基于ThreadX操作系统的安防报警系统的研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 7.38MB 74 页 15积分
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摘 要
随着嵌入式技术的发展和家庭安防需求的日益增长，市场需要更加智能，更
加安全可靠，更加快速的安防报警系统。论文在总结安防产业的国内外发展现状
和趋势，针对目前安防系统存在的开发周期较长、系统布局较复杂、MCU(Micro
Control Unit)利用率不足、防区扫描不够灵活、系统升级较困难和兼容性不足等问
题，设计了一种基于 ARM9 芯片和 ThreadX 操作系统的家庭安防报警系统，并进
行了相关实验和数据分析。论文内容主要包括以下几个方面：
第一，为缩短系统的开发周期并降低系统的开发成本，系统采用模块化方式
进行开发。使用性价比高的 MCIMX257 芯片作为 MCU，并设计其他功能模块构
建底层硬件平台。采用 ThreadX 操作系统管理上层安防软件。使用 Nand Flash 取
代Nor Flash 来存放系统程序，利用 Nand Flash 前4KB 的空间实现系统代码的搬
移操作。使系统从 Nand Flash 中启动，降低产品成本。
第二，为方便报警系统布防，大量使用无线布局的方式减少现有安防报警系
统布局较复杂的情况，防区中的探测器与报警主机使用 WIFI 协议进行通信。在应
用程序中加入智能布防功能，只需设定相关防区的参数后就能实现一键布防。
第三，为提高 MCU 的利用率和防区扫描的灵活性，本课题对 ThreadX 操作系
统的线程调度算法进行优化，提出 FVDDS(Feedback Value-Deadline Dynamic
Scheduling)线程调度算法，该算法在 ThreadX 原有算法的基础上增加控制器和分析
器，在一定周期内，系统可以根据各防区警情的触发次数动态改变相关线程的优
先级改善系统防区扫描机制，并动态改变各线程的时间轮片(TSi)，减少系统运行
过程中线程上下文的切换次数，提高 MCU 的实际利用率。
第四，为解决系统的兼容性和升级困难的问题，上层应用程序采用模块化进
行设计，对相关主要基础类进行封装并设计了功能扩展接口。
FVDDS 算法的仿真和系统整体测试结果证实该系统在实时性、可靠性、功能
多样性方面都有一定提高，当出现警情后，报警主机能够在 1秒内报警，远程接
警中心在 3秒内能收到报警信息。上层应用程序采取面向对象的设计便于系统的
升级，对后续研究开发具有一定的参考意义
关键词：安防报警系统； MCU；实时性；ThreadX；FVDDS；
ABSTRACT
With the development of embedded technology and the growing of home security
demand, the market needs more intelligent, more secure, more rapid security alarm
system. This paper summarized the current situation and development trend of security
industry at home and abroad, and analyzed the factors which influence the capability of
alarm system, for instance, the long development cycle of alarm system, layout are
complex, underused MCU, the scanning system of protection zone is not enough
flexible, upgrade is more difficult and the shortage of compatibility. This paper aim at
those problems designed a new alarm system which based on ARM9 chip and ThreadX
operating system, and do some related experiments and analysed the data. Paper’s
research content mainly included the following aspects:
First, to shorten the development cycle of the system and reduce the cost of
development of the system, the new system used modular way of development. Use
high cost performance chip of MCIMX257 as MCU, and use other function module to
construct underlying hardware platform. The ThreadX operating system was used to
manage upper software. Use Nand Flash replace to deposit the system program, and use
fore-end 4KB space of Nand Flash to move the code of system to RAM, make the
system starts from Nand Flash,reduce the cost of product.
Second, for rising the convenience of laying out alarm system, using the way of
wireless to lay out and changing the complex situation of laying out, the detectors and
play the mainframe use WIFI agreement to communicate. The intelligent protection
function are included in application, user just need to set the parameters of defence
zone-state-sensor so the system can achieve a key protection.
Third, to improve the utilization rate of MCU and the flexibility of protection
zones of scanning, the new alarm system optimized the scheduling algorithm of
ThreadX operating system, and puts forward FVDDS thread scheduling algorithm, this
algorithm increased controller and analyzer in the original algorithm of ThreadX, in a
certain period, the system can change the priority of a thread according to the frequency
of each zone-state-sensor, improve the scanning mechanism of system, and change the
thread’s time round tablets(TSi) dynamically, reduce the system operation process of the
thread context switching times, improve the actual utilization of MCU.
Fourth, to solve the problem of compatibility and the difficult of upgrade, the
upper application was design by modular way, the mainly related classes were
encapsulated and designed the function expansion interface.
The result of simulation of FVDDS algorithm and the overall system test confirm
that the system in the performance of real time, reliability, and function diversity has
certain improved, the mainframe will touch off the alarm system in 1s when the zone
has warning, the remote deploy center can receive alarm information in 3s. The upper
application take object-oriented design for upgrades, and have certain reference
significance for subsequent research and development of alarm system.
Key Words: alarm system; MCU; real time; ThreadX; FVDDS;
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论.....................................................................................................................1
§1.1 课题研究背景及意义........................................................................................1
§1.2 国内外家庭安防报警系统发展状况................................................................1
§1.3 课题研究内容及结构........................................................................................2
第二章 基于 ARM 的安防报警系统整体方案设计 ..................................................... 4
§2.1 家庭安防报警系统功能设计............................................................................4
§2.2 家庭安防报警系统结构设计及设计原则........................................................5
第三章 基于 ARM 的安防报警主机硬件平台设计 ..................................................... 9
§3.1 报警主机的 MCU 选型 .................................................................................. 10
§3.2 系统数据存储单元的设计..............................................................................11
§3.3 系统内存单元设计..........................................................................................14
§3.4 硬件防区电路设计..........................................................................................15
第四章 基于 RTOS 的安防报警系统软件运行平台设计及调度算法优化 ...............17
§4.1 实时操作系统简介..........................................................................................17
§4.2 ThreadX 嵌入式实时操作系统 ...................................................................... 18
§4.2.1ThreadX 系统简介................................................................................. 18
§4.2.2ThreadX 系统特点................................................................................. 19
§4.3 ThreadX 的实时内核 ...................................................................................... 20
§4.3.1ThreadX 的线程机制............................................................................. 20
§4.3.2 线程同步和通信....................................................................................22
§4.3.3 优先级倒置和死锁................................................................................23
§4.4 传统操作系统多任务调度算法分析..............................................................24
§4.4.1 实时调度算法的任务模型....................................................................25
§4.4.2 传统调度算法特点分析.......................................................................26
§4.5 ThreadX 多线程调度算法分析 ...................................................................... 28
§4.6 ThreadX 多线程调度算法的优化 .................................................................. 29
§4.6.1FVDDS 调度算法理论 .......................................................................... 29
§4.6.2 FVDDS 调度算法的实现 ..................................................................... 32
§4.6.3FVDDS 调度算法的验证及分析 .......................................................... 37
§4.7 本章小结.........................................................................................................39
第五章 家庭安防报警系统实时多任务设计与实现...................................................40
§5.1 安防报警主机软件结构设计.........................................................................40
§5.2 安防报警主机后台多任务程序设计..............................................................42
§5.2.1 系统初始化线程 ITHREAD 的设计 .................................................... 44
§5.2.2 无线防区扫描线程的设计....................................................................44
§5.2.3 有线防区扫描线程的设计....................................................................46
§5.2.4 警情处理线程的设计............................................................................47
第六章 家庭安防系统测试与总结...............................................................................49
§6.1 本课题的测试结果..........................................................................................49
§6.2 本课题的主要成果..........................................................................................50
§6.3 展望..................................................................................................................51
附录一 ITHREAD 线程部分代码 ................................................................................ 52
附录二 无线防区扫描线程部分代码...........................................................................62
参考文献.........................................................................................................................68
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................70
致 谢...............................................................................................................................71
第一章 绪 论
1
第一章 绪论
§1.1 课题研究背景及意义
报警主机是安防报警系统的“大脑”，报警主机的稳定性、实时性直接关系到
安防报警系统的整体性能。安防报警系统性能的好坏直接影响人们生命财产的安
全和智能家居系统的完整性。因此，在智能家居系统研发过程中，安防报警系统
的研发举足轻重。近年来嵌入式技术的飞速发展和运用，极大地推动了安防技术
的发展。但由于现有安防产品使用的微处理器、
RTOS 以及上层应用软件的构建方
式各不相同，使得安防产品各有优缺点。
传统安防系统，主要实现访客与住户可视、对讲、遥控开门、报警和管理等
功能，而防盗设备主要是通过外部传感器与报警主机单独相连来实现，集成度不
高。系统在运行过程中不能灵活的根据防区环境改变监测机制，若设计上层应用
程序时没有设置合适的线程等待时间，则系统运行过程中将出现线程上下文频繁
切换，导致“颠簸现象”降低 MCU 的实际利用率。
本课题针对现有安防系统存在的不足处，设计了一个集成度高、实时性更强、
更加智能化的安防报警系统。为今后安防系统的研发提供一定的实验依据和理论
基础。其意义主要体现在以下几方面：
1.借助嵌入式技术构建安防报警系统，为今后报警主机的研发提供了可行的底
层平台依据。
2.安防报警系统以 RTOS 作为软件底层，优化 RTOS 的线程调度算法，减少系
统运行时“颠簸现象”提高 MCU 利用率并可根据防区状态改变线程优先级，提高
系统扫描机制的灵活性，为提高安防报警系统的实时性提供了重要保障。
3.采取模块化编程思想来完成报警机制的组建，可以解决安防报警系统的兼容
性和产品的升级。
4.分析影响安防报警实时性的因素并提出相应的改进方案，为今后安防产品性
能的提高提供了理论基础。
§1.2 国内外家庭安防报警系统发展状况
安防报警系统，在技术和产品上已经形成四代：模拟--数字--网络--智能化。
智能化安防报警系统集合现有先进技术，能实现报警系统的智能布局、系统本身
的智能检查、自动报警及智能控制等功能。这些都得益于嵌入式技术的支持。
目前国外发达国家已逐渐形成一个集安防检测、消防、医疗求助为一体的安
全保障行业。西门子楼宇科技公司早在几年前就推出了 Guarto Easy 新型安全防范
系统[2]，该系统将视频监控、音频对讲监听、防盗报警、火灾探测、危险气体探测
和多种警告方式（声光，无线，拨号)结合起来，对社区住宅及分散型小型建筑进
基于 ThreadX 操作系统的安防报警系统的研究
2
行全方位的防范。2009 年诺基亚公司开发了一种智能家庭移动平台被称为“Home
Control Center”，通过该平台，用户可通过智能手机或者个人电脑与安防系统相连
来实现远程控制和监控。通用公司（GE）2009 年推出的 NetworkX 系列安防报警
系统能够实现有线和无限防区混合设置，支持远程控制，自动定时布防和撤防，
自动报警、防区状态事件的记录，电源和防区自动检测[3]。该系统使用 ARM 芯片
取代单片机作为系统的 MCU，软件部分借助实时操作系统(RTOS)来构建报警主
机，在实时性上有很大的提高。ARM、DSP、MIPS、PowerPc 等新型的“精简指
令集计算机”（RISC）芯片及 CPLD 技术的推出和运用，使得安防报警系统在中断
处理、事件响应、处理器的运行速度方面都得到了很大的提高，这些新技术为报
警的实时性提供了基础的保障，使得安全防卫技术得到空前发展。
在国内，由于安防报警系统的研究起步晚，与国外存在一定差距，但近年我
国安防报警技术也得到了巨大发展，例如上海联腾公司的报警主机 LT-B2102/ZX1
具有电话语音远程报警功能，包括支持通过公用电话或者是 GSM 实现远程报警，
支持连续拨打 5组预置电话号码并进行语音报警，同时住户可以通过电话对报警
主机进行远程布防和实施一定的智能操作[4]。目前我国安防报警系统主要使用的是
嵌入式技术，而嵌入式技术极大依赖于实时操作系统，国家研究机构和企业，也
已陆续开发出具有自主知识产权的 RTOS 或借助 Linux 源代码发展适合国内市场的
嵌入式 Linux 版本。由于国内消费电子要求系统能支持中文处理，而国外的 RTOS
还不能适应该要求，故国内的 RTOS 的市场主要集中在消费电子方面。目前主要
产品有：中科院系统的 "女娲"，英文 是"Hopen"；北京科银京成(原电子科大)的δ
OS（原名是 CRTOS）;中科院红旗 Linux；深圳蓝点 Linux[5]。长久以来，国内的
报警系统在处理器芯片上都依赖于国外的芯片产品，虽然我国具有了自主知识产
权的“龙芯”，但是与国外的经典芯片相比还是具有一定的差距。
§1.3 课题研究内容及结构
本课题研究目标是通过研究安防报警系统的结构以及功能特性，利用嵌入式
技术搭建安防报警系统，新系统结合时间轮片、优先级抢占、时间等待理论和反
馈机制，设计 FVDDS 线程调度算法。基于该调度算法，建立多线程的安防报警系
统。本文总分六大章，研究内容及整体结构安排如下：
第一章阐述本论文的研究背景及重要意义，简要介绍家庭安防报警系统现状，
概述本文的研究内容及结构。
第二章介绍本安防报警系统的总体设计方案及报警主机的功能。
第三章阐述本系统的部分硬件平台的设计依据和设计方案。
第四章介绍系统上层应用程序运行平台的设计，使用 ThreadX 实时操作系统
第一章 绪 论
3
搭建该层平台，并对现有各种实时操作系统作简要介绍，给出各自特点，阐述使
用ThreadX 系统的依据及特点，并提出 FVDDS 调度算法优化 ThreadX 操作系统的
线程调度机制，提高家庭安防报警系统扫描机制的灵活性和 MCU 的利用率。
第五章介绍安防报警系统实时多任务的设计，完成系统的软件结构，概述系
统中多线程的构建，并简要介绍系统中重要线程的设计方案。
第六章对全文做出总结，同时对安防报警系统技术进一步的研究工作做出展
望。
摘要：

摘要随着嵌入式技术的发展和家庭安防需求的日益增长，市场需要更加智能，更加安全可靠，更加快速的安防报警系统。论文在总结安防产业的国内外发展现状和趋势，针对目前安防系统存在的开发周期较长、系统布局较复杂、MCU(MicroControlUnit)利用率不足、防区扫描不够灵活、系统升级较困难和兼容性不足等问题，设计了一种基于ARM9芯片和ThreadX操作系统的家庭安防报警系统，并进行了相关实验和数据分析。论文内容主要包括以下几个方面：第一，为缩短系统的开发周期并降低系统的开发成本，系统采用模块化方式进行开发。使用性价比高的MCIMX257芯片作为MCU，并设计其他功能模块构建底层硬件平台。采用Th...

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