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分类号 密级 华中农业大学硕士学位论文 基于嵌入式的家庭安全监控系统 Monitoring System For Home Security Based On Embedded Technology 研 究 生:朱婷婷 指导教师:郑相周副教授专业:农业电气化与自动化 研究方向:机电一体化获得学位名称:工学硕士 获得学位时间:2011年6月 华中农业大学工学院 二。
一一年六月〕 l J煳四 华中农业大学掌位论文独创性声明及竽用授权书 . 学位论文 是否保密 舀 如需保密,解密时间 。
年 月 日 ., 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料,指导教师对此进行了审定。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明,并表示了谢意。
研究生签名:生。
晦(哆 ’时间: 钞¨年石月眵日 学位论文使用授权书 本人完全了解华中农业大学关于保存、使用学位论文的规定,即学生必须按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本;学校有权保存提交论文的印刷版和电子版,并提供目录检索和阅览服务,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
本人同意华中农业大学可以用不同3-式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容,同时本人保留在其他媒体发表论文的权力。
注:保密学位论文(即涉及技术秘密、商业秘密或申请专利等潜在需要提交保密的论文)在解密后适用于本授权书.粼黼张荆.撇名:和阀签名日期:M“年占月J多日 签名日期:油f1年‘月I;日注:请将本表直接装订在学位论文的扉页和目录之间 华中农业大学201 l届硕士毕业生学位论文 目录摘要………………………………………………………………………………………IAbstract………………………………………………………·…………………·…………………………………··II第一章 绪论……………………………………………………………………………”1 1.1弓I言…………………………………………………………………………………………………………………….1 1.2家庭安全监控系统的发展概况……………………………………………………………2 1.3嵌入式系统的发展概况……………………………………………………………………3 1.3.1嵌入式的硬件发展概况……………………………………………………………·3 1.3.2嵌入式操作系统发展概况…………………………………………………………·5 1.3.3几种家庭安全监控系统设计方案…………………………………………………·6 1.4本论文主要研究内容………………………………………………………………………8第二章系统硬件构成…………………………………………………………………10 2.1 PXA270D概述……………………………………………………………………………………………………10 2.2 XScale架构的特点………………………………………………………………………12第三章系统WEB服务器构建…………………………………………………………·14 3.1 WINCE 6.0简介…………………………………………………………………………………………………·14 3.1.1 WINCE各版本发展历史及其特点………………………………………………一14 3.1.2 Windows CE 6.0的体系结构………………………………………………………15 3.2定制WINCE6.0平台生成SDK…………………………………………………………1 8 3.3基于WINCE的WEB服务器开发流程…………………………………………………21 3.3.1基于WINCE的WEB服务器工作原理…………………………………………··2l 3.3.2基于WINCE的WEB服务器实现
代码…………………………………………·24 3.3.3基于WINCE的WEB服务器的扩展方法………………………………………·26第四章系统客户端构建………………………………………………………………·28 4.1基于B/S架构的浏览器简介……………………………………………………………一28 4.2 ActiveX在数据通讯中的应用和实现……………………………………………………29第五章视频信息采集实现………………………………………………………………32 5.1基于WINCE平台的视频采集方案简介………………………………………………一32 5.2驱动及采集………………………………………………………………………………32 5.2.1驱动程序的命名…………………………………………………………………”32 5.2.2设备驱动加载和枚举……………………………………………………………..33 基于嵌入式的家庭安全监控系统 5.2.3设备寄存器的读写控制和视频数据传输…………………………………………35 5.2.4应用程序传递控制参数给驱动程序………………………………………………37第六章结论……………………………………………………………………………”39参考文献…………………………………………………………………………………40附 录………………………………………………………………………………………………………………·45致谢………………………………………………………………………………………………………47个人简介…………………………………………………………………………………48 华中农业大学201 1届硕士毕业生学位论文 摘要 现在,家庭安全监控系统己逐步成为家庭安全防护的基本设备,该设备的配备可以有效减少日益增多的入室行窃等犯罪行为,当发生不正当侵入或者煤气泄露、火灾等意外情况时及时地报警通知主人,上班族在外可以随时随地地查看家里的情况,并且可以通过远程控制实现室内设备的开关或调节。
由于现代家庭安全防护系统受制于智能化家居设备的普及和发展,因此要想使家庭安全防护系统达到现代智能化的高水准仍需各行各界开发设计人员的共同努力。
本文以家庭监控系统开发为背景,从传输媒介和服务器形态两个层面比较了家庭安全监控系统的设计方案,给出了基于嵌入式的家庭安全监控系统的优势。
本设计采用INTEL PXA270D型开发板构建整个家庭安全监控系统的wEB服务器端,软件设计基于Windows CE 6.0嵌入式操作系统,给出windows CE 6.0的体系结构图,并详细探讨了GEWS、设备驱动模块、服务模块等主要模块的功能。
设计借助Microsoft Visual Studio 2005软件搭建程序开发环境,完成了基于PXA270D硬件平台和Windows CE 6.0软件平台下的USB摄像头驱动,实现了视频数据的采集、转换和传输,生成相应的.DLL动态链接库接口供服务器端应用程序调用。
利用ActiveX控件开发技术减轻WEB服务器数据承载压力,最终实现基于B/S通讯方式的客户端与服务器端的SOCKET通讯。
本文主要从WEB服务器、客户端和无线传感器系统3大部分的构建上详细阐述设计思想。
关键词:嵌入式,wEB服务器,B/S,ActiveX,视频采集 — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — ’一 基子嵌入式的家庭安全监控系统 Abstract Now,monitoring system for home security has gradually become a basic securitydevice that is equipped to effectively reduce the growing number of burglary offenses.When all unfair intrusive or a gas leak,fire or other accident Occur,this device will raisethe alarm in time and inform the owner.Office workers at anytime anywhere outside cancheck in the home situation,and Can switch or adjust the indoor equipment throughremote contr01.As the modem home security system is subject to the popularization anddevelopment of intelligent home equipment,it still needs the joint efforts of developmentand design staff to make home security protection system to achieve high standards ofmodem intelligent. As the background of the family monitoring system development,this papercompared the family safety monitoring design scheme from two levels of transmissionmedium and server form,and gave the advantage of family safety monitoring systembased on embedded technology.The design based on Windows CE 6.0 embeddedoperating system development used the INTEL PXA270D development board to buildthe web server of the home security monitoring system,gave the structure of WindowsCE 6.0,and discusses the main functions of the module such as GEWS,device drivermodule,and service module,etc.The design used the software of Microsoft Visual Studio2005 to build development environment,complete the USB driver based on Hardwareplatform of PXA270D and soft-ware platform of Windows CE 6.0,Generated thecorresponding.DLL dynamic link library interface for the server application procedure’Scalling.Achieve a USB video camera’S data acquisition and transmission,reduce thepressure of the web server by using ActiveX control technology and finally achieve theSOCKET communications between the server and the client based on the B/S mode.Thisarticle detail on the elaborate design thought mainly from building of the three importantparts such as the WEB server,the client and the wireless sensor system. Key words:Embeded;WEB Server;B/S;ActiveX;Video Capture Il 基于嵌入式的家庭安全监控系统 第一章 绪论1.1引言 基于嵌入式的家庭安全监控系统是一个集计算机技术、网络通讯技术、嵌入式技术和无线传感器技术为一体的复杂系统。
从嵌入式家庭安全监控系统的总体布局可将该系统划分为3大部分,它们分别为:WEB服务器、客户端和无线传感器系统,并且这3大部分都具有极大地可扩展性。
从WEB服务器端来看,一个真正智能化的家庭安全监控系统应包含对各种各样家电设备(如电视机、电冰箱、空调、百叶窗等)和控制仪表(最基本的就有电表、水表、天然气表等等)的信息采集和控制,甚至具备人机交互、机器人等功能;从客户端来看,随着计算机技术和网络通讯技术的发展,家庭安全系统应该向着更灵活更简便的方向发展,但是无论选择个人PC、PDA还是移动手机等工具查看服务器端的信息和控制相关设备,基于浏览器/服务器(即B/S)的通讯方式都是最理想的;从无线传感器系统来看,这项技术会大大减少室内布线的繁杂工作,省去布线工作带来的初期设计考虑,符合现代居家审美理念,同样也有利于后期整个系统的扩展。
智能家居最优秀的实例就有比尔盖茨于2001年在拉斯维加斯向近13万来自120个国家的工T人士展示的“微软未来之家”,它是位于华盛顿州雷德蒙市公司总部园区内的专门用来展示信息技术发展概念的一个展览馆。
在这里可以看到未来几年信息化的生活方式,利用语音、指纹等的识别技术,主控电脑就能够按照主人的需要选择电视播放的节目、调整室内灯光等,室内甚至还嵌入了当前仍处于雏形状态的下一代人机界面和三维图像等技术。
家庭安全监控系统从网络构建上由家庭局域网和连接家庭与户外客户端通讯的外网两部分组成。
通常用于短距离数据传输的技术有红外线、2.4GHZ蓝牙、2.4GHZ Wi.Fi等技术,适用于构建家庭安全通讯网络,这些也是现在很多无线传感器所采用的基本的通讯技术。
而且在2010年11月8日Wi.Fi联盟和家庭插电联盟两大联盟(二者均为智能电网可互操作性委员会SGIP委员)也达成协议,共同挖掘智能家庭网络相关技术。
其次,基于TCP/IP族协议、GPRS、GSM等技术都适用于大区域的频繁的数据传输,现在有很多关于GPRS和GSM技术在家庭安全监控方面的应用研究,在做好数据安全性工作的基础上都可以满足家庭安全监控系统需求。
家庭安全监控系统网络通讯图如图1.1所示: 华中农业大学201 1届硕士毕业生学位论文 图1.1家庭安全监控系统网络通讯图 Fig.1—1 The network communication figure of family safety monitoring system1.2家庭安全监控系统的发展概况 国外家庭安全监控技术起步较早,大约是20世纪70-一80年代。
1984年首栋智能楼CityPlaceBuilding出现在美国Conneticut州,接着英国、日本、法国、澳大利亚、韩国这些发达国家相继推出自己的智能家居产品。
这里更有一些个性化的设计,比如:在座便器垫圈上安装血压器;便池内安装血糖检测器;通过感应室内光线强弱调整日关灯开关;雨天自动关闭花园喷头等等。
近几年国外一些知名公司如Intel、Motorola、IBM和Panasonic等都纷纷开始投入智能信息设备的研发。
日本多数产业省在2009年7月甚至都预算推出7.5亿日元的Smart Home Project计划,该计划主要包括新能源利用和家电省电模式建立。
Smart House Project计划由三菱研究所、MISAWA研究所、夏普、大京、NTT Facilities、日本IBM等诸多厂商共同开发。
在国内,1999年之前只有少量房地产商在开发楼盘时安装防盗报警系统,2000年以后一些一线发达城市大力发展智能小区,但是就防盗报警这一块我们国家也一 2 基于嵌入式的家庭安全监控系统直没有突破15%的普及率。
2006年5月北京西门子通信网络有限公司CEO厉普诺在接受采访时说道: “Smart Home中一个最重要的应用是IPTv,就目前发展情况来看,技术已经比较成熟了,但市场没有完全成熟,如何让消费者买单是下一个努力的方向。
” 2009年12月lO日中国国际智能家居高峰论坛在广州举行,论坛上揭晓了09年十大智能家居品牌:海尔U.home、安居宝、索博、霍尼韦尔、快思聪、波创、瑞讯、Bticino、普力特、达实智能。
2010年1月13日,国家总理温家宝主持召开了国务院常务会议,加快推进电信网、广播电视网和互联网的三网融合计划。
2010年6月己有12个三网融合试点城市名单和方案正式公布。
三网融合集有线、地面、卫星传输于一体,从总体规划和技术实现上推动了智能家庭网络、网关的发展。
2010年6月,厦门市政府、厦门移动和融创天下共同建设全球首个TD“无线城市”,推出名为“家飞猫”的3G产品,推动了国内家庭安全系统的发展。
从数据传输媒介上看,家庭安全监控系统经历了最开始的基于闭路电视的模拟输入输出系统,到基于IP网络的数字监控系统,再到基于现代无线网络通讯技术的监控系统3个阶段,具体情况如表1.1所示: 表1.1从传输媒介看家庭安全监控系统的发展 Table.1-1 The development of home security monitoring system seen from transmission medium 传输媒介 成本 功耗 传输距离 特点 基于闭路电视的模 高 高 长 通用性差、不易扩展、不能网络化 拟输入输出系统 基于IP网络的数字 通用性好,易扩展和网络化,但是主控机与 低 较低 短 监控系统 传感器之间存在布线和距离限制 省去室内布线的繁琐设计工作,可扩展性 基于无线网络通讯 低 较低 短 强,可网络化,但是主控机与传感器之问存 技术的监控系统 在一定的距离限制1.3嵌入式系统的发展概况1.3.1嵌入式的硬件发展概况 国际电气和电子工程师协会IEEE对嵌入式系统的定义是:“devices used to 华中农业大学201 1届硕士毕业生学位论文control,mommL or assist the operation of equipment,macllinery or plants”(DouglasBoling,2009)。
在国内根据嵌入式系统的特点,将其定义为:嵌入在特定的专业系统中的、带有操作系统且软硬件可裁剪的低成本低功耗的专用计算机系统。
嵌入式硬件在处理器和外围硬件扩展接口两个方面都不断地进行着革新和深化,但是嵌入式系统硬件指标主要还是体现在中央处理器CPU的架构和性能上。
众所周知,嵌入式发展的第一阶段是单芯片的可编程控制器,第二阶段是有了简单的操作系统、以CPU架构为核心的嵌入式操作系统,到了第三阶段,嵌入式操作系统开始精简化、用户友好界面化、实时性、网络化等特点标志着嵌入式系统发展到了成熟阶段。
目前,单片机仍是中、低端嵌入式应用场合的主角,而在嵌入式高端领域如:工业控制、PDA、Pos网络及电子商务、智能家庭管理系统、机器人等主要使用ARM、MIPS、PowerPC、DSP等,其中ARM以丰富的芯片选择和广泛的第三方支持为优势占据了全球嵌入式系统发展的重要地位。
以下是ARM微处理器系列的特点: ·ARM7系列:主要是低功耗,适合于便携式产品开发,0.9MIPS/MHz三级流水线结构,指令系统向下兼容,包含ARM7TDMI、ARM7TDMI.S、ARM720T、ARM7EJ四种类型。
该系列已经淘汰。
·ARM9系列:5级流水线,1.1MIPS/MHz哈佛结构,支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集,支持数据Cache和指令Cache,支持32位高速AMBA总线接口,包含ARM920T、ARM922T和ARM940T三种类型。
·ARM9E系列:增加支持DSP指令集和VFP9浮点处理协处理器,最高主频可达300M,包含ARM926EJ.S、ARM946E.S和ARM966E.S三种类型。
·ARMl0E系列:6级整数流水线,支持VFPl0浮点处理协处理器,内部嵌入了并行读/写操作部件,最高主频可达400M,包含ARMl020E、ARMl022E、ARMl026EJ.S三种类型。
·SecurCore系列:增加了灵活的保护单元和软内核防扫描探测技术,主要用于对安全性要求较高的领域如电子银行业务、网络认证等,包含SecurCore SCl00、SecurCore SCll0、SecurCore SC200和SecurCore SC210四种类型。
·StrongARM系列:融合了ARM体系结构和Intel技术的优点,已成为便携式移动设备所采用处理器的最近选择,成功应用在掌上电脑开发。
·Xscale处理器:采用ARMv5TE体系结构,性价比高。
关于该处理器的特点 4 基于嵌入式的家庭安全监控系统后面第二章介绍开发板构架的时候会再提到。
1.3.2嵌入式操作系统发展概况 嵌入式系统应用于多媒体通讯、交通控制、工业生产、个人数据处理等广泛领域,这些领域对稳定性和实时性的要求一般比较高。
而嵌入式系统可靠运行的基础就是嵌入式操作系统的是否稳定、是否足够健壮,因此有评价嵌入式操作系统的性能指标:响应时间、生存时间和吞吐量。
目前,可选的嵌入式操作系统也有很多,根据使用目的不同选择不同的操作系统,其中WINCE操作系统就以其良好的用户界面和较快的开发速度为开发设计人员所青睐。
以下是常见的嵌入式操作系统及其特点: ·Linux 类似于Unix操作系统,起源于芬兰爱好者Linus Torvalds,是一款真正完全开放源码的操作系统,已经有50%以上的嵌入式系统使用该操作系统,使用人数仍在上升。
该系统第一次向外界正式公布是1991年10月5日。
Linux的发展与Unix、MINIX、GNU计划和POSIX标准这四个事物的发展密不可分。
Lunix是多任务多用户操作系统,有良好的用户界面和丰富的网络功能,支持X86、ARM、MIPS、ALPHA等多种体系结构,支持身边大量硬件设备、驱动丰富,而且因为
开源而拥有了广泛的软件编程爱好者的支持。
‘lxC/OS II laC/OS II也是一款公
开源码的、结构小巧的实时操作系统。
其前身是lttC/OS,最早出自美国的嵌入式系统专家Jean J.Labrosse刊载在1992年5月和6月的《嵌入式系统编程》杂志上,他还在该杂志的B B S上发布了p.C/OS源码。
它的绝大部分
代码是用C语言编写的,与硬件相关的部分是用汇编语言编写。
严格的说IxC/OS11只是一个操作系统内核,它只包含了任务调度、任务管理、内存管理、时间管理、任务间通信管理等基本内核功能。
I.tC/OS II实现多任务机制,支持优先级操作,最多支持64个任务,分别对应优先级0”~63。
由于源码公开、商业用途费用少,有不少的开发.
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