嵌入式智能家居控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計

嵌入式智能家居控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
本文將控制系統(tǒng)分為現(xiàn)場控制級（主機）和多個控制對象級(分機)?，F(xiàn)場控制級設(shè)備能夠收集到控制對象的各種信息，對這些數(shù)據(jù)進行處理，并能夠在設(shè)定的條件下產(chǎn)生報警。通過該系統(tǒng)，可以得到家居的各種運行狀態(tài)（例如，房間溫度、濕度，煤氣泄漏報警等），并能根據(jù)現(xiàn)場情況做出相應(yīng)的調(diào)整控制（例如，照明及家電控制等）。其家居控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 家居控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本文僅研究設(shè)計智能家居的現(xiàn)場控制部分，圖1中的GSM和GPRS等遠程通信模塊作為以后系統(tǒng)的擴展升級。主機MCU選用ARM9芯片S3C2410，因其具有豐富的功能端口而適合設(shè)計要求和日后擴展。S3C2410嵌入式微處理器集成了眾多的常用資源，例如，LCD控制器、NAND Flash控制器、SDRAM控制器、系統(tǒng)片選邏輯以及一些常用的通信接口等資源。

分機采用16位單片機MSP430F149，主要考慮此芯片的低功耗性能，具有超低功耗的MSP單片機可以完成分機家居現(xiàn)場的控制功能。報警信息的采集就是對各傳感器的信息采集；對各種家電的控制是通過控制連接在家電電源的繼電器來實現(xiàn)；現(xiàn)場控制手動命令是通過觸摸屏來實現(xiàn)的。各分機通過nRF905收發(fā)模塊與主機進行無線通信。各分機通過連接不同的傳感器或控制器來實現(xiàn)不同的功能。

系統(tǒng)軟件開發(fā)
在Windows CE.net產(chǎn)品的開發(fā)中，有兩個重要的方面，一個是內(nèi)核定制，另一個是應(yīng)用程序的開發(fā)。微軟在這兩個方面都提供了非常好的開發(fā)工具，這就是內(nèi)核定制工具Platform Builder和應(yīng)用程序開發(fā)工具Embedded Visual C++。

1 操作系統(tǒng)平臺定制
Windows CE平臺的定制過程

（1）選擇操作系統(tǒng)的基本配置，并且為特定的平臺選擇相應(yīng)的微處理器和板級支持包BSP（Board Support Packet）。本系統(tǒng)終端采用S3C2410處理器，因此我們導(dǎo)入了和硬件平臺相關(guān)的smdk2410.cec文件。

（2）利用標準開發(fā)向?qū)?，根?jù)Windows CE的架構(gòu)創(chuàng)建一個定制平臺，根據(jù)目標硬件設(shè)備開發(fā)Boot Loader、設(shè)備驅(qū)動程序，適當(dāng)?shù)牟脺p、添加組件，如有需要還須對某些配置文件進行修改，然后封裝所需要的各功能模塊，編譯生成OS鏡像文件。

（3）通過以太網(wǎng)、USB或串口將鏡像文件下載到目標設(shè)備，可以使用Platform Builder提供的調(diào)試工具查看Windows CE.net的運行情況并進行調(diào)試，若需要，進行重復(fù)配置、封裝、下載及調(diào)試，直到滿足要求，完成平臺的創(chuàng)建。

（4）最后，導(dǎo)出相應(yīng)的SDK（Software Development Kit）軟件開發(fā)工具包，運行后安裝到EVC中，使得可以進行特定硬件平臺上的應(yīng)用程序開發(fā)。SDK包含程序庫、頭文件、示例程序源代碼和庫函數(shù)使用文檔，同時還包括編程指導(dǎo)和API參與以及設(shè)備驅(qū)動工具包（DDK）。

安裝BSP
把Windows CE.net移植到新硬件平臺由平臺構(gòu)造器（Platform Builder）完成。Platform Builder 4.2是一個定制基于Windows CE.net 4.2操作系統(tǒng)的嵌入式平臺的集成開發(fā)環(huán)境（IDE）。我們?yōu)橐粋€硬件平臺構(gòu)建CE系統(tǒng)，在PB里實際上就是創(chuàng)建平臺，然后編譯平臺，得到CE映像文件的過程。所以我們首先需要創(chuàng)建一個平臺。板級支持包（BSP）是連接一個硬件平臺和操作系統(tǒng)內(nèi)核功能的橋梁，所以，首先PB會要求選擇BSP。

Platform Builder本身就提供了多種目標板的BSP，如果開發(fā)板和Platform Builder提供得相同，那么只需重新編譯，生成相應(yīng)的系統(tǒng)鏡像下載到開發(fā)板即可。但是實際情況更多的可能是處理器相同，但是板上的各種外圍硬件接口不盡相同，這時候可以通過修改Platform Builder中相同或相近處理器的BSP來完成一個新的BSP，這樣可以大大減少BSP的研發(fā)時間。這里我們利用廠商直接提供的BSP，節(jié)省了開發(fā)時間，也可以提高成功率。

圖2 生成系統(tǒng)鏡像

定制Windows CE操作系統(tǒng)鏡像

PB定制基于本平臺的操作系統(tǒng)鏡像的步驟如下。

（1）選擇板級支持包：本系統(tǒng)開發(fā)板CPU是S3C2410，所以選“SAMSUNGSMDK2410：ARMV4”BSP。

（2）選擇平臺類型。本文選擇了手持設(shè)備。在“Available configurations”列表中，選擇“Mobile Handheld”，并輸入“Platform name：sbc2410”。

（3）選擇基本類庫及所需要的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)，平臺配置完畢。

（4）右鍵單擊“SBC2410 features”選項的“Setting…”。在對話框Build Option屬性頁中，選擇[Enable Full Kernel Mode]，Windows CE中所有線程都會運行在核心態(tài)。這會使整個系統(tǒng)相對不穩(wěn)定，但是也可提高系統(tǒng)的運行效率。選擇[Enable Images Larger than 32MB]，Windows CE的最終運行時映像可大于32MB。

（5）利用Platform Builder進行Windows CE.net操作系統(tǒng)的定制和開發(fā)一個重要的步驟就是在Platform Builder提供的特性目錄（Catalog）中進行特性選擇。這是因為Platform Builder中已經(jīng)將Windows CE.net操作系統(tǒng)用到的大量的組件以特性（Feature）的形式列在特性目錄中。加入USB鍵盤鼠標支持特性，加入USB移動存儲設(shè)備（U盤、移動硬盤）支持，加入打印機設(shè)備相關(guān)的驅(qū)動（如果不加入打印機設(shè)備相關(guān)的驅(qū)動，在編譯應(yīng)用程序時會出現(xiàn)“syntax error:identifier ‘LPDOCINFO’”錯誤），加入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動。

（6）更改適合自己網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的IP地址、DNS、網(wǎng)關(guān)地址等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，通過編輯platform.reg平臺注冊表文件中相關(guān)的鍵值，來修改網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。我的PC的IP：202.114.57.102，所以目標機的IP設(shè)定為202.114.57.10，在同一網(wǎng)段內(nèi)。

（7）單擊菜單Build→Build Platform開始編譯系統(tǒng)。編譯完畢，將會在C:WINCE420PUBLICsbc2410RelDirSAMSUNG_SMDK2410ARMV4Release目錄下生成NK.bin和NK.nb0映像文件。編譯開始大約10分鐘后看到編譯信息：SBC2410-0 error(s)，30 warning(s)。有警告是正常的，因為某些組件是有風(fēng)險的，例如，一些網(wǎng)絡(luò)組件，所以只要沒有錯誤，說明定制沒有問題。

此時，我們用USB電纜連接主機和目標機（開發(fā)板），在PC端已安裝了SAMSUNG提供的USB驅(qū)動的前提下，使用2410提供的專用下載工具DNW把生成的NK.bin和NK.nb0下載到開發(fā)板中，這樣根據(jù)我們的目標機系統(tǒng)定制的Windows CE就可以在開發(fā)平臺上正常運行了。
創(chuàng)建平臺SDK

完成了平臺的定制后，接著可以利用Platform Builder來創(chuàng)建SDK，SDK為平臺上其他應(yīng)用程序的開發(fā)提供支持。SDK（Software Development Kit）是一系列頭文件、庫文件、文檔、平臺管理器和運行時庫的總稱。一旦創(chuàng)建了SDK，就可以將它導(dǎo)出或者安裝到別的計算機上，開發(fā)者可以將創(chuàng)建的SDK導(dǎo)入Embedded Visual C++或 Visual Studio中，進行應(yīng)用程序的開發(fā)、調(diào)試和運行。

在Embedded Visual C++中，提供了Platform Manager來管理已經(jīng)安裝的SDK。注意，在安裝開發(fā)工具時，默認會安裝一個稱作“Standard SDK”的SDK。由于Windows CE操作系統(tǒng)特性，不可能存在“標準”的SDK。所謂Standard SDK，只不過是微軟把Windows CE中最常用的一些功能取出來作為一個“標準”的SDK，使用Standard SDK開發(fā)的應(yīng)用程序，可在大多數(shù)Windows CE平臺上運行。但是Standard SDK也并不是萬能的，例如，Standard SDK不支持中文和DirectX等。Platform Builder提供了SDK Wizard向?qū)?，來?chuàng)建和生成SDK，最后Build過程完成后即可生成名為SBC2410_SDK.msi的SDK文件。此時在生成目錄中找到SBC2410_SDK.msi，雙擊安裝，就可以將生成的SDK安裝到EVC中進行應(yīng)用程序的開發(fā)了。

2 應(yīng)用軟件開發(fā)
目前，針對Windows CE應(yīng)用開發(fā)的軟件有很多種，在使用的時候根據(jù)具體情況選擇適合應(yīng)用的軟件開發(fā)工具。Embedded Visual C++支持WinCE App/DLL/COM/Lib using Win32 API，MFC，ATL and STL等功能，它與Visual C++6.0具有相似的工程管理模式和用戶界面，易于調(diào)試和測試。但是必須安裝相應(yīng)的為特定平臺開發(fā)的SDK，本文就是自己導(dǎo)出的SDK。

智能家居系統(tǒng)的主機應(yīng)用程序通過兩個對話框?qū)崿F(xiàn)分機設(shè)備的基本讀/寫過程：Measure對話框主要實現(xiàn)對輸入量信息的采集及對系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)視，Control對話框主要用于主機發(fā)送控制信息給分機系統(tǒng)。這兩個對話框通過主窗體調(diào)用完成對整個家居系統(tǒng)的測量與控制。主機應(yīng)用程序流程圖如圖3所示。智能家居系統(tǒng)應(yīng)用程序以1路模擬量輸入、3路數(shù)字量輸入及相應(yīng)的4路輸出控制量為例實現(xiàn)智能控制功能。

圖3 主機應(yīng)用程序流程圖

圖4 運行界面

EVC的開發(fā)環(huán)境與Visual C++基本一致。首先，選擇項目類型、項目存放路徑、項目名稱及平臺類型；然后選擇項目的樣式和支持的語言；接下來，確定一些其他的選項；選擇完畢后，就可以得到一個程序的框架。項目類型我們選擇WCE MFC APPWizard，項目名稱為SmartHome，在支持的CPU類型中我們選中了ARM和X86（應(yīng)該根據(jù)開發(fā)環(huán)境來選擇）。對于我們來說，首先要在PC上進行調(diào)試，然后編譯成適合使用的應(yīng)用程序，目標機是ARM CPU，所以我們需要WCE X86和WCE ARM。（如果你要開發(fā)商用軟件或者想讓更多的人使用你的程序，應(yīng)該考慮更多種類的CPU）編譯運行，成功啟動Microsoft ActiveSync同步軟件，這時可將在PC上生成的exe文件復(fù)制到移動設(shè)備下My Documents文件夾下。智能家居系統(tǒng)應(yīng)用程序以1路模擬量、3路數(shù)字量輸入及相應(yīng)的4路輸出控制量為例實現(xiàn)智能控制功能，如圖4所示。