基于嵌入式Linux的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計

董萍

(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息傳媒學(xué)院，河南三門峽472000)

基于嵌入式Linux的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計

董萍

(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息傳媒學(xué)院，河南三門峽472000)

從智能家居系統(tǒng)的現(xiàn)狀和存在的問題出發(fā)，利用Linux操作系統(tǒng)穩(wěn)定性高、安全性好的特點，將Linux與智能家居系統(tǒng)相結(jié)合，從智能家居系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)關(guān)三個方面進(jìn)行設(shè)計，提出一種基于嵌入式Linux的智能家居系統(tǒng)設(shè)計方案。

嵌入式Linux;智能家居;ARM;節(jié)點

隨著當(dāng)今社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和生活節(jié)奏的不斷加快，以及信息技術(shù)的巨大進(jìn)步，人們對家居環(huán)境的要求日益提高，具備信息化、自動化功能的個性化智能家居成為人們的迫切需要。設(shè)計一款安全、舒適、方便的智能家居系統(tǒng)顯得尤為重要。實現(xiàn)“以人為本”的家居生活，能夠減輕人們的生活壓力。

目前智能家用電器存在價格昂貴的弊端，普通家庭用戶難以承受，而且智能家用電器分散度高，用戶使用時需要在手機(jī)中安裝若干客戶端，逐一進(jìn)行配置，非常麻煩。而智能家居系統(tǒng)能夠克服上述缺點。智能家居系統(tǒng)是隨著嵌入式技術(shù)和人們物質(zhì)文化需求的不斷提高而發(fā)展起來的一種智能終端系統(tǒng)。人們可以通過手機(jī)等移動終端設(shè)備，本地或遠(yuǎn)程控制家中的電氣設(shè)備，隨時隨地保障家庭安全。

1 Linux和智能家居系統(tǒng)結(jié)合的優(yōu)勢

1.1 Linux操作系統(tǒng)

Linux自20世紀(jì)90年代初誕生以來，已經(jīng)從一個操作系統(tǒng)核心發(fā)展成為具有完整應(yīng)用功能的操作系統(tǒng)，Linux系統(tǒng)支持XFS、JFS、FAT16、FAT32、NTFS等類型的文件系統(tǒng)[1]。由于Linux具有穩(wěn)定性高、安全性好的特點，被廣泛應(yīng)用于服務(wù)器、桌面辦公等領(lǐng)域[2]。

Linux操作系統(tǒng)由Linux內(nèi)核、系統(tǒng)基本庫和應(yīng)用程序等部分組成[3]。Linux操作系統(tǒng)包括圖形和字符兩種操作界面，字符界面中的功能最為強(qiáng)大，可以使用豐富的操作命令。Linux系統(tǒng)是層次結(jié)構(gòu)，其內(nèi)核完全開放，具備一整套工具鏈，具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持功能。Linux被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、智能家居、軍事、醫(yī)療、電子等領(lǐng)域以及掌上電腦(Pad)、筆記本電腦、手機(jī)等智能信息產(chǎn)品中[4]。Linux的內(nèi)核驅(qū)動程序架構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 Linux的內(nèi)核驅(qū)動程序架構(gòu)示意圖

1.2 Linux和智能家居系統(tǒng)結(jié)合的優(yōu)勢分析

智能家居系統(tǒng)主要由智能家居主控端、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、用戶交互界面和控制器組成[5]。目前，智能家居的實現(xiàn)主要有有線和無線兩種方式。將Linux用于智能家居系統(tǒng)具有三個方面的優(yōu)勢。第一，Linux在穩(wěn)定性、高效性和安全性方面存在優(yōu)勢，將其用于智能家居方面能夠降低系統(tǒng)的開發(fā)成本和開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，提高開發(fā)速度。第二，嵌入式Linux對底層設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的良好支持為智能家居系統(tǒng)在驅(qū)動開發(fā)和網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用打下了堅實基礎(chǔ)。第三，嵌入式Linux對GUI的良好支持可以使系統(tǒng)的UI界面非常易于使用，可以為用戶帶來良好的使用感受。

基于嵌入式Linux的智能家居系統(tǒng)將Linux與智能系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)智能管理、自動擴(kuò)展等功能，對于智能家庭系統(tǒng)的推廣是極為有益的，具有很高的工程實用價值。

2 智能家居系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

2.1 智能家居系統(tǒng)的整體需求分析

系統(tǒng)的需求分析對于系統(tǒng)的實現(xiàn)是非常重要的。準(zhǔn)確的需求分析可以減少系統(tǒng)的開發(fā)周期，降低系統(tǒng)開發(fā)成本和維護(hù)成本。一個良好的智能家居系統(tǒng)應(yīng)該具有家庭安全防護(hù)和各類電器管理的功能，而且成本低廉、兼容性好，能夠運(yùn)用密碼確保有權(quán)限的用戶方可進(jìn)入系統(tǒng)操作。

2.2 智能家居中的相關(guān)技術(shù)

智能家居具有數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、安全保護(hù)的功能和交互機(jī)制。在數(shù)據(jù)存儲方面，釆用基于頻度、基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、基于業(yè)務(wù)類型、基于信息來源的存儲方案。在智能家居的移動性管理方面采用有效的交互控制機(jī)制，能夠從節(jié)點認(rèn)證、用戶身份認(rèn)證與訪問控制、數(shù)據(jù)傳輸安全等方面對智能家居中的交互信息進(jìn)行不同等級的安全保護(hù)。在傳輸過程中用戶關(guān)心的環(huán)境信息和測量誤差等數(shù)據(jù)會淹沒在噪音中而得不到有效利用，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，這樣才能使網(wǎng)絡(luò)為用戶提供有效的服務(wù)。

2.3 智能家居系統(tǒng)的總體設(shè)計方案

2.3.1 總體設(shè)計

智能家居系統(tǒng)應(yīng)具有數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程與本地控制、居家安防與監(jiān)視、場景控制、自動報警、密碼設(shè)置、萬能遙控等功能。在系統(tǒng)設(shè)計過程中，應(yīng)把握可擴(kuò)展性、實用性、先進(jìn)性、完整性、易用性原則。

智能家居系統(tǒng)由內(nèi)部網(wǎng)、外部網(wǎng)、網(wǎng)關(guān)三個部分組成的。外部網(wǎng)主要指的是互聯(lián)網(wǎng)，是內(nèi)部網(wǎng)對外交流信息的載體。內(nèi)部網(wǎng)是將家庭內(nèi)部的各種家電設(shè)施、設(shè)備等連接起來組成的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)關(guān)是家庭內(nèi)部和外部網(wǎng)絡(luò)的連接設(shè)備。

2.3.2 硬件設(shè)計

1)微處理器。隨著計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的不斷提高，嵌入式系統(tǒng)正在改變著人們的生產(chǎn)和生活，以嵌入式系統(tǒng)為核心的微處理器得到了迅速發(fā)展。處理器是構(gòu)建智能家居系統(tǒng)硬件平臺的核心，系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能以及對節(jié)點的控制都是通過處理器來實現(xiàn)的。目前的嵌入式處理器主要有MCU、MPU、DSP、SOC、ARM幾種類型?？紤]智能家居系統(tǒng)具有處理速度快、功能強(qiáng)大、實時性高的特點，本文在系統(tǒng)開發(fā)過程中選用高性能、低成本、低功耗的ARM內(nèi)核32位S3C2410型微處理器作為系統(tǒng)的核心處理器。

2)ZigBee。ZigBee是一種可靠性高、工作頻段靈活、安全穩(wěn)定性強(qiáng)的雙向無線通信技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于各類自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。本系統(tǒng)采用使用ZigBee 2006協(xié)議的系統(tǒng)芯片CC2430作為無線收發(fā)模塊。CC2430是新一代ZigBee無線單片機(jī)系列芯片，具有高性能、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高等特點，被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。

3)GPRS無線通信模塊。GPRS(通用分組無線服務(wù))是一種采用分組交換的高效率數(shù)據(jù)傳輸方式。本系統(tǒng)采用Simcom公司生產(chǎn)的SIM 300芯片作為GPRS通信模塊。SIM 300芯片具有體積小、即插即用、功耗低、數(shù)據(jù)傳輸快、支持語音通信、計費合理等特點，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于移動通信、遠(yuǎn)程控制、無線抄表等領(lǐng)域。

2.3.3 軟件設(shè)計

嵌入式Linux具有內(nèi)核高效穩(wěn)定、可裁剪、安全可靠性高、可移植性好、源代碼公開等特點，是一款支持多用戶多任務(wù)的32位處理器的操作系統(tǒng)，支持多款硬件平臺，其功能能夠滿足智能家居系統(tǒng)的需要。

3 智能家居系統(tǒng)內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.1 內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)

智能家居系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的主要作用是將家中的各種電器設(shè)備、傳感器等終端節(jié)點連接起來。智能家居方案通常采用具有覆蓋范圍廣、穿透能力強(qiáng)等特點的無線通信方式來組建家庭網(wǎng)絡(luò)。目前，常用的無線組網(wǎng)技術(shù)有紅外技術(shù)、藍(lán)牙、共享無線接入?yún)f(xié)議、ZigBee。

3.2 系統(tǒng)組網(wǎng)方式的選擇

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，越來越多的無線通信技術(shù)被引入到智能化的家庭住宅中，用來解決家居布線所帶來的各種問題。無線方式的傳輸介質(zhì)是無線電波，不用專門布線，支持移動設(shè)備，不受障礙物的阻隔，覆蓋范圍廣。通過案例分析對比，各種無線組網(wǎng)技術(shù)中最適合用于智能家居系統(tǒng)中的是ZigBee。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有星型、樹型和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示，其中，“1”代表協(xié)調(diào)器，“2”代表路由器，“3”代表終端。

(a) 星型結(jié)構(gòu) (b)樹型結(jié)構(gòu) (c) 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)圖2 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.3 智能家居網(wǎng)絡(luò)的組建

智能家居系統(tǒng)由數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)將家中的各種家用電器通過數(shù)據(jù)線路連接起來，實現(xiàn)設(shè)備之間的信息共享，通常采用綜合布線的方式組建網(wǎng)絡(luò)。控制網(wǎng)絡(luò)的功能為通過家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)將各種控制指令發(fā)送到終端設(shè)備，接收并處理終端設(shè)備發(fā)送過來的各種信息，達(dá)到對終端設(shè)備的監(jiān)測和控制。

智能家居系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)簡單的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組建智能家居網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)的核心節(jié)點是家庭網(wǎng)關(guān)，其ZigBee無線收發(fā)模塊采用FFD設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 智能家居系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

4 智能家居系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)

家庭網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通信，是管理和控制家庭中各種家電設(shè)備和終端節(jié)點的平臺，是為用戶提供獲得各種設(shè)備服務(wù)的平臺入口和人機(jī)交互界面的接口。

4.1 智能家居系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計

智能家居系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)硬件部分主要包括Flash存儲系統(tǒng)、電源電路、串口電路、GPRS通信模塊、ZigBee無線收發(fā)模塊等，如圖4所示。

圖4 家庭網(wǎng)關(guān)硬件部分

4.1.1 ARM芯片內(nèi)核

ARM芯片內(nèi)核已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國防、軍事、通信、家電等各個領(lǐng)域，具有體積小、功耗低、價格低等優(yōu)點，是一種32位微處理器。ARM內(nèi)核有許多能夠快速處理指令的寄存器，并且ARM處理器的尋址方式簡單、執(zhí)行效率高。

4.1.2 Flash存儲系統(tǒng)

Flash存儲器具有速度快、斷電后信息不會丟失、價格低廉的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中。Flash存儲芯片分為Nor Flash和Nand Flash兩種形式。Nor Flash具有讀取速度快的優(yōu)點，內(nèi)部具有XIP，應(yīng)用程序能夠直接在Flash內(nèi)運(yùn)行。Nand Flash具有密度高、讀寫速度快的優(yōu)點，適宜于多媒體設(shè)備的開發(fā)。本系統(tǒng)采用Nor Flash存儲啟動程序，Nand Flash存儲應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)。

4.1.3 基本電路模塊

智能家居系統(tǒng)的基本電路模塊主要包括電源電路和復(fù)位電路。

4.1.4 GPRS通信模塊

GPRS通信模塊是以實時操作系統(tǒng)作為軟件支撐平臺，采用高性能的無線模塊及嵌入式處理器，能夠為用戶提供速度快、穩(wěn)定性高、可靠性好的數(shù)據(jù)傳輸通道。GPRS具有通信、采集、遠(yuǎn)程管理功能。

4.2 智能家居系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計

4.2.1 Bootloader的移植

基于ARM體系的嵌入式系統(tǒng)中，在存儲器(Flash、EEPROM等)的起始地址處，會有一段用于對硬件初始化的代碼。在啟動成功后，這段啟動代碼將Linux系統(tǒng)從存儲器拷貝到內(nèi)存中，并根據(jù)用戶配置傳遞給Linux系統(tǒng)參數(shù)，最后放棄硬件控制權(quán)，將CPU的PC指針跳轉(zhuǎn)到Linux操作系統(tǒng)起始地址，實現(xiàn)操作系統(tǒng)的啟動。該代碼被稱為Bootloader，其基本功能如圖5。使用Bootloader可以降低系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)難度、提高系統(tǒng)開發(fā)效率。

圖5 Bootloader的基本功能

Bootloader的移植需要進(jìn)行開啟網(wǎng)絡(luò)支持、添加NAND Flash驅(qū)動、NAND Flash啟動控制三個步驟。

在開啟網(wǎng)絡(luò)支持方面，進(jìn)行四步操作：①在Uboot代碼路徑include/configs/sep4020.h中添加對DM9000的支持；②在/drivers/net/dm9000.c中的eth_init函數(shù)中屏蔽掉MII接口所使用的代碼部分；③在/drivers/net/dm9000.c中將函數(shù)dm9000_halt( )中的所有內(nèi)容刪除；④在讀取IMR寄存器時，重新設(shè)置一下地址指針。

在添加NAND Flash驅(qū)動方面，使用驅(qū)動程序中處于非常底層位置，并且和硬件密切相關(guān)的Nand_scan( )函數(shù)，實現(xiàn)對Flash參數(shù)的設(shè)置。使用board_nand_init( )函數(shù)，實現(xiàn)Flash控制器部分的初始化、Flash時序控制和寄存器的設(shè)置。

在NAND Flash啟動控制方面，只需在board_nand_init( )中加入SYS_SETUP1的電平判斷代碼，即可啟動NAND。

4.2.2 Linux內(nèi)核的移植

SEP4020的系統(tǒng)SDK提供了許多的硬件設(shè)備驅(qū)動程序。首先將不需要的部分從內(nèi)核剝離。進(jìn)入SEP4020的Linux源代碼目錄下，輸入make menuconfig，回車。進(jìn)入內(nèi)核配置界面，用戶根據(jù)需要進(jìn)行選擇使用。

4.2.3 文件系統(tǒng)的內(nèi)核移植

Linux能兼容如yaffs、cramfs、nfs、VFAT fs、MSDOS fs、ext2(ext3)、proc、sys等各種形式的文件系統(tǒng)。本文選擇了適用于NAND Flash的yaffs文件系統(tǒng)。在路徑File System->YAFFS2 file system support下，按下Y鍵啟用yaffs2文件系統(tǒng)的支持。在內(nèi)核編譯時，系統(tǒng)會自動加入yaffs文件系統(tǒng)到NAND Flash中。

5 測試

系統(tǒng)應(yīng)用程序測試的主要目的是測試系統(tǒng)的基本功能，包括無線通信距離、LCD顯示結(jié)果等。

系統(tǒng)測試相關(guān)軟件包括SEP4020 SDK、SlickEdit代碼編輯調(diào)試器、J-Link Flash調(diào)試器和串口調(diào)試工具。測試結(jié)果如表1所示。由此可知，系統(tǒng)性能完全達(dá)到了系統(tǒng)指標(biāo)要求。

表1 系統(tǒng)性能測試結(jié)果

6 結(jié)語

安全性、舒適性、個性化是智能家居產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展方向，隨著科技的發(fā)展和社會的進(jìn)步，人類對家居生活品質(zhì)的要求也越來越高。智能家居融合了移動通信、無線傳感器、嵌入式等多種技術(shù)。本文設(shè)計和開發(fā)了一套基于嵌入式Linux的智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)界面友好，使用方便，技術(shù)先進(jìn)，可靠性強(qiáng)，擴(kuò)展性、通用性好。經(jīng)實驗測試，系統(tǒng)性能符合指標(biāo)要求。

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責(zé)任編輯：楊子立

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An Intelligent Home System Based on Embedded Linux

DONG Ping

(Information Institute of Media,Sanmenxia Polytechnic,Sanmenxia 472000)

After analyzing the current situation and problems of existing intelligent home systems,Linux was ushered into intelligent home system design to make full advantage of Linux′s good stability and security.The system design mainly focused on the general arhitecture,internal network architecture and gateway desgin.A design plan of intelligent home system was finally presented based on embedded Linux.

embedded Linux;smart home;ARM;node

10.3969/j.issn.1671-0436.2017.01.009

2016- 04- 25

河南省教育廳高等學(xué)校重點科研項目(15B520026)

董萍(1980— )，女，碩士，副教授。

TP319

A

1671- 0436(2017)01- 0045- 05