基于嵌入式的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

北方民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院 吳 俊 楚栓成

1.引言

21世紀(jì)是信息時(shí)代，隨著通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)的迅猛發(fā)展與提高，促使了家庭實(shí)現(xiàn)了生活現(xiàn)代化，居住環(huán)境舒適化、安全化。這些高科技已經(jīng)影響到人們生活的方方面面，改變了人們生活習(xí)慣，提高了人們生活質(zhì)量，家居智能化也正是在這種形勢(shì)下應(yīng)運(yùn)而生的。智能家居控制系統(tǒng)的主要功能包括通信、設(shè)備自動(dòng)控制、安全防范三個(gè)方面。隨著新技術(shù)和自動(dòng)化的發(fā)展，傳感器的使用數(shù)量越來(lái)越大，功能也越來(lái)越強(qiáng)，各種傳感器都已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化這給智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供極大方便。

2.智能家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方案

智能家庭無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是通過(guò)終端控制器發(fā)出控制指令，經(jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)主機(jī)處理后，再由不同指令控制家居中不同的設(shè)備。每臺(tái)電器（控制對(duì)象）都有一個(gè)唯一的地址編碼，同時(shí)每一個(gè)動(dòng)作（如開(kāi)、關(guān)、播放等）也有一個(gè)唯一的編碼。遠(yuǎn)程也可以監(jiān)控、操作家中電器。文中提出的智能家庭無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由基于UC/OS II的ARM7中控主機(jī)、基于Windows CE的ARM9手持PDA、紅外設(shè)備終端、通用開(kāi)關(guān)設(shè)備終端、GSM聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、RFID射頻電子鎖、ZigBee無(wú)線(xiàn)通信模塊等部分組成。系統(tǒng)主體構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)主體構(gòu)架

用戶(hù)刷卡打開(kāi)RFID電子鎖時(shí)，電子鎖終端通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)將命令傳送到室內(nèi)中控主機(jī)，中控主機(jī)中的解防任務(wù)、情景模式任務(wù)、環(huán)境任務(wù)、設(shè)備動(dòng)作任務(wù)便被激活，各家居設(shè)備根據(jù)先前用戶(hù)設(shè)定好的情景模式進(jìn)入相應(yīng)工作狀態(tài)。作為家庭網(wǎng)絡(luò)中的控制中心部分，中控主機(jī)擔(dān)任著內(nèi)外異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議解釋、轉(zhuǎn)換、分發(fā)和監(jiān)視、控制各節(jié)點(diǎn)的工作。并且通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)將各命令傳達(dá)給目的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)再把命令下達(dá)給目標(biāo)設(shè)備，完成命令執(zhí)行功能。用戶(hù)在室內(nèi)，可通過(guò)PDA和嵌入式智能家居信息化綜合管理軟件平臺(tái)進(jìn)行模式與參數(shù)設(shè)置，并對(duì)各家居設(shè)備進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)控。在遠(yuǎn)程，通過(guò)GSM聯(lián)網(wǎng)使整個(gè)系統(tǒng)接入到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)家居系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和操作。紅外設(shè)備中轉(zhuǎn)終端作為一個(gè)特殊的設(shè)備終端控制器專(zhuān)門(mén)對(duì)如電視、空調(diào)、DVD等紅外設(shè)備進(jìn)行控制。

3.單元模塊硬件組成及其工作原理

3.1 RFID射頻電子鎖

RFID射頻電子鎖的核心芯片采用同欣智能科技的TX125系列非接觸IC控制芯片。該芯片的射頻讀卡采用125kHz射頻，讀卡距離為50～150mm，完全支持對(duì)EM、TEMIC、TK及其兼容卡的操作。RFID電子鎖電路中，MODE1接高電平選為波特率9600，MODE3接高電平選為串口輸出，MODE4接高電平選為主動(dòng)模式，其中TX125的“TXD”與MSP430的P3.7連接，P3.7的工作模式設(shè)置為串口1的接收狀態(tài)，打開(kāi)串口1的接收中斷，使RFID的讀卡實(shí)時(shí)性達(dá)到最高；TX1,TX2連接感應(yīng)天線(xiàn)，“STATUS”與MSP430的普通IO口P1.2連接，用于讀取TX125的工作狀態(tài)；MSP430的普通IO口P1.3設(shè)置為輸出狀態(tài)，通過(guò)繼電器控制電子鎖的動(dòng)作電機(jī)，用以完成開(kāi)門(mén)和鎖門(mén)等工作，TX125其它管腳默認(rèn)空載。RFID電子鎖電路如圖2所示：

圖2 RFID電子鎖電路

3.2 紅外設(shè)備終端及通用開(kāi)關(guān)設(shè)備終端

由于各廠(chǎng)商的紅外設(shè)備之間沒(méi)有統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，即使屬于同一種紅外設(shè)備，其對(duì)應(yīng)功能的紅外編碼也不一定相同。而且大多數(shù)廠(chǎng)家的紅外編碼是不對(duì)外開(kāi)放的，所以采取對(duì)其遙控器進(jìn)行紅外學(xué)習(xí)解碼的方案。

紅外終端采用MSP430F147與CC2430做為主處理芯片實(shí)現(xiàn)功能運(yùn)算與通信，其電源電壓都適應(yīng)于1.8-3.6V。MSP430F147具有超低耗電特性，能為ZigBee應(yīng)用提供良好的支持，而且該芯片定時(shí)器具有捕獲模式，可以通過(guò)該功能實(shí)現(xiàn)各種測(cè)量，紅外設(shè)備終端便是利用了芯片的這個(gè)特性進(jìn)行解碼存儲(chǔ)，紅外學(xué)習(xí)終端硬件組成模塊框圖如圖3所示：

圖3 紅外學(xué)習(xí)終端硬件模塊圖

3.3 中控主機(jī)

作為系統(tǒng)的核心主機(jī)，控制管理整個(gè)通信系統(tǒng)。其由ARM7核心處理器LPC2106，并輔以通用按鍵、液晶顯示、Zigbee模塊組成。本系統(tǒng)對(duì)中控主機(jī)嵌入的UC/OSII操作系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)了5個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)，分別為GSM通信任務(wù)、Zigbee系統(tǒng)通信任務(wù)、報(bào)警輸出與LCD在線(xiàn)狀態(tài)輸出任務(wù)、按鍵掃描任務(wù)和系統(tǒng)總?cè)蝿?wù)。其中GSM通信任務(wù)主管中控主機(jī)和GSM模塊的通信，以及遠(yuǎn)程短信的收發(fā)、電話(huà)報(bào)警、遠(yuǎn)程手機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控處理等，主機(jī)通過(guò)串口與GSM模塊連接。ZigBee系統(tǒng)通信任務(wù)實(shí)現(xiàn)中控主機(jī)和Zigbee協(xié)調(diào)器模塊的通信，處理系統(tǒng)的各種通信數(shù)據(jù)以及協(xié)助Zigbee協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，當(dāng)獲取到系統(tǒng)的異常情況，由報(bào)警輸出任務(wù)啟動(dòng)中控主機(jī)的蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，并由GSM通信任務(wù)發(fā)出報(bào)警信號(hào)到手機(jī)。主機(jī)通過(guò)SPI接口與Zigbee模塊連接，各種系統(tǒng)切換狀態(tài)皆可通過(guò)LCD在線(xiàn)顯示出來(lái)。按鍵掃描任務(wù)通過(guò)中控主機(jī)可對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)關(guān)機(jī)、模式切換、添加刪除設(shè)備等操作。系統(tǒng)總?cè)蝿?wù)設(shè)定各個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)，協(xié)調(diào)各任務(wù)的有序工作。預(yù)留另一個(gè)串口與個(gè)人電腦PC機(jī)連接，用于做參數(shù)設(shè)置及系統(tǒng)升級(jí)擴(kuò)展。

4.系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 中控主機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程

圖4 中控主機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程

系統(tǒng)上電后，分別經(jīng)過(guò)硬件初始化、操作系統(tǒng)初始化、任務(wù)初始化等過(guò)程后便啟動(dòng)UC/OSII操作系統(tǒng)，交由內(nèi)核運(yùn)行各個(gè)模塊任務(wù)，其中“設(shè)備服務(wù)任務(wù)”管理各個(gè)設(shè)備的動(dòng)作及其更新，“GSM通信任務(wù)”主要管理遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)報(bào)警及查詢(xún)與設(shè)置等命令處理，“模式服務(wù)任務(wù)”主要管理整個(gè)系統(tǒng)的工作模式與風(fēng)格，“環(huán)境檢測(cè)”主要管理各傳感器輸入設(shè)備，人機(jī)交互命令主要交由“鍵盤(pán)與PDA命令處理任務(wù)”處理，“設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)任務(wù)”用來(lái)接收和感知各個(gè)終端設(shè)備的狀態(tài)反饋，用以保證系統(tǒng)設(shè)備動(dòng)作的正確性。系統(tǒng)的各種異常交由“錯(cuò)誤處理任務(wù)”進(jìn)行處理。如圖4所示。

4.2 紅外設(shè)備終端子機(jī)軟件流程

圖5 紅外終端子機(jī)軟件流程

如圖5所示，紅外設(shè)備終端上電后先進(jìn)行硬件初始化，接著初始化ZigBee協(xié)議棧，進(jìn)入主循環(huán)后讀取ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，判斷工作狀態(tài)，分為正常工作、紅外編碼學(xué)習(xí)、分配地址任務(wù)等。分別進(jìn)入相應(yīng)工作流程，當(dāng)終端被閑置30秒后，終端自動(dòng)進(jìn)入休眠模式。由CPU自身的時(shí)間中斷和Zigbee中斷兩種方式可喚醒子系統(tǒng)休眠。

4.3 PDA軟件設(shè)計(jì)構(gòu)架

PDA友好界面設(shè)計(jì)采用VS2005加Windows CE 6.0的SDK進(jìn)行前期開(kāi)發(fā)。操控界面以房間、設(shè)備、設(shè)備控制界面為方案主線(xiàn)，其中在啟動(dòng)界面即房間界面下拉框中設(shè)有模式選擇，即前面提到的分配地址模式、編碼學(xué)習(xí)模式、正常工作模式。其設(shè)備界面主要分為紅外設(shè)備、照明系統(tǒng)、環(huán)境檢測(cè)、安防系統(tǒng)、系統(tǒng)配置等五大部分。設(shè)備界面的下一個(gè)界面是設(shè)備各自對(duì)應(yīng)的控制界面。圖6所示中的第一個(gè)界面是房間界面，第二個(gè)界面是設(shè)備界面，第三個(gè)界面是電視機(jī)的控制界面。

圖6 上位機(jī)PDA軟件界面舉例

5.結(jié)論

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)軟、硬件的綜合調(diào)試表明：該智能家庭無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有良好的工作穩(wěn)定性和監(jiān)控的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)體積小，安裝、布置簡(jiǎn)單方便，在低功耗和低成本方面具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。用戶(hù)可以方便地將新買(mǎi)到的紅外設(shè)備以及普通開(kāi)關(guān)設(shè)備添加到網(wǎng)絡(luò)中，室內(nèi)室外操作、監(jiān)控方便，符合“經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、安全、舒適"的原則，結(jié)構(gòu)清晰，具有較好的擴(kuò)展性能。

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