嵌入式技術(shù)在智能家居終端控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

　1 引言

　　智能家居是近幾年產(chǎn)生并迅速崛起的一種新型家居住宅，家居的智能化為住戶提供了一種更加安全、舒適、方便、快捷和開放的智能化、信息化的生活空間。它不僅已經(jīng)成為一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)技術(shù)的綜合標(biāo)志之一，而且也是人類社會(huì)住宅發(fā)展的必然趨勢。

　　隨著EDA技術(shù)的高速發(fā)展，智能家居的實(shí)現(xiàn)也得到了更好的解決。本系統(tǒng)采用三星公司的S3C44B0X芯片，使用uC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以及先進(jìn)的藍(lán)牙無線通信技術(shù)給出了智能家居的一種合理的、高性能的實(shí)現(xiàn)。

　　2 總體方案設(shè)計(jì)

　　本控制系統(tǒng)采用分布式控制方式對(duì)智能家居的各部分進(jìn)行統(tǒng)一的控制，主要包括信息家電部分、環(huán)境控制（包括室溫，照明，窗簾等）部分、安防報(bào)警部分、遠(yuǎn)程操作部分。各部分又包含多個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)即為通訊的一個(gè)終端。各節(jié)點(diǎn)之間相互獨(dú)立，某一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)不影響到其他節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行。智能家居系統(tǒng)總體架構(gòu)框圖如圖1所示。

　　從圖中1可以看到，遠(yuǎn)程操作部分與主控制器以串口連接，家居中各節(jié)點(diǎn)與主控制器形成一個(gè)藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)相互通信，所以通過外部計(jì)算機(jī)或網(wǎng)絡(luò)就可以實(shí)現(xiàn)和主控制器的通訊從而實(shí)現(xiàn)對(duì)家居中各節(jié)點(diǎn)的控制。當(dāng)然也可以由主控制器來直接控制各節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行，這樣更快捷。主控制器通過發(fā)送控制命令給節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)收到命令后進(jìn)行相應(yīng)分析并做出相應(yīng)動(dòng)作，然后返回最終的狀態(tài)給主控制器，主控制器再通過串口將各節(jié)點(diǎn)的信息發(fā)送到遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)或直接顯示到自帶的顯示液晶上。系統(tǒng)中各部分都預(yù)留有擴(kuò)展的節(jié)點(diǎn)，以備將來設(shè)備的增加。

　　3 硬件設(shè)計(jì)

　　3.1 藍(lán)牙技術(shù)

　　藍(lán)牙技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)與數(shù)字通信的開放性規(guī)范，用微波無線通信技術(shù)取代數(shù)據(jù)電纜來完成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)短距離通信。藍(lán)牙技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)有：可以隨時(shí)隨地用無線接口來代替有線電纜連接；具有很強(qiáng)的移植性，可用于多種通信場合；功耗低，對(duì)人體危害??；藍(lán)牙集成電路應(yīng)用簡單，成本低廉，實(shí)現(xiàn)容易，易于推廣。藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用了全球統(tǒng)一的頻率（ISM頻段）設(shè)置，ISM頻段是對(duì)所有無線電系統(tǒng)都開放的頻段，使用其中的某個(gè)頻段都會(huì)遇到不可預(yù)測的干擾源。因此藍(lán)牙技術(shù)特別設(shè)計(jì)了快速確認(rèn)和跳頻方案以確保鏈路穩(wěn)定。

　　藍(lán)牙協(xié)議棧如圖2所示。藍(lán)牙體系結(jié)構(gòu)中的協(xié)議可分為4層：核心協(xié)議、電纜替代協(xié)議、電話傳送控制協(xié)議和可選協(xié)議。除了這些協(xié)議層外，規(guī)范還定義了主機(jī)控制器接口（HCI），它為基帶控制器、鏈路管理器、硬件狀態(tài)和控制寄存器提供命令接口。藍(lán)牙核心協(xié)議包括基帶、LMP、L2CAP、SDP。

　　在藍(lán)牙協(xié)議棧中，HCI以上部分通常用軟件實(shí)現(xiàn)，包括邏輯鏈路控制和適配協(xié)議L2CAP、串行仿真RFCOMM、電話替代協(xié)議和選用協(xié)議；而HCI以下部分則用硬件實(shí)現(xiàn)，包括基帶協(xié)議和鏈路管理協(xié)議（LMP），這部分也叫藍(lán)牙協(xié)議體系結(jié)構(gòu)中的底層硬件模塊。

　　在家居控制器上使用藍(lán)牙技術(shù)主要是為了給家居控制器的各個(gè)功能模塊提供無線傳輸?shù)姆绞?，?duì)藍(lán)牙的高層協(xié)議并沒有太大的需求，因此在家居中央控制器上可以采用藍(lán)牙模塊加開放藍(lán)牙協(xié)議的方式開發(fā)藍(lán)牙功能。綜合考慮成本、結(jié)構(gòu)等因素，信息家電可以采用藍(lán)牙模塊加單片機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙功能。將整個(gè)藍(lán)牙核心協(xié)議棧移植到單片機(jī)中顯然不合實(shí)際。可以采用這樣的開發(fā)方案：在藍(lán)牙HCI層的基礎(chǔ)上，根據(jù)信息家電信息傳輸?shù)膶?shí)際需求，建立相關(guān)協(xié)議，利用單片機(jī)直接和藍(lán)牙硬件模塊交換HCI指令，實(shí)現(xiàn)信息交互。單片機(jī)采集信息家電的相關(guān)信息通過藍(lán)牙模塊發(fā)送出去，藍(lán)牙模塊也可以將接收到的命令用HCI指令傳遞給單片機(jī)執(zhí)行。

　　3.2 硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)的硬件平臺(tái)主要是在EV44B0II開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)的，它采用三星公司生產(chǎn)的S3C44B0X32位高性能芯片，具有很高的性價(jià)比，且能很好的滿足本系統(tǒng)的需求。藍(lán)牙通信模塊采用愛立信公司的藍(lán)牙模塊ROK101007。該模塊是一款適合短距離無線通信的射頻/基帶模塊，集成度高、功耗小，完全兼容藍(lán)牙協(xié)議VersiON1 1，可嵌入任何需要藍(lán)牙功能的設(shè)備中。硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　其中，主CPUS3C44B0X與ROK101007模塊通過UART口連接，其連接電路如圖4所示。

　　從圖4中可以看到，主控制器連接到一個(gè)藍(lán)牙主模塊，通過它與各節(jié)點(diǎn)的藍(lán)牙從模塊進(jìn)行通信來實(shí)現(xiàn)各種控制功能。同時(shí)主控制還帶有LCD以及鍵盤輸入的功能。即可在主控制器進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)的輸入然后通過藍(lán)牙主模塊發(fā)送到節(jié)點(diǎn)，從各節(jié)點(diǎn)返回的狀態(tài)信息也可即時(shí)的在LCD上顯示。

　　4 軟件設(shè)計(jì)

　　根據(jù)智能家居中各部分的劃分，軟件也相應(yīng)的對(duì)各部份進(jìn)行了模塊化的設(shè)計(jì)。包括遠(yuǎn)程控制模塊，安防報(bào)警模塊，環(huán)境控制模塊，信息家電模塊。而其中安防報(bào)警模塊的優(yōu)先級(jí)是最高的，其次是環(huán)境控制模塊（因?yàn)樾枰獙?shí)時(shí)的環(huán)境狀態(tài)），然后才是遠(yuǎn)程控制模塊和信息家電模塊。

　　本系統(tǒng)中采用的操作系統(tǒng)是uC/OS-II.它是一個(gè)嵌入式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有簡潔高效，易于移植，可裁剪等特點(diǎn)。它可以最多管理63個(gè)任務(wù)，且提供良好的任務(wù)控制API使得用戶可靈活簡便的控制各任務(wù)的運(yùn)行。針對(duì)本系統(tǒng)各模塊我們設(shè)計(jì)了相應(yīng)的獨(dú)立任務(wù)完成所需的功能。主要包括主程序任務(wù)、安防報(bào)警任務(wù)、環(huán)境控制任務(wù)、遠(yuǎn)程控制任務(wù)和信息家控制任務(wù)。主程序任務(wù)是其他各任務(wù)的創(chuàng)建者，由它來管理各個(gè)任務(wù)的創(chuàng)建及運(yùn)行。故程序運(yùn)行時(shí)首先創(chuàng)建主程序任務(wù)，它的顯示界面將提供其他各任務(wù)的進(jìn)入菜單。當(dāng)需要對(duì)某個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制或狀態(tài)查看時(shí)，就進(jìn)入它所在的模塊菜單，主程序就創(chuàng)建此模塊任務(wù)進(jìn)行對(duì)此節(jié)點(diǎn)的控制。主程序任務(wù)默認(rèn)首先創(chuàng)建安防報(bào)警任務(wù)，因?yàn)樗枰罡叩膬?yōu)先級(jí)。

　　整個(gè)程序運(yùn)行過程如圖5所示。

　　從圖中可以看到，系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化（包括LCD，中斷，串口等的初始化），再進(jìn)行藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的硬件初始化，再進(jìn)入操作系統(tǒng)uC/OS-II的載入及初始化，接下來uC/OS-II利用OSTaskCreat（）創(chuàng)建主程序任務(wù)。主程序任務(wù)默認(rèn)又創(chuàng)建安防報(bào)警任務(wù)并進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)要進(jìn)行其它模塊任務(wù)的創(chuàng)建時(shí)就需將安防報(bào)警任務(wù)掛起，等其他模塊任務(wù)退出后再恢復(fù)運(yùn)行安防報(bào)警模塊。每一時(shí)刻在uC/OS-II最多只有兩個(gè)任務(wù)處于運(yùn)行狀態(tài)，這樣做很好的保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

　　5 結(jié)語

　　本系統(tǒng)采用了藍(lán)牙技術(shù)和32位微控制器對(duì)終端控制進(jìn)行了設(shè)計(jì)，使其控制系統(tǒng)性能優(yōu)越、結(jié)構(gòu)清晰、成本低并具有較好的擴(kuò)展性。與有線家居網(wǎng)絡(luò)相比，本系統(tǒng)擺脫了布線系統(tǒng)的束縛，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。用戶在增加電器或其他設(shè)備時(shí)，只需要增加相應(yīng)的設(shè)備識(shí)別號(hào)，無須增加連線。隨著計(jì)算機(jī)、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，可以預(yù)見，不遠(yuǎn)的將來智能家居市場必將迎來它的繁榮發(fā)展階段。