基于嵌入式的智能家庭網(wǎng)關(guān)控制系統(tǒng)

基于嵌入式的智能家庭網(wǎng)關(guān)控制系統(tǒng)

1中央控制器有線/無(wú)線接口智能家庭網(wǎng)絡(luò)可以視為一個(gè)信息處理系統(tǒng)。每個(gè)系統(tǒng)元素都連接到網(wǎng)絡(luò)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的家庭設(shè)備。系統(tǒng)中央控制器一方面提供各個(gè)設(shè)備的信息交換接口,另一方面進(jìn)行信息化控制與處理;各個(gè)設(shè)備單元以總線(有線或無(wú)線)方式連接。因此,系統(tǒng)要求中央控制器具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的接口,各設(shè)備的總線連接方式可靠。在本系統(tǒng)模型中,中央控制器是采用ARM處理器S3C44B0X為核心的開發(fā)平臺(tái),內(nèi)部設(shè)備單元的連接采用CAN總線方式,網(wǎng)關(guān)的外部連接以整體的形式與外界進(jìn)行數(shù)字或模擬信號(hào)的交換。2種控制方式如圖1所示,嵌入式智能網(wǎng)關(guān)的功能主要有外部信號(hào)的接入與CAN總線模塊通訊。目前外部信號(hào)的控制方式有基于Ethernet的遠(yuǎn)程監(jiān)控、基于電話網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和基于紅外的近程遙控三種控制方式。每種控制方式通過(guò)智能網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)與家用設(shè)備的遠(yuǎn)程或近程數(shù)據(jù)交換,完成對(duì)家用設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、開關(guān)量控制和模擬量調(diào)節(jié)等功能。根據(jù)家居控制的實(shí)際情況,控制協(xié)議對(duì)三種控制方式進(jìn)行優(yōu)先級(jí)設(shè)定。各個(gè)設(shè)備采用CAN總線方式連接以減少室內(nèi)的物理連線,按照各種設(shè)備的控制需要可以設(shè)計(jì)智能節(jié)點(diǎn)和非智能節(jié)點(diǎn)以優(yōu)化總線配置。3關(guān)鍵技術(shù)3.1嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)ARM處理器S3C44B0X是韓國(guó)三星公司早期推出的一款基于ARM7TDMI核的16/32位RISC高性價(jià)比、低功耗的嵌入式微處理器,芯片的片上資源非常豐富,提供了8KB的Cache、可選SRAM、2個(gè)UART、系統(tǒng)管理、8通道12位ADC、I/O口、I-IC/IIS總線等功能接口,自帶LCD控制器,大大降低了成本,可以移植μClinux等復(fù)雜的操作系統(tǒng),非常適用于高性能的嵌入式系統(tǒng)?；赟3C44B0X的嵌入式系統(tǒng)操作平臺(tái)是構(gòu)建智能網(wǎng)關(guān)最核心的技術(shù)。嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)采用μClinux操作系統(tǒng),該操作系統(tǒng)包含TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧,協(xié)議棧通過(guò)一系列互相連接層的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)各層之間的Internet地址族,硬件擴(kuò)展如圖2所示。因?yàn)镾3C44B0X片內(nèi)不帶啟動(dòng)FLASH和RAM,在應(yīng)用時(shí)須進(jìn)行擴(kuò)展,主要采用了8MB的系統(tǒng)內(nèi)存和16MB的硬盤組成ARM最小系統(tǒng),然后利用芯片自帶的功能接口以及智能網(wǎng)關(guān)的需求進(jìn)行擴(kuò)展:接口主要包括USB接口,JTAG調(diào)試口,紅外接口,語(yǔ)音采集與輸出接口,多路復(fù)用的傳感器AD轉(zhuǎn)換接口,Ethernet網(wǎng)絡(luò)接口,CAN總線接口,電話接口等;人機(jī)交互設(shè)備包括一個(gè)4×6的矩陣鍵盤,一塊3.9英寸的LCD顯示屏和四個(gè)LED指示燈。3.2語(yǔ)音信息的采集智能網(wǎng)關(guān)內(nèi)部完全集成了一個(gè)可自動(dòng)應(yīng)答的家用座式電話機(jī),在此基礎(chǔ)上可以檢測(cè)到在通話過(guò)程中外界通過(guò)撥號(hào)發(fā)送的雙音多頻信號(hào),并通知ARM系統(tǒng)做出相應(yīng)的反應(yīng)以及調(diào)用預(yù)先保存在ARM系統(tǒng)中的數(shù)字語(yǔ)音信息給用戶以提示。當(dāng)居室中出現(xiàn)某些意外情況,可以在電話線上加載雙音多頻信號(hào)撥打預(yù)先保存在網(wǎng)關(guān)中的電話號(hào)碼并調(diào)用語(yǔ)音信息通知用戶及時(shí)處理。該模塊主要由鈴流檢測(cè)電路,雙音多頻編解碼芯片MT8880以及外圍電平轉(zhuǎn)換電路組成,通過(guò)中斷和I/O口與ARM系統(tǒng)相連,如圖3是S3C44B0X與電話雙音多頻和語(yǔ)音信號(hào)模塊的物理連接框圖。3.3汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)用CAN(ControllerAreaNetwork)即控制器局域網(wǎng),是一種全數(shù)字化、多主和雙向的現(xiàn)場(chǎng)總線。與一般的通信總線相比,CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有多主工作方式、報(bào)文標(biāo)志符濾波、非破壞性仲裁、較高的傳輸速率、高性價(jià)比等突出特點(diǎn),現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于汽車、工業(yè)控制、小區(qū)安防、智能家居等眾多領(lǐng)域中。在智能網(wǎng)關(guān)的電路中集成了一個(gè)CAN模塊,模塊采用PHILIPS公司的CAN控制器SJA1000與驅(qū)動(dòng)器TJA1050作為網(wǎng)關(guān)與家庭中CAN總線的接口,由于S3C44B0X與SJA1000之間使用不同的信號(hào)電平且使用不同的總線結(jié)構(gòu),因此選擇QS34X245芯片作3.3V/5V電平轉(zhuǎn)換以及采用GAL器件實(shí)現(xiàn)對(duì)SJA1000的寄存器操作,CAN模塊接收來(lái)自微控制器的經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換后的指令就可以自動(dòng)完成鏈路層以下的收發(fā)工作,如圖4為S3C44B0X與CAN總線模塊的接口。3.4fpga雙絞線模塊系統(tǒng)采用Realtek公司的全雙工以太網(wǎng)接口芯片RTL8019進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接,它能完成物理幀的形成、編解碼、CRC的形成和校驗(yàn)、數(shù)據(jù)的收發(fā)等;它內(nèi)嵌16K的SDRAM,具有全雙工的通信接口;它可以通過(guò)交換機(jī)在雙絞線上同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù),使帶寬從10MHz增加到20MHz,是用來(lái)進(jìn)行以太網(wǎng)通信的理想芯片。如圖5是S3C44B0X與Ethernet模塊的接口框圖,通過(guò)無(wú)屏蔽雙絞線RJ-45接口接入Ethernet小區(qū)局域網(wǎng),再通過(guò)小區(qū)局域網(wǎng)聯(lián)入Internet便于遠(yuǎn)程監(jiān)控。由于在Ethernet網(wǎng)絡(luò)中,家庭智能網(wǎng)關(guān)只是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的接收反饋型用戶終端,其接收到的IP數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)智能網(wǎng)關(guān)軟件系統(tǒng)處理并提取各種命令信息后,可直接由CAN智能與非智能節(jié)點(diǎn)執(zhí)行外界用戶的操作指令或者收集室內(nèi)各CAN節(jié)點(diǎn)信息經(jīng)過(guò)軟件打包后發(fā)送到Ethernet網(wǎng)絡(luò),因此只存在CAN總線與Ethernet的不透明信息交換而無(wú)需進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換。4系統(tǒng)的安全問(wèn)題設(shè)計(jì)智能網(wǎng)關(guān)如一個(gè)帶3.9英寸彩色顯示屏的傳真機(jī):顯示屏正常頁(yè)面可顯示日期、時(shí)鐘、溫度、濕度等狀態(tài),借助鍵盤可查看10天內(nèi)的所有非語(yǔ)音電話信息、居室以外的查詢控制信息和居室內(nèi)的設(shè)備非正常信息;4×6的矩陣鍵盤分為一個(gè)4×4的電話鍵盤和一個(gè)2×4功能鍵盤;話筒可用于正常的電話通話,預(yù)留USB接口可連接攝像頭實(shí)現(xiàn)視頻通話;網(wǎng)關(guān)側(cè)面留有普通的電源接口(9V)、網(wǎng)絡(luò)接頭(RJ45)、電話線接口、9針串口接口(用于連接家庭CAN總線)。系統(tǒng)上電后ARM運(yùn)行μClinux并對(duì)系統(tǒng)初始化,尤其是對(duì)CAN模塊進(jìn)行初始化并且要求CAN模塊以控制節(jié)點(diǎn)的模式對(duì)CAN總線中的非智能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化;系統(tǒng)運(yùn)行中以一定時(shí)間間隔向CAN總線發(fā)送遠(yuǎn)程幀并等待各個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)回應(yīng)的數(shù)據(jù)幀信息,系統(tǒng)根據(jù)回應(yīng)的信息判斷各個(gè)設(shè)備是否運(yùn)行正常,如果正常則轉(zhuǎn)入睡眠模式等待下一個(gè)計(jì)時(shí)中斷的喚醒,如果不正常則可利用CAN總線的分布式控制實(shí)現(xiàn)及時(shí)處理并調(diào)用電話模塊撥打主人手機(jī)或者以Ethernet方式通知小區(qū)控制終端。外界電話雙音多頻與語(yǔ)音信號(hào)、Ethernet、紅外信號(hào)以及CAN總線其它節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)關(guān)的任何訪問(wèn)可將處于睡眠狀態(tài)的系統(tǒng)喚醒以實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)外信息的交換。家庭智能網(wǎng)關(guān)的安全問(wèn)題是一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié),在系統(tǒng)中設(shè)置了三個(gè)等級(jí)的安全級(jí)別:小區(qū)管理級(jí),只能查看到“三表”以及防盜等情況;家庭管理級(jí),可實(shí)現(xiàn)對(duì)家用設(shè)備的查詢與控制;網(wǎng)關(guān)管理級(jí),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)關(guān)的設(shè)置與管理,如修改家庭管理級(jí)的密碼等。5其他接口的改進(jìn)本文提供了一種新的