面向智能家居控制系统的软硬件协同设计

发布时间：2017-07-26 10:38

  本文关键词：面向智能家居控制系统的软硬件协同设计

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【摘要】：智能家居控制系统是整个智能家居系统中最核心的部分,控制着所有家居设备与用户的通信,智能家居的稳定运行和家居设备的管理均依赖于此。目前,智能家居控制系统一般采用传统的软硬件独立开发的设计方法,无法适应日新月异的需求。为了更好的适应智能家居需求,论文提出了一种新的解决方案,即采用具有硬件可扩展的高性能处理芯片Zynq7020和软硬件协同设计方法实现智能家居控制系统。论文首先分析了智能家居控制系统的设计现状和功能需求,结合嵌入式技术,提出了智能家居控制系统的整体结构及软硬件设计方案。该系统主要由系统节点、家庭网关和用户监测中心三部分构成。系统节点由Zig Bee协调器节点和Zig Bee终端节点组成,以协调器节点为中心构成一个星型网络,实现室内温湿度采集、多个照明灯具和窗帘控制。节点控制芯片采用低功耗CC2530处理器,搭载支持大型网络的Zig Bee2007 Pro协议栈。论文实现了节点的硬件电路和Zig Bee组网,并设计了节点控制程序,进行了协议栈移植。家庭网关以Zynq7020处理器为核心,辅以视频采集模块和网页服务器构成,通过以太网与用户监测中心实现信息交互,通过串口与Zig Bee网络部分通信,实现数据处理、传输和存储。基于Zynq7020芯片的硬件构成,论文详细阐述了以软硬件协同设计方法实现基于FPGA的UART控制器与基于ARM Cortex-A9的串口控制程序,并在Cortex-A9上成功移植了Android系统,搭建了Web服务器和视频编码器。最后,基于Web网页设计了用户监测中心,可以实现远程登录系统并对家居设备进行控制。经过系统整体方案设计、系统节点设计、家庭网关以及用户监测中心设计等过程,本文实现了一个完整的智能家居控制系统并对其进行了测试。该系统设计方法缩短了开发周期,应用软件移植方便,硬件资源可扩展且实时性较高,达到了预期目标。
【关键词】：Zynq7020 ZigBee 软硬件协同设计 Android Web
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU855;TN92
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-12
• 第一章 绪论12-19
• 1.1 课题的研究背景及意义12
• 1.2 智能家居控制系统的现状12-15
• 1.3 软硬件协同设计的优势15-16
• 1.4 本文的主要工作和章节安排16-19
• 第二章 智能家居控制系统总体设计方案19-27
• 2.1 系统功能需求与整体结构设计19-22
• 2.1.1 系统的功能需求19-20
• 2.1.2 系统的整体结构20-22
• 2.2 系统软硬件的划分22-27
• 2.2.1 系统硬件平台设计23-25
• 2.2.2 系统软件平台设计25-27
• 第三章 智能家居控制系统节点设计27-48
• 3.1 控制系统节点组成27-28
• 3.2 节点的硬件实现28-31
• 3.2.1 CC2530 硬件电路28-29
• 3.2.2 温湿度传感器硬件29
• 3.2.3 LED照明硬件29
• 3.2.4 直流电机驱动电路29-30
• 3.2.5 电源转换电路30-31
• 3.2.6 ZigBee节点硬件低功耗设计31
• 3.3 控制系统节点软件设计31-38
• 3.3.1 温湿度传感器节点程序32-35
• 3.3.2 电动窗帘节点程序35-36
• 3.3.3 照明节点程序36
• 3.3.4 协调器节点程序36-38
• 3.4 节点控制命令设计38-39
• 3.5 Zstack协议栈移植39-48
• 3.5.1 ZigBee协议栈结构39-40
• 3.5.2 Zstack协议栈40-42
• 3.5.3 Zstack移植42-48
• 第四章 基于Zynq的软硬件协同设计48-59
• 4.1 基于Zynq的软硬件协同设计步骤48-51
• 4.2 uartlite IP核设计与测试51-59
• 4.2.1 uartlite IP核的设计52-56
• 4.2.2 uartlite IP核的测试56-59
• 第五章Android系统移植及应用软件设计59-88
• 5.1 Android系统定制及设计59-68
• 5.1.1 Zynq中Android系统的启动步骤62-63
• 5.1.2 系统开发环境的搭建63
• 5.1.3 u-boot移植63-64
• 5.1.4 启动文件的建立64-65
• 5.1.5 内核镜像的生成65
• 5.1.6 ramdisk镜像文件的制作65-68
• 5.2 Android系统设备树文件68-70
• 5.2.1 设备树文件68-69
• 5.2.2 设备树文件的设计69-70
• 5.3 FPGA部分uartlite IP核驱动程序设计70-74
• 5.3.1 uartlite驱动程序架构70-71
• 5.3.2 uartlite驱动程序设计71-74
• 5.4 Web服务器的构建74-77
• 5.4.1 Boa服务器与CGI的交互74-75
• 5.4.2 Boa服务器的移植与测试75-77
• 5.5 嵌入式网络摄像机的移植与搭建77-81
• 5.5.1 嵌入式网络摄像机的工作原理77-79
• 5.5.2 视频编码器mjpg-streamer的移植79-80
• 5.5.3 mjpg-streamer的测试80-81
• 5.6 用户监测中心设计81-88
• 5.6.1 Web网页的程序设计81-86
• 5.6.2 智能家居控制系统的测试86-88
• 第六章总结与展望88-90
• 参考文献90-93
• 致谢93-94
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文94

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本文编号：576015