《智能家居系統(tǒng)》畢業(yè)論文

1、摘要隨著計算機技術, 通信技術和嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展, 智能家居正逐步走進人們 的生活。 一個典型的現代智能家居系統(tǒng)提供安防、 家電控制、 遠程抄表和信息服 務等功能。 本文設計并實現了其中的智能家電控制系統(tǒng)。 討論了基于 Windows CE 5.0嵌入式操作系統(tǒng),以使用 PXA270為控制核心的 XSBase270嵌入式平臺為硬 件基礎,以 Visual Studio 2005和 Platform Builder為軟件開發(fā)平臺的智能家 居系統(tǒng)的設計與實現。 通過詳細的系統(tǒng)設計過程, 開發(fā)了相應的軟件程序, 包括 嵌入式操作系統(tǒng) Windows CE 5.0的定制、應用程序的界面設計、程序開發(fā)和

2、單 片機系統(tǒng)的底層編程, 本設計融合了嵌入式系統(tǒng)、 通訊、單片機、 軟件開發(fā)等學 科的知識。 系統(tǒng)測試結果表明, 該系統(tǒng)設計基本滿足要求, 并有一定的功能擴展 空間。關鍵詞 :智能家居;嵌入式系統(tǒng); Windows CEAbstractWith computer technology , communication technology and embedded system development, intelligent home is getting into people's lives. A typical modern smart home security systems

3、, home appliance control, remote meter reading and information services functions. This article is designed and implemented one of the intelligent home appliance control system. Discussed based on Windows CE 5.0 embedded operating system to use the PXA270 core XSBase270 to control the embedded platf

4、orm for hardware-based, Visual Studio 2005 and Platform Builder software development platform for intelligent home system design and implementation. Through the detailed system design process, develop the corresponding software programs, including Windows CE 5.0 embedded operating system, custom, ap

5、plication interface design, program development, and SCM systems level programming , the design of integrated embedded systems, communications, SCM, software development and other disciplines of knowledge. System test results show that the system design can basically meet the requirements and have a

6、 certain function of room for expansion.Keywords : Smart Home ;Embedded ;Windows CE目錄5.2測試步驟 . 25 第六章 總結 . 28 參考文獻 :. 29 致謝 . 30第一章 緒論1.1智能家居及其發(fā)展趨勢隨著電子技術在現實生活中的廣泛應用, 人們越來越感受到電子產品為生活 所帶來的各種便利, 特別是在 20世紀 80年代, 智能家居的出現更為人們享受生 活提供了一個廣闊的平臺。智能家居是一個系統(tǒng), 也是一個過程。 它是利用先進的網絡通訊技術、 電力 自動化技術、 計算機技術、 無線電技術, 將與居家生活有

7、關的各種設備有機地結 合在一起, 通過網絡化的綜合管理, 讓居家生活更輕松。 智能家居不僅具有傳統(tǒng) 的居住功能, 而且不再是被動的, 是具有能動性智能化的工具, 提供全方位的信 息交換功能,優(yōu)化我們的生活方式和居住環(huán)境你 ,幫助我們有效地安排時間, 節(jié)約各種能源,提供優(yōu)質、高效、舒適、安全的生活空間智能家居的原型最早起源于美國。 時至今日, 智能家居在美國已走過了將近 30個年頭。 目前, 美國有全球最大的智能化住宅群, 其占地 3359公頃, 由約 8000棟小別墅組成。 此外, 在歐美、 日本、 新加坡和韓國等地, 智能家居也日漸興起。 自動化的家居不再是一幢被動的建筑, 相反, 成了幫助

8、主人盡量利用時間的 工具, 使家庭更為舒適、 安全、 高效和節(jié)能。 網絡化智能家居系統(tǒng)可為您提供遙 控、家電(空調,熱水器等控制、照明控制、室內外遙控、窗簾自控、防盜報 警、 電話遠程控制、 可編程定時控制及計算機控制等多種功能和手段, 使生活更 加舒適、便利和安全。隨著家庭智能化在世界范圍內的日漸普及, 智能家居在上個世紀末悄然走進 了中國市場。1.2嵌入式系統(tǒng)與智能家居智能家居,或稱智能住宅,在英文中常用 Smart Home。智能家居是以住宅 為平臺,兼?zhèn)浣ㄖ?、網絡通信、信息家電、設備自動化,集系統(tǒng)、結構、服務、 管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境。智能家居可以定義為 一

9、個過程或者一個系統(tǒng)。 利用先進的計算機技術、 網絡通訊技術、 綜合布線技術、 將與家居生活有關的各種子系統(tǒng), 有機地結合在一起, 通過統(tǒng)籌管理, 讓家居生 活更加舒適、 安全、 有效。 智能家居不僅提供了全方位的信息交換功能, 還優(yōu)化 了人們的生活方式和居住環(huán)境, 幫助人們有效地安排時間、 節(jié)約各種能源, 實現 了家電控制、照明控制、室內外遙控、窗簾自控、防盜報警、計算機控制、定時 控制以及電話遠程遙控等功能。嵌入式系統(tǒng)一般指非 PC 系統(tǒng), 它包括硬件和軟件兩部分。 硬件包括處理器 /微處理器、存儲器及外設器件和 I/O端口等。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件(OS (要求實時和多任務操作 和應用程

10、序編程。 應用程序控制著系統(tǒng)的運作和行為; 而操作系統(tǒng)控制著資源調度及與硬件的交互作用。 我們可以通過各項比較發(fā)現, 嵌入式比較有發(fā)展?jié)摿?。嵌入式的智能家居使系統(tǒng)的處理能力大大增強, 可以帶來更加逼真的圖像以 及更加真實的語音等。 根據系統(tǒng)定制的實時操作系統(tǒng)不僅可以最大限度的利用硬 件資源而且還避免了過于龐大的系統(tǒng)造成的系統(tǒng)冗余。 一般只有一顆主處理芯片, 系統(tǒng)架構更加清晰簡捷。 軟件采用分層設計, 方便維護和升級, 大大提高了代碼 利用率,縮短開發(fā)周期。因為嵌入式技術是伴隨著 Internet 而生的,所以它具 有更加卓越的網絡性能, 可以增加更多的網絡應用, 很顯然嵌入式類智能家居產 品在

11、應用方面具有相當的優(yōu)勢,應該是未來中國家庭智能化技術主流發(fā)展方向。 隨著 Internet 向普通家庭生活不斷擴展,消費電子、計算機、通訊一體化 趨勢日趨明顯,現代智能家居由于其安全、方便、高效、快捷、智能化等特點在 21世紀將成為現代社會和家庭的新時尚。當家庭智能網關將家庭中各種各樣的 家電通過家庭總線技術連接在一起時, 就構成了功能強大、 高度智能化的現代智 能家居系統(tǒng)。 隨著嵌入式技術更加廣泛的應用, 隨著成本的逐步降低, 中國的智 能家居最終將走向嵌入式。圖 1-1 智能家居控制系統(tǒng)示意圖 1.3智能家居控制系統(tǒng)功能智能家庭控制系統(tǒng)的主要功能包括家庭設備自動控制、 家庭安全防范二個方

12、面。家庭設備自動監(jiān)控包括電器設備的集中、遙控、遠距離異地 (通過電話或 Internet 的監(jiān)視、控制及數據采集。(1家用電器的監(jiān)視和控制, 按照預先所設定程序的要求對熱水器、 微波爐、 視像音響等家用電器進行監(jiān)視和控制。(2 熱能表、 燃氣表、 水表、 電度表的數據采集、 計量和傳送根據小區(qū)物業(yè) 管理的要求所設置數據采集程序, 通過傳感器對熱能表、 燃氣表、 水表、 電度表 的用量進行自動數據采集、計量,并將采集結果遠程傳送給小區(qū)物業(yè)管理系統(tǒng)。 (3空調機的監(jiān)視、 調節(jié)和控制, 按照預先所設定的程序, 根據時間、 溫度、 濕度等參數對空調機進行監(jiān)視、調節(jié)和控制。(4照明設備的監(jiān)視、調節(jié)和控制

13、按照預先設定的時間程序,分別對各個房 間照明設備的開、關進行控制,并可自動調節(jié)各個房間的照度。家庭安全防范主要包括多火災報警、 可燃氣體泄漏報警、 防盜報警、 緊急求 救、 多防區(qū)的設置、 訪客對講等。 家庭控制器內按等級預先設置若干個報警電話 號碼 (如家人單位電話號碼、手機電話號碼、尋呼機電話號碼和小區(qū)物業(yè)管理安 全保衛(wèi)部門電話號碼等 ,在有報警發(fā)生時,按等級的次序依次不停地撥通上述 電話進行報警 (可報出家中是哪個系統(tǒng)報警了 。 同時, 各種報警信號通過控制網 絡傳送至小區(qū)物業(yè)管理中心,并可與其它功能模塊實現可編程的聯動 (如可燃氣 體泄漏報警后,聯動關閉燃氣管道上的電磁閥 。第二章 系

14、統(tǒng)設計主要任務本設計利用 XSBase270嵌入式平臺, C8051F 系列單片機、 MAX232及各類家 居傳感器設計制作一款智能家居控制系統(tǒng)。 系統(tǒng)設計包括:系統(tǒng)硬件的設計與調 試和控制軟件的編寫與調試。2.1硬件部分智能家居控制系統(tǒng)其硬件部分主要由以下幾大部分構成, 即控制單元、 傳感 器數據采集系統(tǒng)、 接口和電源部分。 控制單元組成控制部分功能; 傳感器數據采 集系統(tǒng),完成報警等信號的處理和發(fā)送;電源部分則為各個部分提供工作電源。 傳感器采用溫度傳感器、 煙霧傳感器、 壓力傳感器、 光照傳感器, 采用的型號分 別為 DS18B20、 MQ-2、 BF350-3AA 型電阻應變片、 On

15、9658。本系統(tǒng)利用各種傳感 器來探測、 感受外界的信號, 并通過已設定的程序來完成預定的動作, 并最終實 現智能化。2.2軟件部分軟件設計部分主要由以下幾大部分構成:即數據采集與數據分析部分及分析 控制部分。 數據采集部分是對傳感器的信號進行采集, 分析控制部分則是根據采 集的信息進行分時操作有利于提高系統(tǒng)效率。 其他軟件部分具體還包括 Windows CE 的定制,串口通信協議的設計,家電控制板程序的編寫。第三章 系統(tǒng)設計方案3.1開發(fā)平臺硬件資源XSBase270配置了 32M FLASH ROM, 64M SDRAM,并配備了觸摸屏、以太網、 USB 、 串口、 CF/MMC、 PCM

16、CIA 等接口。 滿足了智能家居系統(tǒng)控制中心的硬件要求。 在較小的體積中整合了決大多數嵌入式系統(tǒng)常用功能。 XSBase270開發(fā)平臺內置 了 GPS 模塊, 可以直接在 XSBase270平臺上驗證和開發(fā)導航應用或從事 GPS 方面 的研究。 XSBase270平臺接口如圖 4-1所示。圖 4-1 XSBase270平臺接口示意圖芯片 PXA270是 Intel 開發(fā)的基 ARM10為核心的高度集成的片上系統(tǒng)微處理 器,該處理器被加入了 Wireless MXX技術,大大的提高了多媒體處理能力,同 時還加入了 Intel SpeedStep 動態(tài)電源管理技術,在保證 CPU 性能的前提下,最

17、 大限度的降低設備功耗。具體型號采用 NHPXA270CS ,最高主頻可達 624MHz ,承 擔著程序運行、 資源調配、 內存管理、 中斷處理等任務, 控制著整套系統(tǒng)的運行。 芯片外圍電路如圖 4-2所示。 圖 4-2 PXA外圍電路圖3.2硬件總體設計框圖根據上文的功能需要, 設計出由 ARM10為控制核心, 單片機控制的家電控制 模塊和傳感器報警模塊, 并且包含 GSM 通信模塊的智能家居系統(tǒng), 硬件結構框圖 如圖 4-3所示。 圖 4-3 硬件設計框圖家電控制板采用 C8051F 系列單片機為控制核心。電路圖如圖 4-4所示,利 用 4種傳感器控制四種終端設備(分別用 4盞 LED 燈

18、模擬 。其中四盞 LED 分別 連接單片機的 P1.0、 P1.1、 P1.2、 P1.3;四個傳感器連接光電耦合器分別連接 P2.0、 P2.1、 P2.2、 P2.3。 圖 4-5 家電控制電路煙霧、 光照、 壓力、 溫度等這些傳感器的報警信號通過光電耦合接入單片機 的 P2 口,如圖 4-6所示,在傳感器沒有報警信號時,光電耦合芯片處于截止狀 態(tài), 與之相接的單片機端口為低電平; 當傳感器有報警,傳感器輸出高電平, 此 時光電耦合芯片導通, 與之相接的單片機端口為高電平, 由單片機對報警信號進 行采集并做出相應處理。 圖 4-6 傳感器接口電路圖家電控制板采用串口與 XSBase270平

19、臺采用 RS-485串行通信,本設計利用 RS-232轉 RS-485模塊來實現。電路的連接如圖 4-7所示:圖 4-7 RS-232轉 RS-485電路圖RS232-485轉換器主要包括了電源、 232電平轉換、 485電路三部分。本電 路的 232電平轉換電路采用了 NIH232或者也可以直接使用 MAX232集成電路, 485電路采用了 MAX485集成電路。為了使用方便,電源部分設計成無源方式,整個 電路的供電直接由 PC 機的 RS232接口中的 DTR (4腳和 RTS (7腳提供。 PC 串口每根線可以提供大約 9mA 的電流, 因此兩根線提供的電流足夠供給這個電路 使用了。 經

20、實驗, 本電路只使用其中一條線也能夠正常工作。 使用本電路需注意 PC 程序必須使串口的 DTR 和 RTS 輸出高電平,經過 D3穩(wěn)壓后得到 VCC ,經過實 際測試, VCC 電壓大約在 4.7V 左右。因此,電路中要說 D3起的作用是穩(wěn)壓還不 如說是限壓功能。MAX485是通過兩個引腳 RE (2腳 和 DE (3腳 來控制數據的輸入和輸出。 當 RE 為低電平時, MAX485數據輸入有效;當 DE 為高電平時, MAX485數據輸出 有效。在半雙工使用中,通?？梢詫⑦@兩個腳直接相連,然后由 PC 或者單片機 輸出的高低電平就可以讓 MAX485在接收和發(fā)送狀態(tài)之間轉換了。 由于本電路

21、 DTR 和 RTS 都用于了電路供電,因此使用 TX 線和 HIN232的另外一個通道及 Q1來控 制 MAX485的狀態(tài)切換。 平時 NIH232的 9腳輸出高電平, 經 Q1倒相后, 使 MAX485的 RE 和 DE 為低電平而處于數據接收狀態(tài)。當 PC 機發(fā)送數據時, NIH232的 9腳 輸出低電平, 經 Q1倒相后, 使 MAX485的 RE 和 DE 為高電平而處于數據發(fā)送狀態(tài)。 第四章 軟件設計4.1 Windows CE操作系統(tǒng)介紹Windows CE是微軟公司在嵌入式操作系統(tǒng)市場上的一個重要產品。它的第 一版于 1996年發(fā)布, 但是最初并不是很成功, 2001年 1月,

22、 微軟發(fā)布了 Windows CE ,它的平臺制定工具 Platform Builder和應用軟件開發(fā)工具 Visual Studio 2005都是非常實用的開發(fā)工具。Windows CE 是一個 32位、多線程、多任務的操作系統(tǒng),而且是模塊化的操 作系統(tǒng),這意味著可選擇、組合和配置 Windows CE的模塊和組件來創(chuàng)建用戶版 的操作系統(tǒng)。4.2 操作系統(tǒng)的定制Windows CE 5.0嵌入式操作系統(tǒng)的定制依靠 Platform Builder5.0完成。 Platform Builder是微軟公司設計的用于嵌入式操作平臺定制與驅動程序的開 發(fā)的工具。 推出它的目的之一就是讓用戶可以更好的

23、將嵌入式操作系統(tǒng)移植到特 定的目標平臺上。(1在配套光盤中找到 XSBASE270-S.msi 安裝文件雙擊 XSBASE270-S.msi 文件進行安裝 (如圖 5-1所示 。 圖 5-1(2開始安裝 (如圖 5-2所示 。 圖 5-2當安裝完成, 將在 WINCE500PLATFORM目錄下面生成 xsbase270_s文件夾, 并且 BSP 安裝在 Platform Builder 中的 Catalog 欄目中的 Third Party 中 (如圖 5-3所示 。 圖 5-3(1從 File->Recent Workspace中打開實驗 1的 Training 工程。(2從 Cat

24、alog->Core OS->Windows CE Devices->Core OS Services->USB Host Support中分別添加支持 USB 的鍵盤和鼠標特性組件:USB Human Input Device(HID Class Driver 和支持 U 盤的特性組件:USB Storage Class Driver. 從 Catalog->Core OS->Windows CE Devices->File Systems and DataStore->Storage Manager中添加 FAT 文件系統(tǒng)特性組件:FAT F

25、ile System. (3 從 Catalog->Device Drivers->USB Function->USB Function Clients 中添加 USB Slave的特性組件:Serial.(4從 Catalog->Core OS->Windows CE Devices->Graphics and Multimedia Technologies->Media->Windows Media Player中添加多媒體播放器:Windows Media Player.(5 從 Catalog->Third Party->BS

26、Ps->Emdoor Systems XSBase2700G:ARVV4I->Device Drivers中的把所有特性組件都添加到工程中。(6從 Platform->Settings中打開編譯選項。(7在 Locales 中選中“中文(中國 ” (如圖 5-4所示 。(8再點擊“ OK ” 。圖 5-4(9 在 Default language中選擇“中文(中國 ” 。(10在 Build Option列表中,只選擇 Enable Eboot Space in Memory(IMGEBOOT=1和 Write Run-time Image to Flash Memory(I

27、MGFLASH=1兩項。再點擊“ OK ” 。如圖 5-5所示。 圖 5-5(11從 Build OS選擇“ Sysgen ”開始編譯工程。4.3 應用程序編寫環(huán)境開發(fā)環(huán)境:Microsoft Visual Studio 2005開發(fā)語言:Microsoft Visual C+ 2005軟件開發(fā)包:XSBase270 SDK智能家居系統(tǒng)的應用程序采用 Visual Studio 2005進行開發(fā)。 Visual Studio 是微軟公司開發(fā)的 Windows 平臺上的應用程序開發(fā)環(huán)境。 Visual Studio 可以創(chuàng) 建 Windows 下的 Windows 應用程序和網絡應用程序, 也可

28、以用來創(chuàng)建網絡服務、 智能設備應用程序和 Office 插件。 Visual Studio 2005面向 .net 框架(2.0版 本 ,同時可以開發(fā)跨平臺的應用程序。4.4串口通信協議串口通信協議采用 AABB 類實現,通過對此類的成員函數的調用,完成對串 口的初始化、讀寫操作等。異步半雙工, 1 位起始位+8 位數據位+1 位停止位 波特率:19200發(fā)送數據格式:命令頭+長度字+命令字+數據域+校驗字命令頭:0xAA 0xBB ,若后續(xù)數據中包含 0xAA 則隨后補充一字節(jié) 0x00 以區(qū) 分命令頭但長度字不增加長度字:指明從長度字到數據域最后一字節(jié)的字節(jié)數命令字:本條命令的含義數據域:

29、此項可以為空校驗字:從長度字到數據域最后一字節(jié)的逐字節(jié)異或值返回數據格式:成功:命令頭+長度字+接收到的命令字+數據域+校驗字失敗:命令頭+長度字+接收到的命令字取反+校驗字4.5打開串口與配置串口在 Windows CE中,驅動程序分為本地設備驅動和流設備驅動兩種。本地設 備如鍵盤、 觸摸屏等, 一般在設備生產后是不會再更換的, 相應的驅動這些設備 的驅動程序也是必需的。 而流接口設備驅動程序可以由第三方提供, 支持另外添 加到系統(tǒng)中的設備。而串口就屬于流接口設備之一。流設備驅動在系統(tǒng)中是以三位字符串后跟一位數字表示的,對于串口而言, 這三位字符是“ COM ” (不包括引號 。當引用一個流

30、接口驅動程序時,除了三位 字符后跟一位數字以外,還要緊跟一個冒號“ :” (英文半角冒號 ,冒號是必需 的,是為了區(qū)別桌面 Windows 的設備驅動程序的命名規(guī)則。該函數的流程圖如圖 5-6所示:圖 5-6 OpenPort函數流程圖(1 串口的打開所有的流驅動程序都將采用 CreateFile 函數打開串口設備。 在 Windows CE 下 , 系 統(tǒng) 不 支 持 設 備 的 重 疊 I/O, 所 以 不 能 在 參 數 dwFlagsAndAttributes 中傳遞 FILE_FLAG_OVERLAPPED標志, 返回的句柄要么是 已打開的串口端口的句柄, 或者是 INVAILID_

31、HANDLE_VALUE。 CreateFile 與大多 數 Windows 函數不一樣,打開失敗時,不返回 0。CreateFile 函數的原型如下:HANDLE CreateFile( LPCTSTR lpFileName, / 對象 路 徑 名DWORD dwDesiredAccess, /控制模式 DWORD dwShareMode, / 共享模式 LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttributes, /安全屬性 (也即銷毀 方式 DWORD dwCreationDisposition, / 創(chuàng)建的方式DWORD dwFlagsAndAttribute

32、s, / 對象屬性HANDLE hTemplateFile / 一個文件模板句柄 ;(2串口的設置打開串口后,還必須對端口配置好正確的波特率、字符長度、停止位等等。 在 OpenPort 函數中, 使用兩個函數 GetCommState 和 SetCommState 來配置串口。 函數原型如下:BOOL SetCommState(HANDLE hRle, LPDCB lpDCB;BOOL GetCommState(HANDLE hFile, LPDCB lpDCB;(3串口超時設置設置好串口驅動操作的配置后, 一個必要的步驟是, 設置端口的超時值。 所 謂超時,是指 Windows CE.ne

33、t在讀串口和寫串口的自動返回前等待讀或寫操作 的時間長度。在程序中,用以下兩個函數控制串行超時。BOOL GetCommTimeouts(HANDLE hFile, LPCOMMTIMEOUTS lpCommTimeouts; BOOL SetCommTimeouts(HANDLE hFile, LPCOMMTIMEOUTS lpCommTimeouts; 這兩個函數都包含了對應的串行設備的句柄和 COMMTIMEOUTS 結構的指針, COMMTIMEOUTS 結構定義為:typedefstruct _COMMTIMEOUTSDWORD ReadIntervalTimeout;DWORD R

34、eadTotalTimeoutMultiplier;DWORD ReadTotalTimeoutConstant; DWROD WriteTotalTimeoutMultiplier; DWORD WriteTotalTimeoutConstant; COMMTIMEOUTS;第五章 系統(tǒng)測試5.1測試環(huán)境PC 操作系統(tǒng):Microsoft Windows XP Profesional SP2軟件開發(fā)及測試平臺: Visual Studio 2005 + XSBase270+ ActiveSync4.5 嵌入式硬件平臺:XSBase270平臺嵌入式操作系統(tǒng)平臺:Microsoft Window

35、s CE 5.05.2測試步驟(1系統(tǒng)與 PC 的鏈接測試打開電源按鈕,啟動 Windows CE。打開 Windows CE的控制面板,如圖 6-1所示。新建基于“ COM2”端口的網絡連接“我的連接” 。該連接采用 115200的波特率,數據位 8位,停止位 1位,無數據流控制,如圖 6-2所示。并且在控 制面板中的 PC 連接設置為“我的連接” ,如圖 6-3所示。圖 6-1 Windows CE 控制面板 圖 6-2 “我的連接”的屬性 圖 6-3 修改默認的 PC 連接將 USB 線插入位于 XSBase270的擴展板上的 USB_SLAVE口,另一端連接到 PC 機上的 USB 口。稍后, PC 上的 ActiveSync 文件同步軟件即可自動識別到 XSBase