基于ARM智能家居控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 前言

    隨著數(shù)字化家用電器的飛速發(fā)展，如何對家庭中相對獨(dú)立的家用電器進(jìn)行智能化管理和操作？這是人們非常關(guān)心的一個(gè)問題。智能家居控制器能夠?qū)⒃S多相對獨(dú)立的家用電器構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)，從而方便對家用電器進(jìn)行本地操作，也可通過互聯(lián)網(wǎng)或GPRS系統(tǒng)對家用電器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制等等。本文主要討論智能家居控制的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

1 智能家居控制器的硬件設(shè)計(jì)

    在設(shè)計(jì)智能家居控制器時(shí)，考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和擴(kuò)展性，因此將控制器硬件設(shè)計(jì)成核心板和控制板2部分。核心板主要用來構(gòu)成一臺(tái)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，控制板主要是一些外圍接口。系統(tǒng)硬件如圖1所示。

圖1 智能家居硬件結(jié)構(gòu)圖

    核心板采用三星公司生產(chǎn)的S3C2410微處理器。ROM采用SAMSUNG K9F1208芯片構(gòu)成64M NAND FLASH，將FLASH芯片連接到系統(tǒng)的nGCS0，所以它的起始地址為：0x00000000。RAM采用2片HY57V561620AT-H構(gòu)成64M ，將它連接到系統(tǒng)nGCS6，所以它的起始地址為：0x03000000。為了讓系統(tǒng)從NAND FLASH啟動(dòng)，要將S3C2410的OM0和OM1引腳都接地。最后將S3C2410處理器的串口控制信號(hào)、USB主機(jī)控制信號(hào)、LCD控制信號(hào)、觸摸屏信號(hào)、數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線、外部中斷等信號(hào)全部連接到核心板上的200芯插座上。

    GPRS模塊采用SIMCOM公司生產(chǎn)的SIM100-E芯片。通過第三個(gè)串口信號(hào)線TXD2和RXD2和處理器相連接。

    LCD直接由CPU來控制，不過要增加驅(qū)動(dòng)電路。

    觸摸屏采用4線電阻式，直接將它和CPU的nYPON、YMON、nXPON、XMON相連。

    傳感器接口的輸出信號(hào)連接到CPU的EINT9外部中斷引腳上，當(dāng)傳感器接收到某個(gè)信號(hào)時(shí)，就可以通過外部中斷引腳向CPU申請服務(wù)。

     家電控制接口的輸入控制信號(hào)連接到CPU的GPIO端口，當(dāng)要對某個(gè)家電進(jìn)行控制時(shí)，只需向指定的端口寫入0或1，然后再由家電控制接口發(fā)遙控信號(hào)去控制相應(yīng)的家電。

2  智能家居控制器操作系統(tǒng)的移植及裁剪

    考慮到成本，以及系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性的要求不高等因素，所以決定選用Linux操作系統(tǒng)。目前發(fā)行的Linux操作系統(tǒng)都能支持ARM機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，所以只要根據(jù)平臺(tái)的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行移植。移植主要包括建立交叉編譯環(huán)境、修改內(nèi)核源碼、內(nèi)核裁剪和內(nèi)核編譯4等個(gè)環(huán)節(jié)。

2.1 建立交叉編譯環(huán)境

    交叉編譯是指利用運(yùn)行在某臺(tái)計(jì)算機(jī)上的編譯器編譯某個(gè)源程序生成在另一種結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的目標(biāo)代碼的過程。編譯器的生成依賴于相應(yīng)的函數(shù)庫，而這些函數(shù)庫又得依靠編譯器來編譯。建立交叉編譯環(huán)境就是將ARM使用的編譯器（如：arm-linux-gcc）和函數(shù)庫（如：glibc）安裝到指定目錄，并使用configure配置好Makefile文件。

2.2 修改內(nèi)核源代碼

    修改內(nèi)核源代碼主要包括啟動(dòng)代碼的修改、內(nèi)核的鏈接及裝入、參數(shù)傳遞和內(nèi)核引導(dǎo)幾個(gè)部分。Linux內(nèi)核分為體系結(jié)構(gòu)相關(guān)部分和體系結(jié)構(gòu)無關(guān)部分。在Linux啟動(dòng)的第一階段，內(nèi)核與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)部分首先執(zhí)行，它會(huì)完成硬件寄存器設(shè)置，內(nèi)存映射等初始化工作。然后把控制權(quán)轉(zhuǎn)給內(nèi)核中與系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)無關(guān)的部分。在移植工作中要修改的代碼主要集中在與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的部分。ARM芯片的體系結(jié)構(gòu)在arch/arm目錄下。首先根據(jù)芯片手冊修改boot/init.S文件中的：片選組基地址寄存器、DRAM存儲(chǔ)配置寄存器、DRAM片選寄存器、中斷屏蔽寄存器等。然后修改內(nèi)核的鏈接及裝入ELF。最后將系統(tǒng)中可用頁面的數(shù)目、文件系統(tǒng)大小等信息以參數(shù)形式從啟動(dòng)代碼傳給內(nèi)核，完成設(shè)置陷阱，初始化中斷，初始化計(jì)時(shí)器，初始化控制臺(tái)等一系列操作而使內(nèi)核正常啟動(dòng)。

2.3 內(nèi)核裁剪和編譯

    內(nèi)核裁剪是根據(jù)控制系統(tǒng)的要求將不需要的模塊從內(nèi)核中裁剪了，Linux內(nèi)核的裁剪有好幾個(gè)版本，可以使用命令make menuconfig對系統(tǒng)進(jìn)行裁剪。

    內(nèi)核裁剪之后，最后要進(jìn)行交叉編譯生成內(nèi)核映象文件zImage。具體命令如下：

make clean   //清理編譯環(huán)境

make dep    //編譯依賴文件

make zImage  //編譯內(nèi)核

3 驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

    智能家居控制器要多個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，有的驅(qū)動(dòng)程序可以采用標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)程序，有的要專門設(shè)計(jì)。芯片SIM100-E是通過第三個(gè)串口與S3C2410相連的，所以可以直接使用標(biāo)準(zhǔn)的串口驅(qū)動(dòng)程序。傳感器接口和家電控制接口要設(shè)計(jì)專用的驅(qū)動(dòng)程序。控制器的處理器通過外部中斷來檢測傳感器，通過GPIO端口來控制家電，雖然它們的工作原理有所不同，但驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的方法沒有很大差別，因?yàn)樵?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/嵌入式">嵌入式Linux系統(tǒng)中設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的框架，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序的大部分工作就是根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)來“填寫”框架中的函數(shù)。主要的函數(shù)包括open()、read()、write()、ioctl()、release()、module_init()和module_exit()等等。

    下面以傳感器接口驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)為例，簡介驅(qū)動(dòng)程序的“填寫”過程。

3.1 設(shè)備初始化模塊和退出模塊

    設(shè)備初始化模塊的主要功能是：設(shè)置和申請中斷、向內(nèi)核注冊設(shè)備等。設(shè)備退出模塊的主要功能是：釋放設(shè)備所占用的資源。具體函數(shù)如下：

int __init s3c2410_int_init(void)

{┅

       set_external_irq(IRQ_EINT9, ┅);//設(shè)置外部中斷

       request_irq(IRQ_EINT9,demo_int_handler, ┅);//申請外部中斷

       ret = register_chrdev(0, DEVICE_NAME, &s3c2410_exio_fops); //申請主設(shè)備號(hào)

       devfs_int_demo= devfs_register(NULL, "int_demo", ┅); //注冊設(shè)備文件

┅}

void __exit s3c2410_int_exit(void)

{┅

       free_irq(IRQ_EINT9,NULL);//釋放中斷

       devfs_unregister(devfs_int_demo); //刪除設(shè)備文件

       unregister_chrdev(exioMajor, DEVICE_NAME); //釋放主設(shè)備號(hào)

┅}

3.2 打開模塊和釋放模塊

    打開模塊的主要功能是：初始化一些變量。具體實(shí)現(xiàn)函數(shù)如下：

static int s3c2410_int_open(struct inode *inode, struct file *filp)

{     init_MUTEX(&demodev.lock);//初始化自旋鎖

       init_waitqueue_head(&(demodev.wait));初始化隊(duì)列

       MOD_INC_USE_COUNT;//使用計(jì)數(shù)加1

┅}

static int s3c2410_int_release(struct inode *inode, struct file *filp)

{     MOD_DEC_USE_COUNT; //使用計(jì)數(shù)減1

┅}

3.3 讀數(shù)據(jù)模塊

    讀數(shù)據(jù)模塊的主要功能是：使線程休眼，然后等待中斷來喚醒。具體實(shí)現(xiàn)函數(shù)如下：

static int s3c2410_int_read(struct file *filp,char *buffer,size_t count,loff_t *ppos)

{┅

       copy_to_user(buffer,(char *)&bak,sizeof(bak)); //內(nèi)核態(tài)到用戶態(tài)

       interruptible_sleep_on(&demodev.wait);//進(jìn)入休眠

┅}

3.4 中斷處理模塊

    中斷處理模塊的主要功能是：喚醒正在休眼的線程。具體實(shí)現(xiàn)函數(shù)如下：

static void s3c2410_int_handler(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *reg)

{wake_up(&demodev.wait);//中斷喚醒

┅}

    驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)完成后，再編寫Makefile文件，通過make命令生成目標(biāo)文件，最后利用insmod命令向內(nèi)核加載驅(qū)動(dòng)程序。

4  應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)

    為了提高應(yīng)用程序的運(yùn)行速度，以及程序運(yùn)行的穩(wěn)定性，所以將應(yīng)用程序設(shè)計(jì)成多線程結(jié)構(gòu)，如圖2所示。應(yīng)用程序由7個(gè)線程和一個(gè)共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成。

如圖2 應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)框圖

    共享數(shù)據(jù)主要用于存放家電開啟和關(guān)閉時(shí)間，發(fā)送短信的電話號(hào)和短信內(nèi)容等信息。共享數(shù)據(jù)是通過2個(gè)設(shè)置線程來修改的。家電控制線程主要是根據(jù)控制數(shù)據(jù)、檢測短信線程的內(nèi)容和操作線程的內(nèi)容來進(jìn)行操作。發(fā)送短信線程主要是根據(jù)控制數(shù)據(jù)、檢測傳感器線程的內(nèi)容和操作線程的內(nèi)容來進(jìn)行操作。應(yīng)用程序的具體內(nèi)容如下。

#include<pthread.h>    //線程庫頭文件

┅

int main()

{┅

  pthread_creat(&th_a,NULL,send_msg,0); //創(chuàng)建發(fā)送短信線程

pthread_creat(&th_b,NULL,control_driver,0); //創(chuàng)建家電控制線程

┅

  pthread_join(th_b,&retval); //等待家電控制線程結(jié)束

pthread_join(th_a,&retval); //等待發(fā)送短信線程結(jié)束

┅}

/*發(fā)送短信線程*/

int send_msg()

{┅

       tty_init();   //初始化串口

       gprs_init();  //初始化GPRS模塊

       tty_writecmd(“at”,strlen(“at”));  //發(fā)送AT命令

       tty_writecmd(“at+cmgf=1”,strlen(“at+cmgf=1”));//發(fā)送修改字符集命令

       tty_write(“at+cmgs=”,strlen(“at+cmgs=”));     //發(fā)送短信命令

       tty_writecmd(msg.send_tel,strlen(msg.send_tel)); //發(fā)送電話號(hào)碼

tty_writecmd(msg.send_text,strlen(msg.send_text)); //發(fā)送短信內(nèi)容

      tty_end(); 

┅

      return 0;

}

    其它線程的設(shè)計(jì)方法有很多相似之處。應(yīng)用程序設(shè)計(jì)完成之后，再經(jīng)過交叉編譯就可生成目標(biāo)文件。

5 結(jié)束語

    將移植好的系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序下載到智能家居控制器上。經(jīng)過測試，系統(tǒng)具有操作方便、可靠性高和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本文的創(chuàng)新點(diǎn)是：通過智能家居控制器將家電、傳感器、手機(jī)等許多獨(dú)立的設(shè)備連接成為一個(gè)系統(tǒng)，從而方便本地和遠(yuǎn)程控制。

參考文獻(xiàn)：

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