基于Cortex—A9的智能家居控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

左海成++劉豐++楊睿毅++葉晶晶++溫永彪

摘 要本文介紹了基于Cortex-A9的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該控制系統(tǒng)以ARM平臺(tái)Cortex-A9系列Hi3798C芯片為控制核心，集成了音視頻模塊、Wi-Fi模塊、ZigBee模塊、3G/4G模塊、智能配電管理和本地存儲(chǔ)等功能模塊，具有智能家居網(wǎng)關(guān)、無線路由器、機(jī)頂盒和家庭服務(wù)器等功能。通過此控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)智能家居的面板化控制操作和手機(jī)APP的遠(yuǎn)程控制，在家庭有線網(wǎng)絡(luò)通信異常時(shí)，仍可以實(shí)現(xiàn)智能家居的遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控和家居控制，具有較高的安全性和實(shí)用性。

【關(guān)鍵詞】智能家居 Cortex-A9 Hi3798C 家居控制

1 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能家電設(shè)備的發(fā)展，智能家居系統(tǒng)越來越引起國(guó)家和企業(yè)的重視和關(guān)注。通過家庭智能控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭用電設(shè)備的智能化控制和監(jiān)控，智能家居控制系統(tǒng)作為智能家居系統(tǒng)的核心部分，其功能和安全可靠性直接影響智能家居的推廣和發(fā)展。隨著人們節(jié)能意識(shí)和信息安全意識(shí)的提高，人們對(duì)智能家居控制系統(tǒng)的安全可靠性和功能多樣性也越來越關(guān)注。

本文介紹了基于Cortex-A9的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。基于ARM平臺(tái)Cortex-A9系列Hi3798C芯片的智能家居控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的智能家居網(wǎng)關(guān)相比具有高性能的數(shù)據(jù)處理能力、高清音視頻編解碼功能、千兆網(wǎng)絡(luò)接口和本地存儲(chǔ)接口等特點(diǎn)。用戶通過此智能家居控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)家庭監(jiān)控視頻實(shí)時(shí)查看和本地存儲(chǔ)、視頻點(diǎn)播、智能家庭用電管理，Wi-Fi無線覆蓋和家電智能化控制。同時(shí)，家庭有線網(wǎng)絡(luò)異常后，智能家居控制系統(tǒng)由有線通信切換為3G/4G通信模式，提高了智能家居系統(tǒng)的安全可靠性和實(shí)用性。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

基于Cortex-A9處理器的智能家居控制系統(tǒng)主要包括電源模塊、通信控制模塊、視頻監(jiān)控模塊、本地存儲(chǔ)模塊、音視頻模塊、觸摸屏顯示控制模塊、紅外控制模塊、ZigBee模塊、智能配電管理模塊、紅外控制模塊和通用外部擴(kuò)展接口（如USB、UART、以太網(wǎng)口）等。以控制系統(tǒng)為核心實(shí)現(xiàn)了智能家居系統(tǒng)的配電系統(tǒng)管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)、家用電器和照明控制、安防監(jiān)控管理、音視頻播放、家庭無線覆蓋等功能。

電源模塊為控制系統(tǒng)和外部智能接口提供電源，家居控制系統(tǒng)通過通信控制模塊的WLAN口網(wǎng)線接入Internet和云服務(wù)器，通信控制模塊的Wi-Fi模塊滿足用戶無線上網(wǎng)覆蓋的需求，在有線網(wǎng)絡(luò)通信異常時(shí)，通信控制模塊切換到通過3G/4G模式與internet和云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和交換。視頻監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)門禁及家庭重要場(chǎng)所的視頻安全監(jiān)控，監(jiān)控信息可以實(shí)時(shí)查看或進(jìn)行本地存儲(chǔ)；音視頻模塊實(shí)現(xiàn)智能家居媒體播放的輸入輸出控制，觸摸屏顯示控制模塊實(shí)現(xiàn)家庭智能家居的觸摸控制和操作；紅外控制模塊用來控制電視機(jī)和空調(diào)等紅外電器的開關(guān)；ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)家庭智能燈控系統(tǒng)的管理和利用ZigBee智能插座實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)電器的智能化改造。智能家庭配電系統(tǒng)安全和能效管理作為智能家居的重要組成部分，系統(tǒng)通過智能配電管理模塊中RS485通信控制接口實(shí)現(xiàn)家庭配電系統(tǒng)的智能化控制和門窗窗簾的電機(jī)控制功能。智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 微處理器

微處理選用ARM平臺(tái)Cortex-A9系列Hi3798CV100芯片，微處理Hi3798CV100芯片作為智能家居控制系統(tǒng)的控制核心，CPU具有四核ARM Cortex A9和硬件JAVA加速，具有八核高性能GPU。微處理Hi3798CV100芯片存儲(chǔ)器控制接口DDR3/3L支持最大2GB容量，支持SPI FLASH、NAND Flash和EMMC Flash多種存儲(chǔ)方式，具有較強(qiáng)的編解碼能力和數(shù)據(jù)處理能力。同時(shí)，處理器具有IR接收處理器、UART接口、USB3.0 Host和USB2.0 Host、GPIO等豐富的外圍接口。Hi3798CV100芯片結(jié)構(gòu)功能框圖如圖2所示。

3.2 配電控制模塊

配電控制模塊主要通過Hi3798CV100芯片的UART接口轉(zhuǎn)化為RS485接口協(xié)議與智能配電箱控制單元、智能窗簾電機(jī)控制終端進(jìn)行通信。RS485接口通過ADM2582E實(shí)現(xiàn)TTL與RS485的電平轉(zhuǎn)換，接口采用TVS管和氣體放電管防雷保護(hù)接地，增加系統(tǒng)接口的可靠性。系統(tǒng)具有4路RS485控制接口，1路與智能配電箱進(jìn)行通信控制，其它3路分別作為門窗電機(jī)控制接口。

3.3 通信控制模塊

通信控制模塊主要分三部分進(jìn)行功能設(shè)計(jì)，千兆以太網(wǎng)絡(luò)接口通過Hi3798CV100芯片的GE接口經(jīng)過PHY芯片RTL8211E和千兆網(wǎng)絡(luò)變壓器H5007NL，與Internet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高速率上行通信。為提高系統(tǒng)的可靠性，防止家庭網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)異常，控制系統(tǒng)采用雙備份的通信方式，利用處理器的USB接口與3G/4G模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)上行通信，同時(shí)可以支持在有線網(wǎng)絡(luò)異常時(shí)本地?zé)o線上網(wǎng)的需要。為了滿足本地上網(wǎng)的需求，替代家庭傳統(tǒng)路由器，系統(tǒng)通過以太網(wǎng)口與Wi-Fi無線路由器模塊進(jìn)行通信，Wi-Fi無線路由器模塊以AR9331無線處理器為核心控制單元，支持802.11b/g/n無線標(biāo)準(zhǔn)，可滿足家庭無線Wi-Fi覆蓋的需求和智能手機(jī)APP接入控制管理的需求。

3.4 視頻監(jiān)控模塊

Hi3798CV100處理器通過USB3.0接口與視頻監(jiān)控模塊進(jìn)行通信處理，通過GL3521芯片對(duì)USB3.0接口進(jìn)行HUB擴(kuò)展，支持4路USB3.0接口通信，其中2路用于家庭視頻監(jiān)控的信息的處理和控制。

3.5 音視頻和存儲(chǔ)模塊

系統(tǒng)支持1路高清和1路標(biāo)清同源或非同源輸出，最大支持4K*2K@30Hz輸出；具有1路HDMI接口和1路CVBS接口，支持左右聲道模擬輸出。存儲(chǔ)模塊接口通過HUB芯片擴(kuò)展的USB3.0接口進(jìn)行通信控制，USB3.0接口通過GL3321芯片轉(zhuǎn)化為SATA接口，可以外接SATA接口大容量移動(dòng)硬盤，便于監(jiān)控視頻存儲(chǔ)和本地化音視頻播放，同時(shí)，Hi3798CV100處理器支持TF卡存儲(chǔ)接口，可以對(duì)TF卡進(jìn)行存儲(chǔ)讀寫控制。

3.6 ZigBee控制模塊

鑒于ZigBee無線通信技術(shù)具有低功耗、低成本、易組網(wǎng)的的優(yōu)勢(shì)，智能家居照明系統(tǒng)和智能插座及相關(guān)智能電源管理單品采用了ZigBee無線通信技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)?？刂葡到y(tǒng)采用市場(chǎng)上主流的CC2430芯片進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，Hi3798CV100處理器通過UART串口與CC2430進(jìn)行通信控制轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)家用照明系統(tǒng)和家用電器的智能化控制。

3.7 其它接口功能

基于Cortex-A9處理器的智能家居控制系統(tǒng)除上述硬件設(shè)計(jì)功能接口外，還具有對(duì)外USB接口，支持USB程序升級(jí)和系統(tǒng)功能擴(kuò)展。通過ADM3202芯片設(shè)計(jì)具有RS232接口兩路，可以支持在線調(diào)試和對(duì)外擴(kuò)展支持RS232協(xié)議的功能模塊。系統(tǒng)具有常用的指示燈和復(fù)位電路按鈕，便于系統(tǒng)安裝調(diào)試和故障定位，系統(tǒng)同時(shí)具有紅外遙控接口設(shè)計(jì)功能和一些常用的電源接口和外部擴(kuò)展接口。

4 系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)

系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)采用功能模塊化方式，嵌入式底層軟件基于Linux操作系統(tǒng)和平臺(tái)，主要包括主程序和各部分功能模塊程序，主程序主要完成上電初始化配置、看門狗復(fù)位管理、內(nèi)部程序的運(yùn)行管理、外圍通信接口的初始化化等功能?；贑ortex-A9處理器的智能家居控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的應(yīng)用的主要模塊功能有電源管理模塊、通信控制模塊、紅外控制模塊、視頻功能模塊、配電管理模塊、本地存儲(chǔ)模塊和傳感器模塊。系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)基于服務(wù)器的大數(shù)據(jù)處理和學(xué)習(xí)功能，智能實(shí)現(xiàn)用戶日常行為的分析和故障告警信息的傳遞和處理。

5 結(jié)論

目前智能家居控制系統(tǒng)依然存在集成化程度不高、智能單品控制系統(tǒng)兼容性差不易擴(kuò)展等影響使用等問題?；贏RM平臺(tái)Cortex-A9系列Hi3798C芯片的智能家居控制系統(tǒng)具有智能家居網(wǎng)關(guān)、無線路由器、機(jī)頂盒和家庭服務(wù)器等功能，便于多種智能設(shè)備的集中管理和通信控制，降低智能家居綜合解決方案成本。隨著物聯(lián)網(wǎng)和智能家居技術(shù)的發(fā)展，具有多功能集成化的智能家居控制系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景將更加廣泛。

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