基于Arm-Linux的嵌入式智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：隨著嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)及信息技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)人們對(duì)智能家居的追求，提出了一種基于ARM9的嵌入式智能家居控制系統(tǒng)的解決方案。介紹了嵌入式Linux系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)，結(jié)合實(shí)例闡述了嵌入式QT圖形界面系統(tǒng)、嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite等關(guān)鍵技術(shù)在嵌入式智能家居控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。該方案解決了控制系統(tǒng)的可視化操作問題，提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理效率，并具有通用性可移植到其他硬件或軟件平臺(tái)應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：智能家居；ARM9；嵌入式Linux；Qtopia；SQLite

    嵌入式系統(tǒng)以其占用資源少、專用性強(qiáng)、功耗低的特點(diǎn)使其廣泛應(yīng)用在移動(dòng)通信、工業(yè)生產(chǎn)、安全監(jiān)控等領(lǐng)域。針對(duì)人們對(duì)高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境的要求，提出了以Arm-Linux為平臺(tái)的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 智能家居控制器的總體設(shè)計(jì)
    Arm-Linux嵌入式系統(tǒng)以其在性能、體積及功耗等方面的優(yōu)勢在智能家居領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。系統(tǒng)采用基于ARM的嵌入式linux方案，系統(tǒng)分為五層分別為硬件層，系統(tǒng)引導(dǎo)層，系統(tǒng)層，應(yīng)用支撐層及應(yīng)用層。如圖1所示應(yīng)用層在Qtopia圖形系統(tǒng)、SQLite數(shù)據(jù)庫等的支撐下完成了電話報(bào)警、照明控制、安防控制、門禁控制以及網(wǎng)絡(luò)瀏覽等應(yīng)用。

2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)
    CPU處理器選用Samsung S3C2440A，其主頻為400 MHz，資源豐富功能強(qiáng)大。內(nèi)存為64M SDRAM，數(shù)據(jù)總線32bit，時(shí)鐘頻率高達(dá)100MHz。存儲(chǔ)器為128 M掉電非易失NANDFLASH。LCD顯示部分為具有4線電阻式觸摸屏接口的35英寸真彩色液晶屏。網(wǎng)卡芯片為DM9000可自適應(yīng)10／100 M網(wǎng)絡(luò)，通過RJ45連接頭可連接控制器至路由器或者交換機(jī)。智能家居控制模塊通過RS485總線與主控制器進(jìn)行通信。其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

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3 軟件平臺(tái)的構(gòu)建
    開發(fā)環(huán)境選取的是虛擬機(jī)Vmware6．5+fedora9Linux系統(tǒng)+arm-linux-gcc 4．3．2編譯器。系統(tǒng)與軟件的編譯采取交叉編譯的方式進(jìn)行。表1是構(gòu)建控制系統(tǒng)所需移植開發(fā)的一些主要軟件。

    Uboot是專門針對(duì)嵌入式Linux系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開源bootloader，其任務(wù)是初始化處理器及外設(shè)硬件資源并引導(dǎo)操作系統(tǒng)。內(nèi)核為linux2.6.3 2，這版提供了更多的驅(qū)動(dòng)程序以及API，調(diào)用起來更加的方便。在內(nèi)核中要添加對(duì)幀緩存frambuffer的支持，圖形系統(tǒng)需要它的支持。文件系統(tǒng)使用Yaffs2，以配合2 K每頁的大頁存儲(chǔ)器。根文件系統(tǒng)選用Busvbox1．13．3，配置編譯完之后會(huì)生成bin和sbin目錄以及l(fā)inuxrc文件，從而系統(tǒng)就具備了系統(tǒng)以及文件管理的相關(guān)命令。移植Boa服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了嵌入式服務(wù)器的功能。
    SOLite是面向嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，編譯完成后非常小只有幾百k，支持2T的數(shù)據(jù)記錄。在嵌入式系統(tǒng)中可以有力的減小應(yīng)用程序管理數(shù)據(jù)的開銷。下列語句配置編譯器與編譯路徑并進(jìn)行安裝。在安裝目錄下生成bin、include及l(fā)ib 3個(gè)文件夾，分別為可執(zhí)行文件、頭文件與庫文件。
   

    Qtopia是專門針對(duì)嵌入式linux系統(tǒng)消費(fèi)電子設(shè)備所研發(fā)的一套應(yīng)用程序包和開發(fā)庫。圖3為qtopia的軟件層次結(jié)構(gòu)圖。Qtopia的信號(hào)與插槽機(jī)制提供了對(duì)象間的通信機(jī)制。窗口在事件發(fā)生后會(huì)激發(fā)信號(hào)，程序員通過建立一個(gè)函數(shù)(稱作插槽)，然后調(diào)用connect()函數(shù)把這個(gè)插槽和一個(gè)信號(hào)連接起來，這樣就完成了一個(gè)事件和響應(yīng)代碼的連接?？梢砸粋€(gè)信號(hào)對(duì)應(yīng)多個(gè)插槽函數(shù)，也可以一個(gè)槽函數(shù)對(duì)應(yīng)多個(gè)信號(hào)。

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4 應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)
    通過一個(gè)應(yīng)用程序?yàn)槔f明如何把QT圖形系統(tǒng)，嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite，linux下的串口通信程序結(jié)合到一起完成應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。通過下列語句在C與C++程序中調(diào)用SQLite的API完成數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建、插入數(shù)據(jù)與查詢數(shù)據(jù)。
   
    在系統(tǒng)中還需要在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中存儲(chǔ)很多其他信息，遵循上述步驟分別建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)報(bào)警電話號(hào)碼tel，工作狀態(tài)設(shè)定set，設(shè)備工作信息zt，報(bào)警信息bj等。圖形界面、SQLite及串口通信程序的開發(fā)的基本過程如圖4所示。

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    首先用Qt Desinger根據(jù)系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)圖形界面，建立槽函數(shù)開槽并且通過語句connect(PushButtonl，SIGNAL(clicked())，this，SLOT(set_userandphone()))；建立信號(hào)與槽函數(shù)的連接。槽函數(shù)需要根據(jù)設(shè)計(jì)的功能需要編寫。用UIC與MOC工具生成文件user．h、user．cpp及完成信號(hào)與插槽功能的moc_user．cpp程序，由PROGEN與TMAKE生成工程文件user．pro與Makefile。user．cpp中有SQLite數(shù)據(jù)庫代碼，要把庫路徑加到Makefile庫文件的搜索路徑中否則會(huì)因?yàn)檎也坏絊QLite的庫文件而編譯失敗。
   
   
    要實(shí)現(xiàn)用戶的用戶名、密碼等信息存到前面創(chuàng)建的user．db數(shù)據(jù)庫中，要把創(chuàng)建表與插入數(shù)據(jù)的代碼放到槽函數(shù)下。點(diǎn)擊set按鈕后就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)來觸發(fā)槽函數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建與數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。實(shí)現(xiàn)串口通信的功能把設(shè)置的信息傳遞給智能家居的各個(gè)控制模塊，需通過設(shè)置struct termios結(jié)構(gòu)體的各成員值實(shí)現(xiàn)波特率、校驗(yàn)位、停止位等設(shè)置，完成之后對(duì)串口的操作就可以像普通文件一樣進(jìn)行讀寫操作。串口通信程序代碼也放到槽函數(shù)下邊
   
   
    完成X86環(huán)境下的編譯之后需要修改Makefile文件把PC環(huán)境編譯器gcc和g++修改為嵌入式環(huán)境下的arm-linux-gcc和arm-linux-g++，編譯完成下載到文件系統(tǒng)的相應(yīng)目錄下并運(yùn)行測試，系統(tǒng)的其他應(yīng)用程序如系統(tǒng)工作模式設(shè)定、狀態(tài)查詢等也遵循同樣的開發(fā)流程。
    圖5為第一個(gè)為系統(tǒng)的總體界面，里面包含12應(yīng)用程序的圖標(biāo)。第二幅為示例應(yīng)用程序的界面，在輸入相應(yīng)的信息后點(diǎn)擊set按鈕，用戶名密碼以及報(bào)警電話分別保存到了namekey與tel表中并發(fā)送給電話報(bào)警模塊。達(dá)到了設(shè)定用戶信息的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

5 結(jié)束語
    本文利用嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite實(shí)現(xiàn)了對(duì)智能家居控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理，在管理效率上有了很大提高，節(jié)省了系統(tǒng)資源開銷。應(yīng)用Qtopia圖形系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了操作界面的可視化界面更加友好，操作更加簡單明了。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，很好的滿足了設(shè)計(jì)要求。