嵌入式智能家居控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

嵌入式智能家居控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本文將控制系統(tǒng)分為現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)（主機(jī)）和多個(gè)控制對(duì)象級(jí)(分機(jī))?，F(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)設(shè)備能夠收集到控制對(duì)象的各種信息，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并能夠在設(shè)定的條件下產(chǎn)生報(bào)警。通過(guò)該系統(tǒng)，可以得到家居的各種運(yùn)行狀態(tài)（例如，房間溫度、濕度，煤氣泄漏報(bào)警等），并能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(jì)智能家居的現(xiàn)場(chǎng)控制部分，圖1中的GSM和GPRS等遠(yuǎn)程通信模塊作為以后系統(tǒng)的擴(kuò)展升級(jí)。主機(jī)MCU選用ARM9芯片S3C2410，因其具有豐富的功能端口而適合設(shè)計(jì)要求和日后擴(kuò)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(jī)采用16位單片機(jī)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(jī)可以完成分機(jī)家居現(xiàn)場(chǎng)的控制功能。報(bào)警信息的采集就是對(duì)各傳感器的信息采集；對(duì)各種家電的控制是通過(guò)控制連接在家電電源的繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)；現(xiàn)場(chǎng)控制手動(dòng)命令是通過(guò)觸摸屏來(lái)實(shí)現(xiàn)的。各分機(jī)通過(guò)nRF905收發(fā)模塊與主機(jī)進(jìn)行無(wú)線通信。各分機(jī)通過(guò)連接不同的傳感器或控制器來(lái)實(shí)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(gè)重要的方面，一個(gè)是內(nèi)核定制，另一個(gè)是應(yīng)用程序的開發(fā)。微軟在這兩個(gè)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(tái)定制
Windows CE平臺(tái)的定制過(guò)程

（1）選擇操作系統(tǒng)的基本配置，并且為特定的平臺(tái)選擇相應(yīng)的微處理器和板級(jí)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(tái)相關(guān)的smdk2410.cec文件。

（2）利用標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)向?qū)?，根?jù)Windows CE的架構(gòu)創(chuàng)建一個(gè)定制平臺(tái)，根據(jù)目標(biāo)硬件設(shè)備開發(fā)Boot Loader、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，適當(dāng)?shù)牟脺p、添加組件，如有需要還須對(duì)某些配置文件進(jìn)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(guò)以太網(wǎng)、USB或串口將鏡像文件下載到目標(biāo)設(shè)備，可以使用Platform Builder提供的調(diào)試工具查看Windows CE.net的運(yùn)行情況并進(jìn)行調(diào)試，若需要，進(jìn)行重復(fù)配置、封裝、下載及調(diào)試，直到滿足要求，完成平臺(tái)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(yùn)行后安裝到EVC中，使得可以進(jìn)行特定硬件平臺(tái)上的應(yīng)用程序開發(fā)。SDK包含程序庫(kù)、頭文件、示例程序源代碼和庫(kù)函數(shù)使用文檔，同時(shí)還包括編程指導(dǎo)和API參與以及設(shè)備驅(qū)動(dòng)工具包（DDK）。

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

Platform Builder本身就提供了多種目標(biāo)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(shí)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(shí)候可以通過(guò)修改Platform Builder中相同或相近處理器的BSP來(lái)完成一個(gè)新的BSP，這樣可以大大減少BSP的研發(fā)時(shí)間。這里我們利用廠商直接提供的BSP，節(jié)省了開發(fā)時(shí)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(tái)的操作系統(tǒng)鏡像的步驟如下。

（1）選擇板級(jí)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(tái)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(kù)及所需要的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)，平臺(tái)配置完畢。

（4）右鍵單擊“SBC2410 features”選項(xiàng)的“Setting…”。在對(duì)話框Build Option屬性頁(yè)中，選擇[Enable Full Kernel Mode]，Windows CE中所有線程都會(huì)運(yùn)行在核心態(tài)。這會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)相對(duì)不穩(wěn)定，但是也可提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。選擇[Enable Images Larger than 32MB]，Windows CE的最終運(yùn)行時(shí)映像可大于32MB。

（5）利用Platform Builder進(jìn)行Windows CE.net操作系統(tǒng)的定制和開發(fā)一個(gè)重要的步驟就是在Platform Builder提供的特性目錄（Catalog）中進(jìn)行特性選擇。這是因?yàn)镻latform 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U(xiǎn)SB鍵盤鼠標(biāo)支持特性，加入U(xiǎn)SB移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備（U盤、移動(dòng)硬盤）支持，加入打印機(jī)設(shè)備相關(guān)的驅(qū)動(dòng)（如果不加入打印機(jī)設(shè)備相關(guān)的驅(qū)動(dòng)，在編譯應(yīng)用程序時(shí)會(huì)出現(xiàn)“syntax error:identifier ‘LPDOCINFO’”錯(cuò)誤），加入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

（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(guò)編輯platform.reg平臺(tái)注冊(cè)表文件中相關(guān)的鍵值，來(lái)修改網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。我的PC的IP：202.114.57.102，所以目標(biāo)機(jī)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(huì)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?yàn)槟承┙M件是有風(fēng)險(xiǎn)的，例如，一些網(wǎng)絡(luò)組件，所以只要沒(méi)有錯(cuò)誤，說(shuō)明定制沒(méi)有問(wèn)題。

此時(shí)，我們用USB電纜連接主機(jī)和目標(biāo)機(jī)（開發(fā)板），在PC端已安裝了SAMSUNG提供的USB驅(qū)動(dòng)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(biāo)機(jī)系統(tǒng)定制的Windows CE就可以在開發(fā)平臺(tái)上正常運(yùn)行了。
創(chuàng)建平臺(tái)SDK

完成了平臺(tái)的定制后，接著可以利用Platform Builder來(lái)創(chuàng)建SDK，SDK為平臺(tái)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(kù)文件、文檔、平臺(tái)管理器和運(yùn)行時(shí)庫(kù)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(jì)算機(jī)上，開發(fā)者可以將創(chuàng)建的SDK導(dǎo)入Embedded Visual C++或 Visual Studio中，進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)、調(diào)試和運(yùn)行。

在Embedded Visual C++中，提供了Platform Manager來(lái)管理已經(jīng)安裝的SDK。注意，在安裝開發(fā)工具時(shí)，默認(rèn)會(huì)安裝一個(gè)稱作“Standard SDK”的SDK。由于Windows CE操作系統(tǒng)特性，不可能存在“標(biāo)準(zhǔn)”的SDK。所謂Standard SDK，只不過(guò)是微軟把Windows CE中最常用的一些功能取出來(lái)作為一個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)”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(tái)上運(yùn)行。但是Standard SDK也并不是萬(wàn)能的，例如，Standard SDK不支持中文和DirectX等。Platform Builder提供了SDK Wizard向?qū)?，?lái)創(chuàng)建和生成SDK，最后Build過(guò)程完成后即可生成名為SBC2410_SDK.msi的SDK文件。此時(shí)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(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)了。

2 應(yīng)用軟件開發(fā)
目前，針對(duì)Windows CE應(yīng)用開發(fā)的軟件有很多種，在使用的時(shí)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(cè)試。但是必須安裝相應(yīng)的為特定平臺(tái)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(jī)應(yīng)用程序通過(guò)兩個(gè)對(duì)話框?qū)崿F(xiàn)分機(jī)設(shè)備的基本讀/寫過(guò)程：Measure對(duì)話框主要實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入量信息的采集及對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視，Control對(duì)話框主要用于主機(jī)發(fā)送控制信息給分機(jī)系統(tǒng)。這兩個(gè)對(duì)話框通過(guò)主窗體調(diào)用完成對(duì)整個(gè)家居系統(tǒng)的測(cè)量與控制。主機(jī)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(shí)現(xiàn)智能控制功能。

圖3 主機(jī)應(yīng)用程序流程圖

圖4 運(yùn)行界面

EVC的開發(fā)環(huán)境與Visual C++基本一致。首先，選擇項(xiàng)目類型、項(xiàng)目存放路徑、項(xiàng)目名稱及平臺(tái)類型；然后選擇項(xiàng)目的樣式和支持的語(yǔ)言；接下來(lái)，確定一些其他的選項(xiàng)；選擇完畢后，就可以得到一個(gè)程序的框架。項(xiàng)目類型我們選擇WCE MFC APPWizard，項(xiàng)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(lái)選擇）。對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，首先要在PC上進(jìn)行調(diào)試，然后編譯成適合使用的應(yīng)用程序，目標(biāo)機(jī)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(yùn)行，成功啟動(dòng)Microsoft ActiveSync同步軟件，這時(shí)可將在PC上生成的exe文件復(fù)制到移動(dòng)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(shí)現(xiàn)智能控制功能，如圖4所示。