The Design of Training Platform of Embedded Intelligent Household System
Zhang Wanliang
（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣元 628017）
（Sichuan Information Technology College，Guangyuan 628017，China）
摘要：嵌入式技術(shù)是繼IT網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后，又一個(gè)新的信息技術(shù)發(fā)展方向。嵌入式技術(shù)發(fā)展?jié)摿薮?很多院校都開(kāi)設(shè)嵌入式技術(shù)專業(yè)，但是由于專業(yè)門(mén)檻高，市場(chǎng)需求動(dòng)手能力強(qiáng)的畢業(yè)生。所以，在嵌入式專業(yè)的課程中實(shí)踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)就必不可少。為此我們開(kāi)發(fā)了一套智能家居系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)來(lái)滿足師生及有關(guān)工程技術(shù)人員嵌入式項(xiàng)目開(kāi)發(fā)、嵌入式綜合實(shí)訓(xùn)、嵌入式競(jìng)賽等。
Abstract： Embedded technology is a new development direction of information technology following IT network technology. Embedded technology has a huge potential for development, and embedded technology major is opened in many colleges, however, because of high professional threshold, the market demands graduates with strong hands-on ability. So, practice training is indispensable in curriculum of embedded technology major. On this base, we developed a set of training platform of intelligent household system so as to meet the teachers and students as well as related engineering and technical personnel's embedded project development, comprehensive training, competition and so on.
關(guān)鍵詞：嵌入式技術(shù) 智能家居系統(tǒng) ARM開(kāi)發(fā)板 傳感器
Key words： embedded technology；intelligent household system；ARM development board；sensor
中圖分類號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-4311（2011）20-0129-02
0引言
嵌入式系統(tǒng)是嵌入到對(duì)象體系中的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以嵌入式計(jì)算機(jī)為核心的嵌入式系統(tǒng)是繼IT網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后，又一個(gè)新的信息技術(shù)發(fā)展方向。目前，嵌入式設(shè)備已廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、過(guò)程控制、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費(fèi)電子等領(lǐng)域。巨大的嵌入式技術(shù)商業(yè)市場(chǎng)使許多高校看到了發(fā)展方向，紛紛開(kāi)設(shè)嵌入式技術(shù)課程。高職院校進(jìn)軍嵌入式領(lǐng)域已取得了不小成績(jī)，但目前高職院校在嵌入式人才培養(yǎng)方面，特別是綜合實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)的開(kāi)展上，還存在很多不足，影響了人才培養(yǎng)質(zhì)量。開(kāi)發(fā)一套完整的嵌入式綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)以及配套的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，對(duì)開(kāi)展學(xué)生科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)具有積極意義。
1系統(tǒng)分析
智能家居系統(tǒng)由ARM開(kāi)發(fā)板、系統(tǒng)擴(kuò)展板、GSM模塊、USB攝像頭、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等接口設(shè)備組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。其中：①開(kāi)發(fā)板平臺(tái)基于ARM9的OK2440，主要完成視頻數(shù)據(jù)采集、無(wú)線視頻數(shù)據(jù)傳輸、對(duì)GSM收發(fā)的短消息進(jìn)行解析和處理、以及對(duì)系統(tǒng)擴(kuò)展板進(jìn)行控制；②擴(kuò)展板電路主要負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)的采集、家用電器開(kāi)關(guān)的控制、接收和處理來(lái)自開(kāi)發(fā)平臺(tái)的控制信息以及將傳感器報(bào)警信息、家用電器開(kāi)關(guān)狀態(tài)信息反饋給平臺(tái)；③GSM模塊負(fù)責(zé)短消息的收發(fā)；④USB攝像頭負(fù)責(zé)視頻數(shù)據(jù)的采集；所有的監(jiān)視信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸?shù)叫^(qū)的服務(wù)器中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)危及人民生命和財(cái)產(chǎn)安全如火災(zāi)、煤氣泄漏、外人非法入侵等情況需要有效的監(jiān)視。下位機(jī)控制系統(tǒng)是STC89C52低功耗可在線編程單片機(jī)。ARM開(kāi)發(fā)板以S3C2440嵌入式微處理器為主控制器，結(jié)合了光電傳感器、煤氣傳感器、溫度傳感器等傳感器技術(shù)及通信技術(shù)。
該系統(tǒng)中融入家電智能控制，GSM通信，視頻監(jiān)控，傳感器監(jiān)測(cè)，internet網(wǎng)絡(luò)通訊，是一個(gè)適用于多種環(huán)境的集成系統(tǒng)。
本系統(tǒng)使用VMware+Red hat linux操作系統(tǒng)，軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用嵌入式Qt-2.3.7，用戶界面采用嵌入式Qtopia-1.7.0，視頻處理采用Intel開(kāi)源的OpenCV，GSM通信采用SMS的AT指令集。
2用戶界面設(shè)計(jì)
為了使系統(tǒng)更加方便使用，我們使用QT編寫(xiě)圖形用戶界面。Qt/Embedded是一個(gè)多平臺(tái)的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架，其對(duì)象容易擴(kuò)展，可移植性好，支持多個(gè)GUI平臺(tái)的交互開(kāi)發(fā)。Qtopia是Trolltech公司為采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)的消費(fèi)電子設(shè)備而開(kāi)發(fā)的綜合應(yīng)用平臺(tái)，它基于Qt/Embedded框架，所以在編譯Qtopia之前先要搭建好Qt/Embedded框架。
系統(tǒng)窗體界面包括：GSM窗體（設(shè)置接收手機(jī)號(hào)碼，短信服務(wù)中心號(hào)碼），傳感器狀態(tài)顯示窗體（包括紅外，煤氣，煙塵傳感器的狀態(tài)），攝像頭應(yīng)用程序窗體（顯示現(xiàn)場(chǎng)圖像），網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序client窗體（設(shè)置服務(wù)器IP）。
要使窗體控件響應(yīng)相應(yīng)的事件，必須給控件添加相應(yīng)的 “信號(hào)與槽函數(shù)”的映射。首先在類當(dāng)中添加槽函數(shù)然后在cpp文件當(dāng)中添加對(duì)應(yīng)成員函數(shù)，最后添加信號(hào)與槽映射函數(shù)，即通過(guò)調(diào)用QObject對(duì)象的connect函數(shù)來(lái)將某個(gè)對(duì)象的信號(hào)與另外一個(gè)對(duì)象的槽函數(shù)相關(guān)聯(lián)。
3軟件設(shè)計(jì)
3.1 單片機(jī)與ARM串口通信（圖2、圖3）
串口通信主要是采集串口數(shù)據(jù)，內(nèi)核通過(guò)提供read、write、select、open、close供應(yīng)用程序調(diào)用，在設(shè)計(jì)串口通信類，就是對(duì)這幾個(gè)函數(shù)的運(yùn)用。
3.2 網(wǎng)絡(luò)通信編程（圖4）Internet上的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)編程，必須用到Socket接口。Socket接口是TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的API，Qt Socket對(duì)Socket函數(shù)接口進(jìn)行一個(gè)很好地封裝，使得程序員可以通過(guò)Qtsocket提供的接口，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)編程。
3.3 視頻數(shù)據(jù)采集該功能模塊主要實(shí)現(xiàn)：數(shù)據(jù)的采集與顯示、視頻數(shù)據(jù)發(fā)送、發(fā)送視頻數(shù)據(jù)。采用OpenCV編程處理圖像，OpenCV是Intel資助的開(kāi)源計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)。它由一系列C函數(shù)和少量C++類構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)方面的很多通用算法。構(gòu)建OpenCV開(kāi)發(fā)環(huán)境需要執(zhí)行make install命令安裝，安裝后OpenCV將編譯好的的庫(kù)文件保存在/usr/local/lib目錄下，頭文件被復(fù)制在/usr/local/include/opencv目錄中。
主要的庫(kù)文件：libhighgui.so.0.9.7、libhighgui.la、libcxcore.so.0.9.7、libcxcore.la、libcvaux.so.0.9.7、libcvaux.la、libcv.so.0.9.7、libcv.la及相應(yīng)的符號(hào)鏈接。攝像頭數(shù)據(jù)采集流程如圖5。
3.4 GSM 收發(fā)短信SMS協(xié)議規(guī)范：SMS（Short Messaging Service）是最早的短消息業(yè)務(wù)協(xié)議，而且也是現(xiàn)在普及率最高的一種短消息業(yè)務(wù)協(xié)議規(guī)范。目前，這種短消息的長(zhǎng)度被限定在140字節(jié)之內(nèi)，這些字節(jié)可以是文本的。
AT指令集是從終端設(shè)備（TE）或數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）向終端適配器（TA）或數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備（DCE）發(fā)送的。通過(guò)TA，TE發(fā)送AT指令來(lái)控制移動(dòng)臺(tái)（MS）的功能，與GSM網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)進(jìn)行交互。用戶可以通過(guò)AT指令進(jìn)行呼叫、短信、電話本、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、傳真等方面的控制。對(duì)SMS的控制就是基于AT指令的PDUMode。GSM模塊與計(jì)算機(jī)之間的通信協(xié)議是一些AT指令集，AT指令是以AT作首，字符結(jié)束的字符串，AT指令的響應(yīng)數(shù)據(jù)包在中。
5結(jié)語(yǔ)
本文討論了嵌入式實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方法及應(yīng)用的主要技術(shù)，主要使用飛凌嵌入式開(kāi)發(fā)板再加單片機(jī)擴(kuò)展板實(shí)現(xiàn)平臺(tái)監(jiān)控室內(nèi)的煤、氣、電、溫度、濕度等。由于僅僅滿足學(xué)生實(shí)訓(xùn)的要求，所以該平臺(tái)還存在自身電路的局限，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境干擾造成電路還不夠穩(wěn)定，系統(tǒng)功能還有待于完善。
參考文獻(xiàn)：
[1]嵌入式Linux系統(tǒng)開(kāi)發(fā).深圳市億道電子技術(shù)有限公司，2009.
[2]OK2440 Linux實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)手冊(cè).保定飛凌嵌入式技術(shù)有限公司，2009.
[3]嵌入式Linux應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)[M].華清遠(yuǎn)見(jiàn)嵌入式培訓(xùn)中心人民郵電出版社，2010.
[4]何勇琪，楊紅濤等.嵌入式Linux系統(tǒng)使用開(kāi)發(fā)[M].電子工業(yè)出版社，2010.
[5]何力民.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，1995.
Zhang Wanliang
（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣元 628017）
（Sichuan Information Technology College，Guangyuan 628017，China）
摘要：嵌入式技術(shù)是繼IT網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后，又一個(gè)新的信息技術(shù)發(fā)展方向。嵌入式技術(shù)發(fā)展?jié)摿薮?很多院校都開(kāi)設(shè)嵌入式技術(shù)專業(yè)，但是由于專業(yè)門(mén)檻高，市場(chǎng)需求動(dòng)手能力強(qiáng)的畢業(yè)生。所以，在嵌入式專業(yè)的課程中實(shí)踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)就必不可少。為此我們開(kāi)發(fā)了一套智能家居系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)來(lái)滿足師生及有關(guān)工程技術(shù)人員嵌入式項(xiàng)目開(kāi)發(fā)、嵌入式綜合實(shí)訓(xùn)、嵌入式競(jìng)賽等。
Abstract： Embedded technology is a new development direction of information technology following IT network technology. Embedded technology has a huge potential for development, and embedded technology major is opened in many colleges, however, because of high professional threshold, the market demands graduates with strong hands-on ability. So, practice training is indispensable in curriculum of embedded technology major. On this base, we developed a set of training platform of intelligent household system so as to meet the teachers and students as well as related engineering and technical personnel's embedded project development, comprehensive training, competition and so on.
關(guān)鍵詞：嵌入式技術(shù) 智能家居系統(tǒng) ARM開(kāi)發(fā)板 傳感器
Key words： embedded technology；intelligent household system；ARM development board；sensor
中圖分類號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-4311（2011）20-0129-02
0引言
嵌入式系統(tǒng)是嵌入到對(duì)象體系中的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以嵌入式計(jì)算機(jī)為核心的嵌入式系統(tǒng)是繼IT網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后，又一個(gè)新的信息技術(shù)發(fā)展方向。目前，嵌入式設(shè)備已廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、過(guò)程控制、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費(fèi)電子等領(lǐng)域。巨大的嵌入式技術(shù)商業(yè)市場(chǎng)使許多高校看到了發(fā)展方向，紛紛開(kāi)設(shè)嵌入式技術(shù)課程。高職院校進(jìn)軍嵌入式領(lǐng)域已取得了不小成績(jī)，但目前高職院校在嵌入式人才培養(yǎng)方面，特別是綜合實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)的開(kāi)展上，還存在很多不足，影響了人才培養(yǎng)質(zhì)量。開(kāi)發(fā)一套完整的嵌入式綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)以及配套的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，對(duì)開(kāi)展學(xué)生科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)具有積極意義。
1系統(tǒng)分析
智能家居系統(tǒng)由ARM開(kāi)發(fā)板、系統(tǒng)擴(kuò)展板、GSM模塊、USB攝像頭、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等接口設(shè)備組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。其中：①開(kāi)發(fā)板平臺(tái)基于ARM9的OK2440，主要完成視頻數(shù)據(jù)采集、無(wú)線視頻數(shù)據(jù)傳輸、對(duì)GSM收發(fā)的短消息進(jìn)行解析和處理、以及對(duì)系統(tǒng)擴(kuò)展板進(jìn)行控制；②擴(kuò)展板電路主要負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)的采集、家用電器開(kāi)關(guān)的控制、接收和處理來(lái)自開(kāi)發(fā)平臺(tái)的控制信息以及將傳感器報(bào)警信息、家用電器開(kāi)關(guān)狀態(tài)信息反饋給平臺(tái)；③GSM模塊負(fù)責(zé)短消息的收發(fā)；④USB攝像頭負(fù)責(zé)視頻數(shù)據(jù)的采集；所有的監(jiān)視信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸?shù)叫^(qū)的服務(wù)器中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)危及人民生命和財(cái)產(chǎn)安全如火災(zāi)、煤氣泄漏、外人非法入侵等情況需要有效的監(jiān)視。下位機(jī)控制系統(tǒng)是STC89C52低功耗可在線編程單片機(jī)。ARM開(kāi)發(fā)板以S3C2440嵌入式微處理器為主控制器，結(jié)合了光電傳感器、煤氣傳感器、溫度傳感器等傳感器技術(shù)及通信技術(shù)。
該系統(tǒng)中融入家電智能控制，GSM通信，視頻監(jiān)控，傳感器監(jiān)測(cè)，internet網(wǎng)絡(luò)通訊，是一個(gè)適用于多種環(huán)境的集成系統(tǒng)。
本系統(tǒng)使用VMware+Red hat linux操作系統(tǒng)，軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用嵌入式Qt-2.3.7，用戶界面采用嵌入式Qtopia-1.7.0，視頻處理采用Intel開(kāi)源的OpenCV，GSM通信采用SMS的AT指令集。
2用戶界面設(shè)計(jì)
為了使系統(tǒng)更加方便使用，我們使用QT編寫(xiě)圖形用戶界面。Qt/Embedded是一個(gè)多平臺(tái)的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架，其對(duì)象容易擴(kuò)展，可移植性好，支持多個(gè)GUI平臺(tái)的交互開(kāi)發(fā)。Qtopia是Trolltech公司為采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)的消費(fèi)電子設(shè)備而開(kāi)發(fā)的綜合應(yīng)用平臺(tái)，它基于Qt/Embedded框架，所以在編譯Qtopia之前先要搭建好Qt/Embedded框架。
系統(tǒng)窗體界面包括：GSM窗體（設(shè)置接收手機(jī)號(hào)碼，短信服務(wù)中心號(hào)碼），傳感器狀態(tài)顯示窗體（包括紅外，煤氣，煙塵傳感器的狀態(tài)），攝像頭應(yīng)用程序窗體（顯示現(xiàn)場(chǎng)圖像），網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序client窗體（設(shè)置服務(wù)器IP）。
要使窗體控件響應(yīng)相應(yīng)的事件，必須給控件添加相應(yīng)的 “信號(hào)與槽函數(shù)”的映射。首先在類當(dāng)中添加槽函數(shù)然后在cpp文件當(dāng)中添加對(duì)應(yīng)成員函數(shù)，最后添加信號(hào)與槽映射函數(shù)，即通過(guò)調(diào)用QObject對(duì)象的connect函數(shù)來(lái)將某個(gè)對(duì)象的信號(hào)與另外一個(gè)對(duì)象的槽函數(shù)相關(guān)聯(lián)。
3軟件設(shè)計(jì)
3.1 單片機(jī)與ARM串口通信（圖2、圖3）
串口通信主要是采集串口數(shù)據(jù)，內(nèi)核通過(guò)提供read、write、select、open、close供應(yīng)用程序調(diào)用，在設(shè)計(jì)串口通信類，就是對(duì)這幾個(gè)函數(shù)的運(yùn)用。
3.2 網(wǎng)絡(luò)通信編程（圖4）Internet上的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)編程，必須用到Socket接口。Socket接口是TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的API，Qt Socket對(duì)Socket函數(shù)接口進(jìn)行一個(gè)很好地封裝，使得程序員可以通過(guò)Qtsocket提供的接口，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)編程。
3.3 視頻數(shù)據(jù)采集該功能模塊主要實(shí)現(xiàn)：數(shù)據(jù)的采集與顯示、視頻數(shù)據(jù)發(fā)送、發(fā)送視頻數(shù)據(jù)。采用OpenCV編程處理圖像，OpenCV是Intel資助的開(kāi)源計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)。它由一系列C函數(shù)和少量C++類構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)方面的很多通用算法。構(gòu)建OpenCV開(kāi)發(fā)環(huán)境需要執(zhí)行make install命令安裝，安裝后OpenCV將編譯好的的庫(kù)文件保存在/usr/local/lib目錄下，頭文件被復(fù)制在/usr/local/include/opencv目錄中。
主要的庫(kù)文件：libhighgui.so.0.9.7、libhighgui.la、libcxcore.so.0.9.7、libcxcore.la、libcvaux.so.0.9.7、libcvaux.la、libcv.so.0.9.7、libcv.la及相應(yīng)的符號(hào)鏈接。攝像頭數(shù)據(jù)采集流程如圖5。
3.4 GSM 收發(fā)短信SMS協(xié)議規(guī)范：SMS（Short Messaging Service）是最早的短消息業(yè)務(wù)協(xié)議，而且也是現(xiàn)在普及率最高的一種短消息業(yè)務(wù)協(xié)議規(guī)范。目前，這種短消息的長(zhǎng)度被限定在140字節(jié)之內(nèi)，這些字節(jié)可以是文本的。
AT指令集是從終端設(shè)備（TE）或數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）向終端適配器（TA）或數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備（DCE）發(fā)送的。通過(guò)TA，TE發(fā)送AT指令來(lái)控制移動(dòng)臺(tái)（MS）的功能，與GSM網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)進(jìn)行交互。用戶可以通過(guò)AT指令進(jìn)行呼叫、短信、電話本、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、傳真等方面的控制。對(duì)SMS的控制就是基于AT指令的PDUMode。GSM模塊與計(jì)算機(jī)之間的通信協(xié)議是一些AT指令集，AT指令是以AT作首，字符結(jié)束的字符串，AT指令的響應(yīng)數(shù)據(jù)包在中。
5結(jié)語(yǔ)
本文討論了嵌入式實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方法及應(yīng)用的主要技術(shù)，主要使用飛凌嵌入式開(kāi)發(fā)板再加單片機(jī)擴(kuò)展板實(shí)現(xiàn)平臺(tái)監(jiān)控室內(nèi)的煤、氣、電、溫度、濕度等。由于僅僅滿足學(xué)生實(shí)訓(xùn)的要求，所以該平臺(tái)還存在自身電路的局限，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境干擾造成電路還不夠穩(wěn)定，系統(tǒng)功能還有待于完善。
參考文獻(xiàn)：
[1]嵌入式Linux系統(tǒng)開(kāi)發(fā).深圳市億道電子技術(shù)有限公司，2009.
[2]OK2440 Linux實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)手冊(cè).保定飛凌嵌入式技術(shù)有限公司，2009.
[3]嵌入式Linux應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)[M].華清遠(yuǎn)見(jiàn)嵌入式培訓(xùn)中心人民郵電出版社，2010.
[4]何勇琪，楊紅濤等.嵌入式Linux系統(tǒng)使用開(kāi)發(fā)[M].電子工業(yè)出版社，2010.
[5]何力民.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，1995.
