摘要:隨著科技的不斷進步,智能家居逐漸成為可能,而智能家居網絡終端則是智能家居的關鍵。該文提出一種新的基于ARM-Linux的智能家居網絡終端設計方案,首先先簡要介紹了基于ARM-Linux平臺的智能化家居設計方案,重點對基于ARM-Linux平臺的智能家居網絡終端的硬件組成及軟件設計進行了詳細的闡述。
關鍵詞:智能家居;智能終端;ARM-Linux;GPRS
中圖分類號:TP18文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)07-1612-02
Design and Realization of Intelligent Home Network Terminal Based on ARM-Linux
JIN Xin1,2
(1.Department of Computer Science, Wuhan University, Wuhan 430074, China; 2.Department of Computer Technology and Application, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430074, China)
Abstract: With the development of science and technology, Intelligent home becomes possible, and the intelligent home network terminal is the key technique for it. A new design methods of intelligenthome network terminal based on ARM-Linux is proposed, This paper introduced the design methods of intelligent terminal, and placed its importance on the hardware design and software design of Intelligent Terminal.
Key words: intelligent home; network terminal; ARM-Linux; GPRS
隨著國民經濟的快速發展和人們生活水平的不斷提高,人們對居住房子的舒適性及安全性要求也提升到了更高的檔次。別墅或復式豪宅等高檔住宅成為越來越多高收入人群和追求高尚居住人群的居家首選,超大的住宅空間,優雅美麗的居住環境,給人們帶來了高品質的生活享受。但是,這類高尚豪華的富人住宅社區,也成為了盜竊、搶劫等罪犯分子下手的目標。
智能家居安全監控系統應運而生,網絡通訊和圖像處理技術為實現家庭安居監控系統提供高效可行而且價格低廉的解決方案。通過在家中設置好預先監控點,在世界任何地方,都可以通過網絡或直接通過手機,就可隨時隨地了解自己家庭概況,確保安全。
1 系統總體設計
經過調研,確定本系統要實現的主要功能如下:
1) 通過網關與互聯網連接,用戶可以通過互聯網遠程訪問該系統,實現基于Web的系統控制;
2) 通過紅外接收器,實現遙控系統;
3) 采用無線方式控制各家電(包括日光燈,空調,電腦,電視機等)的電源開關或監測家電運行狀態;
4) 煙霧探測器探測到煙霧時,系統將自動切斷家居中的電源,并發出火警提示;煤氣探測器探測到煤氣時,系統將自動切斷家具中的氣源,并且發出報警信號;
5)紅外探頭探測到家中有人走動,就會自動報警,并通過蜂鳴器和語音實現本地報警,同時將報警信息傳到物業保安中心,還可以自動撥號到主人的手機或發送短信到指定的手機;
6) 三表遠傳:水、電、氣表的遠程自動抄收計費是智能物業管理的一個重要部分,它解決了入戶抄表的低效率、干擾性和不安全因素;
7) 物業報修:通過家庭智能終端可以向物業管理部門申請維修、預訂等指定社區服務;
根據系統功能畫出系統結構圖如圖1所示。
2 硬件設計
智能家居網絡終端是整個系統的核心部分,網絡終端一端連接在Internet上,另一端連接在家庭內的控制總線上。它可以提供三表傳送、安防報警、緊急求助、網絡遠程控制等功能,硬件結構圖如圖2所示。
各部分及其模塊的功能介紹如下:
1)控制器部分,本系統處理器選擇了SAMSUNG公司推出的16/32位RISC處理器S3C44B0,該處理器為低功耗的32位RISC處理器,內帶一個ARM7TDMI核,適合用于對價位和功耗要求較高的消費類應用。主頻最高可達66MIPS,高速的運算處理能力能勝任絕大多數的復雜應用。為了降低成本,S3C44B0提供了豐富的內置部件,包括:8KB Cache和內部SRAM,LCD控制器,帶自動握手的2通道UART,4通道DMA,系統管理器(片選邏輯,SDRAM控制器),帶PMW功能的5通道定時器和一個內部定時器,I/O端口,RTC,8通道10位ADC,IIC總線接口,IIS總線接口,同步SIO接口和PLL陪頻器。
2)Flash存儲器部分,本文所采用Samsung生產的64M NAND Flash存儲器芯片K9F1208作為存儲介質來構建8位數據寬度的FLASH存儲器系統。
3)SDRAM存儲器部分,選用K4S561632C-TC75芯片,該芯片存儲容量為16M*16位(32M字節),數據寬度為16位,常見封裝為54腳TSOP,頻率為133MHz,支持自刷新和自動刷新。
4)以太網控制器部分,主要是RTL8019AS、耦合變壓器、RJ45插座、20MHz晶體;
5)GPRS網絡采用Sony Ericsson公司GR47模塊進行通信,GR47支持雙頻GSM寬帶900MHz/1800MHz,可通過SMS短消息服務、CSD、HSCSD或GPRS來發送或接收資料,并可處理語音及傳真。
6)家庭控制網絡連接部分,由MAXIM公司的MAX487、RJ11插座構成。
7)USB攝像頭,選用ANC 5888, Linux內核支持該攝像頭芯片,USB接口支持1.1/2.0。
8)紅外收發器,選用市場上較為常用的Zifog公司的ZHX1010,該器件結構簡單,可以直接與S3C44B0處理器的UART2端口連接操作,不需要額外的驅動器件,應用比較方便。
9)射頻模塊選用愛立信公司的R0KIO1008,該器件集成了射頻單元和基帶控制器,提供多種HCI傳輸層接口,并提供用于使用的接口電路板和天線,在應用上非常方便。
10)電話接口選用了HOLTEK(盛群)公司生產的專用DTMF發生集成電路HT92OOA,HT92OOA是使用一個數據輸入端和一個同步時鐘形成一個5位代碼來發送DTMF信號的,含有5位數據的輸入數據串可選擇要發送的電話號碼的每個數字。
11)JTAG接口:本系統采用的是標準14針JTAG接口,支持ARM7全系列處理器,支持STD,并口連接,支持網絡調試功能。
12)電源部分,由一片7805提供5V的直流電壓。
3 系統軟件設計
3.1 操作系統選擇
本文選擇μClinux操作系統作為軟件開發平臺,μClinux最大的特點就是源代碼公開而且遵循GPL協議,它主要是針對目標處理器沒有存儲管理單元MMU的嵌入式系統而設計的。
所用的uClinux的源代碼包是在EDA網站下載的,是專門針對S3C44B0X芯片的硬件環境制作的,已經初步裁減和壓縮,把代碼解壓縮到宿主機上,它會把全部的文件解壓縮到uClinux-dist的目錄下,其內核是linux2.4.x。
3.2 軟件結構及流程
網絡終端軟件的設計,采用了模塊化設計的思想,把整個網絡終端軟件功能進行模塊化細分,各模塊之間功能相互獨立,其中,主程序是整個控制系統的軟件核心,通過主程序有機的調用系統中各類的子程序及模塊,形成一個聯系緊密的整體,有條不紊的完成各項預定的操作指令。
主程序流程如下:系統上電或復位后,由Boot loader程序引導μClinux操作系統運行,系統首先通過各設備的驅動程序對各個硬件設備初始化;然后進入正常的控制循環,使系統按照設定的參數和標志位工作;然后,啟動RS485總線開始對家用設備進行論詢,根據從機提交的異常報告,經過數據處理程序,根據相應的報告選擇合適的報警信息,一方面通過主機上的蜂鳴器發出報警聲,另一方面將報警信息提交給系統,系統調用GPRS無線通訊模塊和自動撥號模塊,以短信的方式或撥號形式將報警信息發給指定的手機或小靈通;同時,控制器不斷查詢GPRS模塊和網絡傳輸模塊,當接收到用戶發來的短信,調用數據處理程序,找出從機的地址,并將該信息命令轉換為相應的RS485通信協議幀,調用主機RS485通訊程序向指定從機發送控制/查詢命令。由于篇幅有限,本文主要介紹GPRS通信模塊的設計。
3.3 GPRS通信模塊的設計
GR47模塊共提供了三個串口供用戶使用,本系統使用UART1,用戶可以通過該串口向GR47模塊發送AT命令來對其進行控制和狀態查詢,也可以通過該串口來實現數據的發送和接收及流量控制。GR47還提供了一個標準的SIM卡接口,用戶可以通過該接口直接和3V或5V的SIM卡進行連接,而GR47會對其自動識別并進行讀寫操作。
網絡傳輸GPRS模塊GR47有兩種工作狀態,指令狀態和數據狀態。通過UART與GR47模塊的UART通信,送相關AT指令到GR47模塊,以控制GR47模塊與Internet的連接。如下建立GR47模塊與Internet連接的步驟:
1)為GPRS模塊開通TCP/IP服務。發送指令“AT+CGDCON T=1,IP,"CMNET"”,正常情況下返回“OK”。
2)為GPRS模塊分得固定虛擬IP地址。發送指令“AT*E2IPA=1,1”,正常情況下返回“OK”。
3)查看GPRS模塊分得的IP地址。發送指令“AT*E2IPI=0”,正常情況下返回IP地址。
4)通過TCP連接后臺數據接收服務器。發送指令“AT*E2IPO=1,"xxx.xxx.xxx.xxx",xxxx”,連接后返回“CONNECT”。如果返回的信息是“ERROR”,則必須重新發送相關指令。一旦GR47設置完成,儀表就可以通過GPRS網絡進行遠程數據傳輸了。
4 結束語
本系統采用嵌入式控制技術,集電子、通訊、感探測、計算機于一體的智能化、多功能的新一代智能家居終端精品。系統采用嵌入式的μClinux操作系統和ARM硬件平臺,支持以太網通信、GPRS通信、藍牙通信和RS485通信,具有低成本、高適應性、高穩定性、易操作性等優點,適合于家庭住宅區、樓盤別墅、廠房、商場、倉庫、財務室、寫字樓等需要防止他人非法入侵、防火、防有害氣體泄露、需緊急求助的場所,不管您身在何處,您都可以知道家中的突發事件,便于及時采取措施。
參考文獻:
[1] 周洪.智能家居控制系統[M].北京:中國電力出版社,2006.
[2] 黃濤.嵌入式無線互連系統開發從實踐到提高[M].北京:中國電力出版社,2007.
[4] 周立功.ARM嵌入式系統基礎教程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008.
[5] 楊水清.ARM嵌入式Linux系統開發技術詳解[M].北京:電子工業出版社,2008.
關鍵詞:智能家居;智能終端;ARM-Linux;GPRS
中圖分類號:TP18文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)07-1612-02
Design and Realization of Intelligent Home Network Terminal Based on ARM-Linux
JIN Xin1,2
(1.Department of Computer Science, Wuhan University, Wuhan 430074, China; 2.Department of Computer Technology and Application, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430074, China)
Abstract: With the development of science and technology, Intelligent home becomes possible, and the intelligent home network terminal is the key technique for it. A new design methods of intelligenthome network terminal based on ARM-Linux is proposed, This paper introduced the design methods of intelligent terminal, and placed its importance on the hardware design and software design of Intelligent Terminal.
Key words: intelligent home; network terminal; ARM-Linux; GPRS
隨著國民經濟的快速發展和人們生活水平的不斷提高,人們對居住房子的舒適性及安全性要求也提升到了更高的檔次。別墅或復式豪宅等高檔住宅成為越來越多高收入人群和追求高尚居住人群的居家首選,超大的住宅空間,優雅美麗的居住環境,給人們帶來了高品質的生活享受。但是,這類高尚豪華的富人住宅社區,也成為了盜竊、搶劫等罪犯分子下手的目標。
智能家居安全監控系統應運而生,網絡通訊和圖像處理技術為實現家庭安居監控系統提供高效可行而且價格低廉的解決方案。通過在家中設置好預先監控點,在世界任何地方,都可以通過網絡或直接通過手機,就可隨時隨地了解自己家庭概況,確保安全。
1 系統總體設計
經過調研,確定本系統要實現的主要功能如下:
1) 通過網關與互聯網連接,用戶可以通過互聯網遠程訪問該系統,實現基于Web的系統控制;
2) 通過紅外接收器,實現遙控系統;
3) 采用無線方式控制各家電(包括日光燈,空調,電腦,電視機等)的電源開關或監測家電運行狀態;
4) 煙霧探測器探測到煙霧時,系統將自動切斷家居中的電源,并發出火警提示;煤氣探測器探測到煤氣時,系統將自動切斷家具中的氣源,并且發出報警信號;
5)紅外探頭探測到家中有人走動,就會自動報警,并通過蜂鳴器和語音實現本地報警,同時將報警信息傳到物業保安中心,還可以自動撥號到主人的手機或發送短信到指定的手機;
6) 三表遠傳:水、電、氣表的遠程自動抄收計費是智能物業管理的一個重要部分,它解決了入戶抄表的低效率、干擾性和不安全因素;
7) 物業報修:通過家庭智能終端可以向物業管理部門申請維修、預訂等指定社區服務;
根據系統功能畫出系統結構圖如圖1所示。
2 硬件設計
智能家居網絡終端是整個系統的核心部分,網絡終端一端連接在Internet上,另一端連接在家庭內的控制總線上。它可以提供三表傳送、安防報警、緊急求助、網絡遠程控制等功能,硬件結構圖如圖2所示。
各部分及其模塊的功能介紹如下:
1)控制器部分,本系統處理器選擇了SAMSUNG公司推出的16/32位RISC處理器S3C44B0,該處理器為低功耗的32位RISC處理器,內帶一個ARM7TDMI核,適合用于對價位和功耗要求較高的消費類應用。主頻最高可達66MIPS,高速的運算處理能力能勝任絕大多數的復雜應用。為了降低成本,S3C44B0提供了豐富的內置部件,包括:8KB Cache和內部SRAM,LCD控制器,帶自動握手的2通道UART,4通道DMA,系統管理器(片選邏輯,SDRAM控制器),帶PMW功能的5通道定時器和一個內部定時器,I/O端口,RTC,8通道10位ADC,IIC總線接口,IIS總線接口,同步SIO接口和PLL陪頻器。
2)Flash存儲器部分,本文所采用Samsung生產的64M NAND Flash存儲器芯片K9F1208作為存儲介質來構建8位數據寬度的FLASH存儲器系統。
3)SDRAM存儲器部分,選用K4S561632C-TC75芯片,該芯片存儲容量為16M*16位(32M字節),數據寬度為16位,常見封裝為54腳TSOP,頻率為133MHz,支持自刷新和自動刷新。
4)以太網控制器部分,主要是RTL8019AS、耦合變壓器、RJ45插座、20MHz晶體;
5)GPRS網絡采用Sony Ericsson公司GR47模塊進行通信,GR47支持雙頻GSM寬帶900MHz/1800MHz,可通過SMS短消息服務、CSD、HSCSD或GPRS來發送或接收資料,并可處理語音及傳真。
6)家庭控制網絡連接部分,由MAXIM公司的MAX487、RJ11插座構成。
7)USB攝像頭,選用ANC 5888, Linux內核支持該攝像頭芯片,USB接口支持1.1/2.0。
8)紅外收發器,選用市場上較為常用的Zifog公司的ZHX1010,該器件結構簡單,可以直接與S3C44B0處理器的UART2端口連接操作,不需要額外的驅動器件,應用比較方便。
9)射頻模塊選用愛立信公司的R0KIO1008,該器件集成了射頻單元和基帶控制器,提供多種HCI傳輸層接口,并提供用于使用的接口電路板和天線,在應用上非常方便。
10)電話接口選用了HOLTEK(盛群)公司生產的專用DTMF發生集成電路HT92OOA,HT92OOA是使用一個數據輸入端和一個同步時鐘形成一個5位代碼來發送DTMF信號的,含有5位數據的輸入數據串可選擇要發送的電話號碼的每個數字。
11)JTAG接口:本系統采用的是標準14針JTAG接口,支持ARM7全系列處理器,支持STD,并口連接,支持網絡調試功能。
12)電源部分,由一片7805提供5V的直流電壓。
3 系統軟件設計
3.1 操作系統選擇
本文選擇μClinux操作系統作為軟件開發平臺,μClinux最大的特點就是源代碼公開而且遵循GPL協議,它主要是針對目標處理器沒有存儲管理單元MMU的嵌入式系統而設計的。
所用的uClinux的源代碼包是在EDA網站下載的,是專門針對S3C44B0X芯片的硬件環境制作的,已經初步裁減和壓縮,把代碼解壓縮到宿主機上,它會把全部的文件解壓縮到uClinux-dist的目錄下,其內核是linux2.4.x。
3.2 軟件結構及流程
網絡終端軟件的設計,采用了模塊化設計的思想,把整個網絡終端軟件功能進行模塊化細分,各模塊之間功能相互獨立,其中,主程序是整個控制系統的軟件核心,通過主程序有機的調用系統中各類的子程序及模塊,形成一個聯系緊密的整體,有條不紊的完成各項預定的操作指令。
主程序流程如下:系統上電或復位后,由Boot loader程序引導μClinux操作系統運行,系統首先通過各設備的驅動程序對各個硬件設備初始化;然后進入正常的控制循環,使系統按照設定的參數和標志位工作;然后,啟動RS485總線開始對家用設備進行論詢,根據從機提交的異常報告,經過數據處理程序,根據相應的報告選擇合適的報警信息,一方面通過主機上的蜂鳴器發出報警聲,另一方面將報警信息提交給系統,系統調用GPRS無線通訊模塊和自動撥號模塊,以短信的方式或撥號形式將報警信息發給指定的手機或小靈通;同時,控制器不斷查詢GPRS模塊和網絡傳輸模塊,當接收到用戶發來的短信,調用數據處理程序,找出從機的地址,并將該信息命令轉換為相應的RS485通信協議幀,調用主機RS485通訊程序向指定從機發送控制/查詢命令。由于篇幅有限,本文主要介紹GPRS通信模塊的設計。
3.3 GPRS通信模塊的設計
GR47模塊共提供了三個串口供用戶使用,本系統使用UART1,用戶可以通過該串口向GR47模塊發送AT命令來對其進行控制和狀態查詢,也可以通過該串口來實現數據的發送和接收及流量控制。GR47還提供了一個標準的SIM卡接口,用戶可以通過該接口直接和3V或5V的SIM卡進行連接,而GR47會對其自動識別并進行讀寫操作。
網絡傳輸GPRS模塊GR47有兩種工作狀態,指令狀態和數據狀態。通過UART與GR47模塊的UART通信,送相關AT指令到GR47模塊,以控制GR47模塊與Internet的連接。如下建立GR47模塊與Internet連接的步驟:
1)為GPRS模塊開通TCP/IP服務。發送指令“AT+CGDCON T=1,IP,"CMNET"”,正常情況下返回“OK”。
2)為GPRS模塊分得固定虛擬IP地址。發送指令“AT*E2IPA=1,1”,正常情況下返回“OK”。
3)查看GPRS模塊分得的IP地址。發送指令“AT*E2IPI=0”,正常情況下返回IP地址。
4)通過TCP連接后臺數據接收服務器。發送指令“AT*E2IPO=1,"xxx.xxx.xxx.xxx",xxxx”,連接后返回“CONNECT”。如果返回的信息是“ERROR”,則必須重新發送相關指令。一旦GR47設置完成,儀表就可以通過GPRS網絡進行遠程數據傳輸了。
4 結束語
本系統采用嵌入式控制技術,集電子、通訊、感探測、計算機于一體的智能化、多功能的新一代智能家居終端精品。系統采用嵌入式的μClinux操作系統和ARM硬件平臺,支持以太網通信、GPRS通信、藍牙通信和RS485通信,具有低成本、高適應性、高穩定性、易操作性等優點,適合于家庭住宅區、樓盤別墅、廠房、商場、倉庫、財務室、寫字樓等需要防止他人非法入侵、防火、防有害氣體泄露、需緊急求助的場所,不管您身在何處,您都可以知道家中的突發事件,便于及時采取措施。
參考文獻:
[1] 周洪.智能家居控制系統[M].北京:中國電力出版社,2006.
[2] 黃濤.嵌入式無線互連系統開發從實踐到提高[M].北京:中國電力出版社,2007.
[4] 周立功.ARM嵌入式系統基礎教程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008.
[5] 楊水清.ARM嵌入式Linux系統開發技術詳解[M].北京:電子工業出版社,2008.
