基于A(yíng)RM智能家居控制器設計與實(shí)現

　　如何將家庭里相對獨立的設備連接成一個(gè)系統，從而方便進(jìn)行本地和遠程控制？本文通過(guò)采用ARM構成智能家居控制器來(lái)實(shí)現這個(gè)目標。智能家居控制器使用S3C2410、SIM100-E等元件來(lái)組成硬件平臺，再將Linux系統移植到硬件平臺上，然后設計好相應的驅動(dòng)程序和應用程序，最后將軟件下載到硬件平臺來(lái)對家電進(jìn)行本地和遠程控制。

　　隨著(zhù)數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(jìn)行智能化管理和操作？這是人們非常關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題。智能家居控制器能夠將許多相對獨立的家用電器構成一個(gè)統一的系統，從而方便對家用電器進(jìn)行本地操作，也可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或GPRS系統對家用電器實(shí)現遠程控制等等。本文主要討論智能家居控制的設計和實(shí)現。

　　1 智能家居控制器的硬件設計

　　在設計智能家居控制器時(shí)，考慮到系統的穩定性和擴展性，因此將控制器硬件設計成核心板和控制板2部分。核心板主要用來(lái)構成一臺嵌入式計算機系統，控制板主要是一些外圍接口。系統硬件如圖1所示。

圖1 智能家居硬件結構圖

　　核心板采用三星公司生產(chǎn)的S3C2410微處理器。ROM采用SAMSUNG K9F1208芯片構成64M NAND FLASH，將FLASH芯片連接到系統的nGCS0，所以它的起始地址為：0x00000000。RAM采用2片HY57V561620AT-H構成64M ，將它連接到系統nGCS6，所以它的起始地址為：0x03000000。為了讓系統從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、USB主機控制信號、LCD控制信號、觸摸屏信號、數據總線(xiàn)、地址總線(xiàn)、控制總線(xiàn)、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(guò)第三個(gè)串口信號線(xiàn)TXD2和RXD2和處理器相連接。

　　LCD直接由CPU來(lái)控制，不過(guò)要增加驅動(dòng)電路。

　　觸摸屏采用4線(xiàn)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，當傳感器接收到某個(gè)信號時(shí)，就可以通過(guò)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，當要對某個(gè)家電進(jìn)行控制時(shí)，只需向指定的端口寫(xiě)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的家電。

　　2  智能家居控制器操作系統的移植及裁剪

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

　　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(gè)源程序生成在另一種結構計算機上運行的目標代碼的過(guò)程。編譯器的生成依賴(lài)于相應的函數庫，而這些函數庫又得依靠編譯器來(lái)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 修改內核源代碼

　　修改內核源代碼主要包括啟動(dòng)代碼的修改、內核的鏈接及裝入、參數傳遞和內核引導幾個(gè)部分。Linux內核分為體系結構相關(guān)部分和體系結構無(wú)關(guān)部分。在Linux啟動(dòng)的第一階段，內核與體系結構相關(guān)部分首先執行，它會(huì )完成硬件寄存器設置，內存映射等初始化工作。

　　然后把控制權轉給內核中與系統體系結構無(wú)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構相關(guān)的部分。ARM芯片的體系結構在arch/arm目錄下。首先根據芯片手冊修改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。然后修改內核的鏈接及裝入ELF。最后將系統中可用頁(yè)面的數目、文件系統大小等信息以參數形式從啟動(dòng)代碼傳給內核，完成設置陷阱，初始化中斷，初始化計時(shí)器，初始化控制臺等一系列操作而使內核正常啟動(dòng)。

　　2.3 內核裁剪和編譯

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

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

　　make clean   //清理編譯環(huán)境
    make dep    //編譯依賴(lài)文件
    make zImage  //編譯內核

　　3 驅動(dòng)程序的設計

　　智能家居控制器要多個(gè)設備驅動(dòng)程序，有的驅動(dòng)程序可以采用標準的驅動(dòng)程序，有的要專(zhuān)門(mén)設計。芯片SIM100-E是通過(guò)第三個(gè)串口與S3C2410相連的，所以可以直接使用標準的串口驅動(dòng)程序。傳感器接口和家電控制接口要設計專(zhuān)用的驅動(dòng)程序?？刂破鞯奶幚砥魍ㄟ^(guò)外部中斷來(lái)檢測傳感器，通過(guò)GPIO端口來(lái)控制家電，雖然它們的工作原理有所不同，但驅動(dòng)程序設計的方法沒(méi)有很大差別，因為在嵌入式Linux系統中設備驅動(dòng)程序有一個(gè)標準的框架，設計驅動(dòng)程序的大部分工作就是根據硬件結構來(lái)“填寫(xiě)”框架中的函數。主要的函數包括open()、read()、write()、ioctl()、release()、module_init()和module_exit()等等。

　　下面以傳感器接口驅動(dòng)程序設計為例，簡(jiǎn)介驅動(dòng)程序的“填寫(xiě)”過(guò)程。

　　3.1 設備初始化模塊和退出模塊

　　設備初始化模塊的主要功能是：設置和申請中斷、向內核注冊設備等。設備退出模塊的主要功能是：釋放設備所占 
用的資源。具體函數如下：

　　int __init s3c2410_int_init(void)
{┅
       set_external_irq(IRQ_EINT9, ┅);//設置外部中斷
       request_irq(IRQ_EINT9,demo_int_handler, ┅);//申請外部中斷
       ret = register_chrdev(0, DEVICE_NAME, &s3c2410_exio_fops); //申請主設備號
       devfs_int_demo= devfs_register(NULL, "int_demo", ┅); //注冊設備文件
┅}

　　void __exit s3c2410_int_exit(void)
{┅
       free_irq(IRQ_EINT9,NULL);//釋放中斷
       devfs_unregister(devfs_int_demo); //刪除設備文件
       unregister_chrdev(exioMajor, DEVICE_NAME); //釋放主設備號
┅}

　　3.2 打開(kāi)模塊和釋放模塊

　　打開(kāi)模塊的主要功能是：初始化一些變量。具體實(shí)現函數如下：

　　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;//使用計數加1
┅}
static int s3c2410_int_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{     MOD_DEC_USE_COUNT; //使用計數減1
┅}

　　3.3 讀數據模塊

　　讀數據模塊的主要功能是：使線(xiàn)程休眼，然后等待中斷來(lái)喚醒。具體實(shí)現函數如下：

　　static int s3c2410_int_read(struct file *filp,char *buffer,size_t count,loff_t *ppos)
{┅
       copy_to_user(buffer,(char *)&bak,sizeof(bak)); //內核態(tài)到用戶(hù)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：?jiǎn)拘颜谛菅鄣木€(xiàn)程。具體實(shí)現函數如下：

　　static void s3c2410_int_handler(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *reg)
{wake_up(&demodev.wait);//中斷喚醒
┅}

　　驅動(dòng)程序設計完成后，再編寫(xiě)Makefile文件，通過(guò)make命令生成目標文件，最后利用insmod命令向內核加載驅動(dòng)程序。

　　4  應用程序的設計

　　為了提高應用程序的運行速度，以及程序運行的穩定性，所以將應用程序設計成多線(xiàn)程結構，如圖2所示。應用程序由7個(gè)線(xiàn)程和一個(gè)共享數據結構組成。

如圖2 應用程序結構框圖

　　共享數據主要用于存放家電開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間，發(fā)送短信的電話(huà)號和短信內容等信息。共享數據是通過(guò)2個(gè)設置線(xiàn)程來(lái)修改的。家電控制線(xiàn)程主要是根據控制數據、檢測短信線(xiàn)程的內容和操作線(xiàn)程的內容來(lái)進(jìn)行操作。發(fā)送短信線(xiàn)程主要是根據控制數據、檢測傳感器線(xiàn)程的內容和操作線(xiàn)程的內容來(lái)進(jìn)行操作。應用程序的具體內容如下。

　　#include  &nb 
sp; //線(xiàn)程庫頭文件
┅
int main()
{┅
  pthread_creat(&th_a,NULL,send_msg,0); //創(chuàng )建發(fā)送短信線(xiàn)程
pthread_creat(&th_b,NULL,control_driver,0); //創(chuàng )建家電控制線(xiàn)程
┅
  pthread_join(th_b,&retval); //等待家電控制線(xiàn)程結束
pthread_join(th_a,&retval); //等待發(fā)送短信線(xiàn)程結束
┅}
/*發(fā)送短信線(xiàn)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(huà)號碼
tty_writecmd(msg.send_text,strlen(msg.send_text)); //發(fā)送短信內容
      tty_end(); 
┅
      return 0;
}

　　其它線(xiàn)程的設計方法有很多相似之處。應用程序設計完成之后，再經(jīng)過(guò)交叉編譯就可生成目標文件。

　　5 結束語(yǔ)

　　將移植好的系統、驅動(dòng)程序和應用程序下載到智能家居控制器上。經(jīng)過(guò)測試，系統具有操作方便、可靠性高和抗干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)。本文的創(chuàng )新點(diǎn)是：通過(guò)智能家居控制器將家電、傳感器、手機等許多獨立的設備連接成為一個(gè)系統，從而方便本地和遠程控制。

　　參考文獻：

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