基于LPC2214的家庭智能終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　智能家居是指利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、綜合布線技術(shù)，將與家居生活有關(guān)的名種子系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合，通過統(tǒng)籌管理，使家居生活更加舒適、安全、有效。作為小區(qū)智能化的重要組成部分，智能家居平臺(tái)是通過其核心——家庭智能終端實(shí)現(xiàn)家居智能化。智能家居終端可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息的采集、信息輸入、邏輯處理、信息輸出、聯(lián)動(dòng)控制等功能。早期的家庭智能終端網(wǎng)絡(luò)是基于電話網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制。由于電話網(wǎng)絡(luò)的帶寬限制以及較高的使用成本，使得家庭智能終端無法推廣。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，基于IP技術(shù)的遠(yuǎn)程通信已經(jīng)成為家庭智能終端開發(fā)的重點(diǎn)。目前，基于8位單片機(jī)和TCP/IP協(xié)議的遠(yuǎn)程通信設(shè)備已大量出現(xiàn)。但是由于8位單片機(jī)工作頻率和存儲(chǔ)量的限制，使得操作系統(tǒng)和完整的IP協(xié)議無法移植，遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制的實(shí)時(shí)性和大數(shù)據(jù)量可靠通信難以保證，從而成為家庭智能終端開發(fā)的瓶頸。利用成熟的ARM芯片和μCOS-II操作系統(tǒng)，可以有效地解決這一難題。
　　ARM(Advanced RISC Machines)是精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)，它集成了典型的RISC結(jié)構(gòu)特性。除此之外，ARM體系結(jié)構(gòu)還具有地址自動(dòng)增加和自動(dòng)減少的尋址模式、多寄存器加載和存儲(chǔ)指令等特性。
　　從最初開發(fā)至今，ARM已經(jīng)經(jīng)歷了5種主要的ARM指令集體系結(jié)構(gòu)，以版本號(hào)V1~V5表示。常見的ARM7、ARM9、ARM10、SecurCore系列芯片都是ARM V4以上的體系結(jié)構(gòu)。ARM7TDMI系列芯片是目前應(yīng)用最廣泛的ARM芯片。其廣泛應(yīng)用于多媒體和嵌入式設(shè)備，包括Internet設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)設(shè)備以及移動(dòng)電話、PDA等無線設(shè)備。
　　PLC2214是Philips公司生產(chǎn)的一種高性價(jià)比的ARM7TDMI(-S)芯片，主要應(yīng)用于Internet網(wǎng)關(guān)、串行協(xié)議轉(zhuǎn)換、訪問控制等領(lǐng)域。
1 家庭智能終端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與硬件組成
1.1 家庭智能終端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　家庭智能終端是家庭智能化的核心設(shè)備，是家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)的中轉(zhuǎn)站。它通過各種協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊和組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。該文提出的家庭智能終端主要具有以下功能：安全防范、聯(lián)動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控、信息采集、家庭信息管理。外部網(wǎng)絡(luò)利用局域網(wǎng)與遠(yuǎn)程終端(用戶終端、小區(qū)管理終端、收費(fèi)終端等)進(jìn)行信息傳送。此外考慮到因特網(wǎng)的不穩(wěn)定性，系統(tǒng)還預(yù)留了PSTN接口以增加系統(tǒng)冗余。采用RS-485總線和藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，將無線與有線相結(jié)合滿足更多設(shè)備的需要。家庭智能終端的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖1所示。

1.2 家庭智能終端的硬件實(shí)現(xiàn)
　　本文以LPC2214-S作為中心控制芯片。LPC2214-S是基于實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S CPU的微控制器，并帶有256KB的高速片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器。片內(nèi)128位寬度的存儲(chǔ)器接口和加速器結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)高達(dá)60MHz的操作頻率。LPC2214還在片內(nèi)集成了16KB的SRAM，并且提供了豐富的接口資源，包括2個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART異步串行口，1個(gè)高速I²C接口(400Kbps)，2個(gè)SPI接口及112個(gè)GPIO口。其片內(nèi)Boot裝載程序可實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)編程(ISP)和在應(yīng)用編程(IAP)。此外芯片提供空閑和掉電兩種低功耗模式。
　　由此可以看出，LPC2214-S具有高性能、低功耗、接口資源豐富的特點(diǎn)。這些特點(diǎn)可以較好地滿足基于網(wǎng)絡(luò)的家庭智能終端的設(shè)計(jì)需要。
　　作為家庭自動(dòng)化的控制中心，家庭智能終端除了具有局域網(wǎng)接口、PSTN接口、RS-485接口、藍(lán)牙接口外，還提供音頻視頻接口、HUB接口、RS-232接口、報(bào)警傳感器接口等。這些接口可以實(shí)現(xiàn)音視頻自動(dòng)切換、多臺(tái)PC同時(shí)上網(wǎng)、與PC機(jī)結(jié)合完成家庭事物管理等功能。圖2為家庭智能終端主控模塊的硬件實(shí)現(xiàn)圖。

1.3 家庭智能終端工作原理
　　利用基于藍(lán)牙技術(shù)的遙控設(shè)備或基于RS-485總線的有線鍵盤，可以設(shè)置家庭智能終端的各項(xiàng)參數(shù)，打開或關(guān)閉485總線或具有藍(lán)牙模塊的電器設(shè)備，設(shè)置報(bào)警模塊的報(bào)警方式、撤布防等。此外遙控設(shè)備和鍵盤上還有緊急求助按鈕，可以通過電話和網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)程管理中心發(fā)送報(bào)警信號(hào)。家庭智能終端還具有聯(lián)動(dòng)控制模塊，當(dāng)485總線或藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)設(shè)備發(fā)生某個(gè)特定的動(dòng)作時(shí)，可以引發(fā)另外一些設(shè)備做設(shè)定的狀態(tài)變化，從而達(dá)到方便用戶和節(jié)省能耗的效果。以上介紹的是本地操作的工作原理。關(guān)于遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控，本文提供了兩種方式：基于電話網(wǎng)絡(luò)和基于互聯(lián)網(wǎng)。由于基于電話網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控已經(jīng)有了大量介紹，這里主要介紹互聯(lián)網(wǎng)方式的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控。
　　家庭智能終端是通過Web技術(shù)提供遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制服務(wù)的。用戶在任意一臺(tái)連接到因特網(wǎng)的PC機(jī)上打開Windows IE，登錄小區(qū)服務(wù)器，輸入家庭智能終端的IP地址和相關(guān)密碼，便可以看到智能終端上的Web頁。在Web頁上可以查看家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)各種設(shè)備的狀態(tài)，并且可以改變某些設(shè)備的狀態(tài)。這里利用小區(qū)網(wǎng)關(guān)完成小區(qū)局域網(wǎng)與外網(wǎng)的連接，小區(qū)內(nèi)部局域網(wǎng)上的IP地址可以使用私有地址，從而節(jié)省費(fèi)用。
2 家庭智能終端軟件設(shè)計(jì)
　　嵌入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μCOS-II是一種占先式多任務(wù)操作系統(tǒng)，可固化、可裁減、移植性好，具有良好的可靠性和穩(wěn)定性。它支持64個(gè)任務(wù)，具有信號(hào)量、消息郵箱、消息隊(duì)列等多種進(jìn)程間通信機(jī)制，已經(jīng)在商業(yè)領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用。由于μCOS-II操作系統(tǒng)本身并不帶TCP/IP協(xié)議棧，因此在操作系統(tǒng)上需要移植IP協(xié)議。本文采用μCOS-II+LWIP來實(shí)現(xiàn)家庭智能終端的網(wǎng)絡(luò)通信。
2.1 家庭智能終端軟件的總體規(guī)劃
　　家庭智能終端軟件部分包括遠(yuǎn)程通信模塊、RS-485通信模塊、無線通信模塊、232通信模塊、報(bào)警檢測(cè)模塊、聯(lián)動(dòng)控制模塊以及電話和語音控制模塊。根據(jù)以上劃分，在μCOS-II操作系統(tǒng)中定義了遠(yuǎn)程通信任務(wù)、485通信任務(wù)、232通信任務(wù)、報(bào)警檢測(cè)任務(wù)、聯(lián)動(dòng)控制任務(wù)、電話語音控制任務(wù)以及藍(lán)牙通信任務(wù)。各任務(wù)的優(yōu)先級(jí)和堆?？臻g分配如表1。

　　軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，保證程序具有良好的可移植性和可重用性，各種軟件模塊分別屬于不同的程序?qū)?。如圖3所示，筆者將軟件模塊分為三個(gè)程序集合，即軟件的程序?qū)?。?nèi)層是μCOS-II內(nèi)核，承擔(dān)任務(wù)管理、內(nèi)存管理和時(shí)間管理功能。應(yīng)用程序?qū)又饕瓿蓴?shù)據(jù)處理和請(qǐng)求內(nèi)核服務(wù)的功能。中間件層移植和編寫各部分通信協(xié)議和底層接口芯片的驅(qū)動(dòng)程序。圖3中最外圍層為硬件接口層，它不是實(shí)際的軟件層，并不做軟件編寫工作。智能終端的軟件部分非常復(fù)雜，由于篇幅所限，本文重點(diǎn)介紹操作系統(tǒng)的移植和遠(yuǎn)程監(jiān)控及控制。

2.2 μCOS-II操作系統(tǒng)在LPC2214上的移植
　　將μCOS-II操作系統(tǒng)移植到PLC2214上需要OS_CPU.H、OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM三個(gè)文件。OS_CPU.H主要定義不依賴于編譯的數(shù)據(jù)類型、指定堆棧的生長(zhǎng)方式以及定義底層接口。
　　為了具有良好的可移植性，μCOS-II并不使用C語言中的short、int、long等數(shù)據(jù)類型，而是以整數(shù)數(shù)據(jù)類型代替。PLC2214有四種堆棧形式：滿遞減、滿遞增、空遞減、空遞增，但是ADS1.2編譯器只支持滿遞減堆棧，即選擇由上向下增長(zhǎng)方式。
　　定義底層接口是為了在C語言中調(diào)用匯編代碼高效地完成某些系統(tǒng)服務(wù)功能。本文采用軟中斷指令實(shí)現(xiàn)底層接口。底層接口代碼如下：
　　#define OS_CRITICAL_METHOD 2
　　/*選擇開、關(guān)中斷的方式*/
　　__swi(0x00) void OS_TASK_SW(void)；
　　/*任務(wù)級(jí)任務(wù)切換函數(shù)*/
　　__swi(0x01) void _OSStartHighRdy(void)；
　　/*運(yùn)行優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)*/
　　__swi(0x02) void OS_ENTER_CRITICAL(void)；
　　/*關(guān)中斷*/
　　__swi(0x03) void OS_EXIT_CRITICAL(void)；
　　/*開中斷*/
　　__swi(0x40) void*GetOSFunctionAddr(int Index)；
　　/*獲取系統(tǒng)服務(wù)函數(shù)入口*/
　　__swi(0x41) void *GetUsrFunctionAddr(int Index)；
　　/*獲取自定義服務(wù)函數(shù)入口*/
　　__swi(0x42) void OSISRBegin(void)；
　　/*中斷開始處理*/
　　__swi(0x43) int OSISRNeedSwap(void)；
　　/*判斷中斷是否需要切換*/
　　__swi(0x80) void ChangeToSYSMode(void)；
　　/*任務(wù)切換到系統(tǒng)模式*/
　　__swi(0x81) void ChangeToUSRMode(void)；
　　/*任務(wù)切換到用戶模式*/
　　__swi(0x82) void TaskIsARM(INT8U prio)；
　　/*任務(wù)代碼是ARM代碼*/
　　__swi(0x83) void TaskIsTHUMB(INT8U prio)；
　　/*任務(wù)代碼是THUMB*/
　　OS_CPU_C.C文件首先根據(jù)PLC2214體系結(jié)構(gòu)和ADS1.2編譯器定義任務(wù)的堆棧結(jié)構(gòu)。在定義堆棧結(jié)構(gòu)的函數(shù)：OS_STK OSTaskStkInit(void(*task)void(*pd)，void*pdata，OS_STK**ptos，INT16U opt)中定義了一個(gè)全局變量OsEnterSum，主要用于對(duì)關(guān)中斷次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，這樣可以實(shí)現(xiàn)開中斷和關(guān)中斷的嵌套。此文件也包括實(shí)現(xiàn)軟中斷的詳細(xì)代碼。
　　void SWI_Exception(int SWI_Num，int*Regs)
　　{
　　OS_TCB *ptcb；
　　switch(SWI_Num)
　　{
　　case 0x02：/*關(guān)中斷函數(shù)OS_ENTER_CRIIICAL()*/
　　__asm
　　{
　　MRS R0，SPSR
　　ORR R0，R0，#NoInt
　　MSR SPSR_c，R0
　　}
　　OsEnterSum++；
　　break；
　　case 0x03：/*開中斷函數(shù)OS_EXIT_CRIIICAL()*/
　　if (--OsEnterSum == 0)
　　{
　　__asm
　　{
　　MRS R0，SPSR
　　BIC R0，R0，#NoInt
　　MSR SPSR_c，R0
　　}
　　}
　　break；
　　……
　　}
　　此外，本文件還包括運(yùn)行多任務(wù)時(shí)系統(tǒng)啟動(dòng)前調(diào)用最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的函數(shù)void OSStartHighRdy(void)以及幾個(gè)供用戶編寫的Hook函數(shù)。
　　OS_CPU_A.ASM包括四個(gè)簡(jiǎn)單的匯編語言函數(shù)：調(diào)用啟動(dòng)前最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)函數(shù)OSStartHighRdy( )，從低優(yōu)先級(jí)任務(wù)切換到高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的函數(shù)OSCtxSw( )、OSIntCtxSw( )，時(shí)鐘節(jié)拍中斷處理函數(shù)OSTickISR( )。任務(wù)切換函數(shù)在任務(wù)切換之前要利用堆棧保存被切換任務(wù)的有用狀態(tài)。LPC2214具有17個(gè)寄存器，但并不是所有的寄存器都需要進(jìn)入堆棧。為了節(jié)省堆?？臻g和減少切換時(shí)的時(shí)間開銷，建立了一個(gè)任務(wù)切換時(shí)的堆棧結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制
　　遠(yuǎn)程監(jiān)控與遠(yuǎn)程控制的軟件設(shè)計(jì)采用客戶端-服務(wù)器方式。TCP/IP協(xié)議的傳輸層有兩個(gè)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議：傳輸控制協(xié)議TCP和用戶數(shù)據(jù)報(bào)傳輸協(xié)議UDP，二者各有特點(diǎn)。UDP協(xié)議是提供最少服務(wù)和費(fèi)用的協(xié)議，它不基于連接來傳輸數(shù)據(jù)，因此UDP的傳送數(shù)據(jù)是不可靠的。TCP協(xié)議是基于連接的雙向傳輸?shù)目煽繑?shù)據(jù)傳輸協(xié)議，但是TCP協(xié)議的使用費(fèi)用較高。在智能終端的設(shè)計(jì)中，充分考慮了數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋憷院涂煽啃裕⑶诣b于ARM系統(tǒng)能夠提供足夠的資源，根據(jù)數(shù)據(jù)的不同要求，采用了不同的傳輸層協(xié)議。在軟件設(shè)計(jì)中使用Socket API函數(shù)來編寫UDP和TCP通信任務(wù)。TCP和UDP通信時(shí)，Socket API的應(yīng)用流程如圖5所示。

　　家庭智能終端是家庭內(nèi)外信息交換和家電控制的平臺(tái)。本文采用Philipes公司的ARM7芯片LPC2214設(shè)計(jì)了硬件和軟件，克服了8位單片機(jī)處理速度慢、接口資源和存儲(chǔ)資源不足的限制。利用RS-485和藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)作為家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，局域網(wǎng)和電話網(wǎng)絡(luò)作為外部網(wǎng)絡(luò)，保證了大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，并且兼顧了傳統(tǒng)的電話網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制方式。實(shí)踐表明，系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，在高端家庭智能終端領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?br />