远程家电控制技术报告

基于嵌入式Linux技术的远程家电控制系统设计
—嵌入式应用软件设计实训
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课程名称：《嵌入式应用软件设计实训》
指导教师：朱其慎
提交日期：2011年11月5日
摘要
随着科学技术的发展和人们物质生活水平的不断提高，人们对生活的安全、舒适、方便等方面的要求越来越高。

技术的发展推动社会信息化的不断发展，特别是智能家居、信息家电等概念的出现，使家庭作为社会信息终端的作用日趋显著，人们对家居控制系统等智能家居产品也充满了期待。

论文分析了家居控制系统的起源、发展和研究现状，在对相关技术进行分析论证的基础上，针对目前移动通信工具比较普及，家居内部以传统电器为主的特点，提出通过移动通信手段实现家居的对外联系，通过电力线载波通信技术实现家居内部的互联和传统家电控制的方案，实现了家居控制系统互联和控制的功能。

论文给出了基于ARM的远程家电控制系统的总体设计方案和部分实现细节，主要工作包括:
1.针对家庭网络中，用户需要远程控制家电的功能需求，设计了利用GSM模块的短信功能来实现家电远程控制的方案。

在分析GSM通信协议的基础上阐明了中文短消息的编解码方式与收发控制，讨论了在嵌入式系统中实现中文短消息编解码的方法。

2.以C/OS-II嵌入式实时操作系统为软件平台，以低功耗、高可靠性的32位ARM微处理器LPC2114作为主控芯片，采用模块化编程思想完成了短信收发、液晶显示、键盘功能、电力线载波通信、继电器控制等功能模块的程序编写。

3.利用电力线载波通信技术将家庭内部各电器设备联系起来，组建了家庭控制网络，并设计了控制网络数据通信协议，确保通信的可靠性。

4.完成了基于8051单片机的控制模块的外围硬件和相关软件的编写，对整个远程家电控制系统进行了测试，达到了预期的效果。

基于ARM的远程家电控制系统把人们日常所用的通信工具作为家电控制系统的移动终端，使人们随时随地可以控制家电的状态，拓展了人们的生活空间。

试验结果表明，采用该方案搭建的远程家电控制系统使用方便、通用性好、控制响应时间短，能满足人们的日常生活需要。

说明：由于时间、经济、人力、物力等方面的限制，我们无法真正做出远程家电控制系统，以下是我们组对远程家电控制系统做的模拟实验，主要功能是远程控制LED等的闪烁，直流电机的控制以及步进电机的控制等等。

目录
前言 (4)
第一章远程家电控制介绍 (5)
1．1 远程家电控制系统的组成和功能 (5)
1．2 远程家电控制系统的技术现状 (6)
1.2.1 远程家电控制系统的网络技术现状 (7)
1.2.2 远程家电控制系统的控制器技术现状 (7)
第二章 (7)
2．1 GEC2410B实验箱外观图 (7)
2．2 GEC2410B试验箱的硬件构成 (8)
第三章几种家电远程控制系统的比较 (9)
3．1 ARM ADS 集成环境简介 (9)
第四章方案论证与系统总体设计 (14)
4. 1 方案认证与电路设计 (14)
4. 2 系统总体设计 (15)
第五章系统详细设计 (16)
5．1 输入设备的应用 (16)
5．2 控制设备的应用 (18)
5．3 连接设备的应用 (19)
5．4 输出设备的应用 (20)
第六章系统整合与测试 (21)
结论 (24)
致谢 (25)
参考文献 (26)
附录 (27)
前言
随着网络通信技术、计算机技术、电子技术和智能传感技术的发展和人们物质生活水平的不断提高，人们对生活的安全、舒适、方便和符合绿色环境保护等方面的要求越来越高，同时技术的发展也促进社会信息化的不断推进。

家庭是社会最基本的要素，家庭信息化既是对社会信息化的支撑，也是社会信息化的必然要求。

上海、深圳等东部沿海城市甚至开始通过地方法规等行政手段逐步推进智能社区、智能家庭等社会基础元素的信息化进程。

家居控制系统作为智能家居系统的重要组成部分，无疑是其中的重要技术手段和今后社会的基础信息结点。

开发智能家居相关产品不仅能够满足人们生活的需要，对整个社会信息化进程的推动作用也不可忽略。

自1984年世界上第一幢智能建筑在美国出现后，“智能家居”逐步走入人们的视野，美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居方案，并在美国、德国、新加坡、日本等国得到应用。

20年后，智能建筑也在我国扎根发芽，并从单一的建筑单元深入到家庭个体中，智能家居逐步形成。

“智能”也从20多年前简简单单的电话通话，发展到现在遍及人们生活的每个环节:智能控制灯光、智能控制开关门、智能化冰箱、智能操作的洗衣机、智能防盗系统、智能调节室温感应等。

智能家居，或称智能住宅，在英文中常用Smart Home。

同时与智能家居含义近似的还有家庭自动化(Home Automation)、电子家庭(Electronic Home, E-home)、数字家园 (Digital Family)、家庭网络((Home Net/Networks for Home)、网络家居(Network Home),智能家庭/建筑(Intelligent HomeBuilding)，在香港、台湾等地区还有数码家庭、数码家居等称法。

尽管名称五花八门，但它们的含义和所要完成的功能大体是相同的:首先，它们都要在家居中建立通信网络，为家庭信息提供必要的通路，在家庭网络的操作系统控制下，通过相应的硬件和执行机构，实现对所有家庭网络上的家电和设备的控制和监测;其次，它们都要通过一定的媒介，构成与外界的通信通道，以实现与外部世界的信息沟通，满足远程控制、监测和交换信息的需求;最后，它们的目的都是为满足人们对安全、舒适、方便和符合绿色环境保护的需求。

第一章远程家电控制介绍
1.1远程家电控制系统的组成与功能
远程家电控制也称为智能家居，它是一个典型的集计算机、通信和消费在一起的3C(Computer, Communication and Consumer)系统，利用先进的计算机技术、网络通信技术、电子技术和智能传感技术，将与家居生活有关的各种子系统有机结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效，是整个世界所形成的巨型网络的末端。

把自动控制技术以及计算机网络技术、通信技术引入家居，实现对家用电器设备自动控制和调节的家居控制系统是智能家居中必不可少的基础组成部分。

智能家居的功能分为三个层次。

首先是实现家庭网络监测与局域网/Internet的连接与通信;其次是实现远程的控制与浏览;第三是作为家庭媒体中心，实现音频和视频信息的综合预处理。

三个层次内容逐层推进，前者是后者的前提和基础。

显然，家居控制系统所要实现的是智能家居系统第二层次的功能，可以说，家居控制系统是第二层次的智能家居，同时家居控制系统也是智能家居最基础、最实用的组成部分，是智能家居发展的主要方向之一。

智能家居或家居控制系统由多种家庭信息终端或家用电器设备组成，要想将各成体系、互不相连的子系统协调起来，必须有一个兼容性强的家庭控制器和满足信息传输需要的家庭网络。

家庭控制器是系统的心脏，通过它实现系统信息的采集、信息输入、逻辑处理、信息输出、联动控制等功能。

家庭网络是系统的经脉，其包括两个层面:首先就是家庭信息终端之间的互联问题，也就是使不同家庭信息终端之间能够互相识别，协同工作;第二个层面是解决家居内外的沟通问题，使家庭中的信息网络真正成为世界网络的延伸。

两者协调工作才能构成一个完整的集家居通信、家居设备自动控制、家居安全防范等功能的家居控制系统。

1．2 远程家电控制系统的技术现状
1.2.1 远程家电控制系统的网络技术现状
要实现对家居状况的远程监测和对家庭信息终端的互操作，家庭网络的组网和接入是需要解决的关键问题。

从网络连接的角度看，家庭网络是指在家庭和社会的信息网络相连之前，将家庭内部所有的终端设备连接起来而形成的网络。

家庭网络技术的最终目标是使家居环境中的所有电子设备互联，电子设备之间、电子设备与外部环境之间能够相互通信。

国际上对家庭网络的研究起源于20世纪70年代，主要集中在美国、日本、德国、英国、法国等发达国家，但由于具有不同的目标和市场战略机制，一直没有形成统一的标准。

其中比较重要的有:美国的X10, CEBus(Consumer ElectronicBus)和LonWorks;日本的HBS(Home Bus System);欧洲的EIB(European InstallationBus)和EHS(EuropeanHomeSystem)。

目前，家庭网络有三种实现技术:一种是利用电话线作为传输介质构建系统，如家庭电话线连网联盟(Home PNA, Home Phoneline Networking Alliance);一种是利用计算机外部总线构建网络，如RS485, IEEE1394，以及以太网、Lonworks等网络;第三种是利用电力线构建的网络。

比如：IEEE1394总线:IEEE1394又称火线(FireWire)，是一种高速串行总线标准，其传输速度高达400Mbps。

由于市场竞争的缘故，IEEE1394开始一直受到冷遇，直到最近几年，由于其极大的带宽，支持同步和异步混合传输的技术特点，以及架构点对点通信的灵活性，使它广泛应用于信息家电通信、PC体系的连接及工业测控等领域。

目前IEEE1394的应用距离局限了它的应用范围，同时首字节延迟大、访问与延时随机性大等问题也急待解决。

电力线联网技术:即利用电力线作为传输媒介的通信技术。

典型的电力线联网技术主要由3部分构成:数字电力线、电力线交换技术及上层应用。

电力线本身的噪声和信号传输能力有限，这种技术并不适合数据的高速传输。

然而，电力网作为家庭内部最普遍存在的资源，有其存在的优势，若能实现以家庭电力网为家庭内部传输系统，建立家庭内的局域通信网，通过Internet、公用电话网，移动通信网为家庭远程控制的接入网，实现家庭网络与外部网络的连接，无疑有着美好的可靠的数据传输性能和低廉的成本。

1.2.2 远程家电控制系统的控制器技术现状
远程家电控制系统的控制器是典型的嵌入式系统，嵌入式系统以应用为中心，以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统等特征在家庭控制器中体现的尤为明显。

以单芯片为核心的可编程控制器的嵌入式系统，适用于一些专业性强的工业控制系统，一般通过汇编语言编程对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。

这样的系统机构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小，不适应效率高、需要大容量存储介质的现代化工业控制和新兴的家居控制系统核心控制部分的需要，但可以作为一些外围扩展的单一功能的选择方案。

采用嵌入式操作系统的嵌入式系统能够运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好，操作系统内核精小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性，具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能，还具有大量的应用程序接口((API)，开发应用程序简单。

此外，嵌入式应用软件丰富，而且朝着写Internet结合的方向不断发展，非常适用于由多种家庭信息终端组成，并且需要和外界联系的家居控制系统。

嵌入式操作系统方面，从八十年代起，国际上就开始进行一些商用嵌入式系统和专用操作系统的开发。

著名的嵌入式系统国外有:Windows CE, VxWorks, Palm OS, Linux, ,uC/OS-II等，国内有EEOS, HOPEN OS等。

相比之下，,}C/OS-II是一个免费的、源代码公开的实时嵌入式内核，提供了实时系统所需的基本功能。

}C/OS-II结构小巧，最小内核可编译至2K，即使包含全部功能如信号量、消息邮箱、消息队列及相关函数等，编译后的}C/OS-II内核也仅有6}lOK，所以它很适合用于小型嵌入式控制系统。

,uC/OS-II不仅使用户得到廉价的解决方案，而且由于,uC/OS-II的开放源代码特性，还使用户可针对自己的硬件优化代码，获得更好的性能[[iz]。

目前的嵌入式处理器主要包括有AM186/88, 386EX, SC-400, PowerPC, Motorola 68000, MIPS, ARM 系列等等。

其中ARM系列嵌入式处理器的应用已扩展到世界范围，占据高性能、低功耗、低成本的嵌入式应用领域。

作为32位嵌入式RISC微处理器业界的领先供应商，占有大于75%的市场。

ARM 处理器耗电少功能强、有16位//32位双指令集，并且有众多合作伙伴。

ARM处理器系列提供无线、消费类电子和图像应用的开放平台;存储、自动化、工业和网络应用的嵌入式实时系统;智能卡和SIM卡的安全应用的解决方案。

当前有多个产品系列一一ARM7, ARM9, ARM9E, ARM10和SecurCore等系列都比较成熟、可靠。

第二章ARM简介
2.1 ARM简介
ARM是Advanced RISC Machine的缩写，是微处理器行业的一家著名企业。

ARM处理器泛指所有使用英国ARM公司32bit处理器核所生产的各种处理器芯片。

ARM 32bit体系结构是目前业界公认的领先的32bit嵌入式RISC微处理结构。

ARM公司是一家知识产权(IP)公司，本身不生产芯片，而是将IP转让给其他半导体厂商进行进一步的外围设计，而后形成各种各有特色的ARM微处理器。

在全世界，共有30多家半导体厂商生产各种通用或专用的基于ARM 核的处理器，其中包括像Intel , Motorola, TI, Samsung, Altera, Philips等全球著名的厂商。

由于使用同样的内核系列，因此虽然各公司生产的芯片外围不尽相同，但是其处理器核心却是完全一样的，这给软件的移植和复用带来了巨大的便利。

2.2 ARM体系结构
ARM的设计实现了非常小、但是高性能的结构。

ARM处理器结构的简单使ARM的内核非常小，这样使器件的功耗也非常低，ARM是精简指令集计算机(RISC)，因为它集成了非常典型的RISC结构特性:
1.一个大的、统一的寄存器文件;
2.装载/保存结构，数据处理的操作只针对寄存器的内容，而不直接对存储器进行操作;
3.简单的寻址模式，所有装载/保存的地址都只由寄存器内容和指令域决定;
4.统一和固定长度的指令域，简化了指令的译码;
5.每一条数据处理指令都对算术逻辑单元(ALU)和移位器控制，以实现对ALU和移位器的最大利用;
6.地址自动增加和自动减少的寻址模式实现了程序循环的优化;
7.多寄存器装载和存储器指令实现最大数据吞吐量;
8.所有指令的条件执行实现最快的代码执行。

这些在基本RISC结构上增强的特性使ARM处理器在高性能、低代码规模、低功耗和小的硅片尺寸方面取得良好的平衡。

第三章GEC2410B试验箱的简介3. 1 GEC2410B 实验箱外观图
3. 2 GEC2410B 实验箱的硬件构成
◆采用三星公司的 S3C2410，主频可达 203MHz；
◆ 64M 字节的 SDRAM，由两片 K4S561632 组成，工作在 32 位模式下；
◆ 64M 字节 NAND Flash，采用的是 K9F1208，可以兼容 16M，32M 或 128M 字节；1M 字节NOR
Flash；
◆ 10M 以太网接口，采用的是 CS8900Q3，带传输和连接指示灯；
◆ 8 英寸宽屏TFT LCD 分辨率800X480,带触摸屏；
◆ 2 个 USB HOST，符合 USB 1.1，其中一个 USB HOST 接口与USB Device 接口复用；
◆ 1 个 USB Device，符合 USB 1.1；
◆支持音频输入和音频输出，音频模块由 S3C2410 的 IIS 音频总线接口和 UDA1341 音频编码解码
器组成，板上还集成了一个 MIC，用于音频输入；
◆ 3 路 UART 串行口，波特率可高达 115200bps，并具有 RS232 电平转换电路，其中1 路是9 线制
全串口，可以连接MODEM 等设备；
◆ 1 路RS485 接口；
◆ 1 路红外接口；
◆ 1 路CAN 总线接口，波特率可高达 1Mbps；
◆ 1 个标准打印并口，支持IEEE1284,完全是硬件接口，非总线模拟；
◆ 2 个PS2 接口,分别连接键盘和鼠标，完全是硬件接口，非GPIO 模拟；
◆ 2 个IDE 硬盘接口，分别连接2.5 英寸硬盘和3.5 英寸硬盘（选配）；
◆ 2 个CF 卡接口（其中一个是选配）；
◆ SD 卡接口，兼容 SD Memory Card Protocol 1.0 和 SDIO Card Protocol 1.0;
◆ 1 个Embedded-ICE （20 脚标准 JTAG）接口和并口式 JTAG 接口，支持 ADS，SDT 软件的下载
和调试以及 FLASH 的烧写；
◆串行 EEPROM ： AT24C02 4Kbytes EEPROM，IIC 接口；
◆ 1 个蜂鸣器， 4 个可编程用户LED(带驱动程序),8 个七段数码管；
◆ 16 个可编程用户按键(带有驱动程序)，1 个复位按键，4 个扫描中断复用按钮；
◆ 220V 交流输入，带保险丝过流保护，分布式电源供电，3V 锂电池，提供 CPU 内置 RTC 操持电
源；
◆ 1 个A/D 实验模块，连接2 个变阻器，提供4 路外接接口；◆ 1 个电机控制模块，1 个步进电机和1 个直流电机；
◆ 1 个标准VGA 模块（选配），可直接连接各种VGA 接口的CRT 显示器或液晶显示器；
◆ 1 个GSM/GPRS 模块（选配），内嵌TCP/IP 协议，可以实现拨打、接听电话，收发短信，上网功能；
◆ 1 个GPS 模块（选配），内置SIRFⅢ芯片；
◆ 1 个RFID 射频模块（选配），支持非接触式Mifare 芯片卡；
◆ 1 个IO 模块（选配），用LATTICE CPLD 实现，提供18 路输入和18 路输入；
◆ 1 个 MCU-CAN 模块（选配），可以与实验箱通过CAN 协议通讯；
◆ 1 个 USB 蓝牙模块（选配），支持蓝牙2.0 协议；
◆ 1 个 USB 无线网卡工业模块（选配），支持IEEE802.11b; ◆ 1 个 USB 摄像头模块（选配），130 万像素；
◆ 1 个微型打印机（选配）；
◆ 1 个条码扫描仪（选配）；
◆ 1 个扩展接口，提供ARM 的地址、数据和控制总线，方便进行定制开发。

第四章几种远程家电控制系统的比较
目前对家电进行远程控制的方法，主要通过Internet网络、蓝牙接口和电话线路以及移动通信网络来实现。

1.利用嵌入式控制器实现
网络技术的发展己经使很多家庭都有Internet的接口，很多家庭都可以上网，人们也己经开始尝试在互连网上进行远程控制了。

随着新的互连网IP协议IPv6的提出，IP地址的长度由32位扩展到128位，提供了充分大的空间以满足各种设备的需要。

由于IPv6地址空间中有一部分是分配给一些低级处理设备的，所以未来的智能家电也将具有一个IP地址，这些智能家电也可以在未来的高速互连网络中占有一席之地。

目前已经有网络家电产品如MRV空调(智能网络中央空调)。

但是一方面将家电直接接入Internet网络，需要在控制端的MCU上实现TCP/IP协议栈，对于微控制器的运算速度和硬件存储资源提出了较高的要求，会提高产品的成本;另一方面，家庭用户还需要提供一个Internet网络接口 (接入宽带网)，而且每台家电设备还需要具备独立的IP地址，在目前的网络覆盖条件下，实现产品的普及也有困难。

2.利用PC机作为网关实现
远程控制另一种通过Internet网络进行远程控制的方案是将PC机作为Internet网关，利用PC机串口与单片机通信来实现控制。

这种方案充分利用了PC机强大的软、硬件资源，人机界面也很友好，但是需要投资一台PC机，成本较高。

并且PC机在长时间运行后需要重启，同时PC机本身容易死机系统功耗也很高，这些缺陷对于一个监控系统来说都是不利的。

3.通过电话线进行远程控制
现在被人们采用的远程控制更多是通过现有的电话线来完成。

这种装置叫做电话遥控器，在很多智能小区己经得到了应用。

但是受到固定电话终端物理位置固定性的限制，这种通过电话线路来控制家用电器的方法还是有一定的局限性，无法实现随时随地的对家电进行控制。

而且，电话机作为输入设备只能提供一些数字按键，这就意味着在进行远程控制时必须记忆各种电器的分组编号，如果忘了还得要翻说明书，这是很不方便的。

4.利用移动通信网实现远程控制
利用手机等移动通信工具与处于家庭控制现场的GSM/GPRS模块通信，驱动相应设备实现对家电的远程控制。

这种方法操作最为简便灵活，实现成本也不高，但是移动通信的可靠性相对较差。

第五章方案论证与系统总体设计
5. 1 方案论证
智能家居的功能分为三个层次。

首先是实现家庭网络监测与局域网/Internet的连接与通信;其次是实现远程的控制与浏览;第三是作为家庭媒体中心，实现音频和视频信息的综合预处理。

三个层次内容逐层推进，前者是后者的前提和基础。

显然，家电控制系统所要实现的是智能家居系统第二层次的功能，可以说，家电控制系统是第二层次的智能家居，同时家电控制系统也是智能家居最基础、最实用的组成部分，是智能家居发展的主要方向之一。

本次模拟远程家电控制系统实现的主要功能为:PC机通过GPRS控制GEC试验控制箱，GEC控制箱接收到PC机通过GPRS发来的命令后向LED灯、步进电机、直流电机发送控制开/关指令从而控制LED灯、步进电机、直流电机的开关状态。

框架如下图所示：
PC端GEC试验控
制箱LED灯
步进电机
直流电机
5. 2 系统总体设计
我们此次实训的内容为远程家电控制系统设计的实训。

但是由于我们本次实训采用的是模拟远程家电控制系统，所以在原有的基础上我们做了如下修改：
一、PC端：其作用是控制端，顾名思义就是一个程序运行的最上级命令，说白了，就相当于我们工作上的BOSS，它起到的作用的是指挥，下令。

它把命令发送给GEC试验控制箱，GEC试验控制箱接受到相关命令并督促下面各个终端实现相应的工作。

二、控制设备：单片机就是一个控制器，它的作用就是控制整个程序的运行。

二、GEC试验控制箱：其作用的是接受“上级”命令，督促指挥“下级”工作。

三、应用终端：应用终端就是指LED灯、步进电机、直流电机，其作用就是对GEC试验控制箱的命令进行响应，并工作。

有了这几部分的分析，我们就清晰的了解了该从何处下手，该如何完成每一部分的工作。

第六章系统详细设计
本次关于远程家电控制系统的模拟实训的总体设计主要是对于GEC试验控制箱的配置主要有U-boot移植、Linux内核的移植、文件系统移植、boa配置、应用终端驱动设计。

以下做详细分析：
6. 1 U-boot移植
一、获得源代码
1、下载U-boots源代码。

2、将源代码压缩包拷贝到工作目录下，并进行解压。

#tar jxvf U-boot -1.3.2 .tar ,bz.2
二、建立板级支持包
1、在board目录下建立一个新的目录,命名为UP2410。

2、smdk2410目录下的所有文件都拷贝到UP2410中。

#cp smdk 2410 /* UP2410
3、为我们的开发板配置自己的配置文件，可以直接对smdk2410开发板的配置文件中修改而来。

#cp incldu /configs/smdk2410.h include/configs/UP2410.h
4、修改Makefile文件
#gedit Makefile
三、添加代码从Nand Flash启动
1、修改start.h文件
#gedit cpu/arm920t/start.s
2、添加Nand.c文件
#board /UP2410/nand.c
3、修改UP2410.h
#gedit include/configs/UP2410.h
四、开发板的配置
1、网卡配置（不用设置）
2、添加命令
3、修改环境变量
4、修改命令提示符
5、修改默认提示地址
6、修改环境变量中的Flash中的存储地址
五、编译U-boot
#make UP2410-config
#make
生成 U-boot.bin的文件
6. 2 Linux内核移植
一、获得Linux内核源码
1、下载内核源代码
2、将源代码压缩包拷贝到工作目录下并进行解压
#tar jxvf Linux-2.6.24.4.tar.bz2
二、修改Makefile
# gedit Makefile\
三、得到.config文件、
#cp acch/arm/confings/s3c2410_defcongfig.config
四、修改Nand Flash分区
五、添加LCD支持
六、添加网卡驱动支持
七、添加YAFFS文件系统支持
八、配置
1、选择硬件系统
2、配置LCD驱动
3、配置NAND Falsh驱动
4、配置网卡驱动
5、配置文件系统
九、编译内核
生成zImage文件
利用mkimage工具把zImage生成uImage。