基于PXA270-Linux的智能家居系統(tǒng)研究

摘 要:設(shè)計(jì)了PXA270處理器和Linux操作系統(tǒng)的智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過(guò)運(yùn)用RS 485總線接入各種功能的傳感器模塊和控制模塊及軟硬件均模塊化的設(shè)計(jì)思想，最終實(shí)現(xiàn)了家居安全報(bào)警、家用電器及照明系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制。該方案具有設(shè)計(jì)靈活，可裁剪性強(qiáng)，集成度高，易于升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)，在視頻處理和遠(yuǎn)程監(jiān)控具有一定優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞:智能家居; RS 485總線; PXA270處理器; Linux

中圖分類號(hào):TP277;TP872 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)13-0207-02

Research of Smart Home System Based on PXA270-Linux

LIU Jing

(Department of Information and Engineering， Sh

nxi Polytechnic Institute， Xianyang 712000， China)

Abstract: An intelligent home network system for PXA270 processor and Linux operating system is designed in this paper.The home safety alarm， and the remote control of home appliances and lighting systems are realized with various functions of the sening modules and control modules inserted by RS 485 bus. The design scheme is flexible and easy to upgrade， and has high integration level and obvious superiorities in vedio processing and remote fonitoring.

Keywords: smart home; RS 485 bus; PXA270 processor; Linux

智能家居是通過(guò)綜合采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)、通信和控制技術(shù)(3C)，建立一個(gè)由家庭安全防護(hù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)和家庭自動(dòng)化系統(tǒng)組成的家庭綜合服務(wù)與管理集成系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)全面的安全防護(hù)、便利的通訊網(wǎng)絡(luò)以及舒適的居住環(huán)境的家庭住宅。智能家居是一個(gè)多功能的技術(shù)系統(tǒng)，它包括可視對(duì)講、家庭內(nèi)部的安全防范、家居綜合布線系統(tǒng)、照明控制、家電控制、遠(yuǎn)程的視頻監(jiān)控、聲音監(jiān)聽(tīng)、家庭的影音系統(tǒng)等。隨著技術(shù)發(fā)展和人們需求的增長(zhǎng)家居智能化包含的內(nèi)容會(huì)更多。

1 智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前完整的智能家居系統(tǒng)主要包括5個(gè)部分:主控模塊、電器控制子系統(tǒng)、照明控制子系統(tǒng)、安全控制子系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)控制子系統(tǒng)。5個(gè)部分功能各司其職，邏輯上構(gòu)成一個(gè)完整的控制實(shí)體。整個(gè)系統(tǒng)能為人們提供智能、舒適、安全的家庭環(huán)境，同時(shí)提供遠(yuǎn)程信息監(jiān)控能力。智能家居系統(tǒng)組成如圖1所示。主控模塊負(fù)責(zé)子系統(tǒng)的信息集中、存儲(chǔ)、分析和決策。嵌入式芯片的發(fā)展使主控模塊越來(lái)越精巧，功能日益豐富。

智能家居是一個(gè)龐大的系統(tǒng)，主控系統(tǒng)是系統(tǒng)的控制中樞，家庭網(wǎng)絡(luò)是系統(tǒng)的神經(jīng)系統(tǒng)，傳輸系統(tǒng)信息流和控制流。家居中的設(shè)備眾多，設(shè)備的接口各異，實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備的智能控制面對(duì)巨大挑戰(zhàn)。該設(shè)計(jì)采用分布式技術(shù)、總線技術(shù)和嵌入式技術(shù)構(gòu)造了一個(gè)多功能、通信能力強(qiáng)的智能家居系統(tǒng)。

圖1 智能家居系統(tǒng)組成

2 開(kāi)發(fā)平臺(tái)的選擇與構(gòu)建

2.1 智能家居系統(tǒng)硬件構(gòu)成

主控平臺(tái):UP-SmartHome智能家居教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)屬于一種綜合的教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主處理器選用基于ARM核的Intel XScale架構(gòu)的PXA270處理器，它集成了存儲(chǔ)單元控制器、時(shí)鐘和電源控制器、LCD控制器、AC97控制器等外圍控制器，可以實(shí)現(xiàn)豐富的外圍接口功能。其低電源運(yùn)行模式以及動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)可以有效降低電源的功耗。內(nèi)置的LCD控制器和觸摸屏控制器簡(jiǎn)化液晶顯示的電路設(shè)計(jì)，此系統(tǒng)中采用16 b 8寸640×480真彩LCD顯示屏和觸摸屏。PXA270處理器主頻高達(dá)624 MHz，運(yùn)算能力強(qiáng)，功耗低，可滿足主控模塊的運(yùn)算要求，外圍接口豐富，為主控模塊的擴(kuò)展提供良好的支持，用戶可以自己設(shè)計(jì)接口進(jìn)行其他模塊的功能實(shí)現(xiàn)。

2.2 嵌入式開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)

嵌入式硬件資源日益豐富，成本也較低廉，資源的增強(qiáng)使軟件有更多的資源可以利用。該設(shè)計(jì)中主控模塊的硬件資源非常豐富，軟件系統(tǒng)也很龐大，軟件系統(tǒng)無(wú)法避免在訪問(wèn)資源時(shí)遇到?jīng)_突、數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)交換的問(wèn)題，所以需要一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)統(tǒng)一管理硬件資源，并對(duì)軟件開(kāi)發(fā)提供良好的基礎(chǔ)環(huán)境，此系統(tǒng)采用在源代碼開(kāi)放、可移植性強(qiáng)的Linux操作系統(tǒng)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

2.2.1 引導(dǎo)程序

引導(dǎo)加載程序 Bootloader 是嵌入式系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)的第一個(gè)環(huán)節(jié)，是目標(biāo)板系統(tǒng)加電后運(yùn)行的第一段代碼，通過(guò)初始化硬件設(shè)備，建立內(nèi)存空間的映射表，為最終加載操作系統(tǒng)內(nèi)核建立適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)軟硬件環(huán)境。Bootloader是嚴(yán)格地依賴于硬件而實(shí)現(xiàn)的，通用的Bootloader幾乎是不可能的。在此，由于U-boot 是遵循 GPL條款的開(kāi)放源碼項(xiàng)目，能支持盡可能多的嵌入式處理器和嵌入式操作系統(tǒng)。此系統(tǒng)在PXA270開(kāi)發(fā)板上成功移植了U-boot。

2.2.2 Linux內(nèi)核移植和編譯

所謂Linux 移植就是把Linux 操作系統(tǒng)針對(duì)具體的目標(biāo)平臺(tái)做必要改寫之后，安裝到該目標(biāo)平臺(tái)使其正確地運(yùn)行起來(lái)。這個(gè)概念目前在嵌入式開(kāi)發(fā)領(lǐng)域講的比較多。其基本內(nèi)容是:獲取某一版本的Linux 內(nèi)核源碼，根據(jù)具體目標(biāo)平臺(tái)對(duì)這個(gè)源碼進(jìn)行必要的改寫，然后添加一些外設(shè)驅(qū)動(dòng)，打造一款適合于目標(biāo)平臺(tái)的新操作系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行針對(duì)目標(biāo)平臺(tái)的交叉編譯，生成一個(gè)內(nèi)核映象文件，最后把該映象文件燒寫(安裝)到目標(biāo)平臺(tái)中。而通常對(duì)Linux 源碼的改寫工作難度較大，這里采用的是目標(biāo)平臺(tái)提供商所給的文件。如果系統(tǒng)中有些硬件沒(méi)有驅(qū)動(dòng)起來(lái)，就需要自己開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主控模塊軟件設(shè)計(jì)

智能家居主控模塊上硬件資源豐富，軟件上有 Linux 操作系統(tǒng)的支持，各個(gè)子模塊在主控模塊的控制下協(xié)同工作。主控模塊和子模塊之間主要傳輸信息流和控制流。主控模塊到子模塊傳輸?shù)闹饕强刂屏鳎@些控制流完成子模塊的配置或者命令子模塊系統(tǒng)完成特定的任務(wù)。子模塊到主機(jī)傳輸?shù)闹饕菙?shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)流主要包含子模塊系統(tǒng)中各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)或傳感器數(shù)據(jù)等。

主控平臺(tái)軟件的主要功能是系統(tǒng)初始化，建立人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)與 GSM 通訊，與各監(jiān)測(cè)、控制模塊通訊。

在初次使用時(shí)，由用戶設(shè)置手機(jī)號(hào)碼，號(hào)碼將保存在主控平臺(tái)配置的FLASH 中，主控平臺(tái)等待用戶命令，此命令可能來(lái)自GSM模塊或當(dāng)前主控人機(jī)界面，當(dāng)用戶通過(guò)短消息向系統(tǒng)發(fā)送控制消息時(shí)，GSM 模塊將接收的短消息通過(guò)串口發(fā)送給主控平臺(tái)，由主控平臺(tái)對(duì)短消息解析，并將消息組裝成命令幀，通過(guò)RS 485總線發(fā)送給被控模塊;如果命令來(lái)自當(dāng)前主控平臺(tái)，則主控平臺(tái)直接解析命令，組裝命令幀發(fā)送到對(duì)應(yīng)控制模塊。

3.2 子模塊軟件設(shè)計(jì)

子模塊初始化后，定時(shí)查詢RS 485總線接口，檢測(cè)是否有命令幀，如果有就接收幀，取幀中的機(jī)器號(hào)和此模塊的機(jī)器號(hào)比較是否相同，如果相同就解析此幀，執(zhí)行相應(yīng)的命令，否則繼續(xù)檢測(cè)總線接口。

4 結(jié) 語(yǔ)

分析了家庭控制網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，提出了一種基于PXA270處理器和Linux操作系統(tǒng)的智能家居控制系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)。最后介紹了主控模塊和子模塊系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及主控模塊和其他功能子系統(tǒng)之間的RS 485總線通訊協(xié)議。該方案具有設(shè)計(jì)靈活，可裁剪性強(qiáng)，集成度高，易于升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)，后續(xù)工作應(yīng)該是在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善和改進(jìn)，以提高效率和實(shí)用性。

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