1、 机械电子工程系 本科毕业设计（论文） 题 目 基于 ARM9 的智能家居监控系统 （监控模块）的设计与实现 专业班级 07 电信一班 学 号 学生姓名 指导教师 设计所在单位 基 于 ARM9 的智能家居监控系统（监控模块）的设计与实现 摘 要 ： 智能家居，又称智能住宅。它是以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。与智能家居的含义近似的还有家庭自动化、电子家庭、 数字家园、网络家居，智能家庭等。智能家居也可以定义为一个系统，即利用计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术、将与家居生活有关的各种子系统，有机
2、地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。 本课题是基于 ARM9的智能家 居监控模块设计与实现， 采用 ARM9 内核的 S3C2410处理器为控制芯片， 再将 Linux系统移植到硬件平台上，然后设计好相应的驱动程序和应用程序，最后将软件下载到硬件平台来对家电进行本地和远程控制。 系统硬件主要完成家居设备状态的监控功能，而系统软件主要完成各个模块之间交互通信的功能。 关键词： Smart Home； ARM9； Linux；嵌入式；智能家居 The Design and Implementation of smart home monitoring system (con
3、trol module) based on ARM9 Abstract: Smart Home, also known as Smart Residential. It is residential as a platform, combining architecture, network communications, information appliances, equipment automation, collection system, structure, services, management for the integrated high-performance, com
4、fort, safety, convenience, environmental protection, living environment. The meaning of intelligent home and were similar to Home Automation, Electronic Home, Digital family, Network Home, Inte1ligent home/building. Intelligent home can also be defined as a system. The use of computer technology, ne
5、twork communication technology, integrated wiring technology, home life and the various subsystems, the combination of management, through co-ordination, so that home life more comfortable, safe and effective. This topic is ARM9-based smart home remote monitoring system (control module) The Design a
6、nd Implementation. We use the S3C2410 core ARM9 processor chip for the control of. Linux system and then migrate to the hardware platform, and then design the appropriate drivers and applications, and finally download the software to the hardware platform for local and remote home appliance control.
7、 The system hardware mainly complete household equipment state monitoring function, and system software to complete the main interactive communication between the various modules of the function. Keywords: Smart Home； ARM9； Linux； Embedded 目录 第 1 页 目录 第一章 绪论 . 1 1.1 选题的目的与意义 . 1 1.2 研发背景 . 2 1.2.1 A
8、RM 介绍 . 2 1.2.2 嵌入式 Linux 介绍 . 2 第二章 嵌入式系统开发概述 . 3 2.1 嵌入式系统的特点 . 3 2.1.1 嵌入式系统通常是面向特定任务的 . 4 2.1.2 嵌入式系统运行环境差异很大 . 4 2.1.3 嵌入式系统比通用 PC 系统资源少得多 . 4 2.1.4 低功耗、体积小、集成度高、成本低 . 4 2.1.5 高效、可靠、稳定 . 5 2.1.6 具有较长的生命周期 . 6 2.1.7 目标代码通常是固化在非易失性储器中 . 6 2.1.8 一般是实时操作系统（ RTOS），系统有实时约束 . 6 2.1.9 嵌入式软件开发走向标准化 . 6
9、2.1.10 需要专用开发工具和方法进行设计 . 7 2.1.11 嵌入式微处理器通常包含专用调试电路 . 7 2.2 嵌入式系统的组成结构 . 7 2.2.1 硬件基本结构 . 7 2.2.2 软件的层次结构 . 9 2.2.3 BootLoader . 9 第三章 智能家居概述 . 10 3.1 研究背景 . 10 3.2 国内外研究现状 .11 3.2.1 国外研究现状 .11 3.2.2 国内研究现状 . 12 第四章 嵌入式 Linux 和嵌入式 Linux 开发环境 . 13 4.1 嵌入式 Linux . 13 4.2 嵌入式 Linux 开发 . 14 4.3 交叉开发环境 .
10、 16 目录 第 2 页 4.4 交叉编译和链接 . 17 第五章 智能家居基本模块及解决方案 . 17 5.1 智能家居的基本功能模块 . 18 5.2 家庭对外通信模块 . 19 5.3 家庭网关模块 . 19 5.4 家庭安全防范模块 . 20 5.5 家庭设备自动控制模块 . 20 第六章 嵌入式系统平台的建立 . 21 6.1嵌入式 Linux 开发环境的建立 . 21 6.1.1 交叉编译工具链的安装 . 21 6.1.2 开发工具 Qt 的移植 . 24 第七章 模拟实现硬件设计 . 30 7.1 Video4Linux 和 USB 摄像头驱动配置 . 30 7.1.1 Vede
11、o4Linux 简介 . 30 7.1.2 OV511 摄像头驱动的加载 . 30 7.2 图像获取 . 31 结束语 . 33 致 谢 . 34 参 考 文 献 . 35 附录 . 36 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 1 页 第一章 绪论 当网络席卷整个社会，带来经济飞速发展的同时，也给人们的生活带来无限的惊奇。不断更新的生活方式，使得越来越多的人追求对生活的舒适度和享受度。智能家居作为新生力量呼之欲出，自然地走进了我们的生活，随之，引领新一代的数字家庭生活。 目前，智能家居在全球都呈现良好的发展趋势。国 外，智能家居在美国、德国、新加坡、日本等国都有广泛应用。目前在新加坡也有近 3
12、0 个住宅小区近 5000 户的家庭采用了“家庭智能化系统”，美国已有近 4万户家庭安装了这一类的“家庭智能系统”。三星已经开始在中、韩两国同时推出起智能家居系统。统计资料显示： 2004年，家庭网络市场总额可达 57亿美元，国际智能家居的产品销售额可达 148 亿美元。在国内，智能家居已经走过了“概念期”，正是基于对智能家居市场发展前景的展望，使得智能家居不断地纳入各研发单位、房产开发公司、网络公司下期的开发计划，也是竞相销售的卖点。他们正是基于 对这个难得机遇的意识，开始为研究和开发相关系统和产品进行先期的部署和规划，越来越多的企业开始介入智能家庭网络这个全新的领域 3。 1.1 选题的目
13、的与意义 本课题是基于 ARM9的智能家居监控模块开发与实现， 我们采用 ARM9 内核的S3C2410处理器为控制芯片， 再将 Linux系统移植到硬件平台上，然后设计好相应的驱动程序和应用程序，最后将软件下载到硬件平台来对家电进行本地和远程控制。系统主要有 GSM通讯模块和 ARM9系统板两个部分组成。而系统软件主要完成各个模块之间交互通信的功能。 智能家 居与普通家居相比，它不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间，还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增
14、强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 2 页 智能家居是数字家庭的一部分，只有将智能控制和上网功能集成起来，才形成真正意义上的数字家庭。数字家庭涉及的领域将综合生活中的娱乐、工作、投资理财、学习、医疗、教育等，是实现家庭内部、家庭和社会的实时性沟通的综合系统。数字家庭伴随 着无线而产生，也使无线技术得到了充分的应用和体现。 1.2 研发背景 1.2.1 ARM 介绍 ARM 公司是专门从事基于 RISC 技术芯片设计开发的公司 ,作为知识产权供应商 ,本身不直接从事芯片生产 ,靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片 ,世界各大半导体生产商从
15、 ARM 公司购买其设计的 ARM 微处理器核 ,根据各自不同的应用领域 ,加入适当的外围电路 ,从而形成自己的 ARM 微处理器芯片进入市场。目前 ,全世界有几十家大的半导体公司都使用 ARM公司的授权 ,因此既使得 ARM技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持 ,又使 整个系统成本降低 ,使产品更容易进入市场被消费者所接受 ,更具有竞争力。目前 ,采用 ARM技术知识产权（ IP）核的微处理器 ,即我们通常所说的 ARM微处理器 ,已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场 ,基于 ARM 技术的微处理器应用约占据了 32 位 RISC 微处理器 75以
16、上的市场份额 ,ARM 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。 1.2.2 嵌入式 Linux 介绍 Linux 从 1991 年问世到现在，短短的十几年时间已经发展成为功能强大、设计完善的操作系统之一；可运行在 X86、 Alpha、 Sparc、 MIPS、 PPC、 Motorola、 NEC、ARM 等多种硬件平台，而且开放源代码，可以定制；可与各种传统的商业操作系统分庭抗争。越来越多的企业和研发机构都转向嵌入式 Linux 的开发和研究上，在新兴的嵌入式操作系统领域内也获得了飞速发展。嵌入式 Linux 的特点： 第一， Linux 系统是层次结构且内核完全开放。 Linux是由很多
17、体积小且性能高的微内核系统组成。在内核代码完全开放的前提下，不同领域和不同层次的用户可以根据自己的应用需要方便地对内核进行改造，低成本地设计和开发出满足自己需要的嵌入式系统。 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 3 页 第二，强大的网络支持功能。 Linux 诞生于因特网时代并具有 Unix 的特性，保证了它支持所有标准因特网协议，并且可以利用 Linux 的网络协议栈将其开发成为嵌入式的 TCP/IP 网络协议栈。 此外， Linux 还支持 ext2、 fat16、 fat32、 romfs等文件系统，为开发嵌入式系统应用打下了很好的基础。 第三， Linux 具备一整套工具链，容易自行
18、建立嵌入式系统的开发环境和交叉运行环境，可以跨越嵌入式系统开发中仿真工具的障碍。 Linux 也符合 IEEE POSIX.1标准，使应用程序具有较好的可移植性。传统的嵌 入式开发的程序调试和调试工具是用在线仿真器（ ICE）实现的。它通过取代目标板的微处理器，给目标程序提供一个完整的仿真环境，完成监视和调试程序；但一般价格比较昂贵，只适合做非常底层的调试。使用嵌入式 Linux，一旦软硬件能够支持正常的串口功能，即使不用仿真器，也可以很好地进行开发和调试工作，从而节省一笔不小的开发费用。嵌入式 Linux为开发者提供了一套完整的工具链（ tool chain）。它利用 GNU的 gcc 做编
19、译器，用gdb、 kgdb、 xgdb做调试工具，能够很方便地实现从操作系统到应用软件各个级别的调试。 第四， Linux 具有广泛的硬件支持特性。无论是 RISC 还是 CISC、 32 位还是 64位等各种处理器， Linux 都能运行。 Linux通常使用的微处理器是 Intel X86 芯片家族，但它同样能运行于 Motorola 公司的 68K 系列 CPU 和 IBM、 Apple、 Motorola 公司的 PowerPC CPU 以及 Intel 公司的 StrongARM CPU 等处理器。 Linux 支持各种主流硬件设备和最新硬件技术，甚至可以在没有存储管理单元（ MMU
20、）的处理器上运行。这意味着嵌入式 Linux 将具有更广泛的应用前景。 第二章 嵌入式系统开发概述 本章主要描述嵌入式系统的特点及相关开发技术。 2.1 嵌入式系统的特点 由于嵌入式系统是应用于特定环境下，针对特定用途来设计的系统，所以不同于通用计算机系统。同样是计算机系统，嵌入式系统是针对具体应用设计的“专用系统”。它的硬件和软件都必须高效率地设计、“量体裁衣”、去除冗余，力争在较少西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 4 页 的资源上实现更高的性能。它与通用的计算机系统相比具有以下显著特点： 2.1.1 嵌入式系统通常是面向特定任务的 嵌入式系统通常是面向特定任务的，而不同于一般通用 PC
21、计算平台，是“专用”的计算机系统。嵌 入式系统微处理器大多非常适合于工作在为特定用户群所设计的系统中，称为“专用微处理器”，它专用于某个特定的任务，或者是很少几个任务。 具体的应用需求决定着嵌入式处理器的性能选型和整个系统的设计。如果要更改其任务，就可能要废弃整个系统并重新进行设计。 2.1.2 嵌入式系统运行环境差异很大 嵌入式系统无所不在，但运行环境也差异很大，可运行在飞机上、冰天雪地的两极中、骄阳似火下的汽车里、要求温湿度恒定的科学实验室等。特别是在恶劣的环境或突然断电的情况下，要求系统仍然能够正常工作。 这些情况对设计人员来说意味着要 同时考虑到硬件与软件。“严酷的环境”一般意味着更高
22、的温度与湿度。军用设备标准对嵌入式元器件的要求非常严格并且在价格上和商用、民用差别很大。比如英特尔公司的 8086，当它用在火箭上时，单价竟高达几百美元。 2.1.3 嵌入式系统比通用 PC系统资源少得多 通用 PC 系统有数不胜数的系统资源，可以轻松完成各种工作。你可以在自己的PC机上编写程序的同时播放 MP3、 CD、下载资料等等。因为个人 PC拥有 512MB 内存、80GB 硬盘空间并且在 SCSI卡上连接着软驱和 CD-ROM 驱动器已是目前非常普遍的配置了。而控制 GPS接收机的嵌入式系统，由于是专门用来执行很少的几个确定任务，它所能管理的资源比通用 PC系统少得多。当然这主要是因
23、为在设计时考虑到经济性，不能使用通用 CPU。这就意味着所选用的 CPU 只能管理很少的资源，它的成本更低、结构更简单。 2.1.4 低功耗、体积小、集成度高、成本低 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 5 页 嵌入式系统“嵌入”到对象的体系中，对对象、环境和嵌入式系统自身具有严格的要求，一般的嵌入式系统具有低功耗、体积小、集成度高、成本低等特点； 通用 PC 有足够大的内部空间提供良好的通风能力，但是系统中的奔腾或 AMD处理器均配备庞大的散热片和冷 却风扇进行系统散热。 而许多嵌入式系统就没有如此充足的电能供应，尤其是便携式嵌入式设备，即便是有足够的电源供应，散热设备的增加也往往是不方便
24、的。因此嵌入式系统设计时应尽可能的降低功耗。整个系统设计有严格的功耗预算，系统中的处理器大部分时间必须工作在降低功耗的“睡眠模式”下，只有在需要任务处理时它才会“醒来”。软件必须围绕这种特性进行设计。因此一般的外部事件通过中断“驱动”、“唤醒”系统工作。功耗约束影响了系统设计决策的方方面面，包括处理器的选择、内存体系结构的设计等。系统要求的功耗约束很有可能决定软件是用汇 编语言编写，还是用 C 或 C+语言编写，这是由于必须在功耗预算内使系统达到最高性能。功耗需求由 CPU 时钟速度以及使用的其他部件（ RAM， ROM， I/O设备等）的数量决定。因此，从软件设计人员的观点看来，功耗约束可能
25、成为压倒性的系统约束，它决定了软件工具的选择、内存的大小和性能的高低 4。 能够把通用 CPU 中许多由板卡完成的任务集成在高度集成的 SoC 系统芯片内部，而不是微处理器与分立外设的组合，就能节省许多印制电路板、连接器等，使系统的体积、功耗、成本大大降低，也能提高移动性和便携性，从而使嵌入式系统的设计趋 于小型化、专业化。 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，在在保证稳定、安全、可靠的基础上量体裁衣，去除冗余，力争用较少的软硬件资源实现较高的性能。这样，才能最大限度地降低应用成本，从而在具体应用中更具有市场竞争力。 2.1.5 高效、可靠、稳定 建立完整的嵌入式系统的系统测试和可靠性评估体系，保证嵌入式系统高效、可靠、稳定工作；嵌入式应用的复杂性、繁杂性要求设计的代码应该是完全没有错误的，怎样才能科学、完整的测试全天候运行的嵌入式复杂软件呢？首先，需要有科学的测试方法，建立科学的系统测试和可靠性评估 体系，尽可能避免因为系统的
