基于嵌入式的智能家居控制系统

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串口通信方式
• 数据通信是触摸式液晶屏控制的核心，选择串口通信方式，实现触 摸屏与 ZigBee 协调器之间的数据通信。串口通信属于异步通信， 按位发送和接收字节， 端口可同时进行数据读、写等操作。串口通 信布线简单，经地线、发送、接收 3 根线即可实现设备之间的连接。 串口设备与其他硬件设备一样，在 Linux 系统中 是以设备文件的形 式存在，编写串口驱动模块，以insmod 方式将驱动模块加载到 Linux内核，运用Qt串口通信类和Linux系统调用进行串口数据操作。
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• Linux 操作系统是系统软件层核心，负责系统的资源分配和任务调 度，包含 各种硬件驱动程序，针对具体应用可以对系统内核进行 裁剪，减少内核文件数量， 提高系统运行速度。
• 应用软件层位于整个系统的最顶层，由 Email、文字处理、通讯软 件、个人 信息处理和人机交互软件等组成，根据具体需求，有针 对性地在应用软件层上进 行开发，实现人机交互。
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系统测试
• 根据前面的设计思路和实现功能，对智能家居控制系统的各个模块进 行 测试，包括嵌入式系统、硬件设备、触摸式液晶屏界面和浏览器页面。 对系统整体进行测试并记录测试数据，测试数据表明，系统工作稳定， 实现设备的运行状态控制，顺利完成最初的设计思路和实现功能。
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参考文献
• 王统 基于嵌入式的智能家实例分析——智能家居控制系统
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Thank You ！
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谢谢！
（4）多种电源管理模式：普通模式，正常运行模式；空闲模式， 停止 CPU 的时钟；睡眠模式，关闭所有外设电源；
（5）丰富的扩展接口：触摸屏、IIC 总线、IIS 总线、SD 主机、 USB 主机 和 SPI 接口等。
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触摸式液晶屏控制
触摸式液晶屏控制实现方案包 括操作界面与串口通信，操作 界面由 Qt 界面 程序实现，串 口通信由串口驱动、Qt 串口通 信类和 Linux 系统函数共同完 成， 图 3.2 所示是触摸式液晶 屏控制方案设计。
（1）完整的体系结构：具有丰富和强大的指令系统，MMU 支持多种操 作 系统，缓存结构能减少执行的带宽和延迟性；
（2）强大的系统管理：具有大小端转换模式，存储器有完整的访问周期， 在掉电时能够自动更新，配有多种不同的启动模式；
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（3）高速缓存存储器：由 64 路的指令和数据缓存组成，可以进 行直写和回 写操作；
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总结与展望
• 根据嵌入式技术的自身特点和智能家居市场的发展状况，提出了系统设 计方案及架构，实现智能家居系统的家居设备的环境温度采集和灯光、 窗帘、空调控制等功能。
• 随着物联网的不断发展，软件架构的日趋完善，芯片集成度的不断提升， 都将为智能家居控制领域提供更大的发展和提升空间，扩大智能家居产 品市场。为人们带来更加便利、更加安全舒适的生活。
基于嵌入式的智能家居控制系统
智能家居控制系统概述：
• 智能家居系统是利用先进的计算机技 术、网络通讯技术、智能云端控制、 综合布线技术、医疗电子技术依照人 体工程学原理，融合个性需求，将与 家居生活有关的各个子系统如安防、 灯光控制、窗帘控制、煤气阀控制、 信息家电、场景联动、地板采暖、健 康保健、卫生防疫、安防保安等有机 地结合在一起，通过网络化综合智能 控制和管理，实现“以人为本”的全 新家居生活体验。
（2）服务器返回响应，嵌入式系统中的 Web 服务器接收到请求报文后， 对 报文进行解析，根据 URL 地址和请求方式在文件系统中查找相应的文 件，将文 件以响应报文的形式返回给浏览器，响应报文包括报文头与报 文体。
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（3）调用后台 CGI 程序，实现控制主板与 ZigBee 协调器之间的串口通信。 CGI 程序获取从浏览器发送过来的环境变量，根据变量的字节数，开辟内存空 间 创建具体对象或结构体，运用系统函数去操作串口文件设备，向串口设备 发送和接收数据。 （4）浏览器收到响应进行解析，将文件以网页形式在浏览器上呈现，文件 包 括 Html 文件、JavaScript 文件、样式表和图片等。这些文件不是由 Web 服 务 器一次性传递给浏览器，存在先后顺序，Web 服务器先将 Html 文件发送 给浏览 器，浏览器接收到文件后进行加载，发现 Html 文件中包含 JavaScript 文件会再 次发送请求，向 Web 服务器请求 JavaScript 文件，收 到请求后，Web 服务器根据 请求再次从文件系统中找到相应文件，将它返还 给浏览器，其他文件也一样。经 过多次请求和响应，当浏览器接收完所有需 要的数据后会停止请求，网页加载成功。
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系统硬件
•选择 Samsung 公司生产的 S3C2440 微处理器，它 是基于 ARM 公司设 计的 ARM920T 内核，是一款 32 位 RISC 微处理器。S3C2440 微处理器 配有 CMOS 标准宏单元和存储器单元，在高性能和低功 耗方面提供最佳 特性，具体有以下几点：
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• Qt 界面设计由安全设置、家电控制和环境信息三部分构成。安全 设置是从 系统和住户的安全性方面考虑，防止外人进入系统，对 家居设备进行操控和获取 信息，造成安全和财产方面的损失；家 电控制主要包括灯光、窗帘和空调控制； 环境信息是用温湿度传 感器，对室内的温度和湿度信息进行采集。
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操作界面
• 操作界面主要使用Qt技术，Qt 是一款基于 C++语言进行开发的 图形界面软件，它支持跨平台运行，对 于不同的操作平台有对 应的 Qt 软件安装包，Qt 专用性强、占用资源少、无需额 外安 装其他软件。在计算机中安装 X86 和嵌入式两个 Qt 软件版本， 将编写好的 Qt 文件经嵌入式版本下的 Qt 类库进行编译，生成 可执行程序，经 NFS 根文件系 统将程序拷贝到嵌入式主板中， 启动主板，程序可在触摸屏上运行。
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智能家居研究背景及意义
• 随着信息技术的发展和物质生活水平的提高，人们对家居生活环境的要 求越 来越高，家居不仅是居住的场所，也是休闲、娱乐的地方[1]。目 前，高科技已经 应用于智能住宅中，智能的含义也在不断地深入和变革， 不仅是对家居设备进行 控制，而且希望能够随时随地地了解家中情况并 对其进行远程控制。
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• 嵌入式硬件平台是系统架构的基础，决定系统所具有的功能， 上层结构都是基于这些功能进行开发的。硬件平台有微处理 器、存储器（ROM、RAM等）、通用外围设备接口（SPI、 I2C、USB 等）和 I/O 接口（数模转换接口、模数转换接口、 输入/输出等）。微处理器、时钟芯片和存储器芯片组成嵌入 式核心控制模块，可根据任务需求，添加控制模块的外围电 路，实现功 能扩展。
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嵌入式系统搭建
嵌入式系统搭建如图 2.3 所示，主要分为 uboot 程序、Linux 内核和根文件 系统。uboot 程序包 括引导程序和启动参数；Linux 内核是嵌入式中的 操作系统； 根文件系统包括系统文件和应用程序 等。
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• uboot 是由 DENX 团队开发，用于多种嵌 入式 SOC（X86、 ARM 等）的 BootLoader 程序。uboot 是通用的 BootLoader 程 序，一是它能够加载多种不同的操作系统（如 Linux、VxWorks 等）；二是它支持多种架构的微处理器（如 PowerPC、x86、 ARM 等）。uboot 操作模式分为启动模式和交互模式，启动模式 用于初始化硬件设备、设置内存空间映射和为后续 的内核启动做 准备；交互模式用于文件下载，将内核镜像等系统文件下载到内存。
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浏览器控制
• 运用 B/S 模式实现浏览 器控制，B/S 模式的工 作框架如图 4.1 所示， 包括 浏览器、Web 服 务器、后台 CGI 程序和 ZigBee 协调器。
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工作流程
（1）浏览器发送请求，在地址栏中敲入网页控制系统的 URL 地址，浏 览器 遵循 Http 和 TCP/IP 协议生成请求报文，将请求报文发送给服务器， 报文里面包 括 URL 地址、请求方式和状态码等信息。Http（超文本传 输）协议属于应用层 协议，用于浏览器与服务器之间的超文本文件传输。 TCP/IP 协议称为网络通讯 协议，属于传输层协议，由网络层的 IP 协议 和传输层的 TCP 协议组成，TCP/IP 协议定义设备如何连入 Internet 和 数据如何在它们之间传输。
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• Linux 内核是嵌入式操作系统的核心，主要实现存储 管理、设备驱 动挂载、文件管理、进程管理、网络通信和系统调用等功能。 选择 Linux 作为嵌入式操作系统，原因有三点：第一专用性强，针对不 同任务可对内核进行裁剪，精简内核、提高工作效率和稳定性；第 二功能强大，Linux自带虚拟文件系统和内存管理，支持 YAFFS2、 CRAMFS等多种格式的文件，支持多种设备驱动，包括网卡、音频 和 USB 驱动等，支持多种网络协议，具有完善 的网络服务；第三 Linux 内核源代码是开放的，不存在黑箱技术，有众多的志愿开发 者在协同工作，为 Linux 提供强大的技术支持。
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• 根文件系统与普通的文件系 统不同，它是Linux 启动后 去挂载的第一个文件系统。 根文件系统按照树型结构组 织，包含系统运行 需要的文 件和程序，如内核镜像文件、 嵌入式 Qt 软件等。根文件 系统包含的目 录有固定的命 名，表 2.1 所示是根文件系 统中的目录名及其说明。
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智能家居系统的系统总设计：
嵌入式系统设计 硬件设备 触摸式液晶屏控制 浏览器控制 系统测试
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嵌入式系统
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嵌入式系统架构 嵌入式系统搭建
嵌入式硬件平台
系统软件层 应用软件层 Uboot程序
Linux内核
根文件系统
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嵌入式系统的架构
嵌入式系统是以应用为中心、计算 机技术为基础、软件硬件可裁剪， 对功能、 体积、功耗、可靠性要求 严格的专用计算机系统。嵌入式系 统组成如图 2.2 所 示，由硬件平台、 系统软件层和应用软件层组成。硬 件平台包括微处理器和外围设备等； 系统软件层包括操作系统、根文件 系统和底层驱动；应用软件层包括 各种应用程序，如Qt应用程序。