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1 引言

伴隨著21世紀的曙光，計算機邁入了其另一個充滿機遇的階段—后PC時代。不知不覺中，市場上越來越多的消費者開始接受嵌入式系統的數字化產品，如:像手機、PDA、車載GPS系統、數控機床、網絡冰箱等。它們功耗低，功能強。而反觀在我們現今的現場監控設備或者是傳統的單片機，它們功能薄弱，開發難度大，或者是工控機，他們與PC類似，體積龐大，價格昂貴。這些與消費市場上的功能強大的嵌入式系統的發展是不相稱的，因此本文提出了一種搭建嵌入式監控工作站的快速方法。

2 嵌入式系統結構

嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統以及應用程序四個部分組成。下面我們依次介紹:
2.1 嵌入式硬件
近些年來，隨著微電子技術和信號處理技術的發展[1>，出現了許多性能優良的嵌入式硬件，例如:
* 全美達(Transmeta)公司Crusoe處理器
Crusoe Special Embedded(特別嵌入，SE)處理器是Transmeta現有Crusoe 5500和5800微處理器的一種版本，它經受了24小時的高溫老化(burn-in)測試過程，可以在100℃的溫度下工作10年。Transmeta保證五年的供貨和支持。該處理器小體積和低功耗的特點使其頗具優勢。其標準的667MHz CPU消耗功率為6.1瓦，低功耗版本消耗5.1瓦。是嵌入式微處理器的理想選擇。
* National semiconditong的geode系列gx1,gx2
尤其是最新的gx2,與其協同芯片Geode CS5535搭配，便能為資訊家電產品提供完整的解方案，其功能特色包括:嵌入式SDRAM 雙倍資料傳輸率(DDR)記憶體控制器、延伸圖像處理支援、4個(USB)以及一嵌式IDE控制器。Geode GX2是目前專為資訊家電所的處理器中耗電量最低的產品，其耗電量只有業界目前其他X86架構同級處理器的一半。Geode GX2能大幅降低功率等級與耗電量，主要是得利于美國國家半導體革命性的GeodeLink?系統架構、分段式硬件功率周期與降壓處理。Geode GX2處理器加上協同芯片后的標準耗電量低于2瓦特，而在串流媒體的應用上，即使加上協同晶片，整體耗電量也只需要3W。
* Via公司的eden處理器
EDEN的全稱是嵌入式系統平臺(embeded system p.latform),via的eden平臺包括了低功耗、高性能的第六代處理器核心，高整合度的北橋芯片以及vt8231南橋芯片。基本的eden平臺已內嵌AGP 2x/4x的3d繪圖加速核心，與輸出入控制，網絡支持及多媒體音效功能，而客戶還可根據市場需求，彈性的選擇外圍芯片產品，進一步增強usb2.0,高速網絡連接等應用功能，其平臺耗電量為6瓦無需風扇，有完整的操作系統支持。
2.2 嵌入式硬件外圍擴展結構
現今的嵌入式體系結構主要以pc-104總線結構居多。這是一種十分緊湊(90x90mm)、自棧式、模塊化的結構。這種總線結構在硬體和軟體上，與標準臺式機pc(pc/at)體系完全兼容，可以利用豐富的臺式機軟件資源，這包括操作系統、驅動程序、功能庫和開發工具，從而將大大降低開發成本，減少風險及縮短開發周期。
2.3 嵌入式操作系統
現今嵌入式操作系統有許多，真正有影響的有Vxwork,Linux,Win CE。Vxwork功能強大，但其使用費用實在是太高，且開發環境復雜。而Linux雖然是免費的，但市場出現的Linux版本實在太多，無法主推一個比較完善，標準的Linux解決方案，缺乏強有力的商業公司的推動，無法提供長期的服務保證和獲得廣大硬件廠商的支持。而由微軟(Microsoft)推出的嵌入式操作系統Win CE4.2，在現今的嵌入式系統大戰中越來越突出。其主要特點如下[2>:
* 功能界面美觀 Windows窗口，用戶熟悉，方便易用;
* 改進的實時操作系統內核最小配置可小至200KB，可以滿足工業設備實時性的要求;
* 編程方便與Windows API的良好銜接，使Windows 編程人員可以很快進入CE編程，降低開發成本、縮短投放市場時間;
* NET Compact Framework 實現硬件與操作系統無關性;
* 集成ipv6 提供無限、低廉但先進的網路和應用系統;
* 開放源代碼 2003年4月9日,MS公司公開Windows CE操作系統軟件部分源代碼，以反擊免費軟件Linux;
* 最后一點，微軟公司強大的技術創新能力和市場開拓能力。提供長期的服務保證和技術支持能力
2.4 應用程序
應用程序的開發我們選用北京昆侖通態自動化軟件科技有限公司MCGS嵌入版組態軟件。MCGS嵌入版組態軟件是針對Windows CE實時多任務操作系統的組態軟件。用戶只需要通過簡單的組態就可構造自己的應用系統，從而將用戶從繁瑣的編程中解脫出來，使用戶在使用嵌入式系統時更加得心應手。MCGS嵌入式體系結構分為組態環境和運行環境兩部分，組態環境相當于一套完整的工具軟件，在PC機上運行，用簡單的模塊化設計幫助用戶構造自己的應用系統，組態好的應用系統通過以太網或串口下載到嵌入式操作系統Windows CE中實時運行。嵌入版組態軟件的按功能剪裁的特性，以及其內嵌的實時多任務操作系統，可以在保證整個嵌入系統小體積、低成本、高實時性、高可靠性的同時，方便不具備嵌入式軟件開發經驗的用戶在極短的時間內，用嵌入版組態軟件快速開發完成一個嵌入式應用系統，縮短嵌入式產品進入市場的速度。

3 應用系統開發

我們的工程是一個智能家居的遠程監控系統，通過它能實現以下功能:
(1) 對電氣設備的控制和管理:能遠程控制燈、熱水器以及空調等電氣設備;
(2) 家居安全:家庭內部出現的緊急情況(如盜搶和火災 )能自動向主人手機或物業管理中心報警。家庭成員的醫療求助信息能遠傳到社區醫療中心。
(3) 能源管理:三表自動顯示并將數據抄送到物業管理中心,免除物業人員的入室干擾，定時開關供暖通路及天然氣,節約費用和保證安全。
3.1 系統硬件
系統硬件我們經過考慮采用臺灣研華科技公司的嵌入式工控主板PCM-3350和PCM-3618多串口卡，PCM-3350是一塊96mm x 90mm英寸的基于pc-104總線結構的主板，體積最小，但在功能上卻具備了一臺完備的電腦所要求的所有功能。內置美國國家半導體公司的Embedded Low power Geode GX1-233 MHz processor，自帶10/100Base-T 網卡。板載 LCD 控制器支持 36 位圖像，帶有2個串口和1個并口、1個軟驅接口、1個CF卡電子盤接口和1個IDE接口，主板功耗小于10W，由于本用戶系統外界設備較多，所以又選用一塊基于PC-104總線，有4個標準的RS232串口的PCM-3618多串口卡。
系統配置方式是將3618插到3350主板上，設置好3618的中斷和基地址，然后用WIN CE的開發平臺Plateform Builder 4.2來進行相應的CE操作系統配置>，由于微軟提供的標準串口驅動不支持多串口共享中斷，而系統又沒有足夠的中斷供多串口使用，所以必須開發相應的可共享中斷的多串口驅動。有了串口驅動，將其加入Plateform Builder 4.2的用戶組件庫中，然后再相應的加入顯卡，并口，USB，鼠標鍵盤驅動,以及一些應用服務如:MFC類庫，硬盤驅動,USB各功能模塊(打印，存儲等)，加入觸摸屏用于現場人機交互，加入Web server用于遠程網絡訪問，加入局域網上網，撥號上網功能。這些都確定后，然后配置相應的內存和上面各種功能的相應注冊表鍵值，然后編譯操作系統鏡像，下載，進行相應的操作系統功能測試就可以了。
3.2 用戶工程
通過MCGS嵌入版組態軟件在上位機來對用戶工程進行組態，用戶工程各個功能的實現通過如下實現:
(1) 對電氣設備的控制和管理, 通過mcgs軟件的model遠程撥號來控制燈、熱水器以及空調等電氣設備的開關狀態。采用研華4060模塊來控制各個器件的開關狀態，組態過程中加入4060模塊驅動，加入modeml設備，設定遠程撥號的一些信號指令，用這些信號通過modeml作用到工作站，工作站分析這些信號，發出相應的控制信號來控制4060模塊的輸出信號來間接控制各個電器狀態。以次實現諸如在炎熱的夏天可以在到家前的半小時打開空調，等一回到家里就可以享受到舒適的家居生活。
(2) 家居安全,通過家庭內部的實時信號采集監控設備來實時監控家庭內部各個環境信號，然后通過mcgse軟件的網絡數據同步將數據同步到物業管理中心的遠程監控計算機上。在遠程計算機上運行我們的mcgs通用版組態軟件，組態時設置好各個設備的報警參數。實際運行時它可對下位機同步過來的數據進行分析、統計，如果有異常數據可立即進行報警。如此，物業管理中心就可以實現遠程監控家居情況。
(3) 能源管理,通過用戶工程對各種智能電表、智能水表參數等智能設備進行通訊，對采集的數據進行統計，并定期將數據同步到物業管理中心的遠程監控機上，從而實現遠程抄表。此外，當用戶該交水費、電費等費用時，物業管理中心亦可通過其遠程監控機向用戶的工作站下位機發送相應信號進行報警，提醒用戶。實現高效的能源管理。
本系統功能結構圖如如圖1所示:

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開發結束后，通過網線將工程直接下載到PCM-3350的CF卡電子盤上即可。系統啟動后自動進入運行工程。

4 結束語

本文簡單介紹了嵌入式系統軟硬件的最新進展，并結合MCGS嵌入版組態軟件的功能，對其在智能家居中的應用進行了闡述，此方法構造的系統模塊集成度高，體積小，可靠性高，在智能家居工程中有很好的應用。