嵌入式智能家居控制系統的研究與設計

系統結構設計
本文將控制系統分為現場控制級（主機）和多個控制對象級(分機)。現場控制級設備能夠收集到控制對象的各種信息，對這些數據進行處理，并能夠在設定的條件下產生報警。通過該系統，可以得到家居的各種運行狀態（例如，房間溫度、濕度，煤氣泄漏報警等），并能根據現場情況做出相應的調整控制（例如，照明及家電控制等）。其家居控制系統結構如圖1所示。

圖1 家居控制系統結構圖

本文僅研究設計智能家居的現場控制部分，圖1中的GSM和GPRS等遠程通信模塊作為以后系統的擴展升級。主機MCU選用ARM9芯片S3C2410，因其具有豐富的功能端口而適合設計要求和日后擴展。S3C2410嵌入式微處理器集成了眾多的常用資源，例如，LCD控制器、NAND Flash控制器、SDRAM控制器、系統片選邏輯以及一些常用的通信接口等資源。

分機采用16位單片機MSP430F149，主要考慮此芯片的低功耗性能，具有超低功耗的MSP單片機可以完成分機家居現場的控制功能。報警信息的采集就是對各傳感器的信息采集；對各種家電的控制是通過控制連接在家電電源的繼電器來實現；現場控制手動命令是通過觸摸屏來實現的。各分機通過nRF905收發模塊與主機進行無線通信。各分機通過連接不同的傳感器或控制器來實現不同的功能。

系統軟件開發
在Windows CE.net產品的開發中，有兩個重要的方面，一個是內核定制，另一個是應用程序的開發。微軟在這兩個方面都提供了非常好的開發工具，這就是內核定制工具Platform Builder和應用程序開發工具Embedded Visual C++。

1 操作系統平臺定制
Windows CE平臺的定制過程

（1）選擇操作系統的基本配置，并且為特定的平臺選擇相應的微處理器和板級支持包BSP（Board Support Packet）。本系統終端采用S3C2410處理器，因此我們導入了和硬件平臺相關的smdk2410.cec文件。

（2）利用標準開發向導，根據Windows CE的架構創建一個定制平臺，根據目標硬件設備開發Boot Loader、設備驅動程序，適當的裁減、添加組件，如有需要還須對某些配置文件進行修改，然后封裝所需要的各功能模塊，編譯生成OS鏡像文件。

（3）通過以太網、USB或串口將鏡像文件下載到目標設備，可以使用Platform Builder提供的調試工具查看Windows CE.net的運行情況并進行調試，若需要，進行重復配置、封裝、下載及調試，直到滿足要求，完成平臺的創建。

（4）最后，導出相應的SDK（Software Development Kit）軟件開發工具包，運行后安裝到EVC中，使得可以進行特定硬件平臺上的應用程序開發。SDK包含程序庫、頭文件、示例程序源代碼和庫函數使用文檔，同時還包括編程指導和API參與以及設備驅動工具包（DDK）。

安裝BSP
把Windows CE.net移植到新硬件平臺由平臺構造器（Platform Builder）完成。Platform Builder 4.2是一個定制基于Windows CE.net 4.2操作系統的嵌入式平臺的集成開發環境（IDE）。我們為一個硬件平臺構建CE系統，在PB里實際上就是創建平臺，然后編譯平臺，得到CE映像文件的過程。所以我們首先需要創建一個平臺。板級支持包（BSP）是連接一個硬件平臺和操作系統內核功能的橋梁，所以，首先PB會要求選擇BSP。

Platform Builder本身就提供了多種目標板的BSP，如果開發板和Platform Builder提供得相同，那么只需重新編譯，生成相應的系統鏡像下載到開發板即可。但是實際情況更多的可能是處理器相同，但是板上的各種外圍硬件接口不盡相同，這時候可以通過修改Platform Builder中相同或相近處理器的BSP來完成一個新的BSP，這樣可以大大減少BSP的研發時間。這里我們利用廠商直接提供的BSP，節省了開發時間，也可以提高成功率。

圖2 生成系統鏡像

定制Windows CE操作系統鏡像

PB定制基于本平臺的操作系統鏡像的步驟如下。

（1）選擇板級支持包：本系統開發板CPU是S3C2410，所以選“SAMSUNGSMDK2410：ARMV4”BSP。

（2）選擇平臺類型。本文選擇了手持設備。在“Available configurations”列表中，選擇“Mobile Handheld”，并輸入“Platform name：sbc2410”。

（3）選擇基本類庫及所需要的網絡通信服務，平臺配置完畢。

（4）右鍵單擊“SBC2410 features”選項的“Setting…”。在對話框Build Option屬性頁中，選擇[Enable Full Kernel Mode]，Windows CE中所有線程都會運行在核心態。這會使整個系統相對不穩定，但是也可提高系統的運行效率。選擇[Enable Images Larger than 32MB]，Windows CE的最終運行時映像可大于32MB。

（5）利用Platform Builder進行Windows CE.net操作系統的定制和開發一個重要的步驟就是在Platform Builder提供的特性目錄（Catalog）中進行特性選擇。這是因為Platform Builder中已經將Windows CE.net操作系統用到的大量的組件以特性（Feature）的形式列在特性目錄中。加入USB鍵盤鼠標支持特性，加入USB移動存儲設備（U盤、移動硬盤）支持，加入打印機設備相關的驅動（如果不加入打印機設備相關的驅動，在編譯應用程序時會出現“syntax error:identifier ‘LPDOCINFO’”錯誤），加入網絡設備驅動。

（6）更改適合自己網絡環境的IP地址、DNS、網關地址等網絡參數，通過編輯platform.reg平臺注冊表文件中相關的鍵值，來修改網絡參數。我的PC的IP：202.114.57.102，所以目標機的IP設定為202.114.57.10，在同一網段內。

（7）單擊菜單Build→Build Platform開始編譯系統。編譯完畢，將會在C:WINCE420PUBLICsbc2410RelDirSAMSUNG_SMDK2410ARMV4Release目錄下生成NK.bin和NK.nb0映像文件。編譯開始大約10分鐘后看到編譯信息：SBC2410-0 error(s)，30 warning(s)。有警告是正常的，因為某些組件是有風險的，例如，一些網絡組件，所以只要沒有錯誤，說明定制沒有問題。

此時，我們用USB電纜連接主機和目標機（開發板），在PC端已安裝了SAMSUNG提供的USB驅動的前提下，使用2410提供的專用下載工具DNW把生成的NK.bin和NK.nb0下載到開發板中，這樣根據我們的目標機系統定制的Windows CE就可以在開發平臺上正常運行了。
創建平臺SDK

完成了平臺的定制后，接著可以利用Platform Builder來創建SDK，SDK為平臺上其他應用程序的開發提供支持。SDK（Software Development Kit）是一系列頭文件、庫文件、文檔、平臺管理器和運行時庫的總稱。一旦創建了SDK，就可以將它導出或者安裝到別的計算機上，開發者可以將創建的SDK導入Embedded Visual C++或 Visual Studio中，進行應用程序的開發、調試和運行。

在Embedded Visual C++中，提供了Platform Manager來管理已經安裝的SDK。注意，在安裝開發工具時，默認會安裝一個稱作“Standard SDK”的SDK。由于Windows CE操作系統特性，不可能存在“標準”的SDK。所謂Standard SDK，只不過是微軟把Windows CE中最常用的一些功能取出來作為一個“標準”的SDK，使用Standard SDK開發的應用程序，可在大多數Windows CE平臺上運行。但是Standard SDK也并不是萬能的，例如，Standard SDK不支持中文和DirectX等。Platform Builder提供了SDK Wizard向導，來創建和生成SDK，最后Build過程完成后即可生成名為SBC2410_SDK.msi的SDK文件。此時在生成目錄中找到SBC2410_SDK.msi，雙擊安裝，就可以將生成的SDK安裝到EVC中進行應用程序的開發了。

2 應用軟件開發
目前，針對Windows CE應用開發的軟件有很多種，在使用的時候根據具體情況選擇適合應用的軟件開發工具。Embedded Visual C++支持WinCE App/DLL/COM/Lib using Win32 API，MFC，ATL and STL等功能，它與Visual C++6.0具有相似的工程管理模式和用戶界面，易于調試和測試。但是必須安裝相應的為特定平臺開發的SDK，本文就是自己導出的SDK。

智能家居系統的主機應用程序通過兩個對話框實現分機設備的基本讀/寫過程：Measure對話框主要實現對輸入量信息的采集及對系統運行狀態的監視，Control對話框主要用于主機發送控制信息給分機系統。這兩個對話框通過主窗體調用完成對整個家居系統的測量與控制。主機應用程序流程圖如圖3所示。智能家居系統應用程序以1路模擬量輸入、3路數字量輸入及相應的4路輸出控制量為例實現智能控制功能。

圖3 主機應用程序流程圖

圖4 運行界面

EVC的開發環境與Visual C++基本一致。首先，選擇項目類型、項目存放路徑、項目名稱及平臺類型；然后選擇項目的樣式和支持的語言；接下來，確定一些其他的選項；選擇完畢后，就可以得到一個程序的框架。項目類型我們選擇WCE MFC APPWizard，項目名稱為SmartHome，在支持的CPU類型中我們選中了ARM和X86（應該根據開發環境來選擇）。對于我們來說，首先要在PC上進行調試，然后編譯成適合使用的應用程序，目標機是ARM CPU，所以我們需要WCE X86和WCE ARM。（如果你要開發商用軟件或者想讓更多的人使用你的程序，應該考慮更多種類的CPU）編譯運行，成功啟動Microsoft ActiveSync同步軟件，這時可將在PC上生成的exe文件復制到移動設備下My Documents文件夾下。智能家居系統應用程序以1路模擬量、3路數字量輸入及相應的4路輸出控制量為例實現智能控制功能，如圖4所示。