的基本目标是为人们提供一个舒适、安全、方便和高效率的生活环境。首先是一个安全的家庭体系,这其中既包括人身安全又包括家庭财产安全;其次是一个舒适、便捷的居住环境。为了实现这种安全体系,就需要配备相关的防卫措施,例如电子门禁系统、电子防盗系统、火灾报警系统、室内有毒/有害气体的检测与报警系统等。为了具有一个舒适、便捷的居住环境,就要配备三表(水表、电表、燃气表)的远程抄表系统,还要有一个遥控控制系统来实时控制家中的智能化家用电器(如电动窗帘,用户上班时看见天气晴朗把窗帘打开,在上班的时候突然天空乌云密布,这样可以通过遥控器来控制电动窗帘的关闭)。针对智能家居所要实现的主要目标,本文的主要任务是不仅对住宅小区中的用户安全状况进行集中监控和管理,还可以实现三表的远程抄表等功能,同时通过GPRS网络通信来控制家中的智能化家用电器。因此该系统应该可以实现以下功能:(1)现场图像拍摄报警功能当有小偷闯入时,红外或门磁传感器将触发报警,系统立刻启动摄像头,对现场进行拍摄,把拍摄的图像通过以太网发送到监控中心的主机上显示并进行备份,同时发出报警信号。(2)智能化家用电器的远程控制通过遥控器对智能化家用电器的控制、调节和检测。如电动窗帘、洗衣机的开启与关闭,空调的温度控制,风扇的风量调节等。(3)“三表’’的远程抄送功能用户可以主动读取家中当月或当年水表、电表、煤气表的用量和总量,并根据其价格计算其费用馏1。(4)家居的安全监控当有火灾、燃气泄漏等危急事件时,监控系统能够实时地监测到险情,并通过以太网向监控中心发送告警信息,还要以GPI峪网络通信方式通知户主。1.3课题总体设计方案智能家居系统由ARM主控模块、图像处理模块、以太网接口模块、GPRS网络通信模块、报警输入输出模块和串行接口模块等部分组成。其系统的硬件结构如图1.1:图卜1系统硬件结构主控模块硬件采用ARM7平台,软件采用嵌入式实时操作系统uClinux。系统中ARM控制器的主要作用是实现接受和传输视频数据、以太网通信、GPRS网络通信、报警输入输出I/O口、读取“三表“数据和其它部分进行控制等功能。系统工作时,主控模块循环检测安装在室内的门磁、红外、烟雾、燃气监测等传感器,当检测到有异常情况发生时,主控模块警笛发出告警声音,并开启监控系统,把拍摄到的图像通过以太网传送到监控中心,同时通过GPRS网络向用户发送告警信息。主控模块还可以循环接收用户下发的数据请求命令,并对这些命令进行解析。如果是查询传感器及门2磁状态,主控模块对相应传感器的状态进行检测,向用户返回传感器的状态信息;如果是查询水表、电表或者煤气表的用量命令,主控模块根据“三表’’的RS一485协议,构造查询帧命令,发送相应的查询命令,将“三表”返回的数据按照系统的通信协议打包,通过主控模块控制的以太网发送到监控中心。监控中心接收到主控模块发送的数据后,先对数据帧进行解析。若是告警信息,则监控中心将根据不同的告警播放相应的告警提示音,提醒管理人员作出处理。当有告警发生时,监控中心通过RS一232接口输出AT指令,通过GPRS网络向系统预先设置好的住宅主人的手机号码发送告警短信,通知户主家中有警情发生。同时,物业管理中心还将把告警事件以日志的形式记录下来,以便事后对告警信息进行查询;当接收到的数据帧是抄表命令返回的数据时,监控中心将把数据写入到系统数据库。同时,在显示界面上弹出一个新窗口,显示户主信息、查询时间、表的用量、相应费用等信息。1.4研究现状智能家居对于大众来说并不陌生,但往往仅限于概念的层面,感觉那都是在电影里、展览会上才能看到,或者只有在大城市的别墅、高档住宅才有。那么,对于大部分普通住户来说,智能家居到底离我们有多远?在我们的日常生活中,也接触过智能家居产品,例如声控灯、可视对讲机、监控安防系统等,目前有许多类似的智能技术已经出现在我们的生活中,但这些仅是低层次的智能家居产品,大多数设计的智能家居系统其控制器一般由8位或16位的单片机控制,其控制功能比较简单,很难实现网络化和无线传输,对于未来的智能家居系统的扩展性也比较有限。对于目前国内智能家居系统的局限性,本文提出了一种基于ARM处理器、以太网通信和GPRS无线传输技术的智能家居系统。该系统既能对小区内住宅的安全状况进行监控,还可以实现智能家用电器的远程控制,有可以实现“三表“的远程抄表等功能。口1同时该系统提供了规范的串行通信接口,对于未来的系统的扩展提供了广阔的空间。1.5本课题主要工作及意义本文主要介绍了一种基于嵌入式处理器ARM平台、以太网和GPRS无线通信技术的智能家居系统。该系统主要部分包括住宅小区的家居安防监控、图像监控、智能家电的远程控制以及“三表“的远程抄送。利用当前比较成熟的GPRS无线通信技术和以太网实现对小区内用户进行集中安防监控与管理,并给出了系统的功能和结构以及硬件和软件设计。本课题的主要工作如下:第一章简单介绍了课题的背景、主要目标、总体设计方案及所做的主要工作等。第二章介绍了嵌入式系统的概述,ARM的处理器的特点及应用领域和比较流行的ARM7系列的处理器的特点,接着对嵌入式uClinux系统做了系统概况。最后对GPRS的形成、GPRS的工作原理和主要特点做了系统分析。第三章主要是智能家居系统的硬件设计。内容包括ARM主控模块的选择、报警I/O电路的设计、以太网电路的设计、图像采集和图像压缩电路的设计、三表的串行RS一485通信电路的设计等。第四章是智能家居系统的软件设计。内容包括图像采集和图像压缩软件的设计、报警I/O软件的设计、串行中断程序的设计、以太网程序的设计等。第五章是结论和展望,主要说明了本课题采用的新方法及需要完善的地方。本系统不仅实现了对小区内用户的安全状况集中管理与监控,还实现了对智能家用电器的远程控制,同时还可以完成水表、电表、煤气表的远程抄送。该系统在实用性、可靠性以及成本等方面都做了充分的考虑,同时为了未来的发展需求还设计了规范的串行12C总线接口,因此相信该系统将会有广阔的应用前景。4第二章嵌入式系统与GPRS概述2.1嵌入式系统2.1.1嵌入式系统简介随着嵌入式系统在消费类电子、工业控制、航空航天、汽车电子、医疗保健、网络通信等各个领域的广泛应用,嵌入式系统这个名词已经被各行各业的人所熟悉, 嵌入式系统已经走进了人们的生活,它正在以各种不同的形式改变着人们的生产、生活方式。嵌入式系统,英文为Embedded System,从广义上讲,凡是带有微处理器的专用软、硬件系统都可称为嵌入式系统。如各类单片机和DSP系统,这些系统在完成较为单一的专业功能时具有简洁高效的特点。但是由于它们没有使用操作系统,所以管理系统硬件和软件的能力有限,在实现复杂的多任务功能时往往困难重重,甚至无法实现。从狭义上讲,是指那些使用嵌入式微处理器构成的独立系统,并且有自己的操作系统,具有特定功能,用于特定场合的系统。本书中所说的嵌入式系统是指狭义上的嵌入式系统。到目前为止,对于嵌入式系统还没有一个明确的定义。嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器,该处理器都是RISC(Reduce Instruction Set Computing,精简指令集计算机)的处理器内核H1。嵌入式微处理器主要有以下特点:●对实时多任务有很强的支持能力,能完成多任务并且有较短的中断响应时间,从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。●具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化,而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用,需要设计强大的存储区保护功能,同时也有利于软件诊断。●可扩展的处理器结构,以便最迅速地开发出满足应用的高性能的嵌入式设备。●嵌入式微处理器必须功耗很低,尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此。2.1.2 ARM--Advanced R l SC Mach i nes1、ARM的概念ARM公司是一家知识产权(IP)供应商,它与一般的半导体公司最大的不同就是不制造芯片且不向终端用户出售芯片。而是通过转让设计方案,由合作伙伴生产出各具特色的芯片。ARM公司利用这种双赢的伙伴关系迅速成为了全球性RISC微处理器标准的缔造者。这种模式也给用户带来巨大的好处,因为用户只需掌握了一种ARM内核结构及其开发手段,5就能够使用多家公司相同ARM内核的芯片。目前,总共有超过100家公司与ARM公司签订了技术使用许可协议,其中包括Intel、IBM、LG、NEC、SONY、NXP(原PHILIPS)和NS这样的大公司。至于软件系统的合伙人,则包括微软、升阳和MRI等一系列知名公司。ARM架构是ARM公司面向市场设计的第一款低成本RISC微处理器,它具有极高的性价比和代码密度以及出色的实时中断响应和极低的功耗,并且占用硅片的面积极少,从而使它成为嵌入式系统的理想选择,因此应用范围非常广泛,比如手机、PDA、MP3/MP4和种类繁多的便携式消费产品中伍1。2、ARM微处理器的应用领域到目前为止,ARM微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域:●工业控制领域:作为32的RISC架构,基于ARM核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额,同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展,ARM微控制器的低功耗、高性价比,向传统的8位/16位微控制器提出了挑战。●无线通讯领域:目前已有超过85%的无线通讯设备采用了ARM技术,ARM以其高性能和低成本,在该领域的地位日益巩固。●网络应用:随着宽带技术的推广,采用ARM技术的ADSL芯片正逐步获得竞争优势。此外,ARM在语音及视频处理上行了优化,并获得广泛支持,也对DSP的应用领域提出了挑战。●消费类电子产品:ARM技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。●成像和安全产品:现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM技术。手机中的32位SIM智能卡也采用了ARM技术。除此以外,ARM微处理器及技术还应用到许多不同的领域,并会在将来取得更加广泛的应用。嘲3、ARM微处理器的特点采用RISC架构的ARM微处理器一般具有如下特点:一体积小、低功耗、低成本、高性能;一支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集,能很好的兼容8位/16位器件;一大量使用寄存器,指令执行速度更快;一大多数数据操作都在寄存器中完成;一寻址方式灵活简单,执行效率高;一指令长度固定。口14、ARM7微处理器系列ARM7系列微处理器为低功耗的32位RISC处理器,最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用,被广泛应用于工业控制、网络设备、数据通信等领域。目前,ARM7系列微6
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