基于嵌入式Linux的自助洗衣房集中控制器的设计_冯超.docx

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1、 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果 除文中已经注明 y用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担 U 论文作者签名： 巧超 日期 ； a 关干学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括： 学校有权保管 Y并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件： 学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文 ; 学校可允许学位论文被查阅或惜阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位

2、论文； 学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 （ 保密学位论文在解密后遵守此规定 )。 签名 : 鍋 _ 曰熟 导师签茗： 章 h 日期： 太原理工大学硕士研宄生学位论文 基于嵌入式 Linux的自助洗衣房集中控制器的设计 摘要 自助洗衣机是为了解放用户的洗衣时间而出现的一种服务式的洗衣 机，目前广泛应用在高校、工厂等集体公寓内以满足用户方便洗衣的需求。 早在 2004年左右，我国就开始生产投币式自助洗衣机，在 2006年得到了 快速的发展。到目前为止，自助洗衣市场有投币式自助洗衣机和刷卡式自 助洗衣机。就投币式自助洗衣机而言，用户在使用时需要准备一定量的硬 币，同时还需要管理者定期的结算与

3、清理控制箱中的硬币，极为不方便。 而刷卡式自助洗衣机的出现解决了投币式洗衣机出现的问题，近年来得到 了快速的发展，但这种模式也需要事先购买储值卡。随着线上支付的出现 与完善，提供给了我们一种更加便捷的消费模式：线上支付模式，用户可 以通过网银支付或者是微信支付等线上的支付手段进行消费，彻底摆脱了 消费前需要准备硬币或者是储值卡的过程。为 了实现线上消费与线下服务 的对接以及对自助洗衣房洗衣机的集中管理，本文提出了一种基于嵌入式 Linux的自助洗衣房集中控制器的设计方案。 根据山西客来安洗涤机械有限公司对线上支付模式以及对现有的刷卡 消费数据管理的要求，提出了自助洗衣服务系统的总体设计方案，并

4、对实 现线上服务与线下操作对接以及对自助洗衣机集中管理的自助洗衣房集中 控制器进行了总体的设计。集中控制器以嵌入式 ARM处理器作为控制器的 核心，选用嵌入式 Linux作为控制器的软件开发平台。 控制器的硬件电路以 S3C2440的 ARM处理芯片作为主控核心，配合 I 太原理工大学硕士研宄生学位论文 控制器的功能要求设计了外围接口扩展电路。通过 CAN总线将洗衣房的多 台洗衣机接入集中控制器中，实现洗衣机与集中控制器的数据通信，同时 通过 WIFI将集中控制器与远程的服务器连接进而实现控制器与远程服务 器数据的传输以及对远程服务器操作指令的接收。集中控制器将洗衣机的 实时数据和刷卡消费数据

5、存入数据库，方便用户通过人机界面按条件进行 查询，当远程服务器需要某台洗衣机的某个时间的数据时，控制器将对应 洗衣 机的该时刻数据从数据库中提取出来后经由 WIFI发送给远程服务器。 利用 VB设计了上位机监控程序，采用 Access设计了刷卡消费用户的 消费数据的数据库，并通过 ADO的方式将 VB程序与 Access数据库进行了 连接，从而将集中控制器发送的消费卡的消费数据存入数据库中，方便对 数据的管理和查询。 最后，搭建控制器的实验平台并进行调试，通过测试验证了控制器对 洗衣机实时监控的准确性与稳定性，证明了线上与线下服务对接的可能性。 关键词：自助洗衣机，嵌入式， Linux， WI

6、FI， SQLite数据库 II _ 太原理工大学硕士研宄生学位论文 _ DESIGN OF CENTRALIZED CONTROLLER FOR LAUNDROMAT BASED ON EMBEDDED LINUX ABSTRACT Self-service washing machine is a service type of machine which is appeared to liberate users laundry time. Now, it is widely used in universities, factories and other collective apa

7、rtment to in order to meet user needs. As early as 2004 years, our country began to produce coin-operated self-service washing machines and it is obtained the rapid development in 2006. So far, self-laundry market has coin-operated washing machines and brush card self-service washing machine. In ter

8、ms of coin-operated self-service washing machine, the user need to prepare a certain amount of coins when using. At the same time, it is also need managers regularly clearing and cleaning the washing machine coins which is very inconvenient. However, the emergence of the brush card self-service wash

9、ing machine has solved the problems of the coin-operated washing machine which is obtained the rapid development in recent years. But this model also need to purchase the cards in advance. With the emergence of online payment and perfection, it is provided us a more convenient consumption patterns:

10、online payment mode. The user can through the online payment method such as e-currency payment or WeChat pay to make the consumption. Thus the III 太原理工大学硕士研宄生学位论文 consumer can thoroughly get rid of the process of preparing coin or cards in advance. In order to realize online consumption and offline

11、service, this paper proposes a centralized controller design scheme which is based on embedded Linux. According to the requirement of online payment mode which is commanded by the Shanxi guest Ann washing machinery co., LTD. This paper make the overall design of the concentration controller of washi

12、ng machine which is used to realize the online services and offline operation. Centralized controller uses the embedded ARM processor as the core of the controller, choosing embedded Linux as the controller software development platform. Controller hardware circuit uses the ARM S3C2440 chip as contr

13、ol core. To coordinate with the function of the controller, we design extension circuit of peripheral interface. Through CAN BUS MODE to make several washing machine in laundry room to connect with the integrated controller. Thus we make the realization of the washing machine and the centralized con

14、troller data communication. At the same time, through the WIFI will make the concentrated controller connected with remote server. Then we can implement controller to transmitting data and receiving instructions which is from the remote server. The controller saving washing machine real-time data to

15、 the database to make the convenient for the user to inquire through the man-machine interface. When the remote server requires some data of a certain washing machine, the controller will extract the corresponding the washing machine of the time data from the IV 太原理工大学硕士研宄生学位论文 database via WIFI sen

16、t to the remote server. Design the monitoring program of PC with YB, and the database of consumptions data with Access, the YB program and Access has been connected by ADO, in order to store the consumptions data which had been seed by centralized controller to the Access , made the management and q

17、uery of consumptions data more convenient. Finally, building experimental platform and debugging of the controller. According the testing, we verify the stability and accuracy of controller to the washing machine in the field of real-time monitoring. Furthermore, the author verify the possibility of

18、 online and offline services docking. KEY WORDS: self-service washing machine, embedded, Linux, WIFI, SQLite database V 太原理工大学硕士研宄生学位论文 目录 W . I ABSTRACT . Ill 会者 i仑 . 1 1. 1课题的背景和研宄意义 . 1 1.2自助洗衣机的发展 . 1 1.3嵌入式系统概述 . 4 1. 3. 1嵌入式系统的特点 . 4 1. 3. 2嵌入式系统的发展历程 . 4 1.3. 3嵌入式系统的发展趋势 . 5 1.4课题研宄的主要内容 . 5

19、第二章自助洗衣服务系统总体设计 . 7 2. 1自助洗衣服务系统设计要求 . 7 2. 2自助洗衣服务系统总体设计 . 7 2. 3集中控制器的总体设计 . 8 2. 4集中控制器的软硬件选型 . 9 2. 4. 1集中控制器硬件平台的选择 . 9 2. 4. 2集中控制器操作系统的选择 . 10 2. 5本章小结 . 11 第三章控制器硬件系统的设计 . 13 3. 1硬件系统总体结构设计 . 13 3. 2核心板的设计 . 13 3. 2. 1嵌入式微处理器的选择 . 14 3. 2. 2核心板存储器的设计 . 14 3. 3外围功能模块的设计 . 15 3. 3. 1人机交互模块的设计

20、. 15 3. 3. 2 WIFI模块的设计 . 15 3.3.3通信模块的设计 . 17 VII 太原理工大学硕士研宄生学位论文 3.3.4 CAN模块的设计 . 19 3. 3. 5数据存储模块的设计 . 21 3.3.6电源模块的设计 . 22 3. 4本章小结 . 22 第四章控制器操作系统的定制与移植 . 25 4.1构建开发环境 . 25 4. 1. 1搭建软件开发平台 . 25 4. 1.2设置共享目录 . 26 4. 1. 3安装嵌入式交叉编译工具 . 26 4. 2 Bootloader 的移植 . 26 4. 2. 1 Bootloader 的选择 . 27 4. 2. 2

21、 U-Boot 的移植 . 27 4. 3内核的移植 . 29 4.3. 1内核组成 . 29 4. 3. 2内核的配置与编译 . 29 4. 3. 3内核的移植 . 30 4. 4构建 Linux根文件系统 . 31 4. 4.1文件系统的选择 . 31 4. 4. 2 Busybox的编译与安装 . 31 4. 4. 3构建根文件系统 . 32 4. 5设备驱动的移植 . 33 4.5. 1 LCD驱动的移植 . 33 4. 5. 2触摸屏驱动的移植 . 34 4. 5. 3 SD卡驱动移植 . 35 4. 5. 4完善串口驱动 . 35 4. 6本章小结 . 36 第五章控制器应用程序的

22、设计 . 37 5. 1应用程序总体设计 . 37 5.2图形用户界面的开发 . 37 VIII 太原理工大学硕士研宄生学位论文 5.2. 1图形用户界面开发平台的选择 . 38 5.2.2搭建氓 /!1*6(1(16(1平台 . 38 5. 2. 3人机交互界面的设计 . 38 5. 3通信协议的设计 . 40 5. 3. 1 CAN协议的设计 . 40 5. 3. 2 TCP协议的设计 . 44 5. 4程序的设计 . 51 5.4.1主程序的设计 . 51 5.4.2系统初始化程序的设计 . 52 5. 4. 3 WIFI程序的设计 . 53 5. 4. 4 CAN总线程序的设计 . 5

23、4 5. 5数据存储 . 55 5.5. 1数据的存储过程 . 56 5. 5.2数据管理与查询 . 57 5. 6本章小结 . 60 第六章上位机服务系统的设计 . 61 6. 1上位机界面设计 . 61 6. 1.1登录界面的设计 . 61 6. 1.2监控界面的设计 . 62 6. 1. 3 . TCP连接界面的设计 63 6. 2上位机数据库的设计 . 63 6.2.1数据库的建立 . 63 6.2.2 VB与数据库的连接 . 65 6.2.3数据库的测试 . 67 6. 3系统测试 . 68 6. 4本章小结 . 73 第七章总结和展望 . 75 7. 1总、会吉 . 75 7.2展

24、望 . 75 IX 太原理工大学硕士研究生学位论文 銷魏 . 77 賴 . 81 攻读学位期间发表的学术论文目录 . 83 X 太原理工大学硕士研宄生学位论文 第一章绪论 1.1课题的背景和研究意义 随着互联网技术的发展，线上支付的模式越来越受到大众的支持与青睐。科技的进 步与发展，使得自助洗衣房在高校、社区、宾馆、集体公寓等地域得到了一定的普及。 传统自助洗衣房的洗衣机主要是通过投币的方式进行消费，用户在使用时需要准备一定 量的硬币，同时还需要管理者定期的结算与清理洗衣机中的硬币，极为不方便。为了解 决这一问题，出现了使用射频卡进行刷卡消费模式的自助洗衣机，在解决了用户需要大 量准备硬币问题

25、的同时也解决了需要定期结算与清理洗衣机中硬币的问题，近年来得到 了快速的发展，但这种模式需要事先购买储值卡。而随着线上支付的出现与完善，提供 给了我们一种更加便捷的消费模式：线上支付模式 。用户可以通过 APP经由网银支付 或者第三方支付平台来进行消费，彻底的告别硬币、消费卡等，使得消费模式变得更加 的方便；同时，用户还可以通过 APP来查询洗衣机的工作状态、预约洗衣机等功能， 让自助洗衣机能够更好的服务于消费者。为了配合线上的消费，自助洗衣房需要开发集 中控制器满足能在用户完成线上支付消费的同时，集中控制器通过 WIFI接入网络进而 来接收远端服务器发送的对洗衣机的各种指令。该研宄可完成线下

26、的服务与线上的消费 直接对接，具有很好的应用价值。 1.2自助洗衣机的发展 随着科技的进步，洗衣机的逐渐完 善，为了更好的享受生活，自由的支配空闲时间， 人们早已不再希望将时间使用在繁琐、劳累的洗衣工作上，为此，出现了自助式洗衣机。 在欧美等发达国家，自助式的洗衣机随处可见。随着国家工业化、城市化的步伐不断加 快，使得人们对洗衣服务的需求不断增加，进而推动了自助洗衣机的发展。 早在 2004年左右，我国就开始生产投币式自助洗衣机，在 2006年得到了快速的发 展，产品结构形式经历了二次转型，产品技术上经历了三次转型。 (1) 侧挂式向墙挂式转型 国产最早的投币式洗衣机基本都是侧挂式的，如图 1

27、-1所示。由于它的投币控制箱 太原理工大学硕士研究生学位论文 与洗衣机是一体的，所以也称之为连体式。但是，随着使用时间的延续，侧挂式投币洗 衣机出现了一系列的问题。首先，在洗衣和甩干的过程中洗衣机会剧烈震动，对投币控 制箱中元器件产生了很大的影响，容易使电脑板、 LED显示器等都出现各种各样的故障 ; 其次，洗衣用水或多或少的会洒落到投币箱上，使投币箱变的潮湿进而使得稳压电源寿 命缩短，投币器灵敏度下降等；再次，投币箱挂在洗衣机的一侧，使洗衣机受力不平衡， 容易出现侧倾，使洗衣过程中内筒与外壳相碰撞 1。鉴于此，行业内逐渐推出了墙挂式 投币洗衣机，如图 1-2所示。墙挂式投币洗衣机将投币控制箱

28、与洗衣机分离，很好的解 决了侧挂式存在的受震、受力不平衡等缺点，得到了快速的发展。 图 1-1侧挂式投币洗衣机 图 1-2壁挂式投币洗衣机 Fig. 1-1 Coin laundry of side mount Fig. 1-2 Coin laundry of wall mount (2) 时控式向时控复 位式转型 国产最早的投币洗衣机，绝大部分为时控式。时控式的基本原理：投币后，洗衣机 接通电源，投币控制箱开始倒计时，时间一归零，投币控制箱就断开洗衣机电源，洗衣 机就停止工作 2。由于其工作原理简单，因此迅速普及开来。但是，在使用了时控式投 币洗衣机后发现了一个非常重要的问题一那就是没法设定

29、通电时间。因为洗衣机洗一个 程序下来，时间并不固定，受水压、洗衣量等诸多因素的影响，使得每一次洗衣的时间 长短不一。为了解决这一问题，行业内开始研究更新的控制技术，时控复位型应运而生。 时控复位型的基本原理：投币后，洗衣机接通电源，洗衣机可以开始使用。洗衣程序完 成瞬间，洗衣机电脑板发出一个程序结束的信号给投币控制箱，投币控制箱收到此信号 后就断开洗衣机电源，投币洗衣机停止使用 3。在解决了时控投币型洗衣机通电时间与 洗衣时间不同步的弊端后，使得时控复位型洗衣机迅速的流行起来。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 (3) 时控复位式向程控式转型 时控复位型从技术原理角度解决了投币洗衣机使用中存

30、在的缺陷，但由于投币控制 系统与洗衣控制系统分开，同时， 电脑板使用在公用环境中，长时间高频率使用，出现 故障的概率大幅上升因此，行业内又有厂家开始研究更新的技术，程控式出现了。 由于投币式自助洗衣机在使用的过程中，用户需要准备相应的硬币，比较繁琐，限 制了自助洗衣机的发展。为此，广大开发商需要研宄新的、便捷的收费模式来取代繁琐 的投币模式，刷卡式的自助洗衣机便应用而生，如图 1-3所示。顾名思义，就是将投币 消费的模式转变成刷卡消费的模式，用户不必再在使用前准备大量的硬币，只需要购买 洗衣用的消费卡，便可实现多次的消费，当卡内余额不足的时候，用户只需要对消费卡 进 行充值便可继续使用。 图

31、1-3刷卡式自助洗衣机 Fig. 1-3 Self-service washing machine with RF card 在系统的设计上，依旧使用现有的应用在投币式自助洗衣机的执行系统，通过将投 币式的控制系统替换为刷卡式的控制系统实现完美过渡进而快速适应市场的需求，也为 后续的更加简单化、人性化的自助洗衣机的设计奠定了基础。 近年来，互联网技术得到了飞速的发展，凭借其高效、便捷、无时间地域限制的特 点等己经被众人所认同，同时也为商家提供了无限的商机，电子商务因而获得蓬勃发展。 而电子商务必然要涉及到网络支付和银行之间的支付结算，推动着网络支付和网上金融 服务的快速发展，使得电子商务进入一

32、个全新的发展阶段 5。随着这种线上支 付模式的 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 出现，将其应用在自助洗衣机上便成为可能。在完善各种线上服务的同时，为了更好的 配合线上服务，我们必须不断的改进线下的设备来满足线上的各种操作，为此，我们需 要设计用来管理洗衣房洗衣机的集中控制器来实现对多台洗衣机的集中监控与管理的 同时又可以实时接收远端服务器发送的各种指令来对相应的洗衣机进行操作。由于嵌入 式系统具有小型化、低成本、高可靠性等多种优点，我们可以将嵌入式系统应用在集中 控制器上来实现线下为线上服务、线上 对线下操作的先进的对接模式。 1.3嵌入式系统概述 嵌入式系统近年来随着电子芯片技术的发展迅速普及开来，现已广泛应用在工业、 通讯、运输、金融、军事、农业、医疗、气象等众多领域 6。在我们的日常生活中，嵌 入式系统的应用也是随处可见的：汽车里的控制器、电梯、智能手机等。 将微电子技术、通信技术和计算机软硬件技术进行融合以后直接嵌入到应用中以实 现某些特定功能的系统就被称为嵌入式系统 7。随着超大规模集成电路制造工艺的逐渐 成熟，系统芯片的集成度大幅提高，从而使得芯片体积不断变小但性能却不断提高，推 动着嵌入式系统向着更高级的方向发展，使得嵌入式系统的应用变得更加广泛、深入。 1.3.1嵌入式系统的特点 与通用计