面向智慧教室的嵌入式控制系统设计与实现设计与实现

摘要

随着物联网技术的发展，智慧城市、智慧交通、智慧医疗和智慧教室等都成为了互联网时代的重要研究内容。以实现智慧教室环境的智能感知、远程操控以及多网融合等功能的智慧教室控制系统也成为了目前研究的热点。
　　以往的控制系统主要有PC、单片机和嵌入式系统三种实现方式，三者各有优缺点。PC机功能强大，却有功耗大、成本高和实用性差等缺点;单片机体现其控制的专业性，价格便宜，但往往无法满足更多的应用需求;嵌入式系统价格相对便宜，可以根据需要对软硬件进行裁剪，其专业性也很强，但出于复杂性和成本考虑，不可能给每个控制设备都搭建嵌入式系统。若采用三者中任何单一技术实现控制系统，往往都无法满足实际项目的需求。因此，论文以嵌入式技术为核心，实现了有线网络、WiFi无线网络和ZigBee网络的多网融合，开发了PC和Android平台的控制终端，并利用ZigBee单片机搭载传感器或其他硬件设备，设计并实现了智慧教室的控制系统。
　　论文主要工作:
　　(1)智慧教室嵌入式控制系统设计。从对智慧控制系统的需求分析开始，展开对控制系统的体系结构以及功能的分析，并设计控制系统的通信功能以及通信的控制命令协议。
　　(2)智慧教室嵌入式系统开发。搭建嵌入式系统开发环境，设计并实现智慧教室控制系统的客户端、服务器以及ZigBee无线操控程序。
　　(3)智慧教室嵌入式控制系统的测试与分析。对整个系统进行测试，采用串口工具、网络命令测试软件以及不同平台的客户端软件完成对系统功能的测试。最后将系统发布，并提出系统软件升级的方案。
　　与同类研究相比，本文的特色之处在于:根据智慧教室控制系统需求定制嵌入式Linux系统，实现教室环境的智能感知、远程操控及多网融合功能。制定与ZigBee协调器通信的控制命令通讯协议，与简单的命令码不同，该协议带有校验功能，更加符合实际项目开发的需要。采用C/S软件开发架构，跨平台的Qt作为主要的编程工具，开发Windows、Linux和Android不同平台运行的控制终端程序。提出采用U盘更新智慧教室控制系统软件的方案。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 研究内容和思路

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究思路

1．4 论文组织结构

2 智慧教室相关理论及技术基础

2．1 “智慧教室”界定

2．2 物联网相关技术

2．2．1 嵌入式系统

2．2．2 Qt技术

2．2．3 网络通信技术

2．2．4 串口通信技术

2．2．5 ZigBee技术

2．3 智慧教室控制系统硬件简介

2．3．1 网关开发板

2．3．2 ZigBee开发板

2．3．3 外设硬件

2．4 本章小结

3 智慧教室嵌入式控制系统设计

3．1 智慧教室控制系统需求分析

3．1．1 控制系统概述

3．1．2 外部接口需求

3．1．3 功能需求

3．2 智慧教室控制系统结构分析

3．3 智慧教室控制系统功能分析

3．4 控制系统通信功能设计

3．4．1 系统通信模型

3．4．2 系统通信时序

3．5 控制命令协议设计

3．5．1 功能码设计

3．5．2 控制命令报文格式

3．5．3 控制命令实例

3．6 本章小结

4 智慧教室嵌入式控制系统开发

4．1 构建嵌入式Linux开发环境

4．1．1 嵌入式Linux系统搭建

4．1．2 软件移植与环境配置

4．2 网关服务器端程序设计与实现

4．2．1 功能分析

4．2．2 程序流程设计

4．2．3 网关控制功能模块设计与实现

4．3 嵌入式控制系统的客户端设计与实现

4．3．1 功能分析

4．3．2 程序流程设计

4．3．3 客户端功能模块设计与实现

4．4 ZigBee程序设计与实现

4．4．1 功能分析

4．4．2 程序流程设计

4．4．3 ZigBee程序功能模块设计与实现

4．5 本章小结

5 智慧教室嵌入式控制系统的测试与分析

5．1 软件的编译

5．1．1 Qt程序的编译

5．1．2 ZigBee程序的编译

5．2 系统功能测试

5．2．1 串口命令测试

5．2．2 网络命令调试工具测试

5．2．3 智慧教室控制系统的应用实例

5．3 系统的发布

5．4 系统软件升级

5．4．1 U盘挂载

5．4．2 软件升级

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及参与的项目

致谢