智能家居基于Cortex- M3/M0的感知與控制子網(wǎng)設(shè)計(jì)

何錚，周娜

（1.海南政法職業(yè)學(xué)院，海口570203；2.?？诮?jīng)濟(jì)學(xué)院）

引 言

在感知/測(cè)控網(wǎng)中，按媒體連接型式則有RS-485總線網(wǎng)、CAN總線網(wǎng)、ZigBee總線網(wǎng)、WiFi總線網(wǎng)等。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)

在真正的物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)中，不應(yīng)當(dāng)再按功能劃分為各個(gè)獨(dú)立的抄表網(wǎng)、環(huán)境網(wǎng)、電控網(wǎng)、安防網(wǎng)等，而只是按傳輸接口形式和信息流的走向，融合為感知/控制子網(wǎng)。對(duì)于具有多主競(jìng)爭(zhēng)總線接口的模塊（如CAN、ZigBee等），融合為感知/控制子網(wǎng)；而對(duì)眾多僅具單主總線的RS-485模塊，則按信息流的流向，融合成循環(huán)檢測(cè)的感知子網(wǎng)和點(diǎn)控的控制子網(wǎng)。NXP Cortex-M3/M0系列ARM微處理器的優(yōu)異性能，低廉的價(jià)格為這樣的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了良好的條件。

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)如圖1所示，它實(shí)際上是一個(gè)分布式測(cè)控系統(tǒng)。

它的上層管理網(wǎng)是以太網(wǎng)，用于在廣闊的互聯(lián)網(wǎng)范圍內(nèi)信息共享，其上連接有各種管理、存儲(chǔ)及遠(yuǎn)程控制設(shè)備。

它的下層，不再以功能（環(huán)境、抄表、安防、電控等）切割分塊，而是按信息流走向整合形成感知/控制網(wǎng)。感知網(wǎng)以多主或輪詢的方式向上傳送信息，而控制網(wǎng)則可采用一主多從方式向下傳送控制命令。

連接上、下層的是多個(gè)嵌入式通信服務(wù)器。通信服務(wù)器是智能家居中的核心模塊，它在整個(gè)智能家居系統(tǒng)中不僅起到了上下信息傳遞的作用，而且進(jìn)行數(shù)據(jù)融合、分類以及安全管理，是感知網(wǎng)的管理主機(jī)。

2 嵌入式通信服務(wù)器

嵌入式通信服務(wù)器是智能家居中的核心模塊，選用的是NXP公司Cortex-M3系列中的LPC1768處理器。LPC1768處理器是一個(gè)低功耗，具有強(qiáng)大功能的32位ARM芯片。

LPC1768單片機(jī)內(nèi)部包含有一個(gè)功能齊全的10/100 Mbps以太網(wǎng)RMII接口控制器，它可以通過RMII接口（通常簡(jiǎn)化為媒體獨(dú)立接口MII）外接一個(gè)物理接口收發(fā)器（PHY），再接上網(wǎng)絡(luò)變壓器和RJ-45接口，就組成了一個(gè)完整的以太網(wǎng)通信接口，如圖2所示。

圖2 以太網(wǎng)接口電路

PHY芯片選用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的DP83848，這是10/100 Mbps單路物理層器件功能，用于為L(zhǎng)PC1768芯片提供物理層接口。

以太網(wǎng)MAC，通過RMII接口與片外PHY相連。如圖2所示，LPC1768的以太網(wǎng)模塊使用RMII（簡(jiǎn)化MII的媒體獨(dú)立接口）來連接外部PHY芯片（DP83848）。其中有8根RMII的串行數(shù)據(jù)總線，還有2根MIIM（媒體獨(dú)立接口管理）接口管理控制線，從而實(shí)現(xiàn)與片外以太網(wǎng)PHY之間的連接。DP83848的復(fù)位信號(hào)可以共用LPC1768的復(fù)位信號(hào)。

以太網(wǎng)RMII的引腳信號(hào)如下：

①ENET＿TX＿EN為輸出發(fā)送數(shù)據(jù)使能；

②ENET＿TXD[1：0]為輸出發(fā)送數(shù)據(jù)，2位；

③ENET＿RXD[1：0]為輸入接收數(shù)據(jù)，2位；

④ENET＿RX＿ER為輸入接收錯(cuò)誤；

⑤ENET＿CRS為輸入載波偵聽/數(shù)據(jù)有效；

⑥ENET＿REF＿CLK/ENET＿RX＿CLK為輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘用于外部PHY的媒體獨(dú)立接口管理（MIIM）的信號(hào)；

⑦ENET＿M(jìn)DC為輸出MIIM時(shí)鐘；

⑧ENET＿M(jìn)DIO為輸入/輸出MI數(shù)據(jù)輸入和輸出。

DB83848通過TD＋、TD-、RD＋、RD-經(jīng)隔離變壓器、RJ-45口輸出，L-、R-驅(qū)動(dòng)LED，指示輸入、輸出狀態(tài)。

3 CAN接口及CAN感知網(wǎng)

在智能家居中采用CAN感知/控制子網(wǎng)，這里面有CAN-以太網(wǎng)關(guān)、CAN路由器、CAN感知/控制模塊。由于CAN-以太網(wǎng)關(guān)和CAN路由器需要以太網(wǎng)控制器（MAC）和2個(gè)CAN控制器，所以CAN-以太網(wǎng)關(guān)、CAN路由器均由Cortex-M3的LPC1768來承擔(dān)，而CAN感知/控制模塊則由Cortex-M0的LPC11C12/24來承擔(dān)。

3.1 CAN-以太網(wǎng)關(guān)、CAN路由器

如圖3所示，LPC1768內(nèi)部集成有CAN控制器，外接CAN收發(fā)器就構(gòu)成了嵌入式通信服務(wù)器的CAN通信接口，所以能很方便地構(gòu)成以太-CAN網(wǎng)關(guān)。又由于LPC1768內(nèi)部集成有2個(gè)CAN控制器，因而它支持2個(gè)CAN子網(wǎng)，能很方便地構(gòu)成CAN路由器。

圖3 LPC1768的CAN控制器

LPC1768的CAN控制器支持控制局域網(wǎng)（CAN），提供了一個(gè)完整的CAN協(xié)議（遵循CAN規(guī)范V2.0B）實(shí)現(xiàn)方案，因而它能很方便地兼容/混用過去的SJA1000 CAN系統(tǒng)。

3.2 CAN總線感知/控制模塊

CAN感知/控制模塊均選用基于Cortex-M0的LPC11C14/24。LPC11C14內(nèi)部集成有一個(gè)CAN控制器，而LPC11C24是在LPC11C14的基礎(chǔ)上集成了一個(gè)CAN收發(fā)器TJF1051。采用LPC11C14/24比過去采用51單片機(jī)＋TJF1050＋SJA1000方式，不僅性能大大提高，而且占用PCB板面積大大減小，芯片材料成本減少了40%。

新舊系統(tǒng)混用最好都采用同樣的CAN收發(fā)器。由于原CAN系統(tǒng)中CAN收發(fā)器芯片采用的是TJF1050，而TJF1051是與TJF1050高度兼容，因而以LPC11C14/24構(gòu)成的CAN模塊和采用51單片機(jī)＋TJF1050＋SJA1000的CAN模塊高度兼容/混用。

4 RS-485接口及RS-485感知網(wǎng)

在原智能家居系統(tǒng)中有不少的感知網(wǎng)采用RS-485總線，而且采用的是80C51系列的9位多機(jī)通信方式。在新系統(tǒng)中選用Cortex-M0/M3后，也完全可兼容/混用原系統(tǒng)。LPC11C14的CAN接口如圖4所示。

圖4 LPC11C14的CAN接口

4.1 LPC812M101FDH20的感知/控制網(wǎng)從機(jī)模塊

LPC812M101FDH20是NXP Cortex-M0系列中的20引腳廉價(jià)芯片，它有16K閃存、4K SRAM和3個(gè)串口。如圖5所示，LPC812M101FDH20通過開關(guān)矩陣分配引腳充當(dāng) U0/U2/U3＿TXD、U1/U2/U3＿RXD、U1/U2/U3＿RTS，連接MAX485即構(gòu)成了RS-485通信接口。在軟件中，通過CFG配置寄存器的第3、2位設(shè)置成10（9位通信模式），這就成了兼容于MCS-51的多機(jī)通信方式（即可進(jìn)行軟件地址檢測(cè)和收發(fā)器方向控制的RS-485通信）。

圖5 LPC812M101FDH20的RS-485接口

由于LPC800系列微處理器串口的9位通信方式中的第9位僅能進(jìn)行奇偶校驗(yàn)設(shè)置，不能人為設(shè)置1/0（地址/數(shù)據(jù)），所以它只能在RS-485感知/控制網(wǎng)中充當(dāng)從機(jī)。

在充當(dāng)從機(jī)使用中，先要將USART CTRL寄存器第2位（ADDRDET使能地址檢測(cè)模式）設(shè)置為1，這時(shí)僅對(duì)主機(jī)發(fā)來的地址數(shù)據(jù)，產(chǎn)生一個(gè)接收數(shù)據(jù)中斷。軟件隨后便檢查接收地址數(shù)據(jù)，判斷是否是本機(jī)地址。如果是，則軟件會(huì)清零ADDRDET位，所有后續(xù)輸入數(shù)據(jù)均會(huì)被正常接收處理。在一次輪詢應(yīng)答響應(yīng)完后，再將USART CTRL寄存器第2位（ADDRDET使能地址檢測(cè)模式）設(shè)置為1，等待下次輪詢本機(jī)。

LPC800的串口由于在設(shè)置波特率時(shí)，還可使用小數(shù)分頻器，使其在各種晶振下均能獲得精準(zhǔn)波特率；同時(shí)，它采用3次采樣接收，接收數(shù)據(jù)是3個(gè)樣本“投票”中的2個(gè)，當(dāng)有1個(gè)樣本與其他不同時(shí)，會(huì)將USART狀態(tài)寄存器第“15”位設(shè)置狀態(tài)標(biāo)志（接收噪聲中斷標(biāo)志），從而大大降低了誤碼率。

4.2 LPC1768的感知/控制網(wǎng)主機(jī)模塊

RS-485感知/控制網(wǎng)中的主機(jī)通常都是嵌入式通信服務(wù)器，所以選用Cortex-M3系列中的LPC1768作為感知/控制網(wǎng)中的主機(jī)。LPC1768雖有4個(gè)串口，但只有UART1具有RS-485模式。在這個(gè)模式中有3個(gè)專門用于RS-485通信的寄存器（控制寄存器、地址匹配寄存器、延時(shí)值寄存器）。

作為主機(jī)在輪詢發(fā)送時(shí)，首先要將LPC1768的U1LCR線控制寄存器的1、0位設(shè)置成11（8位字符長(zhǎng)度，相當(dāng)于MCS-51的9位數(shù)據(jù)長(zhǎng)度含TB8/RB8的通信）；再視所發(fā)送的是輪詢從機(jī)的地址還是數(shù)據(jù)，將U1LCR線控制寄存器第5、4位設(shè)成10（將第9奇偶校驗(yàn)位強(qiáng)制為1地址），或設(shè)成11（將第9奇偶校驗(yàn)位強(qiáng)制為0數(shù)據(jù)）。

作為主機(jī)在接收時(shí)，不再需要對(duì)自身地址匹配，所有的數(shù)據(jù)都必須接收。

通過U1RS485DLY延時(shí)值寄存器，可設(shè)置發(fā)送完最后一個(gè)停止位（移出TXFIFO）和DTR轉(zhuǎn)為接收信號(hào)之間的延時(shí)（0～255個(gè)波特率時(shí)鐘周期）。

5 ZigBee及WiFi接口

通過SPI接口，接入CC2530就構(gòu)成了ZigBee接口。通過SPI接口，接入WiSmart EC32L12模塊就構(gòu)成了WiFi接口。

結(jié) 語

采用NXP Cortex-M3/M0系列微處理器開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)，有以下幾大優(yōu)點(diǎn)：

①新系統(tǒng)的感知/控制網(wǎng)是32位系統(tǒng)，性能得到了極大地提高；

②Cortex-M3/M0系列ARM微處理器中都有一定的ROM API庫，加塊了開發(fā)速度，也減少了開發(fā)成本。

③集成度高，并有開關(guān)矩陣定義引腳，從而大大提高了硬件的適應(yīng)性。

④智能家居24小時(shí)工作不斷電，Cortex-M3/M0微處理器超低功耗設(shè)計(jì)，使新系統(tǒng)的待機(jī)功耗僅為舊系統(tǒng)的20%。

[1]廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司.LPC1700系列微控制器用戶手冊(cè)，2010.

[2]廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司.LPC11X/LPC11CX User manual，2012.

[3]廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司.LPC800系列微控制器用戶手冊(cè)，2013.