基于ARM智能家居控制器設(shè)計與實現(xiàn)
關(guān)鍵詞： ARM；GPRS；嵌入式
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立的家用電器進行智能化管理和操作？這是人們非常關(guān)心的一個問題。智能家居控制器能夠?qū)⒃S多相對獨立的家用電器構(gòu)成一個統(tǒng)一的系統(tǒng)，從而方便對家用電器進行本地操作，也可通過互聯(lián)網(wǎng)或GPRS系統(tǒng)對家用電器實現(xiàn)遠程控制等等。本文主要討論智能家居控制的設(shè)計和實現(xiàn)。
1 智能家居控制器的硬件設(shè)計
在設(shè)計智能家居控制器時，考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和擴展性，因此將控制器硬件設(shè)計成核心板和控制板2部分。核心板主要用來構(gòu)成一臺嵌入式計算機系統(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，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、USB主機控制信號、LCD控制信號、觸摸屏信號、數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線、外部中斷等信號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。通過第三個串口信號線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連接到CPU的EINT9外部中斷引腳上，當(dāng)傳感器接收到某個信號時，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連接到CPU的GPIO端口，當(dāng)要對某個家電進行控制時，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)對實時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機的體系結(jié)構(gòu)，所以只要根據(jù)平臺的具體結(jié)構(gòu)進行移植。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等個環(huán)節(jié)。
2.1 建立交叉編譯環(huán)境
交叉編譯是指利用運行在某臺計算機上的編譯器編譯某個源程序生成在另一種結(jié)構(gòu)計算機上運行的目標(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)形式從啟動代碼傳給內(nèi)核，完成設(shè)置陷阱，初始化中斷，初始化計時器，初始化控制臺等一系列操作而使內(nèi)核正常啟動。
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)核的裁剪有好幾個版本，可以使用命令make menuconfig對系統(tǒng)進行裁剪。
內(nèi)核裁剪之后，最后要進行交叉編譯生成內(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)動程序的設(shè)計
智能家居控制器要多個設(shè)備驅(qū)動程序，有的驅(qū)動程序可以采用標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動程序，有的要專門設(shè)計。芯片SIM100-E是通過第三個串口與S3C2410相連的，所以可以直接使用標(biāo)準(zhǔn)的串口驅(qū)動程序。傳感器接口和家電控制接口要設(shè)計專用的驅(qū)動程序。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)動程序設(shè)計的方法沒有很大差別，因為在嵌入式Linux系統(tǒng)中設(shè)備驅(qū)動程序有一個標(biāo)準(zhǔn)的框架，設(shè)計驅(qū)動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)動程序設(shè)計為例，簡介驅(qū)動程序的“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
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
┅}
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));初始化隊列
MOD_INC_USE_COUNT;//使用計數(shù)加1
┅}
static int s3c2410_int_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{ MOD_DEC_USE_COUNT; //使用計數(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)動程序設(shè)計完成后，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)動程序。
4 應(yīng)用程序的設(shè)計
為了提高應(yīng)用程序的運行速度，以及程序運行的穩(wěn)定性，所以將應(yīng)用程序設(shè)計成多線程結(jié)構(gòu)，如圖2所示。應(yīng)用程序由7個線程和一個共享數(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)閉時間，發(fā)送短信的電話號和短信內(nèi)容等信息。共享數(shù)據(jù)是通過2個設(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)計方法有很多相似之處。應(yīng)用程序設(shè)計完成之后，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等優(yōu)點。本文的創(chuàng)新點是：通過智能家居控制器將家電、傳感器、手機等許多獨立的設(shè)備連接成為一個系統(tǒng)，從而方便本地和遠程控制。
參考文獻：
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