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摘要：本文討論了基于5.0嵌入式操作系統(tǒng)，以使用IntelXScale270為CPU的ARM10嵌入式實驗箱為硬件基礎(chǔ)，以VisualStudio2005和Delphi為軟件開發(fā)平臺的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。通過詳細(xì)的系統(tǒng)設(shè)計過程，開發(fā)了相應(yīng)的軟件程序，包括嵌入式操作系統(tǒng)WindowsCE5.0的定制、應(yīng)用程序的界面設(shè)計、程序開發(fā)和單片機系統(tǒng)的底層編程。本設(shè)計融合了嵌入式系統(tǒng)、通訊、單片機、軟件開發(fā)等學(xué)科的知識。系統(tǒng)測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)設(shè)計基本滿足要求，并有一定的功能擴展空間。

關(guān)鍵詞：智能家居，嵌入式系統(tǒng)，WindowsCE，VisualC++，Delphi

1緒論

目前，科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，借助飛速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)，人們可以足不出戶地縱覽全球。為了適應(yīng)信息化的需求，科研機構(gòu)將智能化的理念引入小區(qū)管理，并進一步引入家庭，從而產(chǎn)生了智能家居的概念。將手機通信和以太網(wǎng)通信技術(shù)引入智能家居的設(shè)計，恰好利用了現(xiàn)有的良好的通信條件，使在外的業(yè)主能及時了解家中的安全，提高業(yè)主的安全感，而且通過手機實時控制家電，提高了業(yè)主生活的舒適度。

本文提出了基于嵌入式系統(tǒng)ARM10的智能控制平臺的設(shè)計，功能包括了短信控制家電，傳感器探測非正常環(huán)境并且通過手機短信告知業(yè)主，以及以太網(wǎng)實時視頻監(jiān)控等功能。

2系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1硬件總體設(shè)計框圖

根據(jù)上文的功能需要，設(shè)計出由ARM10為控制核心，單片機控制的家電控制模塊和傳感器報警模塊，并且包含GSM通信模塊的智能家居系統(tǒng)，硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。

2.2控制核心選擇

智能家居控制系統(tǒng)采用如圖2-2所示的XSBase270作為開發(fā)平臺，該平臺基于Intel®高性能的PXA270處理器，支持WindowsCE和Linux等嵌入式操作系統(tǒng)，是針對教學(xué)和實驗的多功能實驗平臺。

PXA270處理器的最高主頻可達520MHz，且該處理器被加入了WirelessMXX技術(shù)，大大的提高了多媒體處理能力，而且加入了IntelSpeedStep動態(tài)電源管理技術(shù)，在保證CPU性能的前提下，最大限度的降低設(shè)備功耗[1]。

XSBase270配置32MFLASHROM，64MSDRAM，并配備了觸摸屏、以太網(wǎng)、USB、串口、CF/MMC、PCMCIA等接口。滿足了智能家居系統(tǒng)控制中心的硬件要求。

2.3家電控制板

家電控制板采用AT89C51為控制核心。擴展板的元件布局如圖2-3所示，其上有四盞LED分別模擬四種家電，三個按鈕模擬三種傳感器。其中四盞LED分別連接單片機的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3；三個按鈕分別連接P2.0、P2.1、P2.2。

2.3.1串行端口電路

家電控制板采用串口與XSBase270實驗箱進行通信，其采用了經(jīng)典的兼容RS-232標(biāo)準(zhǔn)的MAX232芯片作為串口的電平轉(zhuǎn)換芯片。電路的連接如圖2-4所示：

如上圖所示，家電擴展板采用的是常用的DB9頭作為串口接口，其針腳定義圖如圖2-5所示：

其中2腳RxD為接收引腳，3腳TxD為發(fā)送引腳，GND為信號地引腳。一般情況下普通串口只接這幾個引腳；特殊的串口，如藍牙串口除接上述的三個腳之外，還接了DSR引腳和CTS引腳，是因為藍牙串口的數(shù)據(jù)流輸出采用這兩個腳的信號控制；而其他引腳是跟MODEM相關(guān)的。在智能家居系統(tǒng)中，家電控制板接普通串口，GSM模塊接藍牙串口。

RS-232信號相對于信號地而言，在正負(fù)電平之間擺動。發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送端輸出的正電平在+5V到+15V之間，負(fù)電平在-5V和-15V之間。無數(shù)據(jù)傳輸時，線上為TTL電平。接收器典型的工作電平在+3V~+12V與-3V~-12V。由于發(fā)送電平和接收電平的差僅為2~3V左右，所以其共模抑制能力差，加上雙絞線的分布電容，信號傳輸距離最大為15m，最高速率為20kb/s[2]。

MAX232包含2個驅(qū)動器、2個接收器和一個電壓發(fā)生器電路，提供TIA/EIA-232-F電平。該器件符合TIA/EIA-232-F標(biāo)準(zhǔn)，每一個接收器將TIA/EIA-232-F電平轉(zhuǎn)換成5VTTL/CMOS電平。每一個發(fā)送器將TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換成TIA/EIA-232-F電平。

2.3.2家電控制電路

家用電器控制的接口電路如圖2-7所示，K1～K4為繼電器，分別控制四路家電的閉合和斷開，Q1～Q4為繼電器線圈電流驅(qū)動，電路由單片機的P1口進行控制，DD1～DD4發(fā)光二極管用于顯示某路控制電路的工作情況，主要為了調(diào)試電路而設(shè)置。

2.3.3傳感器接口電路

如圖2-8所示，在傳感器沒有報警信號時，光電耦合芯片處于截止?fàn)顟B(tài)，與之相接的單片機端口為低電平；當(dāng)傳感器有報警，傳感器輸出高電平，此時光電耦合芯片導(dǎo)通，與之相接的單片機端口為高電平，由單片機對報警信號進行采集并做出相應(yīng)處理。

2.4GSM通信模塊

GSM通信部分采用如圖2-9所示的西門子MC35GSM/GPRS無線模塊作為通信工具。它支持EGSM900和GSM1800雙頻，支持?jǐn)?shù)字、語音、短消息和傳真，使用AT指令控制發(fā)送短消息。它采用9V直流電源供電，通過RS-232串行端口與XSBase270試驗箱連接進行通信。

2.5視頻監(jiān)控模塊

視頻采集模塊采用使用中星微（Vimicro）公司的ZC0301P芯片的攝像頭，ZC0301P芯片可支持USB1.1接口，硬件最高支持VGA分辨率（640×480）。在VGA模式下可達到15幀/秒速率，在CIF（352×288）和SIF（320×240）模式下可達到30幀/秒速率。它通過USB接口連接到XSBase270試驗箱。

2.6總體軟件設(shè)計方案

根據(jù)智能家居的硬件設(shè)計方案，設(shè)計出軟件的總體設(shè)計方案如圖2-11所示：

其中:、

（1）家電控制系統(tǒng)和GSM網(wǎng)絡(luò)通信各自獨占一個RS-232串口。家電控制系統(tǒng)接XSBase270的紅外串口，GSM模塊接藍牙串口。如圖2-12所示。

（2）實時視頻監(jiān)控通過USB攝像頭捕捉圖像，圖像數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送到PC客戶端進行圖像還原。

（3）以太網(wǎng)通信基于TCP/IP協(xié)議，測試環(huán)境為局域網(wǎng)，若投入到因特網(wǎng)的應(yīng)用，則需要在服務(wù)端、客戶端所在的局域網(wǎng)連接到因特網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)——即路由器上，要進行端口映射，才可以進行網(wǎng)絡(luò)的連接。

智能家居系統(tǒng)的軟件基于WindowsCE5.0嵌入式操作系統(tǒng)。WindowsCE被設(shè)計成一種分層結(jié)構(gòu)，從下而上一共分為了硬件層、OEM層、操作系統(tǒng)層和應(yīng)用層共四個層[3]。這種層次的結(jié)構(gòu)將硬件和軟件，操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件隔離開，以便于實現(xiàn)系統(tǒng)的移植。智能家居的軟件設(shè)計主要是集中在應(yīng)用層。

3操作系統(tǒng)的定制

WindowsCE5.0嵌入式操作系統(tǒng)的定制依靠PlatformBuilder5.0完成。PlatformBuilder是微軟公司設(shè)計的用于嵌入式操作平臺定制與驅(qū)動程序的開發(fā)的工具。推出它的目的之一就是讓用戶可以更好的將嵌入式操作系統(tǒng)移植到特定的目標(biāo)平臺上。

3.1BSP的安裝

為了讓W(xué)indowsCE5.0能在實驗箱上運行起來，還必須安裝XSBase270的板級支持包（BSP）。板級支持包是介于主板和操作系統(tǒng)中驅(qū)動程序之間的一層，一般認(rèn)為它屬于操作系統(tǒng)的一部分，主要是對操作系統(tǒng)的支持，為上層的驅(qū)動程序提供訪問硬件設(shè)備寄存器的函數(shù)包。

在PC上安裝好5.0和PlatformBuilder5.0后，打開實驗箱附帶光盤中的BSP文件夾，運行XSBase270_V010106.msi文件，安裝XSBase270的BSP。如圖3-1所示。