根據(jù)ieee的定義，嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機(jī)器和設(shè)備運(yùn)行的裝置”。從中可以看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機(jī)械等附屬裝置。目前國內(nèi)一個(gè)普遍被認(rèn)同的定義是：以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)以其占用資源少、專用性強(qiáng)、功耗低的特點(diǎn)使其廣泛應(yīng)用在移動通信、工業(yè)生產(chǎn)、安全監(jiān)控等領(lǐng)域。以其在性能、體積及功耗等方面的優(yōu)勢在智能家居領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。
隨著嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)及信息技術(shù)的發(fā)展，針對人們對智能家居的追求，提出了一種基于arm9的嵌入式智能家居控制系統(tǒng)的解決方案。介紹了嵌入式linux系統(tǒng)的軟硬件平臺，結(jié)合實(shí)例闡述了嵌入式qt圖形界面系統(tǒng)、嵌入式數(shù)據(jù)庫sqlite等關(guān)鍵技術(shù)在嵌入式智能家居控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。該方案解決了控制系統(tǒng)的可視化操作問題，提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理效率，并具有通用性可移植到其他硬件或軟件平臺應(yīng)用。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本文將控制系統(tǒng)分為現(xiàn)場控制級（主機(jī)）和多個(gè)控制對象級（分機(jī)）。主機(jī)設(shè)備能夠收集到控制對象的各種信息，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并能夠在設(shè)定的條件下產(chǎn)生報(bào)警。通過該系統(tǒng)，可以得到家居的各種運(yùn)行狀態(tài)（例如，房間溫度、濕度，煤氣泄漏報(bào)警等），并能根據(jù)現(xiàn)場情況做出相應(yīng)的調(diào)整控制（例如，照明及家電控制等）。其家居控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 家居控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
文章僅研究設(shè)計(jì)智能家居的分機(jī)部分，圖1中的gsm和gprs等遠(yuǎn)程通信模塊作為以后系統(tǒng)的擴(kuò)展升級。主機(jī)mcu選用arm9芯片s3c2410，因其具有豐富的功能端口而適合設(shè)計(jì)要求和日后擴(kuò)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(tǒng)片選邏輯以及一些常用的通信接口等資源。
分機(jī)采用16位單片機(jī)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(jī)可以完成分機(jī)家居現(xiàn)場的控制功能。報(bào)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(shí)現(xiàn)；現(xiàn)場控制手動命令是通過觸摸屏來實(shí)現(xiàn)的。各分機(jī)通過nrf905收發(fā)模塊與主機(jī)進(jìn)行無線通信。各分機(jī)通過連接不同的傳感器或控制器來實(shí)現(xiàn)不同的功能。
系統(tǒng)軟件開發(fā)
在windows ce.net產(chǎn)品的開發(fā)中，有兩個(gè)重要的方面，一個(gè)是內(nèi)核定制，另一個(gè)是應(yīng)用程序的開發(fā)。微軟在這兩個(gè)方面都提供了非常好的開發(fā)工具，就是內(nèi)核定制工具platform builder和應(yīng)用程序開發(fā)工具embedded visual c++。
1 操作系統(tǒng)平臺定制
windows ce是微軟公司嵌入式、移動計(jì)算平臺的基礎(chǔ)，它是一個(gè)開放的、可升級的32位嵌入式操作系統(tǒng)，是基于掌上型電腦類的電子設(shè)備操作系統(tǒng)，它是精簡的windows 95，windows ce的圖形用戶界面相當(dāng)出色。
windows ce作業(yè)系統(tǒng)是windows家族中最新的成員，專門設(shè)計(jì)給掌上型電腦（hpcs）所使用的電腦環(huán)境。這樣的作業(yè)系統(tǒng)可使完整的可攜式技術(shù)與現(xiàn)有的windows桌面技術(shù)整合工作。 windows ce 被設(shè)計(jì)成針對小型設(shè)備（它是典型的擁有有限內(nèi)存的無磁盤系統(tǒng)）的通用操作系統(tǒng)，windows ce 可以通過設(shè)計(jì)一層位于內(nèi)核和硬件之間代碼來用設(shè)定硬件平臺，這即是眾所周知的硬件抽象層（hal）（在以前解釋時(shí)，這被稱為 oemc （原始設(shè)備制造）適應(yīng)層，即 oal； 內(nèi)核壓縮層，即 kal。 以免與微軟的 windows nt 操作系統(tǒng) hal 混淆） 。
windows ce平臺的定制過程
（1）選擇操作系統(tǒng)的基本配置，并且為特定的平臺選擇相應(yīng)的微處理器和板級支持包bsp（board support packet）。本系統(tǒng)終端采用s3c2410處理器，因此我們導(dǎo)入了和硬件平臺相關(guān)的smdk2410.cec文件。
（2）利用標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)向?qū)?，根?jù)windows ce的架構(gòu)創(chuàng)建一個(gè)定制平臺，根據(jù)目標(biāo)硬件設(shè)備開發(fā)boot loader、設(shè)備驅(qū)動程序，適當(dāng)?shù)牟脺p、添加組件。
（3）通過以太網(wǎng)、usb或串口將鏡像文件下載到目標(biāo)設(shè)備，可以使用platform builder提供的調(diào)試工具查看windows ce.net的運(yùn)行情況并進(jìn)行調(diào)試，若需要，進(jìn)行重復(fù)配置、封裝、下載及調(diào)試，直到滿足要求，完成平臺的創(chuàng)建。
（4）最后，導(dǎo)出相應(yīng)的sdk（software development kit）軟件開發(fā)工具包，運(yùn)行后安裝到evc中，使得可以進(jìn)行特定硬件平臺上的應(yīng)用程序開發(fā)。sdk包含程序庫、頭文件、示例程序源代碼和庫函數(shù)使用文檔，同時(shí)還包括編程指導(dǎo)和api參與以及設(shè)備驅(qū)動工具包（ddk）。
安裝bsp
bsp即board support package，板級支持包。它來源于嵌入式操作系統(tǒng)與硬件無關(guān)的設(shè)計(jì)思想，操作系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為運(yùn)行在虛擬的硬件平臺上。對于具體的硬件平臺，與硬件相關(guān)的代碼都被封裝在bsp中，由bsp向上提供虛擬的硬件平臺，bsp與操作系統(tǒng)通過定義好的接口進(jìn)行交互。bsp是所有與硬件相關(guān)的代碼體的集合。一個(gè)成熟的商用操作系統(tǒng)，其被廣泛應(yīng)用的必要條件之一就是能夠支持眾多的硬件平臺，并實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的硬件無關(guān)性。一般來說，這種無關(guān)性都是由操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。
bsp就是為軟件操作系統(tǒng)正常運(yùn)行提供最基本、最原始的硬件操作的軟件模塊，它和操作系統(tǒng)息息相關(guān)，但又不屬于操作系統(tǒng)的一部分。bsp可以分為三大部分：
1：系統(tǒng)上電時(shí)的硬件初始化。
2：為操作系統(tǒng)訪問硬件驅(qū)動程序提供支持。
3：集成的硬件相關(guān)和硬件無關(guān)的操作系統(tǒng)所需的軟件模塊。
開發(fā)bsp需要的條件
·目標(biāo)硬件：硬件調(diào)測完畢，經(jīng)過必要的軟件測試
·必要的硬件設(shè)計(jì)文檔：如地址空間的分布，cpu和其他芯片的工作模式等。
·操作系統(tǒng)
·交叉開發(fā)工具：編譯器、匯編器、鏈接器等
·下載機(jī)制：bootrom或仿真器等
2bsp實(shí)際開發(fā)的主要過程
1.掌握開發(fā)中使用的操作系統(tǒng)，和在這種操作系統(tǒng)下開發(fā)bsp的要求。
2.研讀所選cpu的資料。
3.研讀硬件設(shè)計(jì)文擋。
4.研讀電路板中器件的資料。
5.找一個(gè)bsp模板，熟悉它并在此基礎(chǔ)上開發(fā)自己的bsp。從頭研制bsp工作量極大，也沒有必要。
6.利用仿真器進(jìn)行調(diào)試，開發(fā)最小bsp系統(tǒng)。
7.在最小bsp的基礎(chǔ)上，利用tornado集成開發(fā)環(huán)境，進(jìn)一步調(diào)試外圍設(shè)備，配置、完善系統(tǒng)。
8.調(diào)試單板上的設(shè)備驅(qū)動程序。
把windows ce.net移植到新硬件平臺由平臺構(gòu)造器（platform builder）完成。platform builder 是一個(gè)定制基于windows ce.net 操作系統(tǒng)的嵌入式平臺的集成開發(fā)環(huán)境（ide）。我們?yōu)橐粋€(gè)硬件平臺構(gòu)建ce系統(tǒng)，在pb里實(shí)際上就是創(chuàng)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(chuàng)建一個(gè)平臺。bsp是連接一個(gè)硬件平臺和操作系統(tǒng)內(nèi)核功能的橋梁，所以，首先pb會要求選擇bsp。
platform builder 是微軟公司提供給windows ce 開發(fā)人員進(jìn)行基于windows ce 平臺下嵌入式操作系統(tǒng)定制的集成開發(fā)環(huán)境。它提供了所有進(jìn)行設(shè)計(jì)、創(chuàng)建、編譯、測試和調(diào)試windows ce 操作系統(tǒng)平臺的工具。它運(yùn)行在桌面windows 下，開發(fā)人員可以通過交互式的環(huán)境來設(shè)計(jì)和定制內(nèi)核、選擇系統(tǒng)特性，然后進(jìn)行編譯和調(diào)試，如果開發(fā)板和platform builder提供得相同，那么只需重新編譯，生成相應(yīng)的系統(tǒng)鏡像下載到開發(fā)板即可。但是實(shí)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(shí)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(gè)新的bsp，這樣可以大大減少bsp的研發(fā)時(shí)間。這里我們利用廠商直接提供的bsp，節(jié)省了開發(fā)時(shí)間，也可以提高成功率。同時(shí)，開發(fā)人員還可以利用platform builder 來進(jìn)行驅(qū)動程序開發(fā)和應(yīng)用程序項(xiàng)目的開發(fā)等等。
圖2 生成系統(tǒng)鏡像
定制windows ce操作系統(tǒng)鏡像
pb定制基于本平臺的操作系統(tǒng)鏡像的步驟如下。
（1）選擇bsp：本系統(tǒng)開發(fā)板cpu是samsungsmdk2410s3c2410，所以選“s3c2410：armv4”bsp。
（2）選擇平臺類型。本文選擇了手持設(shè)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(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)，平臺配置完畢。
（4）右鍵單擊“sbc2410 features”選項(xiàng)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(yùn)行在核心態(tài)。這會使整個(gè)系統(tǒng)相對不穩(wěn)定，但是也可提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。選擇[enable images larger than 32mb]，windows ce的最終運(yùn)行時(shí)映像可大于32mb。
（5）利用platform builder進(jìn)行windows ce.net操作系統(tǒng)的定制和開發(fā)一個(gè)重要的步驟就是在platform builder提供的特性目錄（catalog）中進(jìn)行特性選擇。這是因?yàn)閜latform builder中已經(jīng)將windows ce.net操作系統(tǒng)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(biāo)支持特性，加入usb移動存儲設(shè)備（u盤、移動硬盤）支持，加入打印機(jī)設(shè)備相關(guān)的驅(qū)動（如果不加入打印機(jī)設(shè)備相關(guān)的驅(qū)動，在編譯應(yīng)用程序時(shí)會出現(xiàn)“syntax error:identifier ‘lpdocinfo’”錯誤），加入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動。
（6）更改適合自己網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的ip地址、dns、網(wǎng)關(guān)地址等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，通過編輯platform.reg平臺注冊表文件中相關(guān)的鍵值，來修改網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。將pc的ip設(shè)定在同一網(wǎng)段內(nèi)。
（7）單擊菜單build→build platform開始編譯系統(tǒng)。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?yàn)槟承┙M件是有風(fēng)險(xiǎn)的，例如，一些網(wǎng)絡(luò)組件，所以只要沒有錯誤，說明定制沒有問題。
此時(shí)，我們用usb電纜連接主機(jī)和目標(biāo)機(jī)（開發(fā)板），在pc端已安裝了samsung提供的usb驅(qū)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(fā)板中，這樣根據(jù)我們的目標(biāo)機(jī)系統(tǒng)定制的windows ce就可以在開發(fā)平臺上正常運(yùn)行了。
創(chuàng)建平臺sdk
sdk（software development kit, 即軟件開發(fā)工具包 ）一般是一些被軟件工程師用于為特定的軟件包、軟件框架、硬件平臺、操作系統(tǒng)等建立應(yīng)用軟件的開發(fā)工具的集合。
完成了平臺的定制后，接著可以利用platform builder來創(chuàng)建sdk，sdk為平臺上其他應(yīng)用程序的開發(fā)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(yùn)行時(shí)庫的總稱。一旦創(chuàng)建了sdk，就可以將它導(dǎo)出或者安裝到別的計(jì)算機(jī)上，開發(fā)者可以將創(chuàng)建的sdk導(dǎo)入embedded visual c++或 visual studio中，進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)、調(diào)試和運(yùn)行。
在embedded visual c++中，提供了platform manager來管理已經(jīng)安裝的sdk。注意，在安裝開發(fā)工具時(shí)，默認(rèn)會安裝一個(gè)稱作“standard sdk”的sdk。由于windows ce操作系統(tǒng)特性，不可能存在“標(biāo)準(zhǔn)”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(gè)“標(biāo)準(zhǔn)”的sdk，使用standard sdk開發(fā)的應(yīng)用程序，可在大多數(shù)windows ce平臺上運(yùn)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?qū)?，來?chuàng)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(shí)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(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)了。
2 應(yīng)用軟件開發(fā)
目前，針對windows ce應(yīng)用開發(fā)的軟件有很多種，在使用的時(shí)候根據(jù)具體情況選擇適合應(yīng)用的軟件開發(fā)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(diào)試和測試。但是必須安裝相應(yīng)的為特定平臺開發(fā)的sdk，本文就是自己導(dǎo)出的sdk。
智能家居系統(tǒng)的主機(jī)應(yīng)用程序通過兩個(gè)對話框?qū)崿F(xiàn)分機(jī)設(shè)備的基本讀/寫過程：measure對話框主要實(shí)現(xiàn)對輸入量信息的采集及對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視，control對話框主要用于主機(jī)發(fā)送控制信息給分機(jī)系統(tǒng)。這兩個(gè)對話框通過主窗體調(diào)用完成對整個(gè)家居系統(tǒng)的測量與控制。主機(jī)應(yīng)用程序流程圖如圖3所示。智能家居系統(tǒng)應(yīng)用程序以1路模擬量輸入、3路數(shù)字量輸入及相應(yīng)的4路輸出控制量為例實(shí)現(xiàn)智能控制功能。
圖3 主機(jī)應(yīng)用程序流程圖
evc，以太網(wǎng)虛連接（ethernet virtual connection），與atm技術(shù)中的pvc/svc的概念是非常類似的。evc是描述一種端到端的概念，我們可以把它想象成邏輯管道，以太網(wǎng)幀一旦進(jìn)入到管道中，是不會泄露的，除非從管道的另一個(gè)口子出來。evc可以更規(guī)范的描述成：“兩個(gè)或更多uni關(guān)聯(lián)起來的一個(gè)實(shí)例”。
evc在電信級以太網(wǎng)業(yè)務(wù)中扮演著非常重要的角色，依靠著在有限的網(wǎng)絡(luò)資源里構(gòu)建統(tǒng)計(jì)復(fù)用的邏輯管道，流量可以有效的隔離開來，通過對邏輯管道及其中的流量施加相應(yīng)的控制，電信級以太網(wǎng)就具有了比較完備的流量控制能力，這是成為電信級業(yè)務(wù)的重要特征。
evc的開發(fā)環(huán)境與visual c++基本一致。首先，選擇項(xiàng)目類型、項(xiàng)目存放路徑、項(xiàng)目名稱及平臺類型；然后選擇項(xiàng)目的樣式和支持的語言；接下來，確定一些其他的選項(xiàng)；選擇完畢后，就可以得到一個(gè)程序的框架。項(xiàng)目類型我們選擇wce mfc appwizard，項(xiàng)目名稱為smarthome，在支持的cpu類型中我們選中了arm和x86（應(yīng)該根據(jù)開發(fā)環(huán)境來選擇）。對于我們來說，首先要在pc上進(jìn)行調(diào)試，然后編譯成適合使用的應(yīng)用程序，目標(biāo)機(jī)是arm cpu，所以我們需要wce x86和wce arm。（如果你要開發(fā)商用軟件或者想讓更多的人使用你的程序，應(yīng)該考慮更多種類的cpu）編譯運(yùn)行，成功啟動microsoft activesync同步軟件，這時(shí)可將在pc上生成的exe文件復(fù)制到移動設(shè)備下my documents文件夾下。智能家居系統(tǒng)應(yīng)用程序以1路模擬量、3路數(shù)字量輸入及相應(yīng)的4路輸出控制量為例實(shí)現(xiàn)智能控制功能，如圖4所示。
圖4 運(yùn)行界面