2 2 数 控 技 术 李红刚等 :基于 A RM 的智能家居远程监控系统设计 基于 ARM 的智能家居远程监控系统设计 李红刚1 ,张素萍2 ,方 　佳1 ,董玲娇3 (1. 中国热带农业科学院 科技信息研究所 　海南 儋州 　571737 ; 2. 贵州大学 电子科学与信息技术学院 　贵州 贵阳 　550025 ;3. 温州职业技术学院 　浙江 温州 　325035) 摘 　要 :针对传统智能家居系统不足之处 ,提出了基于 ARM 的智能家居远程监控系统设计方案 ,并对该方案进行了具 体设计 。该系统由智能家居终端 、智能家居控制中心 、客户端三部分组成 ,智能家居控制中心与终端之间是基于蓝牙无线连 接方式 ,与客户端之间是基于 GPRS 和 Internet 连接方式 。本系统基于 B/ S 结构 ,具有软硬件资源丰富 ,成本低 ,功耗小 ,便 于扩展 ,升级及维护等优点 ,具有一定实用价值 。 关键词 :ARM ;智能家居 ;远程监控 ; GPRS ;蓝牙 ;Linux 中图分类号 : TP23 　　　　　文献标识码 :B 　　　　　文章编号 :1004 373X(2009) 05 134 05 Design of Intellectual House Remote Monitoring System Based on ARM L I Honggang1 ,ZHAN G Suping2 ,FAN G Jia1 ,DON G Lingjiao3 (1. Scientific and Technological Info rmation Research Institute ,Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences ,Danzhou ,571737 ,China ; 2. Science & Information Tchnology , Guizhou University , Guiyang ,550025 ,China ;3. Wenzhou Vocational & Technical College ,Wenzhou ,325035 ,China) Abstract : To the deficiency of traditional intellectual house system , the design and implementation of intellectual house system based on ARM are introduced. The system is made up of intellectual house termination ,intellectual house control centre and client termination ,intellectual house control centre and termination are based on the wireless connection way of Bluetooth , Intellectual house control centre and client termination are based on the connection way of GPRS and Internet . The system is based on B/ S structure and has the advantages of abundant hardware and software resourece ,low cost ,low power ,easy to expand ,upgrade and maintain. The system has certain using value in p ractical application. Keywords :ARM ;intellectual house remote monitoring ; GPRS ;Bluetooth ;Linux 　　随着计算机 、通信及微电子技术的飞速发展和人民 生活水平的提高 ,人们对居住环境的要求 ,也向着追求 精神内涵 、安全舒适 、便捷智能化和自动化为理想目标 , 智能化的家居环境也逐渐备受人们的关注 。目前 ,在智 能家居系统设计中 ,智能家居控制中心与终端 (家电设 备 、安防设备 、三表等) 之间多采用基于总线的有线连接 方式 ( RS 485 ,CAN ,LonWorks 等) ,这种连接方式具有 布线复杂 、线路易腐蚀 、维护不方便 、影响室内美观等缺 点 ;远程用户与智能家居控制中心之间的通信多采用电 话线和网线的通信方式 ,未能将目前日益成熟的移动通 信技术应用其中 ,给用户带来极大的不便 ;智能家居控 制中心多采用单片机作为控制核心 ,随着用户功能需求 的增加 ,由于单片机软硬件资源有限 ,给系统的升级 、维 护及调 试带 来极 大困难 。鉴于 此 , 本 文 提 出 了 基 于 A RM 的智能家居远程监控系统设计方案 ,并对该方案 进行了具体设计 。 收稿日期 :2008 基金项目 :中国热带农业科学院重点学科资助项目 08 27 431 1 　智能家居无线技术概述 1. 1 　GPRS 技术简介 通用分组无线业务 ( Geneval Packet Radio Serv ice , GPRS) 以分组交换技术为基础 ,采用 IP 数据网络 协议 ,使现有 GSM 网的数据业务突破了最高速率为 9 GPRS 具有永远在线 、高速传输 、按流量计费 、减少无线 资源浪费及通信成本低等优点 。 1. 2 　蓝牙技术简介 6 Kb/ s 的 限 制 , 最 高 数 据 速 率 可 达 171 2 Kb/ s 。 蓝牙技术[ 1 ] 是一项新兴的技术 ,它的主要目的是在 4～ 全世界建立一个短距离的无线通信标准 。它使用2 5 GHz 的 ISM ( Indust ry Scientific Medical) 频段传送 2 语音和数据 。运用成熟、实用、先进的无线技术来代替电 缆 ,它提供了低成本、低功耗的无线接口 ,使所有固定和 移动设备通过微微网 PAN ( Per2sonal Area Network) 连 接起来。这样 ,人们可以通过手机或者互联网在任何时 候、任意地点对家中的任意电器 (空调、热水器、电饭煲、 灯光、音响、DVD 录像机) 进行远程控制。 

《现代电子技术》2009 年第 5 期总第 292 期 　 测试 ·试量 ·自动化 2 　系统的主要功能和总体结构设计 2. 1 　主要功能 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 ,同时还可自动完成三表 (水 、电 、气) 的抄表工作 。 2. 2 　总体结构设计 智能家居系统远程监控系统的核心部分是一个嵌入 式 Web 服务器 ,系统集有线与无线两种通信方式于一 体 ,用户可以通过手机或 PC 机登陆家中的嵌入式 Web 服务器 ,通过用户名和密码验证之后 ,便可以查看或控制 家用电器、灯光、窗帘、门禁、安防等基础设施 ;系统带有 LCD 和键盘 ,具有良好的人机界面 ;用户可以通过键盘设 定系统所需要的参数 ;系统具有丰富的可扩展接口 ,如 A/ D 转换接口、无线蓝牙接口、RS 485 接口、GPRS 接口、 以太网接口。系统的总体结构设计如图 1 所示。 图 1 　系统的总体结构图 3 　系统硬件设计 3. 1 　硬件结构设计 系统的硬件结构设计如图 2 ,图 3 所示 。由图 2 可 知 ,智能终端以 MCU 为控制核心 ,外扩蓝牙从模块及 其他外设接口 ;由图 3 可知 ,智能家居控制中心硬件由 嵌入式微处理器 、外部存储器 、数据通信接口 、人机接口 及调试接口五大部分组成 。 图 2 　智能终端硬件结构图 3. 2 　系统控制中心硬件设计 3. 2. 1 　嵌入式微处理器 本系统选用韩国三星电子的基于 A RM920 T 内核 的 32 位嵌入式微处理器 S3C2410 作为系统的控制核 心 ,该 芯 片 本 身 集 成 了 包 括 存 储 器 接 口 、通 信 接 口 (U SB , RS 232) , A/ D ,J TA G 等在内的丰富的硬件资 源 ,可简化外围设备与微处理器的硬件连接程度 ,提高 系统的稳定性 、可靠性 。 图 3 　智能家居中控制中心硬件结构图 3. 2. 2 　系统存储器 由于 S3C2410 的存储控制器提供了外部存储器访 问所需要的控 制信 号 , 用 户只 需要 选择合 适的 外部 FL A SH 和 SDRAM 与其相连 ,即可实现系统的存储功 能 。本系统选用 SAMSUN G 公司的具有 512 MB 容量 的 K9F1208 作为系统外部的 NAND FL A S H 存储器 , 用于存放程序代码 、常量表以及一些在系统掉电后需要 保存的用户数据等 。选用 2 片容量为 32 MB 的 SAM SUN G 的 K4S56163 作为系统外部的 SDRAM ,用作程 序的运行空间 、数据及堆栈区 。 3. 2. 3 　以太网控制模块 由于 S3C2410 本身没有集成以太网控制模块 ,所 以需要一个与之相匹配的控制芯片来实现以太网扩展 接口 。本系统选用 CIRRU S L O GIC 公司的 CS8900A 作为系统的以太网控制芯片 。CS8900A 是一个单芯片 全双工的以太网解决方案 ,所有的数字和模拟电路合成 了完整的以太网电路 。主要结构包括 ISA 总线接口 、 802. 3 MAC 引擎 、BU FF ER 、串行 E2 PROM 接口和带 T 和 AU I 的 模 拟 前 端 。 CS8900A 的 10BASE T 接口通过变压器 HR601627 与 RJ 45 网口 10BASE 连接[ 2 ] 。 3. 2. 4 　GPRS 通信模块 GPRS 通信模块采用西门子公司的无线数据传输 模块 MC35i ,支持数据 、短信 、语音和传真业务 。MC35i 是新一代 GSM/ GPRS 双模模块 ,完全兼容上一代的 MC35 , TC35i ;采用紧凑型设计 ,为用户提供了简单 、内 嵌式的无线 GPRS 连接 。MC35i 与控制中心是通过 UA R T 接口 1 进行硬件连接的 。 3. 2. 5 　蓝牙模块 系统设计中蓝牙模块选用爱立信公司的 ROK 101 007。 该模块是一款适合短距离无线通信的射频/ 基带模块 , 且集成度高 、功耗小 ,完全兼容蓝牙协议 Version1. 1 , 可嵌入任何需要蓝牙功能的设备中 。RO K 101 007 包 含 5 个功能块 :无线收发器 、基带控制器 、闪存 、电源管 531 

1 1 2 2 1 1 1 数 控 技 术 李红刚等 :基于 A RM 的智能家居远程监控系统设计 理模块 、时钟 ,可提供高至 HCI (主机控制接口) 层的功 能 。RO K 101 007 的 UA R T 口符合工业标准 16C450 , 支持以下波特率 :300 b/ s ,600 b/ s ,900 b/ s ,1 200 b/ s , 1 800 b/ s ,2 400 b/ s ,4 800 b/ s ,9 600 b/ s ,19 200 b/ s , 38 400 b/ s 等 。与 该 接 口 有 关 的 管 脚 有 4 个 : TxD (B5) ,RxD (A5) ,R TS (A6) ,C TS (B6) 。在本系统设计 中 ,A RM 微 处 理 器 S3C2410 通 过 UA R T 接 口 2 与 RO K 101 007 模块连接 。 4 　系统软件设计 系统软件设计包括智能家居控制中心软件设计和 智能终端应用软件设计两大部分 。智能家居控制中心 是以 A RM 微处理器为控制核心 ,其软件设计包括系统 软件 (嵌入式操作系统 、硬件设备驱动程序 、嵌入式数据 库 、嵌入式 Web 服务器) 设计和应用软件 (网页设计及 C GI 应用程序) 设计 ;智能终端的控制核心为单片机 ,其 应用软件设计是一个循环控制程序 。 4. 1 　系统控制中心的软件设计 4. 1. 1 　系统软件设计 (1) 嵌入式操作系统的选择及移植 本系统采用 Linux 作为操作系统 , 并选用 Linux 6 内核在嵌入式微处理器 S3C2410 上移植 ,具体移植 2 方法如下 : ①准备 Linux 2. 6 内核移植所必需的文件 (内核 压缩包 linux gcc 3. 4. 1. tar. bz2) ,这些文件可到 Linux 官方网站免费 下载 。 2. 6. tar. bz2 及交叉编译器 arm linux ②利用 Linux 命令 (mkdir ,tar ,mv 及 export) 安装 交叉编译器 arm linux gcc 3. 4. 1 。 ③修改 Makefile 文件及相关硬件文件 。由于内核 的编译是根据 Makefile 文件的指示进行的 , Makefile 文件来组织内核的各模块之间的关系 ,记录了各个模块 之间的相互联系和依赖关系 。所以 ,开发人员要首先修 改 Linux 2. 6 根目录下的 Makfile 文件 ,修改的主要内 容是目标代码的类型和为编译内核指定一个编译器 。 ④运用 Make 命令编译内核生成内核镜像文件 zImage 文件 ,通过相应的固化软件把这个文件固化在 系统相应的存储器中 ,完成 Linux 2 6 内核在 A RM 微 处理器上的移植 。 (2) 驱动程序的移植及设计 智能家居控制中心需要多个设备驱动程序 ,而对于 嵌入式系统而言很少有通用的外设驱动程序可以使用 。 在本系统中 ,除了 GPRS 模块和蓝牙主模块分别通过 第一 、第二个串口与 S3C2410 相连 ,可以直接使用标准 的串口驱动程序外 ,其余的如家电控制接口 、传感器接 631 口及以太网接口等属于非标准外设 ,需要专门设计其驱 动程序 。在驱动程序的设计中 ,由于嵌入式 Linux 系统 中设备驱动程序有一个标准的框架 ,虽然这些接口工作 原理不同 ,但其设计方法基本类似 ,即根据硬件结构来 “填写”框 架 中 的 函 数 。主 要 的 函 数 包 括 open ( ) , init ( ) 和 read () ,write ( ) ,ioctl ( ) , release ( ) , module module exit () 等[ 3 ] 。 以太网接口驱动程序的设计虽然可以按照上述方 法进行 ,但是实现起来却有一定的难度 ,本系统在设计 中使用一种更 简单 的方法 , 即 通过 移植的 方法 实现 CS8900 以太网驱动程序在 S3C2410 上运行 。具体移 植方法如下 : ① 利 用 网 络 工 具 从 网 上 下 载 CS8900. C 和 CS8900. H ,并把它们拷贝到内核下的 DRIV ERS/ N E T 目录 。 ②修改配菜单 ,增加 CS8900 配置选项 ,使系统在 配置 A RC H SMD K2410 时 ,可使用 CS8900 的配置选 项 。 mach ③对网卡进行初始化及相关文件 ( smdk2410. h , smdk2410. c ,makefile) 进行修改工作 。 ④通过 Make 命令重新编译 ,即可实现 CS8900 以 太网驱动程序的移植 。 6 ] (3) 嵌入式 Web 服务器的选择及移植[ 4 在 A RM + Linux 开发平台下 ,可以使用的 Web 服 务器主要有三个 : Http d , Thttp d 和 Boa 。Http d 是较 简单的一个 Web 服务器 ,但其功能较弱 ,不支持认证 、 C GI。Thttp d 和 Boa 都支持认证 、C GI 等 ,功能比较强 。 为了实现动态 Web 技术 ,本系统在设计中选择了即支 持 C GI 又较适合于嵌入式系统的 Boa Web 服务器 ,并 将其移植在该系统中 ,使系统实现嵌入式 Web 服务器 的功能 。具体移植实现方法如下 : ①下载 Boa 服务器源代码 boa 0. 94. 13. tar. gz ,并 将其解缩在/ boa src/ 目录下 。 ②编译 Boa 源代码 ,生成执行文件 Boa (大小约 60 KB) 。 ③ 创建相关工作目录 。在/ etc 目录下建立一个 boa 目录 ,里面放入 boa 的主要配置文件 boa. conf 。还 需要创建日志文件所在目录/ var/ log/ boa ,创建 H TML 文档的 主 目 录/ var/ www , 创 建 C GI 脚 本 所 在 目 录/ var/ www/ cgi bin/ 。 ④对 Boa 作配置和修改 。主要通过对 defines conf 和 mime h , t ypes 文件进行修改来实现 。修改 h 指定 Web 服务器的根目录路径 ( SERV ER boa defines ROO T) 。boa co nf 文件 由一些 规则 组成 , 用于 配 置 Boa 服务器 ,指定相应端口 ,服务器名称 ,一些相关文件 

3 33 3 3 3 3 3 33 33 3 33 3 《现代电子技术》2009 年第 5 期总第 292 期 　 测试 ·试量 ·自动化 C GI 应用程序来实现用户的功能需求 。在系统设计中 , C GI 应用程序的编写采用 C 语言 ,实现外部实时数据 采样 、与外部设备的通信与控制等 。本系统控制中心的 应用软件工作流程如图 4 所示 。 的路径等 。Boa 服务器要想正确运行 ,必须保证该文件 是正确配置的 ,而且该文件和某些静态网页 ,C GI 可执 行程序等都放于某特定目录下 。 ⑤放置 Boa 文件 。在/ bin/ 下加入生成的 boa 可 执行文件并把修改后的 bao conf 拷贝到 Web 服务器 根目录/ etc/ boa 下 。并 将 一 些 静 态 页 面 放 在 由 bo a conf 指定的目录下 。 ⑥重新编译内核根文件系统 。把该文件系统重新 下载到控制中心硬件电路板 ,启动 Boa Web Server ,就 可以通过 IE 访问系统所设计的网页 。 (4) 嵌入式数据库的选择及移植[ 7 ] 本系统在设计中选用 SQLite 数据库 ,该数据库具 有功能强大 、接口简单 、速度快 、占用空间小的优点 ,使 其比较适合应用在嵌入式系统中 。系统在设计中实现 了 SQLite3 在 A RM 微处理器上的移植 。具体移植方 法如下 : ①在 http :/ / www. sqlite. org/ 下载最新的源代码 3. 3. 8. tar. gz ,并将其解压后将生成 SQLite 目 包 sqlite 录 。 linux gcc 。 ②安装交叉编译工具 arm ③修改 Makefile 文件 。Makefile 的修改主要包括 两个方面 :首先是将编译器 、归档工具等换成交叉工具 链中的对应工具 ,比如 ,gcc 换成 arm gcc ,ar 换成 ranlib 等 ; 其次是去 ar 掉与 TCL 相关的编译选项 ,因为默认情况下 ,将会编译 SQLite3 的 Tcl 语言绑定 ,但是在移植到 A RM Linux 的时候 并 不 需 要 , 因 此 将 两 个 与 TCL 有 关 的 行 注 释掉 。 　　　　 ar ,ranlib 换成 arm linux linux linux ④利用 Make 命令编译生成目标文件 SQLite3 。 嵌入式数据库 SQLite 的应用开发主要是利用它所 提供的 C 语言 A PI 函数来开发的 ,其核心的三个函数 如下 : Void sqlite Int sqlite exec (sqlite clo se (sqlite db) ; db ,char ) ,void dbnane ,int mode ,char / / 打开一个数据库 / / 关闭数据库 callback (void errmsg) ; / / 用来处理 SQL 查询 sql ,int ( parg ,char Sqlite errmsg) ; sqlite open (const ,int ,char ,char 4. 1. 2 　应用软件设计 图 4 　智能家居控制中心应用软件工作流程 4. 2 　智能终端应用软件设计 由于每一个独立的智能家居终端实现的功能不同 , 所以针对不同的智能家居终端需要编写不同的应用软 件 ,实现家电实时状态采样及控制 、三表实时数据采样 及安防设备实时状态采样等功能 。此外 ,由于本系统设 计中智能家居终端的控制核心为 MCU ,所以其应用软 件设计相对主控中心来说要简单些 。设计中应用程序 按照软件设计流程图进行编写 ,编写完毕之后 ,对软件 进行仿真 、调试 ,最终固化应用程序 。下面以智能家电 终端为例 ,说明智能终端应用软件设计 。智能家电终端 的软件工作流程如图 5 和图 6 所示 。 智能家居控制中心的核心是一个嵌入式 Web 服务 器 ,其应用软件的设计包括网页设计和 C GI 应用程序 设计两部分 。网页设计采用设计工具 Dreamweaver , Frongt Page ,Photo shop , Flash 来实现 。应用程序设计 中考虑到系统硬件资源有限 ,故采用了 C GI 技术实现 浏览器与嵌入式 Web 服务器的动态数据交互 。把 C GI 程序保存在服务器端 ,当 Web 页面打开时 ,客户端调用 图 5 　智能家电终端主程序流程图 731 

1 2 2 数 控 技 术 李红刚等 :基于 A RM 的智能家居远程监控系统设计 蓝牙无线传输方式 ,避免了有线连接方式布线复杂 、线 路易腐蚀 、维护不方便 、影响室内美观等缺点 。因此 ,该 系统设计在实际应用中具有一定的借鉴意义 。 参 　考 　文 　献 [ 1 ] 薛晓明 ,陈震. 蓝牙芯片 BlueCore03b 在远程控制智能家居 系统的 应 用 [ J ]. 泰 州 职 业 技 术 学 院 学 报 , 2004 , 4 ( 4 ) : 26 28. 　　　　 [2 ] 于明 ,范书瑞 ,曾祥烨. ARM 9 嵌入式系统设计与开发教程 [ M ]. 北京 :电子工业出版社 ,2006. [ 3 ] 刘淼. 嵌入式系统接口设计与 Linux 驱动程序开发 [ M ]. 北 京 :北京航空航天大学出版社 ,2006. [4 ] 付保川 ,王中杰. 基于 ARM 的嵌入式 Web 服务器研究 [J ]. 电子器件 ,2006 ,29 (2) :42 45. [ 5 ] 陆永健 ,王萍 ,吴佳 ,等. 嵌入式 Web 服务器 Boa 的移植及其 应用[J ]. 河海大学常州分校学报 ,2005 ,19 (4) :44 47. [ 6 ] 赖于树 ,李迅波 ,杜平安. 基于嵌入式 Web 服务器的多通道 温湿度监测仪[J ]. 仪表技术与传感器 ,2006 (5) :16 18. [ 7 ] 雷小俊 ,李伟. SQLite 在嵌入式 Web 服务器中的应用 [J ]. 信息技术 ,2006 (6) :128 130. 图 6 　串行口中断服务子程序流程图 5 　结 　语 与传统智能家居系统相比 ,该系统控制中心硬件采 用 A RM 微处理器作为控制核心 ,软件采用Linux 2 6 内核作为系统的嵌入式操作系统 ,采用 Boa 为嵌入式 Web 服务器 ,采用 SQLite 为系统嵌入式数据库 ,使控 制中心具有丰富的软硬件资源和可扩展接口 ,便于系统 的开发 、调试 、维护 、升级及扩展 ,同时也提高了系统的 稳定性 、可靠性 。该系统控制中心与智能终端之间采用 作者简介 　李红刚 　男 ,工学硕士 。主要研究方向为计算机测控 、嵌入式系统及农业信息化 。 张素萍 　女 ,硕士研究生 。主要研究方向为电路设计自动化及集成电路 IC 设计 。 方 　佳 　男 ,研究员 ,硕士生导师 。主要研究方向为农业信息化 。 董玲娇 　女 ,硕士 ,讲师 。主研方向为计算机智能控制 。 (上接第 126 页) 2 　结 　语 用圆周卷积和 FF T 运算离散卷积具有很大优势 , 在 Matlab 中圆周卷积没有专用函数 ,需要自己编制 ,在 序列比较长时 FF T 是一种最合适的方法 ,可以快速得 出仿真运算的结果 。选择圆周卷积或 FF T 运算线性离 散卷积可提高 DSP 设计的效率 。 参 　考 　文 　献 [ 1 ] 徐科军. 信号分析与处理[ M ]. 北京 :清华大学出版社 ,2006. [ 2 ] 刘顺兰 ,吴杰. 数字信号处理 [ M ]. 西安 :西安电子科技大学 出版社 ,2003. [ 3 ] 朱仁峰. 精通 Matlab 7[ M ]. 北京 :清华大学出版社 ,2006. [ 4 ] 燕庆明. 信号与系统[ M ]. 北京 :高等教育出版社 ,2004. [ 5 ] 俞卞章. 数字信号处理 [ M ]. 2 版. 西安 :西北工业大学出版 社 ,2006. [6 ] 徐莉 ,罗新民 ,徐燕红. 卷积码的 Matlab 仿真及其性能研究 [J ]. 现代电子技术 ,2006 ,29 (11) :64 66. [ 7 ] 黄琼玲 ,刘振兴 ,尉宇. 一种分数阶傅里叶变换快速算法的 研究[J ]. 现代电子技术 ,2008 ,31 (9) :156 157. 作者简介 　刘国良 　男 ,1958 年出生 ,计算机高级工程师 。研究方向为计算机 CAD 设计 、电子技术应用和无线电等 。 飞利浦 21 ∶9 超宽屏液晶电视 2009 年 6 月上市 　　飞利浦公司于 2009 年 1 月宣布将推出一款比 例达到 21 ∶9 的超宽屏幕液晶电视产品 ,专门对应 以2 39 ∶1或类似比例拍摄的电影作品 。日前 ,飞利 浦终于公布了这台创意液晶电视的上市信息 。Cin ema 21 ∶9 HD TV 目前仅针对欧洲市场 ,尺寸为 56 寸 。飞利浦目前还未透露其具体规格信息 ,不过据 估算其分辨率应该在 2 560 ×1 080 左右 ,CCFL 背 光 。根据欧洲媒体的试用 , 该机 可以 无黑 边兼容 16 ∶9格式视频 ,而目前的 DVD 和蓝光播放机产品 大部分已经可以兼容 21 ∶9 电视 。其他方面 ,包括 5 个 HDM I 接口 ,支持 Wi Fi 、以太网络 ,流光溢彩功 能等 。 (摘自《驱动之家》) 831