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基于ARM的家居智能控制系统完整.doc
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基于ARM的家居智能控制系统完整.doc
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目 录
1 引言 .................................................................1
1.1 智能家居及其发展趋势 ............................................1
1.2 嵌入式系统与智能家居 ............................................1
2 系统总体设计和工作原理 ...............................................3
2.1 方案设计与论证 .....................................................................................................3
2.2 工作原理 .................................................................................................................3
2.2.1 系统工作原理 ...............................................................................................3
3 系统硬件电路设计 .....................................................5
3.1 主控制器硬件设计 ................................................................................................5
3.1.1 开发板硬件系统 .............................................5
3.1.2 原理图设计 .................................................6
3.2 GSM 模块 ...........................................................................................................10
3.2.1 硬件结构 ...................................................................................................10
3.2.2 AT 指令结构.............................................................................................12
3.3 从控制器硬件系统设计 .....................................................................................13
3.3.1 电灯控制器 ...............................................................................................13
3.3.2 窗帘控制器 ...............................................................................................14
4 软件系统设计 .......................................................16
4.1 主控制器软件系统设计 .....................................................................................16
4.1.1 Linux 操作系统内核编译 ........................................................................16
4.2 图形界面 Qtopia .................................................................................................18
4.2.1 Qtopia 2.2.0 简介 ......................................................................................18
4.2.2 电灯控制软件设计 ..................................................................................19
4.2.3 窗帘控制软件设计 ..................................................................................20
4.2.4 GPRS 软件设计........................................................................................20
4.3 从控制器软件设计 ............................................................................................21
4.3.1 电灯控制器软件设计 ..............................................................................21
4.3.2 窗帘控制器软件设计 ..............................................................................22
总结 .................................................................23
参考文献 .............................................................24
附录 1 ...............................................................25
附录 2 程序 ..........................................................27
致 谢 ...............................................................39
1 引言
1.1 智能家居及其发展趋势
随着电子技术在现实生活中的广泛应用,人们越来越感受到电子产品为生活所带
来的各种便利,特别是在20世纪80年代,智能家居的出现更为人们享受生活提供了一
个广阔的平台。
智能家居是一个系统,也是一个过程。它是利用先进的网络通讯技术、电力自动
化技术、计算机技术、无线电技术,将与居家生活有关的各种设备有机地结合在一起,
通过网络化的综合管理,让居家生活更轻松。智能家居不仅具有传统的居住功能,而
且不再是被动的,是具有能动性智能化的工具,提供全方位的信息交换功能,优化我
们的生活方式和居住环境,帮助我们有效地安排时间,节约各种能源,提供优质、高
效、舒适、安全的生活空间……
智能家居的原型最早起源于美国。时至今日,智能家居在美国已走过了将近30
个年头。目前,美国有全球最大的智能化住宅群,其占地3359 公顷,由约8000 栋小
别墅组成。此外,在欧美、日本、新加坡和韩国等地,智能家居也日渐兴起。
自动化的家居不再是一幢被动的建筑,相反,成了帮助主人尽量利用时间的工具,使
家庭更为舒适、安全、高效和节能。网络化智能家居系统可为您提供遥控、家电(空
调,热水器等)控制、照明控制、室内外遥控、窗帘自控、防盗报警、电话远程控制、
可编程定时控制及计算机控制等多种功能和手段,使生活更加舒适、便利和安全。
1.2 嵌入式系统与智能家居
智能家居,也叫智能住宅,英文叫 Smart Home。智能家居是以家为平台,兼备
建筑、网络通讯、信息家电、网络家电、自动化和智能化,集系统、结构、服务、管
理、控制于一体的高效、舒适、安全、便利、节能、健康、环保的家居环境。它在保
持了传统的居住功能的基础上,摆脱了被动模式,成为具有能动性智能化的现代工具。
智能家居不仅提供了全方位的信息交换功能,还优化了人们的生活方式和居住环境,
帮助人们有效地安排时间、节约各种能源,实现了家电控制、照明控制、室内外遥控、
窗帘自控、防盗报警、计算机控制、定时控制以及电话远程遥控等功能。
评判某类产品其应用技术是否为广大用户接受,主要体现在该产品在系统功能、
布线方式、安装及调试的复杂性、系统可靠性、操作方便性、标准化、扩展性性价比
等几个方面。嵌入式系统一般指非PC 系统,它包括硬件和软件两部分。硬件包括处
理器/微处理器、存储器及外设器件和I/O 端口、图形控制器等。软件部分包括操作系
统软件(OS)(要求实时和多任务操作)和应用程序编程。应用程序控制着系统的运
作和行为;而操作系统控制着资源调度及与硬件的交互作用。 我们可以通过各项比
较发现,嵌入式比较有发展潜力。
嵌入式的智能家居使系统的处理能力大大增强,可以带来更加逼真的图象以及更
加真实的语音等。根据系统定制的实时操作系统不仅可以最大限度的利用硬件资源而
且还避免了过于庞大的系统造成的系统冗余。一般只有一颗主处理芯片,系统架构更
加清晰简捷。软件采用分层设计,方便维护和升级,大大提高了代码利用率,缩短开
发周期。因为嵌入式技术是伴随着Internet 而生的,所以它具有更加卓越的网络性能,
可以增加更多的网络应用,很显然嵌入式类智能家居产品在应用方面具有相当的优势,
应该是未来中国家庭智能化技术主流发展方向。
随着Internet 向普通家庭生活不断扩展,消费电子、计算机、通讯一体化趋势日
趋明显,现代智能家居由于其安全、方便、高效、快捷、智能化等特点在21 世纪将
成为现代社会和家庭的新时尚。当家庭智能网关将家庭中各种各样的家电通过家庭总
线技术连接在一起时,就构成了功能强大、高度智能化的现代智能家居系统。而基于
嵌入式系统的家庭智能系统在国内才刚刚出现,随着嵌入式技术更加广泛的应用,随
着成本的逐步降低,中国的智能家居最终将走向嵌入式。
2 系统总体设计和工作原理
系统要求用户通过手机或 Internet 实现对家电、灯光、窗帘、门禁、安防等基础
设施及室内环境的远程实时监视与控制。
2.1 方案设计与论证
方案一:采用 PC 机作为系统服务器,实现远程和本地控制。这种系统方案可以
很容易的实现远程网络控制和本地控制,并可以方便的扩展系统资源,有利于系统升
级。
方案二:用嵌入式微处理器 ARM 作为系统主控制器,以嵌入式 Linux 操作系统
为软件控制平台,用 Qtopia2.2.0 作为图形控制平台。主控制器与从控制器采用无线
串口控制,远程控制采用 GPRS 控制。采用这种方案可以方便的对各种家电进行控制,
因为本地控制采用无线控制,所以不受位置和距离的约束,在系统成本可控制性能方
面都是最佳的选择。
方案三:采用多个单片机模块组成控制组,一主多从模式,各从模块与主模块之
间采用无线通信,远程控制采用 GPRS。这种方案成本低容易实现,但控制不方便。
经分析比较,方案一虽然控制方便,但成本高。方案三成本低容易实现,但是控
制不人性化,使用不太方便。方案二在性能,成本,性能和人性化的设计都有极佳的
表现,故采用方案二。
2.2 工作原理
2.2.1 系统工作原理
智能家居网络指的是在一个家居中建立一个通信网络,将各种家电设备互相连接
起来,实现对所有智能家居网络上的家电设备的远程使用和控制及任何要求的信息交
换,如 音乐 、电视或数据等。智能家居网络的构架包括家庭内部网络系统、智能家
居控制器以及智能家居网络与外部 Internet 网络之间的数据通信。其中,智能家居控
制器是智能家庭网络的一个重要组成部分,起到核心的管理、控制和与外部网络通讯
作用。它是通过家庭管理平台与家居生活有关的各种子系统有机结合的一个系统,也
是连接家庭智能内部和外部网络的物理接口,完成家庭内部同外部通信网络之间的数
据交换功能,同时还负责家庭设备的管理和控制。
智能家居控制器一方面需要为家庭内部布线提供通讯接口,能够采集家庭设备的
信息,并进行处理,自动控制和调节;另一方面智能家居控制器作为家庭网关,也为
外部提供网络接口,连通家庭内部网络和外部 Internet 网络,使得用户可以通过网络
等方式访问家庭内部网络,实现监视和控制。此外智能家居控制器还应当具备自动报
警等功能,即当发现报警信号如:有人恶意闯入,温度超高等,控制器能立即处理并
向用户发出报警信号。
智能家居控制器为系统的核心采用 ARM 嵌入式系统设计,能够自动运行、处理
数据,通过 RS232 总线管理和控制各控制终端。并且控制器通过 GPRS 模块,实现
家庭系统与外部网络的通讯,使用户可以通过短信等方式实现庭系统的远程控制,同
时,控制器还通过触摸屏提供人机界面,方便用户实现本地控制。控制终端为单片机
组成若干小的控制系统控制各家用设备,并通过控制总线将这些小的控制系统组成网
络,连接到智能家居控制器,受智能家居控制器控制。系统框图如图 2-1 所示。
图 2-1 系统的总体结构图
智能家居系统的核心部分是一个嵌入式服务器,系统集有线与无线两种通信方式
于一体,用户可以通过手机登陆家中的嵌入式服务器,通过短信便可以控制家用电器、
灯光、窗帘、门禁、安防等基础设施;系统带有 LCD 和触摸屏,具有良好的人机界
面;用户可以通过触摸屏设定系统所需要的参数;系统具有丰富的可扩展接口,如
RS232 接口、GPRS 接口。
GPRS
模块
主控制器
(基于Linux操
作系统的
ARM控制器)
无线串
口通信
(主)
无线串
口通信
(从1)
电灯控制
无线串
口通信
(从2)
窗帘控制
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omyligaga
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