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宠物箱内环境控制系统上位机软件设计与实现

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2025-02-06 12:32

文档简介

宁波大红鹰学院学士学位论文宠物箱内环境控制系统上位机软件设计与实现所在学院：信息工程学院专业：计算机科学与技术班级： 12 计科 3(本) 姓名：蒋超楠学号： 1211050312 指导教师：马长安 2016 年月日诚诚信信声声明明我声明，所呈交的毕业设计作品和论文是本人在经过近四年的基础课程和专业课程学习的基础上，以及指导教师的指导下，经过几个月的集中毕业设计学习、实践和努力工作所取得的成果。据本人查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，设计作品和论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。我承诺，设计作品和论文中的所有内容均真实、可信。学生签名：签名日期：年月日宁波大红鹰学院毕业设计（论文）业设计信息工程学院信息工程学院本科毕业设计本科毕业设计(论文论文)选题审批表选题审批表题目名称宠物箱内环境控制系统上位机软件设计与实现宠物箱内环境控制系统上位机软件设计与实现指导教师马长安职称副教授指导教师职称题目来源1.企业课题2.教师科研 3.教师自拟课程类别1.设计2、论文3、设计+论文选题依据随着我国社会经济的发展，我国国民生活水平的不断提高,城市化进程也在不断加速。城市养宠物的家庭越来越多,宠物的数量和品种也在急剧增加。当人们在追求高质量生活的同时，对宠物的日常生活质量的要求也越来越高，宠物也需要衣食住行，各种为宠物服务的行业也因此不断兴起，比如宠物店、宠物医院、宠物粮食店、宠物裁缝店等。宠物需要安全、舒适的居住环境，但是白天人们在工作的时候无法照顾宠物，这时就需要有能够进行远程操作、实时监控等功能的新式的智能宠物箱。本模块的设计是因为宠物服务行业的发展需要，让箱内系统对宠物的居住环境进行全天候的实时监控，方便用户实时了解宠物居住环境的各方面信息，并及时对环境做出调控，为宠物生活创造出最佳的居住条件。首先，收集影响宠物箱内环境的因素，获取必要的需求，为后期设计开发奠定基础。在开发过程中，上位机软件设计包括登录模块、环境检测调控模块、宠物信息模块、用户信息设置模块，并在 Qt forAndroid 平台下开发。已有研究基础已有研究基础无教研室审核意见教研室主任签字： 2016 年月日学院审批意见学院院长签字： 2016 年月日宁波大红鹰学院毕业设计（论文）信息工程学院信息工程学院本科毕业设计本科毕业设计(论文论文)任务书任务书题目题目宠物箱内环境控制系统宠物箱内环境控制系统上位机软件上位机软件设计与实现设计与实现 1、课题背景课题背景：随着经济的发展，人们的生活水平越来越高，对于养各类宠物也越来越偏爱，尤其是城市居民。智能宠物箱可以控制宠物的生活环境，通过人为的为宠物生活创造出最佳的居住条件，避免外界不利于该宠物的生活环境出现，即使在反季节也能为宠物提供良好的生活环境。随着监测技术的普及，监测装置不断增多，宠物箱内的温湿度控制便成为一个十分重要的课题。传统的温湿度控制是在内部悬挂温度计和湿度计，通过读取温度值和湿度值了解实际温湿度，然后根据现有温湿度与额定温湿度进行比较，看温湿度是否过高或过低，然后人为的进行相应的通风或者保暖。如今，我们的生活环境和工作环境有越来越多称之为嵌入式传感器技术在为我们服务。嵌入式系统在工业控制、尖端武器、通信设备、信息处理、家用电器等各测控领域的应用中独占鳌头。时下，家用电器和办公设备的智能化、遥控化、模糊控制化已成为世界潮流，而这些高性能无一不是靠嵌入式系统来实现的。采用嵌入式中温湿度传感器模块来对温湿度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温湿度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。嵌入式设备以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中必不可少且广泛应用的器件，尤其在日常生活中也发挥越来越大的作用。因此，本课题围绕基于 pcduino 的智能宠物箱监测系统展开了应用研究工作。随着监测技术不断的普及和发展，人们对上位机软件的要求也越来越高。本文研究使用上位机显示宠物箱内宠物生活环境情况相应的实时数据，或者可以做到上位机发出操控命令控制下位机，方便人们实时监控或者控制宠物箱内的环境。 2、主要内容及基本、主要内容及基本要求要求：本设计主要完成以下工作： 1、数据采集：当选择“数据采集”时，PC 机首先会向无线传输模块发出接受命令请求,无线传输模块会把从下位机中采集到的当前各个传感器中的数据值发送给 PC 机,最后会在 PC 机上进行显示。 2、数据处理：当选择“数据处理”时,PC 机会调用数据处理模块和数据库对采集到的数据进行处理,最后会把处理好的结果进行显示。 3、控制环境调节：当选择“环境调节”时系统会调用控制环境更新模块对下位机中的环境模式进行更新。在进行“环境调节”时系统需要调用“数据发送”模块。 “数据发送”模块主要用来调用无线传输装置将命令和数据传达给下位机,从而使下宁波大红鹰学院毕业设计（论文）位机发生一定的动作。 3、进度计划、进度计划：第一阶段2015年9月10日2015年10月10日：确定主攻方向，收集资料、数据，查阅文献，了解课题背景，翻译英文资料、撰写文献综述、撰写开题报告。第二阶段2015年9月10日2015年10月31日：设计该课题的具体实现方案，根据要求，开始初步设计。第三阶段2015年10月11日2016年03月10日：设计作品和撰写论文 (至少完成一半)，对论文进行期中检查。第四阶段2016年3月10日2016年4月08日：设备完善和论文的修改与定稿。第六阶段2016年4月09日2016年4月18日：上交毕业设计（论文）资料。第五阶段2016年4月19日2016年5月上旬：毕业设计答辩。 4、主要参考文献：主要参考文献： 1姜启涛.网络数据库的安全及优化J.计算机与信息技术,2006. 2姜忠良，陈秀云.温度的测量与控制M.北京清华大学出版社,2005. 3郑传涛，杨莉，宋占伟.基于 MODEM 的自动远程监控系统D.吉林大学电子科学与工程学院,2008. 4程世刚.现代温室环境控制J.农业装备技术,2008. 5苏炳秒，黄劲.基于 Socket 技术的煤矿远程监控系统J.工矿自动化,2008. 6刘建超.单片机与 Internet 网络的通信应用研究D.山东师范大学,2007. 7 张允刚，刘长春，刘伟，何付志.基于 Socket 和多线程的远程监控系统J.控制工程,2006. 8王静，曲凤娟.基于 Socket 的多用户并发通信的设计J.福建电脑,2007. 9张建华.数据采集系统的设计J.科技之友,2009. 10罗亚非.基于 TCP 的 Socket 多线程通信J.电脑知识与技术,2009. 11 Dietmar SchreinerGerg BaranyMarkus SchordanJens Knoop .Comparison of type-based and alias-based component recognition for embedded systems softwareJ.Int J Software Tools Technology Transfer,2013. 12Patrick Henry Winston.Artificial Intelligence.AmericaM.Upper Saddle River,2005. 指导教师签名： _年月日学生签名：年月日（宁波大红鹰学院毕业设计（论文）目目录录摘要.I ABSTRACTII 1引言1 1.1 课题背景1 1.2 研究意义1 1.3 本文研究的主要内容.1 1.4 本文的组织结构.2 2宠物箱内环境控制系统上位机软件系统分析3 2.1 系统可行性分析.3 2.2 系统功能需求分析.3 2.3 系统非功能需求分析.4 2.3.1 系统功能流程分析.4 2.3.2 系统性能分析.4 3宠物箱内环境控制系统上位机软件的总体设计6 3.1 总体功能框架图.6 3.2 嵌入式系统设计方法.7 3.3 数据库设计8 3.3.1 数据库设计的 E-R 图.9 3.3.2 数据表的设计.9 4宠物箱内环境控制系统上位机软件开发环境构建12 4.1 软件开发环境构建.12 4.1.1 PCduino 的内核烧录.13 4.1.2 PCduino 开发板的网络配置.14 4.1.3 系统终端编译（Makefile）.16 4.1.4 Qt forAndriod 的配置17 4.2 宠物箱内环境控制系统的硬件平台搭建.18 4.2.1 硬件的选型.18 4.2.2 开发板 PCduino 的介绍说明20 4.3 上位机软件开发工具的说明21 4.3.1 Qt Creator 的介绍说明21 4.3.2 SQLite 的介绍说明22 5宠物箱内环境控制系统上位机软件功能模块设计与实现.23 宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 5.1 信息传输的设计与实现.23 5.1.1 信息传输的设计.23 5.1.2 信息传输的实现.26 5.2 上位机软件登录模块27 5.2.1 登录模块的设计.27 5.2.2 登录模块的实现.27 5.3 环境检测调控模块28 5.3.1 环境检测调控模块的设计28 5.3.2 环境检测调控模块的实现29 5.4 宠物信息模块 30 5.4.1 宠物信息模块的设计30 5.4.2 宠物信息模块的实现30 5.5 用户信息设置模块31 5.5.1 用户信息设置模块的设计31 5.5.2 用户信息设置模块的实现31 5.6 界面的设计.32 6宠物箱内环境控制系统上位机软件测试.33 6.1 实物展示33 6.2 系统调试33 6.3 上位机软件的测试.34 6.3.1 测试方法.34 6.3.2 宠物箱内环境上位机软件各模块测试.34 结束语41 致谢42 参考文献43 宁波大红鹰学院毕业设计（论文） I 摘要智能宠物箱内环境环境控制系统是为宠物的日常居住环境设计的，它可以使宠物的生活更加安全，节能，智能，便利和舒适。随着信息化技术的发展，采用高性能嵌入式芯片作为硬件、以 Android 作开发平台的系统模式被逐渐开始应用于各类智能家居系统。本设计以 pcduino 为核心，利用 QT forAndroid 技术完成上位机软件的开发，并采用无线物联网技术实现了 Android 手机对智能宠物箱的控制。首先，本文介绍了宠物箱内环境控制系统上位机软件的研究背景和意义，并确定了本课题的主要研究内容。其次，本文对该上位机软件的功能给出了详细的分析，包括可行性分析、功能需求分析等，并对上位机软件的整体流程进行了剖析，并在此基础上对上位机软件进行分解，给出系统的总体功能需求。接着，本文对宠物箱内环境控制系统整体设计进行阐述，以及对嵌入式系统设计方法进行描述，并画出相应的框架图和流程图来进行更清晰的阐述。然后，本文对该系统开发环境的构建进行解说，包括环境的配置和硬件平台的搭建，以及开发工具的使用描述。最后，利用已配置好开发环境的开发工具，根据上位机软件的总体架构，实现上位机软件的各个模块，包括登录模块、宠物箱内环境检测调控模块、宠物信息模块以及用户信息设置模块、信息交互等，通过对软件功能模块以及性能等方面的测试，完善软件的各个模块，最终完成了该宠物箱内环境控制系统上位机软件。关键词关键词：宠物箱，Pcduino，Qt forAndroid 宁波大红鹰学院毕业设计（论文） II ABSTRACT Intelligent pet box environment control system is designed for the daily living environment of pets, it can make the pets life more safe, energy saving, intelligent, convenient and comfortable. With the development of information technology, high performance embedded chip is used as the hardware, the system model of Android as the development platform is gradually applied to all kinds of intelligent home system. This design is based on pcduino, using QT for Android technology to develop complete PC software, and realize the intelligent control of the Android mobile phone pet box using wireless networking technology. Firstly, this paper introduces the pet environment control system PC software, the research background and significance, and the main research contents of this topic. Secondly, this paper on the PC software gives the detailed analysis, including feasibility analysis, function demand analysis and the overall process of PC software are analyzed, and based on PC software decomposition, the overall function of the system is given demand. Next, this paper describes the overall design of the pet box environment control system, and describes the design method of embedded system, and draw the corresponding framework diagram and flow chart to make a more clear exposition. Then, this paper explains the construction of the system development environment, including the configuration of the environment and the construction of the hardware platform, as well as the use of the development tool description. Finally, using QT for Android technology, according to the overall architecture of the PC software, PC software modules, including login module, pet box environment detection control module, module of pet information and user information setting module, information exchange and, through the test of the software function modules and performance, improve the software modules, the final completion of the environment in the pet box control system PC software. Keywords: Pet Box, Pcduino，Qt forAndroid 宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 1 1引言 1.1 课题背景随着城市化进程的逐步推进，钢筋混凝土构建的 “大森林” 成为人们新的生活居所。在现代高压力、快节奏的生活方式下，产生了很多社会问题，如单身男女人数增多、空巢老人、独生子女性格孤僻等。而饲养宠物是人们解决这些问题，补偿自我社会情感缺失的最好方式。因为人们发现伴侣动物一般都与其主人结成了家庭成员般的亲情，而很多的研究数据也告诉我们养小动物能给孤独的老人带来慰藉、生病的人接受小动物探视能够改善抑郁的心情甚至减轻病痛，宠物也可以给家庭增添欢乐和凝聚力。作为人类的忠实伙伴，宠物为人类的身心健康带来了多种积极影响。宠物的“人格”研究显示，宠物并非单纯的动物，而是具有独立社交功能的伙伴。它是人际支持系统外的补充，而非补偿。它们通过激发人类的照料行为,为人类带来快乐和安慰1。越来越多的人喜欢喂养宠物，宠物用品应运而生2。当人们在追求高质量生活的同时，对宠物的日常生活质量的要求也越来越高，各种为宠物服务的行业也因此不断兴起，比如宠物店，为了给宠物提供安全、舒适的居住环境，无论是养宠物的家庭或者为宠物提供服务的商店都需要新式的智能宠物箱。 1.2 研究意义从用户角度出发，养宠物的人数在不断的增加，而一些忙碌的宠物主人经常没有时间或无力照看宠物。特别是到了外出旅游高峰期，家里的宠物更加无人看管，有些宠物主人因此而放弃出游放松的机会。同时，部分老年人,特别部分患病的老年人更是无力照看宠物，这种情况给宠物主人的生活带来了极大的不便3，但是宠物需要安全、舒适的居住环境，这时就需要有能够进行远程操作、实时监控等功能的新式的智能宠物箱。同样为了给宠物提供更好的服务，宠物商店也需要新式的智能宠物箱，而宠物箱内环境控制系统上位机软件的开发重要显得尤为重要。如今，随着经济的发展，人们对生活品质的要求越来越高。在互联网技术的支持下，日常家居在设计和使用方面朝着智能化的方向发展4，智能家居由此出现。与传统家居相比，智能家居提高了人们的生活质量，简化了人们的生活，而智能宠物箱就类似于智能家居，可以简化人们照看宠物的步骤，也可以减轻宠物店工作人员的工作量。所以通过所学的嵌入式技术对宠物箱内环境控制系统上位机软件进行开发，可以让箱内系统对宠物的居住环境进行全天候的实时监控，方便人们实时了解宠物居住环境的各方面信息，并及时对环境做出调控，为宠物生活创造出最佳的居住条件。 1.3 本文研究的主要内容本课题主要研究智能宠物箱环境控制系统之上位机软件在嵌入式系统中的应用，研究内容围绕以 pcduino 开发板为核心的软、硬件设计展开，以智能宠物箱环境控制系统宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 2 为主，主要进行了下面几个方面的工作： 1、熟练掌握 QT 系列编程软件的应用、编程与调试，在 QT 上搭建编译 Android 系统的环境。 2、掌握 pcduino 系列体系结构与搭建开发、调试环境；通过 pcduino 开发板对 PC 端进行配置桥接，在 PC 端设计系统所需要的功能和模块。 3、用户界面模块：通过 Qt 绘制上位机软件的界面以及服务器端界面，用户界面单元提供人机交互的界面，主要包括登录界面和控制设置界面。登录界面提供用户身份信息的输入并进行验证，验证通过可进入控制设置界面，用户身份信息可存储于数据库中，控制设置界面宠物箱内环境控制，宠物箱内装置控制。 4、安全模块：通过传感器，对宠物箱的湿度、热度等进行监测，如果数值超出安全设定的数值则将数据传输给智能手机，并发出警报。 5、数据处理和数据传输模块：建立 pc 上位机软件与宠物箱端的连接，使得两者之间可以进行数据传输，完成指定命令。 6、将 pc 机上客户端移植到 Android 手机上，并实现上位机软件端与宠物箱端的连接。 1.4 本文的组织结构本文共分六章，具体的内容组织如下：第一章：引言，介绍本系统的研究背景，并根据文献总结提出该课题研究的意义，同时提出本文研究的主要内容。第二章：系统分析，主要根据资料研究和市场调查对上位机软件的功能需求进行分析，对本系统进可行性分析、系统功能分析和性能分析，并简述系统需要实现哪些功能模块。第三章：总体设计，对作品的整体功能设计进行描述，并用框架图进行表述，同时将本论文完成的设计进行描述，并对嵌入式系统的设计方法和数据库设计进行陈述。第四章：宠物箱内环境控制系统上位机软件开发环境构建，对开发环境的构建以及硬件平台的搭建进行说明。第五章：宠物箱内环境控制系统上位机软件的设计与实现，主要根据软件的需求分析来设计系统的功能模块，解析各个模块如何设计和实现。第六章：宠物箱内环境控制系统上位机软件的测试，主要对测试方法进行描述，并且根据不同模块的功能设计测试用例表，对各功能模块进行测试，并附上测试成功的截图，然后进行总结与展望。最后是结束语、致谢与参考文献。宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 3 2宠物箱内环境控制系统上位机软件系统分析 2.1 系统可行性分析普通宠物箱是用传统的方法对箱内的温湿度进行检测调控，就是直接通过温度计和湿度计来获取环境的温度值和湿度值，然后根据现有温湿度与额定温湿度进行比较，看温湿度是否过高或过低，最后人为的对宠物箱进行通风或者保暖操作。随着检测技术的普及，检测装置地不断增多，宠物箱的温度和湿度检测调控便成为了一个值得研究的课题。本文开发的系统是一款宠物箱内环境控制系统上位机系统，目的是实现用户通过手机端的软件来对宠物箱内环境进行实时监控和远程调控，让用户们不再像以前一样对宠物箱内环境进行调控时必须手动，而是通过手机端的上位机软件系统就可以实现对宠物箱环境的调节。该系统可以让用户在上班时知道家里宠物箱内的情况，宠物店的用户也可以通过该系统得知店内宠物箱内的宠物居住环境，这样可以帮助用户更好的照顾好宠物的日常生活，为用户照顾宠物提供了更便捷的方式。 2.2 系统功能需求分析随着我国社会的经济发展，全面建设小康社会的实施，国人的生活质量有了很大的提升，国人的生活品味也变得越来越高。现在，人们的消费观念不再是局限于怎样可以吃饱穿暖，而是追求更加时尚、更加舒适、更具有品质的个性化生活。人们对家居环境的要求越来越高，家庭生活自动化、舒适化、安全化、节能化成为现代家居的新选择5。如今，各种宠物已经融入了我们的生活，成为了家庭生活中的一份子，人们把它们当作家人一样的爱护。为了宠物的舒适，很多主人们总是费尽心思,在各方面给予他们最贴心的照顾，各类宠物用品更是应运而生。宠物家具是宠物用品中一项很大的分支，宠物家具的功能主要是为了满足宠物在家居空间中的生活需求，要符合不同宠物的生活习性2。智能宠物箱就是可以帮助人们贴心照顾宠物的宠物家具。最近几年，随着无线网络的发展以及手机终端的广泛应用，移动互联网的发展也变得十分迅猛。又因为移动互联网的快速发展，特别是伴随移动通信的快速发展，监控技术也从有线网络监控发展到可移动无线监控，远程监控系统也开始进入了人们的视野。远程监控系统不仅具有传统监控的功能，还具有移动性和实时性，使得用户可以通过移动终端随时随地进行控制，符合多样化和现代化的趋势6。远程操控系统也是也和远程监控系统一样，慢慢进入人们的视野，并且越来越广泛地被使用。而智能宠物箱内环境控制系统上位机软件也要实现远程操控和实时检测，这样才可以更好地帮助用户照顾好宠物的日常生活。所以为了满足用户的基本需求，本系统应该实现的功能模块有登录模块、宠物箱内环境检测调控模块、宠物信息模块以及用户信息设置模块。根据以上分析可以得出上位机软件用户用例图如 2.1 所示：宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 4 图 2.1 用户端用例图从图 2.1 用户端用例图中不难看出，用户在上位机软件上可以进行的操作有：注册、登录；用户进入环境检测调控模块后可以对宠物箱内环境进行检测或者调控；用户进入宠物信息模块后可以让宠物信息在手机屏幕上进行显示，并且可以对宠物信息进行添加、修改或者删除；用户进入用户信息模块后，可以对用户信息进行查看，并且可以对用户信息进行修改或者删除。 2.3 系统非功能需求分析 2.3.1 系统功能流程分析根据用户的需求，宠物箱内环境控制系统上位机软件的功能流程如下：（1）首先，要是上位机软件连接上智能宠物箱端的网路，点击手机上安装完成的上位机软件的图标，再让手机与智能宠物箱处于同网络下，进入软件后，点击设备连接，使得手机端和智能宠物箱端建立网路连接。（2）当网路连接成功之后，手机端的上位机软件就能接受到智能宠物箱端所传输过来的数据。（3）在手机端与智能宠物箱端成功连接的情况下，通过主界面进入设备检测界面，就可以查看到有智能宠物箱端传输过来的实时检测的数据。（4）连接成功的手机端可以进行数据的发送和接收，并且可以进行远程调控，例如，用户可以通过手机端操控智能宠物箱内温度上升或下降。（5）用户登录系统后也可以根据实际情况对宠物信息或者用户信息进行设置。 2.3.2 系统性能分析根据以上系统的功能需求分析，本系统在进行开发时，需要制订有效的软件工程规范，而且要进行完善的设计规划工作。要有效保证系统能够长期、稳定、安全、可靠、高效的运行下去，所以本系统的性能需求包括如下几点： 1、实时性：本系统要实现向用户实时反馈宠物箱内环境检测到的数据，那么这点宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 5 十分重要，因为用户需要知道宠物箱内环境的实时情况才可以判断是否需要调控。 2、可扩展性：系统采用模块化结构，系统能够在使用规模、使用对象、用户需求等发生变更时方便灵活的在硬件和软件上进行扩展，即不需要改变总体的结构和主要的软硬件设备。 3、灵活性：系统功能配置灵活，能够充分利用现有的资源，可以在特定环境下融入其他系统，能满足不同业务需求，软件功能全面，配置方便。 4、先进性：系统在满足可靠性和实用性的前提下尽可能做到先进性的，至少保证整个系统在建成后的几年内保持先进，系统所采用的设备与技术能适应以后发展，并能够方便地升级，成为一个先进、适应未来发展、可靠性高、保密性好、连接数据处理能力强、系统运行操纵简便的系统。 5、实用性：系统实现操作容易方便，从用户角度出发，充分利用现有资源，尽量降低系统成本，使系统具有较高的性能价格比。宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 6 3宠物箱内环境控制系统上位机软件的总体设计 3.1 总体功能框架图本小组完成的作品是宠物箱内环境控制系统的设计与实现，根据需求分析得出的整个作品的功能框架图如图 3.1 所示。图 3.1 宠物箱内环境控制系统总体功能框架图本论文研究的是宠物箱内环境控制系统上位机软件系统，从用户使用的角度出发，根据需求分析可以得出如图 3.2 所示的功能框图。图 3.2 宠物箱内环境控制系统上位机软件功能框架图宠物箱内环境控制系统客户端宠物箱内环境控制系统上位机软件（手机）端检测模块温控模块通风模块报警模块除湿模块登录模块环境检测调控模块宠物信息模块用户信息设置模块宠物箱内环境控制系统宠物箱内环境控制系统上位机软件端登录模块环境检测调控模块宠物信息模块用户信息设置模块登录注册环境检测环境调控宠物信息显示宠物信息添加宠物信息修改宠物信息删除查看用户信息修改用户信息删除用户信息宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 7 3.2 嵌入式系统设计方法首先要进行系统需求分析。确定要设计的任务和要设计的目标，并且提炼出设计规格的说明书，作为正式设计的指导和验收标准。系统的需求一般含有功能性需求和非功能性需求两方面。功能性需求提出的是系统的基本功能，如输入和输出的信号、操作的方式等；非功能需求包括系统的性能、功耗、成本、重量等因素。接着需要对体系结构进行设计。描述系统怎样实现需求分析所述的功能、非功能需求，包括对软、硬件和执行装置的功能划分，以及系统的硬件选型、软件选型等。一个设计能否成功的关键是是否有一个好的体系结构。然后基于体系结构，对系统的软硬件进行详细的设计。通常为了缩短产品的开发周期，软硬件的设计常常是并行的。一般来说，嵌入式系统设计的时间大部分都放在软件设计上，现代软件工程经常使用的方法有面向对象技术、软件组件技术、模块化设计。再将系统进行集成。把系统的软、硬件和执行装置进行集合，进行调试，发现错误并对单元设计过程中的错误进行改进。最后进行系统测试。对设计好的系统进行测试，看其是否满足规格说明书中给定的功能要求。根据上述对嵌入式开发系统设计流程的描述，可以得出如图 3.3 所示的嵌入式系统开发流程图。图 3.3 嵌入式系统开发流程图开始系统需求分析体系结构设计硬件设计软件设计系统集成系统测试产品结束硬件模块测试软件模块测试测试失败测试成功测试成功测试失败测试失败测试成功宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 8 在本小组设计的整个作品中，也涉及到了软硬件的协同设计。而在软硬件协同设计中，硬件的设计和软件的设计在整个设计过程都是相互作用的。基于对系统资源的充分考虑，要进行软件、硬件的功能的划分。在软硬件功能的设计和仿真过程中，软硬件是相互支持的，这就使在早期的系统设计中，软件、硬件的各个功能模块可以相互结合，利于尽早发现系统设计中的问题，尽可能的减少设计开发后期对系统的修改，而且有利于挖掘系统的潜能、提高系统整体的性能、降低系统的成本、缩小产品的体积。系统软硬件的协同设计流程如图 3.4 所示：图 3.4 软硬件协同设计流程图 3.3 数据库设计数据库（Database）产生于六十多年前，是一种按照数据结构来组织、存储、管理的数据的仓库，随着信息技术和市场的快速发展，尤其是在二十世纪九十年代以后，数据管理不再只是对数据进行存储和管理，而是转变成为用户所需的各种数据管理方式。数据库有很多种类型，从最简单的存储有各种数据的表格到能够进行海量数据存储的大开始系统要求系统描述系统行为描述系统结构描述系统功能验证系统软硬件划分硬件描述软件描述硬件设计验证软件设计验证测试矢量系统验证结束测试成功测试失败宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 9 宠物名检测环境温度 1 1 1 N 型数据库系统都在各个方面得到了广泛的应用。在如今的信息化社会中，能否进行科学研究和决策管理的前提条件是能否充分有效地管理、利用各种信息资源。办公自动化系统、管理信息系统、决策支持系统等各类信息系统的核心部分是数据库技术，它也是进行科学研究和决策管理的重要技术手段。本次设计采用 SQLite 数据库来实现对检测到的数据、用户信息、宠物信息进行存储管理。 3.3.1 数据库设计的 E-R 图根据数据表、用户信息表、宠物信息表里的数据关系，可以得出如图 3.3 所示的 E-R 图。图 3.3 数据库 E-R 图注：图 3.3 里，用户与宠物是一对多的关系，也就是说一个用户可以拥有多只宠物，但是宠物基本上只有一个主人；用户与检测的环境是一对一的关系，因为在检测宠物箱内的环境时，用户在一个上位机软件端在某一个时间只能检测一个宠物箱内环境，某个宠物箱内环境在某一个时间只能被一个用户检测。 3.3.2 数据表的设计数据库就好像是人的大脑的记忆系统，没有了数据库就没有了记忆系统。所以对于本设计来说数据库十分重要，无论是用户信息、宠物信息还是检测数据最后都需要在数据库中进行存储。用户登录时输入的信息也需要在数据库中进行比对，用户注册也需要将信息存入数据库，所以说，数据库的实现对于本设计来说至关重要。本论文研究的设计总共有 3 张数据表，分别是用户表、数据表、宠物信息表，它们的详细设计分别由表 3.1、表 3.2、表 3.3 所示：用户用户账号密码用户账号拥有宠物宠物品种宠物最适温度宠物最适湿度环境环境湿度检测时间宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 10 表表 3.13.1 用户表用户表字段数据类型长度字段说明 idvarchar20用户账号 passwordvarchar20用户密码表表 3.23.2 数据表数据表字段数据类型长度字段说明 shiduvarchar20环境湿度 wenduvarchar20环境温度 shijianvarchar50检测时间表表 3.33.3 宠物信息表宠物信息表字段数据类型长度字段说明 petnamevarchar20宠物名 petkidvarchar20宠物品种 temperaturevarchar20最适温度 humidityvarchar20最适湿度数据表实现的结构图分别如图 3.4、图 3.5、图 3.6 所示：图 3.4 用户表图 3.5 数据表图 3.6 宠物信息表宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 11 具体实现代码如下： static bool createConnection() QSqlDatabase db = QSqlDatabase:addDatabase(“QSQLITE“); db.setDatabaseName(“my1.db“);/建立数据库 QSqlQuery query;/列名数据的定义 query.exec(“create table yonghu (id varchar(20) primary key, password varchar(20)“); query.exec(“create table xinxi ( petname varchar(20) primary key, petkid varchar(20),temperature varchar(20),humidity varchar(20)“); query.exec(“create table shuju (id int primary key not null,shidu varchar(20),wenduvarchar(20),shijian varchar(50)“); QSqlQuery query1; query1.exec(“create table Data (Id int primary key,data int)“); return true; 宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 12 4宠物箱内环境控制系统上位机软件开发环境构建宠物箱内环境控制系统最主要的部分就是完成终端即智能宠物箱端的系统开发，因为客户端与上位机软件（手机）端的功能实现都基于宠物箱端（终端）。本作品中智能宠物箱端主体是 pcduino 的板子，再接入一些硬件来实现对智能宠物箱的模拟，接下来的内容就是对与本设计关系较为密切的软件开发环境构建以及硬件平台的搭建进行说明。 4.1 软件开发环境构建在设计过程中，想要进入pcduino中，就必须安装pcduino的远程登录控制软件VNC，如图 4.1 所示：图 4.1 远程登录控制软件（VNC）首先打开远程登录控制软件，在界面添加开发板的 IP，如图 4.2 所示：图 4.2 添加开发板 IP 然后在图 4.3 所示的界面上点击 continue。图 4.3 点击 continue 宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 13 接着就会出现登录界面如图 4.4 所示，需要输入 Password（密码），本系统中本小组成员将登录密码设为 ubuntu。图 4.4 输入密码点击“OK”按钮，就可以进入 pcduino 的 ubuntu 系统的桌面，如图 4.5 所示：图 4.5 ubuntu 系统桌面 4.1.1 PCduino 的内核烧录首先，对名为 PhoenixCardV306_20120302.rar 的压缩包进行解压。然后打开该文件夹，并打开 PhoenixCard.exe，如图 4.6 所示：图 4.6 打开 PhoenixCard.exe 时的界面宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 14 注意，此时的镜像文件应该含有“*kernel_live*.img”，如图 4.7 所示：图 4.7 镜像文件点击“烧录”按钮，烧录完成后界面如图 4.8 所示：图 4.8 烧录完成最后点击“退出”按钮进行退出。 4.1.2 PCduino 开发板的网络配置设置 IP 地址，首先点击左下角的按钮找到网络配置，然后点击进入网络配置界面进行配置，整个过程如图 4.9、4.10、4.11 所示。宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 15 图 4.9 点击网络配置图 4.10 点击添加按钮图 4.11 设置 IP 地址宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 16 开发板要上网，则要先连上开发板的桌面，设置有线连接方式，如图 4.12 所示：图 4.12 设置开发板上网然后，再将计算机的 IP 设置为自动获取即可，例如本计算机上网时 IP 为，然后再重新给开发板上电，ifconfig 查看开发板中的 IP，即可以得到此时开发板的 IP 为 10.221.207.*,然后再用 VNC 连接上开发板，即可以完成，pc 机与开发板可以同时上网。注意：虽然在同一网段，但是手动设置的开发板 IP （10.221.207.*）是不可以上网的。 4.1.3 系统终端编译（Makefile） Makefile 可以“自动化编译”，也就是说，文件一旦写好，只需要一个 make 命令，整个系统就可以实现自动编译，在某一程度上提高了系统的开发的效率。make 是一个命令工具，是一个解释 makefile 中指令的命令工具，一般来说，大多数的 IDE 都有这个命令，比如： Delphi 的 make， Visual C+的 nmake， Linux 下 GNU 的 make。可见， makefile 已经成为了某些系统开发方面的一种编译方法。本作品的系统进入客户端配置的时候，需要现在 ubuntu 系统终端中，要先看有无 c_environment，如果有进入查看 makefile 文件是否可用，一切配置文件都可用，编译运行后生成可执行文件才能实现客户端的功能。过程如图 4.13、图 4.14、图 4.15 所示：宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 17 图 4.13 环境文件图图 4.14 编译图图 4.15 生成的可执行文件图 4.1.4 Qt for Andriod 的配置本文通过Qt ForAndriod 平台完成了对宠物箱内环境控制系统上位机软件的设计与实现，pcduino 微型计算机组装完成的智能宠物箱与上位机连接完成即为完整的宠物箱宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 18 内环境控制系统上位机软件系统。下载 qt-opensource-windows-x86-android-5.3.0 运行安装，下载环境配置文件 ndk 压缩包和 jdk 安装包，将压缩包和安装包进行安装和解压，如图 5.1 所示进行环境变量的配置：图 4.16 环境配置 4.2 宠物箱内环境控制系统的硬件平台搭建与本设计相关的宠物箱内环境控制系统终端模块的 pcdunio 端所涉及到的硬件有：温湿度传感器，舵机，电机，led 灯，蜂鸣器，还有 pcdunio v2 板，面包板，杜邦线。 4.2.1 硬件的选型 1.温湿度传感器 DHT11 DHT11 数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个 NTC 测温元件，并与一个高性能 8 位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个 DHT11 传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式存在 OTP 内存中，传感器内部在检测型号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，使其成为该类应用中，在苛刻应用场合的最佳选择。产品为 3 针单排引脚封装，连接方便。图 4.17 温湿度传感器 DHT11 DHT11 温湿度传感器通过单总线方式通信，操作简单，价格低廉。DHT11 检测温度的分辨率为 1，精度为2，相对湿度分辨率为 1%，检测精度为 5%。 2.舵机（SG90）舵机是船舶上的一种大甲板机械。舵机的大小由外舾装按照船级社的规范决定，选宁波大红鹰学院毕业设计（论文） 19 型时主要考虑扭矩大小。在航天方面，舵机应用广泛。航天方面，导弹姿态变换的俯仰、偏航、滚转运动都是靠舵机相互配合完成的。舵机在许多工程上都有应用，不仅限于船舶。图 4.18 舵机（SG90） 3.电机（5v 步进电机）步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角“，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。图 4.19 电机（5v 步进电机） 4.LED 灯发光二极管简称为 LED。由含镓(Ga)、砷(As)、磷(P)、氮(N)等的化合物制成。当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光，氮化镓二极管发蓝光。因化学性质又分有机发光二极管 OLED 和无机发光二极管 LED。如图