基于Arm-Linux的嵌入式智能家居控制系统的设计

摘要：随着嵌入式技术、网络及信息技术的发展，针对人们对智能家居的追求，提出了一种基于ARM9的嵌入式智能家居控制系统的解决方案。介绍了嵌入式Linux系统的软硬件平台，结合实例阐述了嵌入式QT图形界面系统、嵌入式数据库SQLite等关键技术在嵌入式智能家居控制系统中的应用。该方案解决了控制系统的可视化操作问题，提高了系统数据管理效率，并具有通用性可移植到其他硬件或软件平台应用。
关键词：智能家居；ARM9；嵌入式Linux；Qtopia；SQLite

    嵌入式系统以其占用资源少、专用性强、功耗低的特点使其广泛应用在移动通信、工业生产、安全监控等领域。针对人们对高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境的要求，提出了以Arm-Linux为平台的智能家居控制系统的设计。

1 智能家居控制器的总体设计
    Arm-Linux嵌入式系统以其在性能、体积及功耗等方面的优势在智能家居领域得到越来越广泛的应用。系统采用基于ARM的嵌入式linux方案，系统分为五层分别为硬件层，系统引导层，系统层，应用支撑层及应用层。如图1所示应用层在Qtopia图形系统、SQLite数据库等的支撑下完成了电话报警、照明控制、安防控制、门禁控制以及网络浏览等应用。

2 系统硬件的设计
    CPU处理器选用Samsung S3C2440A，其主频为400 MHz，资源丰富功能强大。内存为64M SDRAM，数据总线32bit，时钟频率高达100MHz。存储器为128 M掉电非易失NANDFLASH。LCD显示部分为具有4线电阻式触摸屏接口的35英寸真彩色液晶屏。网卡芯片为DM9000可自适应10／100 M网络，通过RJ45连接头可连接控制器至路由器或者交换机。智能家居控制模块通过RS485总线与主控制器进行通信。其硬件结构图如图2所示。

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3 软件平台的构建
    开发环境选取的是虚拟机Vmware6．5+fedora9Linux系统+arm-linux-gcc 4．3．2编译器。系统与软件的编译采取交叉编译的方式进行。表1是构建控制系统所需移植开发的一些主要软件。

    Uboot是专门针对嵌入式Linux系统设计的开源bootloader，其任务是初始化处理器及外设硬件资源并引导操作系统。内核为linux2.6.3 2，这版提供了更多的驱动程序以及API，调用起来更加的方便。在内核中要添加对帧缓存frambuffer的支持，图形系统需要它的支持。文件系统使用Yaffs2，以配合2 K每页的大页存储器。根文件系统选用Busvbox1．13．3，配置编译完之后会生成bin和sbin目录以及linuxrc文件，从而系统就具备了系统以及文件管理的相关命令。移植Boa服务器实现了嵌入式服务器的功能。
    SOLite是面向嵌入式系统的数据库，编译完成后非常小只有几百k，支持2T的数据记录。在嵌入式系统中可以有力的减小应用程序管理数据的开销。下列语句配置编译器与编译路径并进行安装。在安装目录下生成bin、include及lib 3个文件夹，分别为可执行文件、头文件与库文件。
   

    Qtopia是专门针对嵌入式linux系统消费电子设备所研发的一套应用程序包和开发库。图3为qtopia的软件层次结构图。Qtopia的信号与插槽机制提供了对象间的通信机制。窗口在事件发生后会激发信号，程序员通过建立一个函数(称作插槽)，然后调用connect()函数把这个插槽和一个信号连接起来，这样就完成了一个事件和响应代码的连接。可以一个信号对应多个插槽函数，也可以一个槽函数对应多个信号。

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4 应用程序的设计
    通过一个应用程序为例说明如何把QT图形系统，嵌入式数据库SQLite，linux下的串口通信程序结合到一起完成应用程序的设计。通过下列语句在C与C++程序中调用SQLite的API完成数据库的创建、插入数据与查询数据。
   
    在系统中还需要在数据库系统中存储很多其他信息，遵循上述步骤分别建立相应的数据表存储报警电话号码tel，工作状态设定set，设备工作信息zt，报警信息bj等。图形界面、SQLite及串口通信程序的开发的基本过程如图4所示。

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    首先用Qt Desinger根据系统要求设计图形界面，建立槽函数开槽并且通过语句connect(PushButtonl，SIGNAL(clicked())，this，SLOT(set_userandphone()))；建立信号与槽函数的连接。槽函数需要根据设计的功能需要编写。用UIC与MOC工具生成文件user．h、user．cpp及完成信号与插槽功能的moc_user．cpp程序，由PROGEN与TMAKE生成工程文件user．pro与Makefile。user．cpp中有SQLite数据库代码，要把库路径加到Makefile库文件的搜索路径中否则会因为找不到SQLite的库文件而编译失败。
   
   
    要实现用户的用户名、密码等信息存到前面创建的user．db数据库中，要把创建表与插入数据的代码放到槽函数下。点击set按钮后就会产生一个信号来触发槽函数，实现数据库的创建与数据的存储。实现串口通信的功能把设置的信息传递给智能家居的各个控制模块，需通过设置struct termios结构体的各成员值实现波特率、校验位、停止位等设置，完成之后对串口的操作就可以像普通文件一样进行读写操作。串口通信程序代码也放到槽函数下边
   
   
    完成X86环境下的编译之后需要修改Makefile文件把PC环境编译器gcc和g++修改为嵌入式环境下的arm-linux-gcc和arm-linux-g++，编译完成下载到文件系统的相应目录下并运行测试，系统的其他应用程序如系统工作模式设定、状态查询等也遵循同样的开发流程。
    图5为第一个为系统的总体界面，里面包含12应用程序的图标。第二幅为示例应用程序的界面，在输入相应的信息后点击set按钮，用户名密码以及报警电话分别保存到了namekey与tel表中并发送给电话报警模块。达到了设定用户信息的设计目标。

5 结束语
    本文利用嵌入式数据库SQLite实现了对智能家居控制系统的数据管理，在管理效率上有了很大提高，节省了系统资源开销。应用Qtopia图形系统实现了操作界面的可视化界面更加友好，操作更加简单明了。系统运行稳定，很好的满足了设计要求。