基于以太网和FPGA的智能小区管理系统
|
摘要
智能化住宅小区，是指在一定范围内通过有效的传输网络，将多元住处服务、物业管理、安防以及住宅智能化等系统结合在一起，为该小区的服务与管理提供高技术的智能化手段。从而实现快捷高效的超值服务管理和安全舒适的家居环境，使业主生活得更安全、更方便。
随着国民经济和科学技术水平的提高，特别是计算机技术、通信技术、网络技术和控制技术的迅速发展，促进了智能小区在我国的推广和应用。目前这些小区的智能化建设大多数是采用Lonworks、FF等现场总线技术。但是现场总线协议标准化程度还不成熟，且成本较高。随着宽带Internet进入家庭，利用Internet来构建智能小区己成为大势所趋。
本文介绍了一种基于以太网和FPGA的嵌入式智能小区管理系统的组建方法。首先，以Altera的FPGA为核心，通过在外围添加适当的存储设备和通信接口设备，构成一个嵌入式系统的硬件平台。其次，在此平台的基础上，通过在FPGA中定制NiosⅡ软核处理器以及在外围的Flash存储器中下载uClinux操作系统，从而构建出一套资源丰富的嵌入式操作系统。该系统带有一个网络功能齐全的Web服务器。最后，将此操作系统作为智能小区的楼宇集中器，再根据需要配置适当的采集器和显示器，就可以组建成一套功能强大的智能小区管理系统。它可以完成图像抄表、定时图像采集、实时温度监控、楼宇广播、智能语音报警等功能。
这种利用当前流行的嵌入式系统来组建的智能小区管理系统，不但实现简单、功能强大；而且节约布线、成本低廉。因此具有很高的性价比，相信在未来有较大的市场潜力。
本文主要包括如下几个部分：系统硬件结构设计，包括系统的原理图构建和PCB板的绘制；系统核心处理器设计，包括NiosⅡ软核CPU的设计方法、外围存储和通信器件的添加及设计方法；嵌入式操作系统uClinux的相关知识及移植方法；系统的软件结构设计，包括图像采集、温度采集、LCD显示等CGI程序设计，以及单片机语音报警程序设计等；最后给出了调试情况以及一些试验结果。
Smart home is an intelligentized method that makes the habitation service, the matter management, the security and intelligent buildings together by effective transmitted network. It supports high-technology intelligentized method for overflow service and safe inhabitancy environment. And it will make all owners safer and more convenient.
As the development of national economy and science technology, especially, the computer technology, the communications technology, the network technology and the control technology, smart home has been popularized quickly. At present, the structure of smart home is fieldwork bus such as Lonworks, FF and so on. However, the fieldwork bus technology is not mature enough .And the cost is too high. With the development of broad band Internet, it has become a direction to construct the smart home.
This article presents a project of building an embedded smart home system based on Internet and FPGA. First, we build an embedded hardware system by a FPGA , some storage and some communications interface. Then we build a Nios II soft core CPU in FPGA, and transplant an uClinux operation system to the Flash storage. So the embedded operation system which has a full-function Web server, has been completed. After using the system as a control center, and adding some gather devices to it, we can build an embedded smart home system. It can complete many functions such as picture confiscation, timing picture gathering, real-time temperature measuring, broadcast, intelligent voice warning and so on.
The smart home, which is based on embedded system, can be built easily. At the same time, the cost is very low. It is believed that the smart home system will have very high market potential.
The paper is including: hardware design of the system such as circuit and PCB, design of the system CPU such as Nios II soft core and other peripherals, knowledge of embedded operating system uClinux and the transport method, software design of the system such as some CGI program and SCM voice program. In the end, it introduces some experimentation data and result.
随着国民经济和科学技术水平的提高，特别是计算机技术、通信技术、网络技术和控制技术的迅速发展，促进了智能小区在我国的推广和应用。目前这些小区的智能化建设大多数是采用Lonworks、FF等现场总线技术。但是现场总线协议标准化程度还不成熟，且成本较高。随着宽带Internet进入家庭，利用Internet来构建智能小区己成为大势所趋。
本文介绍了一种基于以太网和FPGA的嵌入式智能小区管理系统的组建方法。首先，以Altera的FPGA为核心，通过在外围添加适当的存储设备和通信接口设备，构成一个嵌入式系统的硬件平台。其次，在此平台的基础上，通过在FPGA中定制NiosⅡ软核处理器以及在外围的Flash存储器中下载uClinux操作系统，从而构建出一套资源丰富的嵌入式操作系统。该系统带有一个网络功能齐全的Web服务器。最后，将此操作系统作为智能小区的楼宇集中器，再根据需要配置适当的采集器和显示器，就可以组建成一套功能强大的智能小区管理系统。它可以完成图像抄表、定时图像采集、实时温度监控、楼宇广播、智能语音报警等功能。
这种利用当前流行的嵌入式系统来组建的智能小区管理系统，不但实现简单、功能强大；而且节约布线、成本低廉。因此具有很高的性价比，相信在未来有较大的市场潜力。
本文主要包括如下几个部分：系统硬件结构设计，包括系统的原理图构建和PCB板的绘制；系统核心处理器设计，包括NiosⅡ软核CPU的设计方法、外围存储和通信器件的添加及设计方法；嵌入式操作系统uClinux的相关知识及移植方法；系统的软件结构设计，包括图像采集、温度采集、LCD显示等CGI程序设计，以及单片机语音报警程序设计等；最后给出了调试情况以及一些试验结果。
Smart home is an intelligentized method that makes the habitation service, the matter management, the security and intelligent buildings together by effective transmitted network. It supports high-technology intelligentized method for overflow service and safe inhabitancy environment. And it will make all owners safer and more convenient.
As the development of national economy and science technology, especially, the computer technology, the communications technology, the network technology and the control technology, smart home has been popularized quickly. At present, the structure of smart home is fieldwork bus such as Lonworks, FF and so on. However, the fieldwork bus technology is not mature enough .And the cost is too high. With the development of broad band Internet, it has become a direction to construct the smart home.
This article presents a project of building an embedded smart home system based on Internet and FPGA. First, we build an embedded hardware system by a FPGA , some storage and some communications interface. Then we build a Nios II soft core CPU in FPGA, and transplant an uClinux operation system to the Flash storage. So the embedded operation system which has a full-function Web server, has been completed. After using the system as a control center, and adding some gather devices to it, we can build an embedded smart home system. It can complete many functions such as picture confiscation, timing picture gathering, real-time temperature measuring, broadcast, intelligent voice warning and so on.
The smart home, which is based on embedded system, can be built easily. At the same time, the cost is very low. It is believed that the smart home system will have very high market potential.
The paper is including: hardware design of the system such as circuit and PCB, design of the system CPU such as Nios II soft core and other peripherals, knowledge of embedded operating system uClinux and the transport method, software design of the system such as some CGI program and SCM voice program. In the end, it introduces some experimentation data and result.
引文
[1] 董峰．智能小区系统介绍[EB／OL]，http://wwvv.3ihouse.com/lirbrary/xitongjieshao.htm.000.3.
[2] 刘叶冰．平台是智能小区建设的关键．工程设计CAD与智能建筑[D]，2001(5)：31—33
[3] 宋晓燕．智能住宅小区保安监控系统概述[J]，自动化技术与应用，2001(1)：50-151
[4] 黎连业．智能大厦智能小区基础教程[M]：北京：科学出版社，2000．4—7
[5] 武永斌．智能社区的宽带接入[J]．工程设计CAD与智能建筑，2001(6)：67-68
[6] 庞林斌．基于以太网的智能小区远程抄表系统的研究[D]．南京．河海大学硕士学位论文 2003．10
[7] 庞林斌．智能建筑中宽带网接入的探讨[J]．河海大学常州分校学报，2002(3)：29-34
[8] 华敏．关于智能小区开发的几点建议[J]．建筑技术开发，2004，3(5)：89-90
[9] ALTERA.. Introduc e of EP1C20[EB/OL]. http://www.altera.com.cn/products/devices/dev-index.jsp. 2006.3
[10] 郭文彬．嵌入式电网参数监测系统的研制[D]．镇江．江苏大学硕士学位论文 2006．1
[11] Nios Development Board, Cyclone Edition Reference Manual[DB/OL]. www.altera.com.
[12] 沈红星．一种基于RS232总线的网络协议及其实现方法[J]．单片机与嵌入式系统应用，2003，5(6)：68-70
[13] 谢瑞和．串行技术大全[M]．北京：清华大学出版社，2000．16
[14] 郭书军，王玉花，葛纫秋．嵌入式处理器原理及应用[M]．北京：清华大学出版社，2004．72—73
[15] LAN91C111 Technical Reference Manual[DB/OL]. 2001. SMSC Co. www.smsc.com
[16] 魏志东，徐佳，冯登国．第三代快速以太网控制器及其应用[J]．微计算机应用．2002，23(3)：129-133．
[17] 佚名．凌阳16位单片机C语言程序设计[M]．北京：北阳电子内部技术资料，2004．1—2
[18] 佚名．凌阳十六位单片机应用文集[M]．北京：凌阳大学计划推广中心，2004．52—53
[19] JPEG232用户使用手册．武汉：武汉万德数码有限公司，2005．1-7
[20] 晏敏，颜永红．非接触式红外测温原理及误差分析[J]．计量技术，2005，(1)：23-25
[21] 姚学军．红外测温原理与测温技术[J]．中国仪器仪表，1999，(2)：15-16
[22] 佚名．红外测温模块产品说明书．上海：凌阳公司，2004．11-12
[23] 佚名．12864液晶显示原理[EB／OL]．http://www.51c51.com/yejin/1603.htm.2006.3．
[24] 徐光辉．基于FPGA的嵌入式开发与应用[M]．北京：电子工业出版社，2006．360-365
[25] 时培植．Linux操作系统[M]．北京：人民交通出版社，2000．5-7
[26] 邹思轶．嵌入式Linux设计与应用[M]．北京：清华大学出版社，2002．22-27．
[27] 王田苗．嵌入式系统设计与实例开发[M]．北京：清华大学出版社，2002．13-16．
[28] 周小波．嵌入式Linux操作系统及其应用研究[D]．大连．大连理工大学硕士学位论文2003．5-6
[29] 陈俊宏．Embedded Linux嵌入式系统原理与实务[M]．北京：中国铁道出版社，2004．75-79
[30] Moody，G．Linux传奇[M]．朱正茂等译．北京：机械工业出版社，2002．2-15
[31] Embedded Linux/Microcontroller Project[EB/OL]. http://www.uclinux.org
[32] Craig Hollabaugh(美)，嵌入式Linux[M]．陈雷(译)．北京：电子工业出版社，2003．124-128
[33] 彭澄廉．挑战SOC-基于NIOS的SOPC设计与实践LM]．北京：清华大学出版社，2004．104-110
[34] 潘松，黄继业．曾毓SOPC技术实用教程[u)．北京：清华大学出版社，2005-3
[35] 徐光辉，程东旭等．基于FPGA的嵌入式开发与应用[M] 北京：电子工业出版社，2006．191-200
[36] Nios Ⅱ Processor Reference Handbook[DB/OL]. www.altera.com.
[37] 任爱锋，初秀琴等．基于FPGA的嵌入式系统设计[M]西安：西安电子科技大学出版社，2004．100-102
[38] Nios Ⅱ Software Developer's Handbook[DB/OL]. ver 5.1. 2005. http://www, altera, com 13-19
[39] Microtronix Linux quick start Handbook[DB/OL]. ver 5.1. 2005. http://www.altera.com 5-12
[40] Jeremy Bentham. TCP/IP Lean Web Servers for Embedded Systems[M], Second Edition. U.S.A: CMP Books, 90-91
[41] (美)史密斯．Intranet客户机／服务器应用指南[M]．北京：人民邮电出版社，1999．104-106
[42] Qingcang Yu, Bo Chen, Cheng, H. Web based control system design and analysis[J]. Control Systems Magazine, IEEE. Jun 2004 24(3): 45-57
[43] Fielding R, Gettys J, Mogul J, Frysty. Hypertext Transfer Protocol-HTTP/1.1[S]. MIT/LCS, UCIrvine, January 1997
[44] Tobias Ratschiller, Till Gerken, Web Application Development with PHP 4.0[M]. U.S.A: New Riders, 2001. 1-5
[45] Kirk Zurel．嵌入式系统的C程序设计[M]．艾克武(译)．北京：机械工业出社，2002．69-73
[46] 佚名．凌阳16位单片机应用基础[M]．北京：北阳电子内部技术资料，2004．261—270
[2] 刘叶冰．平台是智能小区建设的关键．工程设计CAD与智能建筑[D]，2001(5)：31—33
[3] 宋晓燕．智能住宅小区保安监控系统概述[J]，自动化技术与应用，2001(1)：50-151
[4] 黎连业．智能大厦智能小区基础教程[M]：北京：科学出版社，2000．4—7
[5] 武永斌．智能社区的宽带接入[J]．工程设计CAD与智能建筑，2001(6)：67-68
[6] 庞林斌．基于以太网的智能小区远程抄表系统的研究[D]．南京．河海大学硕士学位论文 2003．10
[7] 庞林斌．智能建筑中宽带网接入的探讨[J]．河海大学常州分校学报，2002(3)：29-34
[8] 华敏．关于智能小区开发的几点建议[J]．建筑技术开发，2004，3(5)：89-90
[9] ALTERA.. Introduc e of EP1C20[EB/OL]. http://www.altera.com.cn/products/devices/dev-index.jsp. 2006.3
[10] 郭文彬．嵌入式电网参数监测系统的研制[D]．镇江．江苏大学硕士学位论文 2006．1
[11] Nios Development Board, Cyclone Edition Reference Manual[DB/OL]. www.altera.com.
[12] 沈红星．一种基于RS232总线的网络协议及其实现方法[J]．单片机与嵌入式系统应用，2003，5(6)：68-70
[13] 谢瑞和．串行技术大全[M]．北京：清华大学出版社，2000．16
[14] 郭书军，王玉花，葛纫秋．嵌入式处理器原理及应用[M]．北京：清华大学出版社，2004．72—73
[15] LAN91C111 Technical Reference Manual[DB/OL]. 2001. SMSC Co. www.smsc.com
[16] 魏志东，徐佳，冯登国．第三代快速以太网控制器及其应用[J]．微计算机应用．2002，23(3)：129-133．
[17] 佚名．凌阳16位单片机C语言程序设计[M]．北京：北阳电子内部技术资料，2004．1—2
[18] 佚名．凌阳十六位单片机应用文集[M]．北京：凌阳大学计划推广中心，2004．52—53
[19] JPEG232用户使用手册．武汉：武汉万德数码有限公司，2005．1-7
[20] 晏敏，颜永红．非接触式红外测温原理及误差分析[J]．计量技术，2005，(1)：23-25
[21] 姚学军．红外测温原理与测温技术[J]．中国仪器仪表，1999，(2)：15-16
[22] 佚名．红外测温模块产品说明书．上海：凌阳公司，2004．11-12
[23] 佚名．12864液晶显示原理[EB／OL]．http://www.51c51.com/yejin/1603.htm.2006.3．
[24] 徐光辉．基于FPGA的嵌入式开发与应用[M]．北京：电子工业出版社，2006．360-365
[25] 时培植．Linux操作系统[M]．北京：人民交通出版社，2000．5-7
[26] 邹思轶．嵌入式Linux设计与应用[M]．北京：清华大学出版社，2002．22-27．
[27] 王田苗．嵌入式系统设计与实例开发[M]．北京：清华大学出版社，2002．13-16．
[28] 周小波．嵌入式Linux操作系统及其应用研究[D]．大连．大连理工大学硕士学位论文2003．5-6
[29] 陈俊宏．Embedded Linux嵌入式系统原理与实务[M]．北京：中国铁道出版社，2004．75-79
[30] Moody，G．Linux传奇[M]．朱正茂等译．北京：机械工业出版社，2002．2-15
[31] Embedded Linux/Microcontroller Project[EB/OL]. http://www.uclinux.org
[32] Craig Hollabaugh(美)，嵌入式Linux[M]．陈雷(译)．北京：电子工业出版社，2003．124-128
[33] 彭澄廉．挑战SOC-基于NIOS的SOPC设计与实践LM]．北京：清华大学出版社，2004．104-110
[34] 潘松，黄继业．曾毓SOPC技术实用教程[u)．北京：清华大学出版社，2005-3
[35] 徐光辉，程东旭等．基于FPGA的嵌入式开发与应用[M] 北京：电子工业出版社，2006．191-200
[36] Nios Ⅱ Processor Reference Handbook[DB/OL]. www.altera.com.
[37] 任爱锋，初秀琴等．基于FPGA的嵌入式系统设计[M]西安：西安电子科技大学出版社，2004．100-102
[38] Nios Ⅱ Software Developer's Handbook[DB/OL]. ver 5.1. 2005. http://www, altera, com 13-19
[39] Microtronix Linux quick start Handbook[DB/OL]. ver 5.1. 2005. http://www.altera.com 5-12
[40] Jeremy Bentham. TCP/IP Lean Web Servers for Embedded Systems[M], Second Edition. U.S.A: CMP Books, 90-91
[41] (美)史密斯．Intranet客户机／服务器应用指南[M]．北京：人民邮电出版社，1999．104-106
[42] Qingcang Yu, Bo Chen, Cheng, H. Web based control system design and analysis[J]. Control Systems Magazine, IEEE. Jun 2004 24(3): 45-57
[43] Fielding R, Gettys J, Mogul J, Frysty. Hypertext Transfer Protocol-HTTP/1.1[S]. MIT/LCS, UCIrvine, January 1997
[44] Tobias Ratschiller, Till Gerken, Web Application Development with PHP 4.0[M]. U.S.A: New Riders, 2001. 1-5
[45] Kirk Zurel．嵌入式系统的C程序设计[M]．艾克武(译)．北京：机械工业出社，2002．69-73
[46] 佚名．凌阳16位单片机应用基础[M]．北京：北阳电子内部技术资料，2004．261—270