基于ARM的智能家居遠程控制系統(tǒng)設計

隨著互聯(lián)網技術和信息通信技術向普通家庭生活的不斷普及，如何將消費電子、計算機和通信融為一體，已成為人們非常關心的一個問題。智能家電網絡管理系統(tǒng)能夠實現家用電器的網絡化、智能化管理。通過該系統(tǒng)將家中的網絡電器與互聯(lián)網和GPRS網絡相連，這樣無論何時何地，用戶都可以通過該系統(tǒng)遠程操縱家用電器。本文主要討論智能家居遠程控制系統(tǒng)的設計與實現。

智能家居系統(tǒng)的總體結構

智能家居遠程控制系統(tǒng)的核心部分是一個嵌入式Web服務器，系統(tǒng)集有線和無線Web服務器于一體，用戶可以利用辦公室的PC或者手機登錄家中的Web服務器，在通過用戶名和密碼驗證后，便可以查看并控制家用電器；系統(tǒng)帶有LCD和鍵盤，具有良好的人機界面；用戶還可以通過鍵盤來設定系統(tǒng)的任務；系統(tǒng)留有豐富的功能擴展接口，通過這些擴展接口將來還可以實現防火防盜和智能抄表等應用。系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

圖1 智能家居系統(tǒng)的總體結構

智能家居系統(tǒng)的硬件設計

1 系統(tǒng)的硬件結構

在本系統(tǒng)中，主芯片采用意法半導體的STR710，它基于高性能的ARM7TDMI內核，擁有非常豐富的外設和增強的I/O功能。該器件包含片上高速單電壓Flash存儲器和高速RAM存儲器。由于內嵌ARM內核，所以與所有的ARM工具和軟件兼容。網絡芯片采用Cirrus Logic公司生產的基于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來實現。

圖2 系統(tǒng)硬件結構

2 主芯片STR710

STR710具有4通道12位ADC和10個通信接口，非常適合工業(yè)應用，尤其適合本設計這種需要比較多的接口，既有模擬輸入又有數字輸入的系統(tǒng)。

STR710是整個系統(tǒng)的核心。它作為一個嵌入式網關，將外部網絡與所有的網絡家電連接在一起，是整個系統(tǒng)運行的平臺。首先，在遠程操縱家電方面，STR710負責從MC35i接收到的短消息和CS8900A接收到的以太網數據中提取出用戶指令，然后根據該指令操縱相應的網絡家電或者查詢其運行情況，最后將執(zhí)行結果反饋到用戶終端。其次，在網絡家電工作模式設置方面，STR710的任務主要是在LCD上顯示相應的菜單以及幫助信息，通過良好的界面指導用戶完成設置。STR710還定時查看家用電器的工作情況。一旦出現緊急或危險的狀況時，及時采取必要的保護措施，并向用戶終端報警。

3 網絡控制器CS8900A

CS8900A突出的特點是使用靈活，其物理層接口、數據傳輸模式和工作模式等都能根據需要而動態(tài)調整，通過內部寄存器的設置來適應不同的應用環(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存儲區(qū)的默認模式，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3所示，STR710通過/SBHE、/IOW和/IOR等控制信號實現對CS8900A的工作方式控制和讀寫操作。數據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，中斷信號線間需接一個非門。CS8900A與STR710之間的數據傳輸采用的是默認的I/O模式，因此，讀寫引腳/MEMW和/M EMR被置高，以關閉Memory方式。在此模式下，用4根地址線就可以實現對所有寄存器的訪問。如圖3所示，引腳SA0～SA3對應接到STR710的地址線A11～A14上即可。除了為保證上述的默認偏移地址(0x0300)，須將SA8和SA9置高外，其余不用的地址線都接低電平。

CS8900A通過一個帶厄流線圈的隔離變壓器(E2023)將CPU要發(fā)送的數據發(fā)送到網絡上；接收數據時，由網絡傳來的數據也經過隔離變壓器。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，實現帶電的插拔功能。

圖3 CS8900A與STR710的接口

4 GPRS模塊MC35i

MC35i的正常運行需要相應的外圍電路與其配合。MC35i的40個引腳通過ZIF連接器分別與電源電路、啟動與關機電路、數據通信電路、語音通信電路、SIM卡電路、狀態(tài)指示燈電路等連接，如圖4所示。

圖4 MC35i外圍接口電路

系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件采用分層設計，包括硬件設備驅動層、操作系統(tǒng)層、應用程序接口層和應用軟件層。軟件系統(tǒng)結構如圖5所示。

圖5 智能家電網絡管理系統(tǒng)軟件框架

操作系統(tǒng)選擇小型的實時操作系統(tǒng)μC/OS-II是基于以下幾方面的考慮：完全免費的內核、公開的源代碼、系統(tǒng)內核實用性強、可靠性高，操作系統(tǒng)內核對處理器以及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）、網絡層（IP協(xié)議、ICMP協(xié)議）、傳輸層（TCP協(xié)議、UDP協(xié)議）、應用層（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μCGUI。

結束語

這一智能家居遠程控制系統(tǒng)設計有別于以往的僅側重于安防的思路，而是家庭信息化的整體解決方案，文中給出了系統(tǒng)的硬件組成和結構，給出了關鍵模塊的連接方式，以及軟件實現的結構框圖。由于系統(tǒng)留有豐富的接口，所以隨著寬帶無線通信技術、Internet技術和微處理器技術的發(fā)展，系統(tǒng)的功能可以得到不斷的補充和完善。以防盜報警為例，在家中安裝攝像頭，以嵌入式系統(tǒng)為視頻中央處理器，完成視頻壓縮與識別，就可以實現家庭的實時監(jiān)控和報警。可以看出，智能家居系統(tǒng)目前擁有廣闊地應用前景。