隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息通信技術(shù)向普通家庭生活的不斷普及，如何將消費(fèi)電子、計(jì)算機(jī)和通信融為一體，已成為人們非常關(guān)心的一個(gè)問題。智能家電網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)家用電器的網(wǎng)絡(luò)化、智能化管理。通過該系統(tǒng)將家中的網(wǎng)絡(luò)電器與互聯(lián)網(wǎng)和GPRS網(wǎng)絡(luò)相連，這樣無論何時(shí)何地，用戶都可以通過該系統(tǒng)遠(yuǎn)程操縱家用電器。本文主要討論智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。智能家屬系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。
智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的核心部分是一個(gè)嵌入式Web服務(wù)器，系統(tǒng)集有線和無線Web服務(wù)器于一體，用戶可以利用辦公室的PC或者手機(jī)登錄家中的Web服務(wù)器，在通過用戶名和密碼驗(yàn)證后，便可以查看并控制家用電器；系統(tǒng)帶有LCD和鍵盤，具有良好的人機(jī)界面；用戶還可以通過鍵盤來設(shè)定系統(tǒng)的任務(wù)；系統(tǒng)留有豐富的功能擴(kuò)展接口，通過這些擴(kuò)展接口將來還可以實(shí)現(xiàn)防火防盜和智能抄表等應(yīng)用。
智能家居系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
1系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
在本系統(tǒng)中，主芯片采用 意法半導(dǎo)體的STR7 10，它基于高性能的ARM7TDMI內(nèi)核，擁有非常豐富的外設(shè)和增強(qiáng)的I/O功能。該器件包含片上高速單電壓Flash存儲(chǔ)器和高速RAM存儲(chǔ)器。由于內(nèi)嵌ARM內(nèi)核，所以與所有的ARM工具和軟件兼容。網(wǎng)絡(luò)芯片采用Cirrus Logic公司生產(chǎn)的基于ISA的低功耗、性能優(yōu)越的CS8900A，GPRS模塊采用Siemens公司的MC35i，另外系統(tǒng)中還提供了32Mb的Flash和SRAM，分別由芯片M28W320ECB和TC55V820FT來實(shí)現(xiàn)。
2主芯片STR710
STR71 O具有4通道12位ADC和10個(gè)通信接口，非常適合工業(yè)應(yīng)用，尤其適合本設(shè)計(jì)這種需要比較多的接口，既有模擬輸入又有數(shù)字輸入的系統(tǒng)。
STR710是整個(gè)系統(tǒng)的核心。它作為一個(gè)嵌入式網(wǎng)關(guān)，將外部網(wǎng)絡(luò)與所有的網(wǎng)絡(luò)家電連接在一起，是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的平臺(tái)。首先，在遠(yuǎn)程操縱家電方面，STR710負(fù)責(zé)從MC35i接收到的短消息和CS8900A接收到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)中提取出用戶指令，然后根據(jù)該指令操縱相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)家電或者查詢其運(yùn)行情況，最后將執(zhí)行結(jié)果反饋到用戶終端。其次，在網(wǎng)絡(luò)家電工作模式設(shè)置方面，STR710的任務(wù)主要是在LCD上顯示相應(yīng)的菜單以及幫助信息，通過良好的界面指導(dǎo)用戶完成設(shè)置。STR710還定時(shí)查看家用電器的工作情況。一旦出現(xiàn)緊急或危險(xiǎn)的狀況時(shí)，及時(shí)采取必要的保護(hù)措施，并向用戶終端報(bào)警。
3網(wǎng)絡(luò)控制器CS8900A
CS8900A突出的特點(diǎn)是使用靈活，其物理層接口、數(shù)據(jù)傳輸模式和工作模式等都能根據(jù)需要而動(dòng)態(tài)調(diào)整，通過內(nèi)部寄存器的設(shè)置來適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境。
CS8900A支持I/O傳輸模式、Memory模式和DMA模式，其中，I/O模式是訪問CS8900A存儲(chǔ)區(qū)的默認(rèn)模式，比較簡單易用，所以在本系統(tǒng)中選用I/O模式。CS8900A與STR710的硬件連接框圖如圖所示，STR710通過/SBHE、/IOW和/IOR等控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)CS8900A的工作方式控制和讀寫操作。數(shù)據(jù)的接收采用中斷方式，由于CS8900A和STR710的中斷電平是相反的，所以，中斷信號(hào)線間需接一個(gè)非門。CS8900A與STR710之間的數(shù)據(jù)傳輸采用的是默認(rèn)的I/O模式，因此，讀寫引腳/MEMW和/M EMR被置高，以關(guān)閉Memory方式。在此模式下，用4根地址線就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有寄存器的訪問。如圖3所示，引腳SAO～SA3對(duì)應(yīng)接到STR710的地址線A11～A14上即可。除了為保證上述的默認(rèn)偏移地址(Ox0300)，須將SA8和SA9置高外，其余不用的地址線都接低電平。
CS8900A通過一個(gè)帶厄流線圈的隔離變壓器(E2023)將CPU要發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上；接收數(shù)據(jù)時(shí)，由網(wǎng)絡(luò)傳來的數(shù)據(jù)也經(jīng)過隔離變壓器。加隔離變壓器的作用主要是將外部線路與CS8900A隔開，防止干擾和燒壞元器件，實(shí)現(xiàn)帶電的插拔功能。
4 GPRS模塊MC35i
MC35i的正常運(yùn)行需要相應(yīng)的外圍電路與其配合。MC35i的40個(gè)引腳通過ZIF連接器分別與電源電路、啟動(dòng)與關(guān)機(jī)電路、數(shù)據(jù)通信電路、語音通信電路、SIM卡電路、狀態(tài)指示燈電路等連接。
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件采用分層設(shè)計(jì)，包括硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)層、操作系統(tǒng)層、應(yīng)用程序接口層和應(yīng)用軟件層。
操作系統(tǒng)選擇小型的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II是基于以下幾方面的考慮：完全免費(fèi)的內(nèi)核、公開的源代碼、系統(tǒng)內(nèi)核實(shí)用性強(qiáng)、可靠性高，操作系統(tǒng)內(nèi)核對(duì)處理器以 ROM、RAM資源的要求不高，利于在16位微處理器上移植。TCP/IP協(xié)議分為4層：鏈路層(ARP協(xié)議)、網(wǎng)絡(luò)層(IP協(xié)議、ICMP協(xié)議)、傳輸層(TCP協(xié)議、UDP協(xié)議)、應(yīng)用層(HTTP協(xié)議)。本系統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧選擇UIP1.0；圖形用戶界面選擇“CGUI。
結(jié)束語
這一智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有別于以往的僅側(cè)重于安防的思路，而是家庭信息化的整體解決方案，文中給出了系統(tǒng)的硬件組成和結(jié)構(gòu)，給出了關(guān)鍵模塊的連接方式，以及軟件實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)框圖。由于系統(tǒng)留有豐富的接口，所以隨著寬帶無線通信技術(shù)、Internet技術(shù)和微處理器技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)的功能可以得到不斷的補(bǔ)充和完善。以防盜報(bào)警為例，在家中安裝攝像頭，以嵌入式系統(tǒng)為視頻中央處理器，完成視頻壓縮與識(shí)別，就可以實(shí)現(xiàn)家庭的實(shí)時(shí)監(jiān)控和報(bào)警。可以看出，智能家居系統(tǒng)目前擁有廣闊地應(yīng)用前景。
智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的核心部分是一個(gè)嵌入式Web服務(wù)器，系統(tǒng)集有線和無線Web服務(wù)器于一體，用戶可以利用辦公室的PC或者手機(jī)登錄家中的Web服務(wù)器，在通過用戶名和密碼驗(yàn)證后，便可以查看并控制家用電器；系統(tǒng)帶有LCD和鍵盤，具有良好的人機(jī)界面；用戶還可以通過鍵盤來設(shè)定系統(tǒng)的任務(wù)；系統(tǒng)留有豐富的功能擴(kuò)展接口，通過這些擴(kuò)展接口將來還可以實(shí)現(xiàn)防火防盜和智能抄表等應(yīng)用。
智能家居系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
1系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
在本系統(tǒng)中，主芯片采用 意法半導(dǎo)體的STR7 10，它基于高性能的ARM7TDMI內(nèi)核，擁有非常豐富的外設(shè)和增強(qiáng)的I/O功能。該器件包含片上高速單電壓Flash存儲(chǔ)器和高速RAM存儲(chǔ)器。由于內(nèi)嵌ARM內(nèi)核，所以與所有的ARM工具和軟件兼容。網(wǎng)絡(luò)芯片采用Cirrus Logic公司生產(chǎn)的基于ISA的低功耗、性能優(yōu)越的CS8900A，GPRS模塊采用Siemens公司的MC35i，另外系統(tǒng)中還提供了32Mb的Flash和SRAM，分別由芯片M28W320ECB和TC55V820FT來實(shí)現(xiàn)。
2主芯片STR710
STR71 O具有4通道12位ADC和10個(gè)通信接口，非常適合工業(yè)應(yīng)用，尤其適合本設(shè)計(jì)這種需要比較多的接口，既有模擬輸入又有數(shù)字輸入的系統(tǒng)。
STR710是整個(gè)系統(tǒng)的核心。它作為一個(gè)嵌入式網(wǎng)關(guān)，將外部網(wǎng)絡(luò)與所有的網(wǎng)絡(luò)家電連接在一起，是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的平臺(tái)。首先，在遠(yuǎn)程操縱家電方面，STR710負(fù)責(zé)從MC35i接收到的短消息和CS8900A接收到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)中提取出用戶指令，然后根據(jù)該指令操縱相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)家電或者查詢其運(yùn)行情況，最后將執(zhí)行結(jié)果反饋到用戶終端。其次，在網(wǎng)絡(luò)家電工作模式設(shè)置方面，STR710的任務(wù)主要是在LCD上顯示相應(yīng)的菜單以及幫助信息，通過良好的界面指導(dǎo)用戶完成設(shè)置。STR710還定時(shí)查看家用電器的工作情況。一旦出現(xiàn)緊急或危險(xiǎn)的狀況時(shí)，及時(shí)采取必要的保護(hù)措施，并向用戶終端報(bào)警。
3網(wǎng)絡(luò)控制器CS8900A
CS8900A突出的特點(diǎn)是使用靈活，其物理層接口、數(shù)據(jù)傳輸模式和工作模式等都能根據(jù)需要而動(dòng)態(tài)調(diào)整，通過內(nèi)部寄存器的設(shè)置來適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境。
CS8900A支持I/O傳輸模式、Memory模式和DMA模式，其中，I/O模式是訪問CS8900A存儲(chǔ)區(qū)的默認(rèn)模式，比較簡單易用，所以在本系統(tǒng)中選用I/O模式。CS8900A與STR710的硬件連接框圖如圖所示，STR710通過/SBHE、/IOW和/IOR等控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)CS8900A的工作方式控制和讀寫操作。數(shù)據(jù)的接收采用中斷方式，由于CS8900A和STR710的中斷電平是相反的，所以，中斷信號(hào)線間需接一個(gè)非門。CS8900A與STR710之間的數(shù)據(jù)傳輸采用的是默認(rèn)的I/O模式，因此，讀寫引腳/MEMW和/M EMR被置高，以關(guān)閉Memory方式。在此模式下，用4根地址線就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有寄存器的訪問。如圖3所示，引腳SAO～SA3對(duì)應(yīng)接到STR710的地址線A11～A14上即可。除了為保證上述的默認(rèn)偏移地址(Ox0300)，須將SA8和SA9置高外，其余不用的地址線都接低電平。
CS8900A通過一個(gè)帶厄流線圈的隔離變壓器(E2023)將CPU要發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上；接收數(shù)據(jù)時(shí)，由網(wǎng)絡(luò)傳來的數(shù)據(jù)也經(jīng)過隔離變壓器。加隔離變壓器的作用主要是將外部線路與CS8900A隔開，防止干擾和燒壞元器件，實(shí)現(xiàn)帶電的插拔功能。
4 GPRS模塊MC35i
MC35i的正常運(yùn)行需要相應(yīng)的外圍電路與其配合。MC35i的40個(gè)引腳通過ZIF連接器分別與電源電路、啟動(dòng)與關(guān)機(jī)電路、數(shù)據(jù)通信電路、語音通信電路、SIM卡電路、狀態(tài)指示燈電路等連接。
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件采用分層設(shè)計(jì)，包括硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)層、操作系統(tǒng)層、應(yīng)用程序接口層和應(yīng)用軟件層。
操作系統(tǒng)選擇小型的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II是基于以下幾方面的考慮：完全免費(fèi)的內(nèi)核、公開的源代碼、系統(tǒng)內(nèi)核實(shí)用性強(qiáng)、可靠性高，操作系統(tǒng)內(nèi)核對(duì)處理器以 ROM、RAM資源的要求不高，利于在16位微處理器上移植。TCP/IP協(xié)議分為4層：鏈路層(ARP協(xié)議)、網(wǎng)絡(luò)層(IP協(xié)議、ICMP協(xié)議)、傳輸層(TCP協(xié)議、UDP協(xié)議)、應(yīng)用層(HTTP協(xié)議)。本系統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧選擇UIP1.0；圖形用戶界面選擇“CGUI。
結(jié)束語
這一智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有別于以往的僅側(cè)重于安防的思路，而是家庭信息化的整體解決方案，文中給出了系統(tǒng)的硬件組成和結(jié)構(gòu)，給出了關(guān)鍵模塊的連接方式，以及軟件實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)框圖。由于系統(tǒng)留有豐富的接口，所以隨著寬帶無線通信技術(shù)、Internet技術(shù)和微處理器技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)的功能可以得到不斷的補(bǔ)充和完善。以防盜報(bào)警為例，在家中安裝攝像頭，以嵌入式系統(tǒng)為視頻中央處理器，完成視頻壓縮與識(shí)別，就可以實(shí)現(xiàn)家庭的實(shí)時(shí)監(jiān)控和報(bào)警。可以看出，智能家居系統(tǒng)目前擁有廣闊地應(yīng)用前景。
