引言
智能家居系統(tǒng)由一個主控制器和各節(jié)點模塊組成，主控制器有以ARM LPC2364為核心和MAX3088構成的RS一485接口，可以掛接最多256個設備節(jié)點，對于一個家庭已經夠用，尤其對于這樣一個設備復雜多變的家庭網絡非常適合。
MAX3088芯片支持最大10 Mb／s的傳輸速度，使傳輸一些大數(shù)據量信息成為可能，而且還提高了系統(tǒng)通信的實時性。其整體結構如圖1所示。
該系統(tǒng)通過以LPC2364為核心的主控制器連接外部Internet網絡和家庭RS一485網絡，摒棄了傳統(tǒng)的以家庭電腦為主控制器的方法，不僅節(jié)省了開支，而且省電節(jié)耗效果明顯。另外，保留了一個RS-232接口，以方便與家庭電腦通信，也為以后的系統(tǒng)升級提供了方便。LPC2364是飛利浦公司的一款帶有以太網控制器的ARM芯片，具有豐富的外設、較高的速度、工業(yè)級的控制標準，是穩(wěn)定、經濟的最佳選擇。其次，RS一485總線的掛接節(jié)點，按其功能可以分為家電控制模塊節(jié)點、安防控制模塊節(jié)點、燈光控制模塊節(jié)點等。
1 總體方案設計
智能家居系統(tǒng)包括多方面控制，如家電控制、安防報警控制、燈光控制、三表控制、門窗控制等。
每一方面的控制都包含了很多小的節(jié)點。本文選擇代表性較強的家電控制和安防監(jiān)控模塊進行了重點設計。
1.1 家電控制模塊
現(xiàn)代家庭中主要使用的電器的共同特點是繼電器控制。在家電的控制板上將功能繼電器相應的控制線與模塊MCU連接，通過RS-485總線接口就可以方便地使用該系統(tǒng)進行控制，如圖2所示。
使用7 bit輸入／輸出的達林頓管芯片MC1413驅動繼電器，來控制相關的開關量。如對空調來說，溫度控制、風向控制等是按鍵的開關量，都可以由繼電器來完成相應的控制。考慮到要嵌入家電中，控制節(jié)點盡量做得精小，而且沒有復雜的控制對象，選用AT89C2051單片機作為控制器。RS-485通信接口使用MAX1487芯片，允許掛接125個家電，采用半雙工通信方式，通信速率為2.5 Mb／s。家電控制通信只是進行控制命令和家電狀態(tài)信息的傳輸，數(shù)據量很小。該芯片通信速率能夠滿足要求。
1.2 安防監(jiān)控模塊
安防系統(tǒng)由煙霧傳感部分、煤氣傳感部分、實時監(jiān)控部分等組成，實現(xiàn)了防火、防煤氣中毒、防盜監(jiān)控等功能。這些組成部分由煙霧傳感器和煤氣傳感器等傳感器組成，結合A／D轉換芯片傳輸信息。
實時監(jiān)控部分采用Ovinmin公司生產的OV7141圖像采集芯片。OV7141是高度集成的攝像芯片，支持多種格式，內設串行控制總線（serial Camera Control Bus，SCCB）接口，提供簡單控制方式，可以對OV7141芯片內部所有寄存器值進行修改 。OV7141包含有8 bit數(shù)據（DO，D1，D7），同步信號VSYNC、HREF、PCLK，這些信號需要送給CPU以讀取圖像數(shù)據和保證同步。
由于OV7141默認幀頻為30 Hz，像素為640×480= 307 200，在此幀頻下的圖像數(shù)據傳輸速率為9.216 MB／s。在不考慮同步的情況下已遠超過串口的響應速度，必須重新設置以降低幀頻和像素。
在該系統(tǒng)中對OV7141的訪問有：
① 設置地址號為0xl1的幀頻控制器CLKRC，以降低幀頻；
② 設置地址號為0x14的控制器COMC，以設置像素為320×240；
③ 設置地址號為0x28的COMH，以設置掃描格式 。
硬件電路如圖3所示。
單片機89C51的內部數(shù)據存儲只有128 ByteRAM，必須外擴數(shù)據存儲器存儲圖片。由于單片機串口速度的限制，OV7141的像素設置為320×240，采集黑白圖片，這樣一幀圖片的存儲空間約為76 800 bit，即9.6 KB。外擴一個比9.6 KB大的存儲器即可，選擇32 KB的62256芯片可存儲多幀圖片。
數(shù)據的傳輸速度受到串口速度的限制，必須提高串口波特率。根據系統(tǒng)特點，在使用串口傳輸方式3時，波特率可變，可以根據傳輸效果實時改變。表1所示是采用不同波特率時一幀（一幀按9.6 KB計算）圖片的傳輸時間。
2 網絡通信
2.1 網絡設計
單片機構成的多級系統(tǒng)常采用總線型主從式結構。所謂主從式結構，即在多個單片機中，一個主機負責通信管理，其余的都是從機，從機要服從主機的調度和支配。主機還負責通過網絡接口進行遠程通信。
在實際的多機應用系統(tǒng)中，常采用RS一232、RS一422或RS一485串行標準總線進行數(shù)據傳輸。根據傳輸距離和通用性，選擇RS一485總線，單片機采用串行口工作方式3通信。
每個從機都有惟一的地址碼，該地址碼就是從機身份的識別標志。
2.2 通信機制
系統(tǒng)采用了RS一485總線通信方式，如圖4所示。通信中采用“輪詢制”，中繼器作為主設備不斷向下發(fā)送設備請求應答幀，而接人從設備不能主動發(fā)送數(shù)據。任何時刻，總線只處于一種方式，即接收數(shù)據或發(fā)送數(shù)據。系統(tǒng)初始化一旦完成，總線即被置為接收狀態(tài)，當從設備接收完主設備發(fā)來的消息后，立即通過軟件將總線置為發(fā)送狀態(tài)，等從設備發(fā)送完一幀數(shù)據又立即轉為接收狀態(tài)，等待主設備的請求幀。如果發(fā)來的請求幀中，設備ID地址和自身ID地址一致，接收設備就檢查這個幀是否正確。
表2所示為主機地址幀，從機的地址碼為00H，01H，02H，并用地址碼FFH命令從機復位。
表3所示為主機給從機的命令幀，OlH為主機命令從機接收數(shù)據，02H為主機命令從機發(fā)送數(shù)據。
如表4所示，數(shù)據字描述的都是開關量的信息，可以作為狀態(tài)信息傳送給主機，也可作為主機發(fā)送的命令格式。
2.3 通信流程圖
通信流程圖如5所示。
3 結語
系統(tǒng)采用嵌入式控制芯片做控制單元，通用RS-485總線組成傳輸網絡，實現(xiàn)了低成本、長距離傳輸，滿足一般家庭的遠程控制家電需求，具有較高的經濟性和實用性。