1、嵌入式系统开发课程设计（题目：基于嵌入式系统和 ZigBee的智能交通灯的设计与实现）院 （系） 专 业 班 级 学 生 姓 名 学 号 设 计 地 点 指 导 教 师 起止时间：2014 年 10 月 31 日至 2014 年 11 月 11 日目录1 综述 .11.1 嵌入式系统概述 .11.1.1 嵌入式的定义 .11.1.2 嵌入式发展 .21.2 语音识别概述 .31.2.1 语音识别的发展 .31.2.2 神经网络在语音识别中的应用 .42 搭建环境 .62.1 LD3320 语音识别芯片 .62.1.1 简介 .62.1.2 外观图 .62.2 Matlab 矩阵实验室 .73
2、算法简介 .93.1 语音特征信号识别 .93.2 BP 神经网络概述 .114 功能实现与测试 .144.1 Matlab 实现 .144.1.1 数据归一化 .144.1.2 BP 神经网络初始化 .154.1.3 BP 神经网络训练 .164.1.4 BP 神经网络分类 .174.2 算法优化 .174.2.1 隐含层数优化 .184.2.2 学习率优化 .184.2.3 更新权值阈值优化 .184.3 测试结果 .194.3.1 优化前的运行结果 .194.3.2 优化后的运行结果 .204.3.3 运行结果对比 .235 实验总结 .24参考文献 .25基于嵌入式系统和 ZigBee
3、 的智能交通灯的设计与实现摘 要摘要：在本次的课程设计中，主要是基于嵌入式系统和 ZigBee 技术的智能交通灯系统的设计与实现。主要功能是点阵显示直线箭头和曲线箭头表示通行方向，蜂鸣器的间断发声作为通行提示音，数码管的倒计时标志着通行时间。通过该系统实现车辆的直线通行和转弯、方向变换的提醒、车辆注意时间是否足够通行。为十字路口的交通安全提供了保障。关键词：嵌入式系统 嵌入式系统 ZigBee 智能交通灯ABSTRACTAbstract：With the prevalence of mobile devices and development of embedded systems has b
4、ecome a hot spot. It is not a recent emergence of new technology, just as micro-electronics technology and the development of computer technology, micro-chip control functions more and more, and control of micro-chips embedded in the equipment and systems more and more, making the technology more Re
5、ply People attention. Hardware and software of its size, cost, power consumption and reliability have made stringent requirements. Embedded systems function more powerful, and more and more complicated, then there is the reliability greatly reduced. A recent trend is a powerful embedded systems usua
6、lly need a operating system to support the operating system is already mature and stable, can be embedded Linux, WINCE, and so on. This paper is to study under the ARM embedded systems the system of traffic lights design and implementation. Key words: Embedded Systems ARM LPC2138 intelligent traffic
7、 lights01 综述1.1 嵌入式系统 简介随着计算机技术和微电子技术的迅速发展，嵌入式系统应用 领域越来越广泛。当今，嵌入式系统已成为一个时髦的名词，就像当初的计算机热潮，似乎比当初的计算机热潮涉及的领域更广泛，应用技术人员更多，相关国民经济产值也更庞大。报纸、杂志、网络都把嵌入式系统当作讨论的热门话题。1 嵌入式系统一般指非 PC 系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材。它是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等 4 个部分组成
8、，它是集软硬件于一体的可独立工作的“器件“ 。嵌入式系统的软件部分包括操作系统软件(要求实时和多任务操作)和应用程序编程。操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用，而应用程序控制着系统的运作和行为。 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统(包括硬、软件系统) 极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协 议、图形界面、标准化浏览器等。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来越复杂的系统资源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来；能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。
9、与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。1.1.1 嵌入式开发环境一个嵌入式系统的开发环境一般包括嵌入式目标板、开发用的宿主 PC 机和硬件调试器，他们之间通过串口、JTAG 或 BDM 等调试接口和网络等接口互相连1接。其中，嵌入式软件系统运行于嵌入式目标板上，这些软件所对应的程序开发和编译在宿主机上运行，程序的调试则由宿主机通过硬件调试器控制目标机执行相应的操作实现。 在运行嵌入式 Linux 的系统时，硬件调试器只在Bootloader 程序开发以及 Linux 内核移植时有可能需要使用。应用程序的开发通
10、常是 Linux 操作系统在嵌入式目标机上运行起来之后进行。此时，更多的是在宿主机上使用 GDB 通过网络与目标板通信，进行程序的调试。也就是硬件调试器多在底层软件开发调试时使用，对于应用程序的开发调试通常使用其他手段。 嵌入式 Linux 操作系统开发的第一步就是在宿主机上建立交叉开发所需的交叉编译环境。交叉编译环境的建立主要是在宿主机上安装交叉编译工具 Cross-gcc。Cross-gcc 工具链通常是使用别人已经编译好的交叉编译的GCC 工具链。在交叉编译环境建立好之后，就可以在宿主机上利用交叉编译环境构造一个嵌入式 Linux系统。Linux 操作系统是由 Linux 内核和应用程序
11、两大部分组成。Linux 内核的开发主要是根据实际的需要进行内核裁剪和配置，然后用交叉编译器编译生成内核的二进制文件映像。对于许多自行设计的嵌入式系统，内核的开发还包括根据实际的硬件系统进行内核和外设驱动程序的移植开发。应用程序 通常都放在 Linux 的根文件系统中。根文件系统主要存放了嵌入式的配置文件、设备文件、应用程序、动态链接库以及其他一些相关的程序和文件。通常最初的根文件系统只是一个基本的根文件系统，只包含了一些必要的系统支撑程序。 在宿主机 PC 机上完成嵌入式 Linux 软件系统的构建之后，就在嵌入式硬件系统上测试、运行构造好的嵌入式 Linux 软件系统。其中，测试工作需要在
12、宿主机上通过远程终端操控嵌入式开发板完成。通常在嵌入式开发板上存在一个内核的引导加载程序，它用于硬件的初始化，给用户提供一个操作界面，将嵌入式 Linux 加载到内存中运行。除此之外，它对于嵌入式 Linux 系统的开发调试也起到很大的作用。一个基本的嵌入式 Linux系统在目标板上运行起来之后，就要进行程序移植开发和调试。1.1.2 嵌入式 Linux 操作系统的应用由于 Linux 具有对各种设备的广泛支持性，因此，能方便地应用在机顶盒、IA设备、PDA、掌上电脑、WAP 手机、寻呼机、车载 盒以及工业控制等智能信息产品中。21.2zigBee 技术简介ZigBee 技术是一种具有统一技术
13、标准的短距离无线通信技术，其物理层和数据链路层协议为 IEEE 802.15.4 协议标准，网络层和安全层由 ZigBee 联盟制定，应用层的开发应用根据用户的应用需要，对其进行开发利用，因此该技术能够为用户提供机动、灵活的组网方式。 根据 IEEE 802.15.4 协议标准，ZigBee 的工作频段分为 3 个频段，这 3 个工作频段相距较大，而且在各频段上的信道数据不同，因而，在该项技术标准中，各频段上的调制方式和传输速率不同。它们分别为 868MHz，915MHz 和 2.4GHz，其中 2.4GHz 频段上分为 16个信道，该频段为全球通用的工业、科学、医学（indus- trial
14、，scientific and medical，ISM）频段，该频段为免付费、免申请的无线电频段，在该频段上，数据传输速率为 250Kbs；另外两个频段为 915868MHz，其相应的信道个数分别为 10 个和 1 个，传输速率分别为 40Kbs 和 ZOKbs，868MHz 和 915MHz 无线电使用直接序列扩频技术和二进制相移键控（BPSK）调制技术。2.4GHz 无线电使用 DSSS 和偏移正交相移键控（OQPSK）。 在组网性能上，ZigBee 可以构造为星形网络或者点对点对等网络，在每一个 ZigBee 组成的无线网络中，连接地址码分为 16b 短地址或者 64b 长地址，可容纳的
15、最大设备个数分别为 216 和 264 个，具有较大的网络容量。 在无线通信技术上，采用 CSMACA 方式，有效地避免了无线电载波之间的冲突，此外，为保证传输数据的可靠性，建立了完整的应答通信协议。 ZigBee 设备为低功耗设备，其发射输出为 0 3.6dBm，通信距离为 3070m，具有能量检测和链路质量指示能力，根据这些检测结果，设备可以自动调整设备的发射功率，在保证通信链路质量的条件下，最小地消耗设备能量。 为保证 ZigBee 设备之间通信数据的安全保密性，ZigBee 技术采用了密钥长度为 128 位的加密算法，对所传输的数据信息进行加密处理。31.2.1 ZigBee 的应用现
16、状ZigBee 的出发点是希望能发展出一种易布建的低成本无线网络，同时期低耗电性将使产品的电池能维持 6 个月到数年的时间。ZigBee 技术弥补了低成本，低功耗和低速率无线通信市场的空缺，其成功的关键在于丰富而便捷的应用，而不是技术本身。随着正式版本协议的公布，更多的注意力和研发力量将转到应用的设计和实现，互联互通测试和市场推广等方面。我们有理由相信在不远的将来，将有越来越多的内置 ZigBee 功能的设备进入生活，并极大地改善我们的生活方式和体验。 在国内，目前 ZigBee 网络的应用范围非常广泛，很多我们想象不到的地方也在使用 ZigBee 技术。例如，在工业领域，ZigBee 技术不
17、仅用来控制照明灯的开关，它还有一个用途是检查高速路上照明灯的工作情况。以前工程师要开车到高速路 上检查哪些照片灯已经坏掉了，需要维修，但因为车速较快，不能记下所有要检修灯的编号，但通过 ZigBee 网络，工程师只需坐在计算机，就可以很清楚地监测到整个高速路上照明灯的工作情况，这是目前的一个热点应用。再如，ZigBee 技术用于进出的控制，可以记录汽车的进出，也可以在人员进出时用于传输相关指纹来识别数据，进行身份认证。此外，通过 ZigBee 网络的路由器功能，它还可以用来实时监控煤矿内各点的安全状况，防止事故的发生。在加油站，一些客户不希望布线，他们正在考虑采用 ZigBee 无线技术来传输
18、相关数据。 在消费类电子方面， ZigBee 技术可以替现在的红外遥控，于红外遥控相比，ZigBee 的优势在于每一个操作都会有反馈信息，告诉他们是否实现了相关操作。现今我们也可以看到 ZigBee 用于家庭保安，消费者在家中的门和窗上都安装了 ZigBee 网络，当有人闯入时，ZigBee 可以控制开启室内摄像装置，这些数据再通过 Internet 或WLAN 网络反馈给主人，从而实现报警。当在家电产品如空调，热水器等安装 ZigBee 模块后，用户可以通过 ZigBee 无线网络来控制这些产品的开启。 在建筑智能化领域，各种灯光的控制，气体的感应与监测，如煤气泄漏的感应和报警都可以应用 Z
19、igBee 技术。三表（电表，气表和水表）上采用 ZigBee 技术，相关管理部门不但可以实现自动抄表功能，还可以监控仪表如电表的状态，防止偷电事件的发生.1.2.2 ZigBee 技术的优点与不足ZigBee 的工作频率有下面三种标准： （1）868 MHz 传输速率为 20 kb/s，适用于欧洲； （2）915 MHz 传输速率为 40kb/s，适用于美国； （3）2.4 GHz 传输速率为 250kb/s，全球通用。 目前国内都在使用 2.4GHz 的工作频率，其带宽为 5MHz，有 16 个信道。采用直接扩频（DSSS）方式的 OQPSK 调制技术。而基于 IEEE 802.15.4
20、的 ZigBee 在室内通常能达到 30-50m 作用距离，在室外如果障碍物少，甚至可以达到 100m 作用距离。 ZigBee技术的优势： （1）功耗低。在低耗电待机模式下，两节普通 5 号干电池可使用 6 个月以上。这也是 ZigBee 的支持者所一直引以为豪的独特优势。 （2）成本低。因为 ZigBee 数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。 （ 3）网络容量大。每个 ZigBee 网络最多可支持 65535 个设备，也就是说每个 ZigBee 设备可以与另外 254 台设备相连接。 （4）时延短。针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。（5）可靠。采
21、用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。 （6）安全。ZigBee 提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用 AES-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。 ZigBee 技术的不足： ZigBee 技术本身是一种为低速通信而设计的规范，它的最高通信速度只有 250kb/s,对一些大数据量通信的场合它并不合适,但是这一特点会逐渐改变,一些 厂商生产的 ZigBee 芯片目4前也突破了这个限制,如 CEL 公司的 ZICM2410，已经 达到 1MHz 的传输速率。 三、各种短距离通信技术 从结构上来说，WLAN 主要是一种服务器 -
22、客户端的结构，移动设备扮演的是客户端角色，而服务端是网络中心设备；蓝牙的实现可以使点到点或点到多点的结构；而 IrDA 技术书的两移动互联设备是点对点的结构。WLAN、UWB、ZigBee 技术等可以作为移动 Ad hoc 网络的底层技术。 UWB 和 ZigBee 技术均可应用于无线数字家庭组网，两种技术优势互补：UWB 技术数据传输速率高，在无线数字家庭网络中主要用于传输大容量的影音节目信号；ZigBee 技术具有低传输速率、低功耗和低成本的特点，主要用于控制家用电器的启动和关闭，而相对来说，Wi-Fi 更多地是用于较大组网区域的接入部分，主要用于数据存取。 Bluetooth、UWB 无
23、线技术能够穿透实心物体；FNC、IrDA、ZigBee 无法穿透实心物体，或受障碍物影响较大，因此传送距离和环境大大受限。 从速率上看，大致有： UWBWLANIrDA蓝牙RFID/NFCZigBee 从传输距离上看，大致有： WLANZigBeeUWB蓝牙IrDARFID/NFC51.2.3 ZigBee 技术的应用前景ZigBee 技术的应用前景被非常看好。ZigBee 在未来的几年里将在工业控制，工业无线定位，家庭网络，汽车自动化，楼宇自动化，消费电子，医用设备控制等多个领域具有广泛的应用前景，特别是家庭自动化和工业控制，将成为今后ZigBee 芯片的主要应用领域。 在工业领域，利用传感
24、器和 ZigBee 网络，使得数据的自动采集，分析和处理变得更加容易，可以作为决策辅助系统的重要组成部分。在汽车领域，主要是传递信息的通用传感器。由于很多传感器只能内置在飞转的车轮或者发动机中，比如轮胎压力监测系统，这就要求内置无线通信设备使用的电池有较长的寿命，同时应该克服嘈杂的环境和金属结构对电磁波的屏蔽效应。 在精确农业领域，传统农业主要使用孤立的，没有通信能力的机械设备，主要是依靠人力监测作物的生产状况，采用了传感器和 ZigBee网络后，农业将可以逐渐地转向以信息和软件为中心的生产模式，使用更多的自动化，网络化，职能化和远程控制的设备来耕种。 在家庭和楼宇自动化领域，家庭自动化系统作为电子技术的集成得以迅速扩展，易于进入，简单明了和廉价的安装成本等成了驱动自动化居家，建筑开发和应用无线技术的主要动因。 在医学领域，将借助于各种传感器和 ZigBee 网络准确而且实时地监测病人的血压，体温和心跳速度等信息，从而减轻医生的查房的工作负担，有助于医生做出快速的反应，特别是对重病和病危患者的监护和治疗。 在消费和家用自动化市场，可以联网的家用设备有电视，录像机，无线耳机，PC 外设，运动与休闲器械，儿童玩具，游戏机，窗户和窗帘，照明设备，空调系统和其它家用电器。
