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嵌入式智能家居控制器的设计
1智能家居控制系统的概述
随着计算机控制技术、通信技术的不断发展，人们更加关注生活环境的舒适性和安全性。人们期望智能化的生活家居环境，因此设计一套智能家居控制系统显得十分必要。人们对家居的要求早已不只是物理空间，更为关注的是一个安全、方便、舒适的居家环境。家居智能化技术起源于美国，它是以家为平台进行设计的。智能家居控制系统是以HFC、以太网、现场总线、公共电话网、无线网的传输网络为物理平台，计算机网络技术为技术平台，现场总线为应用操作平台，构成一个完整的集家庭通信、家庭设备自动控制、家庭安全防范等功能的控制系统。
大型的智能家居控制器的组成:系统服务器、各种路由器、家庭控制器、电缆调制解调器头端设备CMTS、各种探测器、交换机、通讯器、无线收发器、各种传感器、交换机、各种执行机构、打印机等主要部分组成。
在分析了国内外智能家居控制器的发展现状之后，针对监视家庭的设施（本地或远程）和控制家庭的设施（本地或远程）的要求，设计了ARM嵌入式智能家居控制器的整体方案和布局。结合自己所学的内容，对部分内容进行了具体阐述。本文提出了一个实现智能家具的方案：将GPRS模块与Window CE 操作系统相结合，外加各种床干起组成了一个智能家居系统，同时，详细介绍了基于宿主机-目标机的交叉开发环境，在PC机上安装Windows CE.net 4.2，利用微软提供的platform builder 4.2工具，安装目标平台的BSP及定制Windows CE 操作系统内核影像，然后下载内核影像文件到ARM9目标板，最后利用Active Syne同步软件通过USB电缆使开发板与PC互相通信。利用Embedded visual C开发工具完成信息收集、命令处理、GPRS通信模块的设计。
2智能家居控制器总体设计
2.1系统总体设计与分析
本设计属于单片机应用系统。确定单片机控制系统总体方案，是进行系统设计最重要、最关键的一步。总体方案的好坏，直接影响整个控制系统的性能及实施细则。总体方案的设计主要是根据被控对象的任务及工艺要求而确定的。设计方法大致如下：根据系统的要求，首先确定出系统是采用开环系统还是闭环系统，或者是数据处理系统。选择检测元件，在确定总体方案时，必须首先选择好被测参数的测量元件，它是影响控制精度的重要因素之一。选择执行机构，执行机构是微型机控制系统的重要组成部件之一。执行机构的选择一方面要与控制算法匹配，另一方面要根据被控对象的实际情况确定。选择输入/输出通道及外围设备。选择时应考虑以下几个问题：被控对象参数的数量；各输入/输出通道是串行操作还是并行操作；各通道数据的传递速率；各通道数据的字长及选择位数；对显示、打印有何要求；画出整个系统流程图和原理图。
2.1.1 单片机控制部分
本系统是单片机在系统检测以及工程控制方面的应用，其特点是体积小，成本低，功能强，功耗低，是微机应用产品化的最佳机种之一，它已广泛地应用在产品智能化和工业自动化上。而把单片机面向工控领域对象，嵌入到工控应用系统中，实现嵌入式应用的计算机称之为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统。嵌入式系统一般分为四种:工控机，通用CPU 模块，嵌入式微机处理，单片机。嵌入式系统具有以下特点：
(1)面对控制对象。如传感信号输入、人机交互操作,伺服驱动等。
(2)嵌入到工控应用系统中的结构形态。
(3)能在工业现场环境中可靠运行的品质。
(4)突出控制功能。如对外部信息的捕捉、对控制对象实时控制和有突出控制功能的指令系统(I/O 控制、位操作和转移指令等)。
单片机有唯一的专门为嵌入式应用系统设计的体系结构与指令系统，最能满足嵌入式应用要求。单片机是完全按嵌入式系统要求设计的单芯片形态应用系统，能满足面对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行及非凡的控制品质等要求，是发展最快、品种最多、数量最大的嵌入式系统。
2.1.2系统工作流程部分

图1-1系统工作流程图
2.2智能家居控制器的硬件设计
在设计智能家居控制器时，考虑到系统的稳定性和扩展性，因此将控制器硬件设计成核心板和控制板两部分。核心板主要用来构建嵌入式最小系统，控制板主要是一些外围接口。系统硬件如下图所示：

图1-2系统硬件结构
核心板由微处理器以及外围的存储芯片等构成，这里采用三星公司成产的S3C2440微处理器。S3C2440微处理器广泛应用于便捷式通信产品、手持运算、多媒体等嵌入式领域，并且能够较为轻松地运行Windows CE 同时考虑到整个系统实时性要求高，故采用了三星生产的S3C2440微处理器。
GPRS模块采用ZOGLAB公司生产的MC35TS芯片。通过串口信号线TXD2和RXD2和微处理器相连接。
LCD直接由CPU来控制，不过要增加驱动电路。触摸屏才有4线电阻式，直接将它和CPU的nYPON、YMON、nXPON、XMON相连。家电控制接口的输入控制信号连接到CPU的GPIO端口，当要对某个家电进行控制时，只需要向指定的端口写入0或1，然后再有家电控制接口通过有线或无线的方式去控制相应的家电。
2.3智能家居控制器的软件设计
考虑系统对实时性以及网络功能的要求，可以考虑选择Windows CE和Linux操作系统，但综合考虑开发难易程度以及Windows CE良好的用户界面，易于操作等特点，同时我们主要是应用层的开发，故决定选用Windows CE操作系统。
在WindowsCE.net产品的开发中，有三个重要的方面，一个是内核定制，一个是驱动程序的开发，最后一个是应用程序的开发，微软在这几个方面都提供了非常好的开发工具，这就是内核定制工具Platform Builder和应用程序开发工具Embedded visual C。
2.3.1操作系统平台定制
在嵌入式系统硬件平台成功搭建的基础上，如何根据具体应用针对特定的硬件定制裁减Windows CE嵌入式操作系统是本课题的关键。
嵌入式系统通常是一个资源受限的系统，直接在嵌入式系统的硬件平台上编写软件很困难，目前一般采用宿主机/目标机模式，即首先在通用计算机上编写程序，然后通过交叉编译生成目标平台上可运行的二进制文件，最后下载到目标平台上运行。在进行嵌入式开发之前，首先应该建立和配置好交叉开发环境。
WinCE平台的定制过程如下：
(1)选择操作系统的基本配置，并且为特定的平台选择相应的微处理器和板级支持包BSP(Board Support Packet)。
(2)利用标准开发向导，根据Windows CE的架构创建一个定制平台，根据目标硬件设备开发Boot Loader、设备驱动程序、适当的裁减、添加组件，如果需要还须对某些配置文件进行修改，然后封装所需要的各个功能模块，编译生成OS镜像文件；
(3)通过以太网、USB或串口将镜像文件下载到目标设备，可以使用Platform Builder提供的调试工具查看Windows CE的运行情况并进行调试，若需要，进行重复配置、封装、下载及调试，直到满足要求，完成平台的创建；
(4)最后导出相应的SDK(Software Development Kit)软件开发工具包，运行后安装到EVC中，使得可以进行特定硬件平台上的应用程序开发。SDK包含程序库、头文件、示例程序源代码和库函数使用文档，同时还包括编程指导和API以及设备驱动工具包（DDK）。
2.3.2驱动程序开发
系统所涉及的GPIO驱动及中断驱动程序，可以有两种模型：单片驱动程序和分层驱动程序。在这里我们采用的是分层的驱动程序，分层驱动程序由两个设置好的层组成；上层是模型设备驱动程序(MDD),下层是依赖平台的驱动程序(PDD)。
微软为链接驱动程序提供了模型设备驱动程序(MDD)，对平台和函数来讲模型驱动程序(MDD)是通用的，即是源代码也是库。模型驱动程序执行下列任务：
(1)链接PDD层并定义它希望调用的函数，通常这些函数叫做设备驱动程序提供器接口（DDSI）；
(2)把不同的函数集提供给操作系统，通常这些函数叫做设备驱动程序接口(DDI)；
(3)负责与GWES模块和内核通信，包括一些复杂的操作，例如中断处理等。
设备驱动程序接口(DDI)是一套由MDD模型设备驱动程序提供、由GWES调用的函数，而设备驱动程序接口（DDSI）由PDD层的驱动程序提供并供模型设备驱动程序(MDD)调用。
对于分层的驱动程序而言，编写驱动就是要编写PDD层下的DDSI函数和MDD层下的DDI函数。通俗的来讲，DDSI函数主要就是直接操作处理器中寄存器的值；而DDI函数就是在操作系统平台上，向DDSI函数传递上层的参数。
GPIO的PDD层驱动：
对于GPIO驱动程序而言，PDD层下的DDSI主要由下列几个函数组成：
NGPIO Driver Get Device Info返回GPIO端口的状态信息；
GPIO的MDD层驱动：
MDD层下的DDI主要由下列几个函数组成：
从NGPIO Driver Get Devic eInfo函数中返回参数；
NGPIO Set Device向NGPIO Driver Se tDevice函数传递参数；
它们在操作系统的层面上，通过向DDSI函数传递和返回参数，修改和获取S3C2440寄存器的值。通过编写调用这些函数的应用程序，来实现我们需要的控制功能。
2.4应用软件开发
Windows CE是微软开发的一种面向嵌入式应用的Windows操作系统，具有和Windows基本一致的API。当然Windows CE开发也有自己的特点。Windows CE应用程序开发应注意以下方面的要求：
(1)应用程序必须使用Unicode字符集。
(2)嵌入式设备通常没有多少空间容纳像台式机那么多的内存，因此，程序代码应优化到尽可能小，程序越大，它所加载时间就越长。
应用程序通过GPIO驱动程序来读取与S3C2440端口相连的传感器的状态，然后将信息返还给WinCE应用程序[5]，应用程序根据传感器状态将信息通过调用串口驱动程序，发送AT命令[4]，传给GPRS模块，然后，GPRS模块发送短信到用户手机，用户就可以观察家里的变化了。当用户想对家中的某些设备进行操作时，可以通过发送短信给GPRS模块，然后模块将信息传给WinCE应用程序，应用程序就可以控制IO口，来达到用户的要求。
将移植好的系统、应用程序下载到智能家居控制器上。经过测试，系统具有操作方便、可靠性高和抗干扰能力强等优点。通过智能家居控制器将家电、传感器、手机等许多独立的设备连接成为一个系统，从而方便本地和远程控制。
2.5智能家居器控制器能实现的功能和提供的服务
（1）始终在线的网络服务，与互联网随时相连，为在家办公提供了方便条件
（2）安全防范：智能安防可以实时监控非法闯入、火灾、煤气泄露、紧急呼救的发生。一旦出现警情，系统会自动向中心发出报警信息，同时启动相关电器进入应急联动状态，从而实现主动防范。
（3）家电的智能控制和远程控制，如对灯光照明进行场景设置和远程控制、电器的自动控制和远程控制等。
（4）交互式智能控制：可以通过语音识别技术实现智能家电的声控功能；通过各种主动式传感器（如温度、声音、动作等）实现智能家居的主动性动作响应。
（5）环境自动控制。如家庭中央空调系统。
（6）现代化的厨卫环境。主要指整体厨房和整体卫浴。
（7）家庭信息服务：管理家庭信息及与小区物业管理公司联系。
（8）自动维护功能：智能信息家电可以通过服务器直接从制造商的服务网站上自动下载、更新驱动程序和诊断程序，实现智能化的故障自诊断、新功能自动扩展。
2.6结束语
当前家庭智能化技术正在迅速的发展，家庭智能控制器是智能家居系统的关键所在。以无线通信技术为基础，以嵌入式系统为核心的家庭智能控制器具有结构简单，性能稳定，功耗低等特点，其发展前景广阔。