O 引言
智能家居是以住宅為平臺，兼?zhèn)浣ㄖO(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信、信息家電和設(shè)備自動化，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境。它利用先進的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和綜合布線技術(shù)，將與家居生活有關(guān)的各種系統(tǒng)有機地結(jié)合在一起，通過統(tǒng)籌管理，讓家居生活更加舒適、安全。家庭自動化、家庭網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)家電、信息家電等產(chǎn)品都屬于智能家居系統(tǒng)產(chǎn)品。
數(shù)據(jù)的采集、處理以及傳輸是實現(xiàn)智能小區(qū)控制作用的核心。在此設(shè)計了利用嵌入式系統(tǒng)作為開發(fā)平臺，利用TCP／IP協(xié)議作為信息傳輸方式的業(yè)主基本信息數(shù)據(jù)采集的方案。
由于Internet的發(fā)展和普及，采用TCP／IP協(xié)議簡單、方便、成本低，開放性好，標(biāo)準(zhǔn)化程度高。物業(yè)管理中心一方面通過互聯(lián)網(wǎng)獲得最新的消息(天氣預(yù)報、重大新聞等)，向外發(fā)布。另一方面，利用采集各節(jié)點的數(shù)據(jù)進行控制、決策和協(xié)調(diào)，并向外發(fā)布信息。
1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計
1．1 基本要求
各個業(yè)主將自己的基本信息(主要包括電度表、水度表、氣壓表等的讀數(shù))、室內(nèi)情況(主要包括溫度、含天燃氣濃度等)通過信息采集、處理與分析，完成單個業(yè)主的控制，并傳輸?shù)轿飿I(yè)管理中心，提供給物業(yè)管理人員使用以及供廣大業(yè)主參考。必須滿足的基本要求如下：
能對業(yè)主家各類傳感設(shè)備兼容，即能實現(xiàn)多路模擬和數(shù)字信號的采集。采集的時間間隔在30 s～2 min。
具有業(yè)主控制功能，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、處理和控制。當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)一旦出現(xiàn)故障，各節(jié)點能依據(jù)歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前采集的信息，實現(xiàn)報警功能。
實時接收由管理中心發(fā)來的信息，并能做出相應(yīng)的顯示，提醒業(yè)主自己當(dāng)前的情況。通信接口豐富(具有TCP／IP通信接口、RS 232／USB接口等)，內(nèi)存空間較大。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成原理如圖1所示。
1．2 系統(tǒng)設(shè)計
1．2．1 節(jié)點的硬件組成
考慮到各業(yè)主間的完全獨立的特殊性，前端設(shè)備采用嵌入的設(shè)計方法，其硬件組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。
節(jié)點作為控制的一部分，要完成對各業(yè)主的控制功能。控制的實現(xiàn)利用采集的各種數(shù)據(jù)和中心發(fā)布的協(xié)調(diào)控制指令，通過節(jié)點處理后完成。所以，一個節(jié)點由數(shù)據(jù)采集、傳輸、控制三個功能單元組成。這些功能的實現(xiàn)通過嵌入式系統(tǒng)來完成。
按其功能要求其數(shù)據(jù)流有：一是從各個傳感器采集的數(shù)據(jù)，通過中間處理過程進行處理后，顯示在業(yè)主面前；二是從信息采集系統(tǒng)中取來的數(shù)據(jù)，通過中間處理過程進行處理后，上傳到物業(yè)管理中心，存儲在數(shù)據(jù)庫中；三是管理中心發(fā)布系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的命令或處理的結(jié)果在業(yè)主家顯示。
1．2．2 數(shù)據(jù)的采集
物業(yè)管理數(shù)據(jù)的采集主要功能是將各業(yè)主的水表、電表、媒氣表等原始數(shù)據(jù)通過各類檢測器送到節(jié)點進行預(yù)處理。
常用傳感器技術(shù)包括干簧管傳感器、霍爾傳感器、紅外線傳感器、IC卡控制器和電子傳感器等。本系統(tǒng)采用電子傳感器，在普通水表、氣表的計數(shù)機構(gòu)中對應(yīng)于刻度盤的下面安裝電子傳感器，使傳感器與計數(shù)齒輪同步轉(zhuǎn)動，電子傳感器得到的電子信息與機械讀數(shù)完全同步，形成一定的函數(shù)關(guān)系，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后，分別得到水表、媒氣表讀數(shù)的數(shù)字信息，電表的讀數(shù)則可以采用電子式智能電表得到。通過RS 232接口傳送到微處理器中。
攝像頭數(shù)據(jù)通過USB接口與處理器通信。主要用于業(yè)主外出(特別是在外出度假)時，開啟攝像設(shè)備。可以對客廳或其他重要地方進行監(jiān)控。
1．2．3 數(shù)據(jù)的預(yù)處理
節(jié)點數(shù)據(jù)的預(yù)處理，其主要功能將各類檢測器采集的異樣數(shù)據(jù)進行過濾，去掉非法、無效的數(shù)據(jù)，對故障數(shù)據(jù)進行恢復(fù)，將有效、合法的數(shù)據(jù)按照標(biāo)準(zhǔn)進行格式化處理，并將其封裝、利用TCP／IP協(xié)議，通過通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到測控中心指定的數(shù)據(jù)通道或數(shù)據(jù)庫。提供給物業(yè)管理中心。采集得到的數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后的實時檢測交通數(shù)據(jù)效果更好，更符合實際情況的需要，并有效地節(jié)省了計算機存儲的工作量。
1．2．4 數(shù)據(jù)的顯示、存儲及傳輸
節(jié)點控制機將各種檢測器采集的交通流信息用來控制該節(jié)點的交通，同時又要經(jīng)處理機進行預(yù)處理，一方面利用LCD液晶顯示，使各業(yè)主很方便知道自已各種費用；另一方面，利用通信接口，通過TCP／IP協(xié)議，保證采集到的數(shù)據(jù)安全性、可靠性、有效性傳輸?shù)娇刂浦行模糜谡麄€系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制和管理。
2 系統(tǒng)實現(xiàn)
2．1 硬件結(jié)構(gòu)
節(jié)點處理機要執(zhí)行繁重的通信和算法處理，對處理器的通信和運算速度有很高的要求，傳統(tǒng)的單片機處理器性能有限無法滿足節(jié)點的要求。因此采用SAMSUNG公司的處理器S3C2410平臺，它具有靈活的特性和強大的性能，在嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。該處理器內(nèi)部集成了ARM公司ARM920T處理器核的32位微控制器，資源豐富，帶獨立的16 KB的指令CACHE和16 KB數(shù)據(jù)CACHE，LCD控制器、RAM控制器、NAND閃存控制器、三路UART、四路DMA、四路帶PWM的Timer、并行I／O口、八路10位ADC、TouchScreen接口、I2C接口、I2S接口、兩個USB接口控制器、兩路SPI，主頻最高可達203 MHz。在處理器豐富資源的基礎(chǔ)上，還進行了相關(guān)的配置和擴展，平臺配置了16 MB 16位的FLASH和64 MB 32位的SDRAM。通過以太網(wǎng)控制器芯片DM9161擴展了一個網(wǎng)口，另外引出了一個HOST USB接口。硬件平臺如圖3所示。主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲以及數(shù)據(jù)傳輸(網(wǎng)絡(luò)控制)。這里主要介紹數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)。
2．1．1 顯示接口的實現(xiàn)
在該顯示系統(tǒng)的硬件電路中，S3C2410與LCD模塊的連接是關(guān)鍵。S3C2410內(nèi)部自帶一個LCD驅(qū)動控制器(STN&TFT)，可以支持規(guī)格為每像素2位(4級灰度)或每像素4位(16級灰度)的黑白LCD。也可以支持每像素8位(256級顏色)的彩色LCD屏。通過編程可以支持不同LCD屏的要求。本系統(tǒng)除了顯示用戶水、電、媒氣的用量．還要顯示時間和室內(nèi)攝像的圖像。因此，選用夏普公司生產(chǎn)的圖形點陣256色STN液晶模塊LM057QCl-T0l，它的分辨率為320×240，由于它具有接口簡單、工作穩(wěn)定和便于操作等特點，在嵌入式系統(tǒng)有比較廣泛的應(yīng)用。LM057QClT01要求其電源電壓VDD為5 V，并且LCD數(shù)據(jù)和控制信號的高電平輸入電壓V1H在3．8～5．25 V范圍內(nèi)，低電平輸入電壓價則在O～1．5 V范圍內(nèi)，故可以直接與S3C44BOX0相連，而液晶顯示所需的偏轉(zhuǎn)電壓(27 V)可由外電路接入到VEE(第7管腳)，其電路圖如圖4所示。
2．1．2 網(wǎng)絡(luò)通信接口的實現(xiàn)
對于以太網(wǎng)接口，S3C24lO內(nèi)嵌了兩個以太網(wǎng)控制器，在全雙工模式下支持IEEE 802．3．MAC控制層協(xié)議，但未提供物理層接口，需外接一片物理層芯片以提供以太網(wǎng)的接人通道。本系統(tǒng)中選用DM9161作為物理層芯片，由于信號定義很明確，連接比較簡單。信號的發(fā)送和接收應(yīng)通過網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器和網(wǎng)絡(luò)水晶接頭RJ45接口接入以太網(wǎng)。DM9161是高集成度、低功耗的100Base-TX和10Base-T物理層收發(fā)芯片，只需要連接很少外圍元件就可以實現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的物理層收發(fā)，提供完全IEEE 802．3u中定義的100Base-TX所有的物理層功能。使用非屏蔽雙絞線(UTP5／UTP3)作為傳輸媒質(zhì)，為MAC層設(shè)備提供MII。MII是IEEE 802．3u標(biāo)準(zhǔn)(Clause22)中定義的接口規(guī)范。其目的是提供一個簡單的、易于實現(xiàn)的MAC子層和物理層的接口。MII接口使得不同的傳輸媒質(zhì)和物理層接口模塊可以通過統(tǒng)一的接口與MAC子層進行數(shù)據(jù)交互。
2．2 系統(tǒng)軟件
系統(tǒng)操作系統(tǒng)采用Linux操作系統(tǒng)，Linux內(nèi)核是一種源碼開放的操作系統(tǒng)，采用模塊化的設(shè)計。在此只保留了必需的功能模塊，刪除了冗余的功能模塊，并對內(nèi)核重新編譯，從而使系統(tǒng)運行所需的硬件資源顯著減少。最重要的一點是，Linux自誕生之日起就與網(wǎng)絡(luò)密不可分。Linux系統(tǒng)內(nèi)核集成了大量的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，支持全部的標(biāo)準(zhǔn)因特網(wǎng)協(xié)議和幾乎所有的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，這使Linux很適合基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用開發(fā)，用戶編寫的程序代碼可以直接建立在這些網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的基礎(chǔ)之上，從而大大縮短開發(fā)周期。因此將其應(yīng)用于智能家居控制器的設(shè)計，具有代碼量小、運行消耗系統(tǒng)資源少、可靠性高、開發(fā)周期短等優(yōu)點，適應(yīng)智能家庭數(shù)據(jù)采集控制器對于操作系統(tǒng)的要求。
2．1．1 顯示接口的實現(xiàn)
在該顯示系統(tǒng)的硬件電路中，S3C2410與LCD模塊的連接是關(guān)鍵。S3C2410內(nèi)部自帶一個LCD驅(qū)動控制器(STN&TFT)，可以支持規(guī)格為每像素2位(4級灰度)或每像素4位(16級灰度)的黑白LCD。也可以支持每像素8位(256級顏色)的彩色LCD屏。通過編程可以支持不同LCD屏的要求。本系統(tǒng)除了顯示用戶水、電、媒氣的用量．還要顯示時間和室內(nèi)攝像的圖像。因此，選用夏普公司生產(chǎn)的圖形點陣256色STN液晶模塊LM057QCl-T0l，它的分辨率為320×240，由于它具有接口簡單、工作穩(wěn)定和便于操作等特點，在嵌入式系統(tǒng)有比較廣泛的應(yīng)用。LM057QClT01要求其電源電壓VDD為5 V，并且LCD數(shù)據(jù)和控制信號的高電平輸入電壓V1H在3．8～5．25 V范圍內(nèi)，低電平輸入電壓價則在O～1．5 V范圍內(nèi)，故可以直接與S3C44BOX0相連，而液晶顯示所需的偏轉(zhuǎn)電壓(27 V)可由外電路接入到VEE(第7管腳)，其電路圖如圖4所示。
2．1．2 網(wǎng)絡(luò)通信接口的實現(xiàn)
對于以太網(wǎng)接口，S3C24lO內(nèi)嵌了兩個以太網(wǎng)控制器，在全雙工模式下支持IEEE 802．3．MAC控制層協(xié)議，但未提供物理層接口，需外接一片物理層芯片以提供以太網(wǎng)的接人通道。本系統(tǒng)中選用DM9161作為物理層芯片，由于信號定義很明確，連接比較簡單。信號的發(fā)送和接收應(yīng)通過網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器和網(wǎng)絡(luò)水晶接頭RJ45接口接入以太網(wǎng)。DM9161是高集成度、低功耗的100Base-TX和10Base-T物理層收發(fā)芯片，只需要連接很少外圍元件就可以實現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的物理層收發(fā)，提供完全IEEE 802．3u中定義的100Base-TX所有的物理層功能。使用非屏蔽雙絞線(UTP5／UTP3)作為傳輸媒質(zhì)，為MAC層設(shè)備提供MII。MII是IEEE 802．3u標(biāo)準(zhǔn)(Clause22)中定義的接口規(guī)范。其目的是提供一個簡單的、易于實現(xiàn)的MAC子層和物理層的接口。MII接口使得不同的傳輸媒質(zhì)和物理層接口模塊可以通過統(tǒng)一的接口與MAC子層進行數(shù)據(jù)交互。
2．2 系統(tǒng)軟件
系統(tǒng)操作系統(tǒng)采用Linux操作系統(tǒng)，Linux內(nèi)核是一種源碼開放的操作系統(tǒng)，采用模塊化的設(shè)計。在此只保留了必需的功能模塊，刪除了冗余的功能模塊，并對內(nèi)核重新編譯，從而使系統(tǒng)運行所需的硬件資源顯著減少。最重要的一點是，Linux自誕生之日起就與網(wǎng)絡(luò)密不可分。Linux系統(tǒng)內(nèi)核集成了大量的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，支持全部的標(biāo)準(zhǔn)因特網(wǎng)協(xié)議和幾乎所有的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，這使Linux很適合基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用開發(fā)，用戶編寫的程序代碼可以直接建立在這些網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的基礎(chǔ)之上，從而大大縮短開發(fā)周期。因此將其應(yīng)用于智能家居控制器的設(shè)計，具有代碼量小、運行消耗系統(tǒng)資源少、可靠性高、開發(fā)周期短等優(yōu)點，適應(yīng)智能家庭數(shù)據(jù)采集控制器對于操作系統(tǒng)的要求。