基于Cortex-M3微處理器的智能家居監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)

摘要：在分析智能家居系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了通過(guò)Intemet網(wǎng)絡(luò)對(duì)家用電器和安防設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的方法。給出了基于Cort-ex-M3微處理器的智能家居控制終端的硬件設(shè)計(jì)方案和實(shí)現(xiàn)方法，介紹了控制終端軟件實(shí)現(xiàn)的原理和流程。本系統(tǒng)還專門設(shè)計(jì)了一款內(nèi)嵌Zig-bee模塊的PDA以方便用戶在室內(nèi)對(duì)家用電器進(jìn)行控制。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠、性價(jià)比高，具有廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：Cortex-M3；LPC1769；Zigbee；智能監(jiān)控

0 引言
    智能家居系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)、嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將各種家用照明、安防、家電等通過(guò)家庭網(wǎng)絡(luò)連接到一起，從而為人們提供更為便利舒適生活的系統(tǒng)。隨著嵌入式Internet技術(shù)不斷地發(fā)展和成熟，通過(guò)Internet實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居的遠(yuǎn)程監(jiān)控正成為業(yè)界技術(shù)發(fā)展的方向。這種方式具有成本低、控制地域廣、可靠性高、通訊速度快、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。其基本工作原理是把智能家居系統(tǒng)中的信息與控制中心設(shè)備(簡(jiǎn)稱控制終端)設(shè)計(jì)成web服務(wù)器，通過(guò)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上的瀏覽器軟件對(duì)嵌入式Web服務(wù)器的訪問(wèn)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)控。因此實(shí)現(xiàn)這種系統(tǒng)的關(guān)鍵就是要設(shè)計(jì)能夠接入Internet的嵌入式控制終端。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
1．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    智能家居系統(tǒng)是由信息家電、安防報(bào)警、三表抄送三個(gè)子系統(tǒng)和一個(gè)控制終端組成的。控制終端是智能家居系統(tǒng)的核心設(shè)備，其主要功能是：對(duì)子系統(tǒng)各功能模塊實(shí)施分布式管理和控制；借助現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)與各模塊實(shí)現(xiàn)信息交換與共享；作為嵌入式web服務(wù)器，通過(guò)Intenet實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊和監(jiān)控。各子系統(tǒng)與控制終端通過(guò)家庭總線相連，家庭總線采用Zigbee無(wú)線通信方式。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1．2 系統(tǒng)的工作原理
    系統(tǒng)的工作原理是智能控制終端根據(jù)從現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)接收到的指令，對(duì)各功能模塊實(shí)行分布式輪循管理與控制，同時(shí)把智能家居系統(tǒng)的狀態(tài)信息傳送到遠(yuǎn)程控制端?？刂平K端與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通過(guò)B／S模式工作，控制終端作用相當(dāng)于一個(gè)嵌入式Web服務(wù)器，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)則作為瀏覽器工作。
    用戶在家中可以通過(guò)內(nèi)嵌Zigbee模塊的PDA方便地對(duì)家用電器進(jìn)行控制。

2 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)
2．1 網(wǎng)絡(luò)接口模塊設(shè)計(jì)
    ARM公司的Cortex-M3是一個(gè)速度快、功耗低、價(jià)格便宜的32位內(nèi)核，能很好地實(shí)現(xiàn)控制以及以太網(wǎng)接入等功能。本設(shè)計(jì)選用NXP的具有Cortex-M3內(nèi)核的LPC1769作為主控器件，采用ENC28J60作為網(wǎng)絡(luò)接口器件來(lái)設(shè)計(jì)以太網(wǎng)接入器。
    圖2為網(wǎng)絡(luò)接口硬件連接示意圖。ENC28J60通過(guò)SPI總線實(shí)現(xiàn)與LPC1769的數(shù)據(jù)傳輸。SSEL為片選信號(hào)。SCK為時(shí)鐘信號(hào)，MOSI／MISO為數(shù)據(jù)傳輸串口。此外，ENC28J60還與網(wǎng)絡(luò)變壓器HR901170A相連，引出RJ45接口。

    當(dāng)用戶通過(guò)瀏覽器軟件向控制終端發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求時(shí)，信息通過(guò)RJ45送至ENC28J60，ENC28J60負(fù)責(zé)將以太網(wǎng)幀的首、尾部信息剝離，將處理后的數(shù)據(jù)包送入LPC1769的TCP／IP協(xié)議棧以及應(yīng)用層軟件處理。同時(shí)控制終端的網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)又可經(jīng)過(guò)相反的方向傳送至遠(yuǎn)程的用戶端進(jìn)行顯示。
2．2 Zigbee模塊設(shè)計(jì)
    在RF收發(fā)器上，本設(shè)計(jì)選用了Chipcon公司的CC2420射頻收發(fā)器，它實(shí)現(xiàn)Zigbee協(xié)議的物理層(PHY)及媒體訪問(wèn)控制層(MAC)，具備65，000個(gè)節(jié)點(diǎn)通道并可隨時(shí)擴(kuò)充，以及低耗電、250kbps傳輸速率、快速喚醒時(shí)間(<30ms)、CSMA-CA通道狀態(tài)偵測(cè)等特性。
    CC2420可以通過(guò)4線SPI總線(SI、SO、SCLK、CSn)設(shè)置芯片的工作模式，并實(shí)現(xiàn)讀／寫緩存數(shù)據(jù)，讀／寫狀態(tài)寄存器等。通過(guò)控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態(tài)可設(shè)置發(fā)射／接收緩存器。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中CSn必須始終保持低電平。另外，通過(guò)CCA管腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制清除通道估計(jì)，通過(guò)SFD管腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制時(shí)鐘／定時(shí)信息的輸入。
    Zigbee模塊的電路原理圖如圖3所示：

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)利用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，采用“嵌入式操作系統(tǒng)”加“應(yīng)用程序的開發(fā)”模式，采用模塊化設(shè)計(jì)方法。本系統(tǒng)中采用的操作系統(tǒng)是uC／OS-Ⅱ。它是一個(gè)嵌入式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有簡(jiǎn)潔高效、易于移植、可裁剪等特點(diǎn)。針對(duì)本系統(tǒng)各模塊我們?cè)O(shè)計(jì)了相應(yīng)的獨(dú)立任務(wù)完成所需的功能，主要包括主程序任務(wù)、安防報(bào)警任務(wù)、信息家電控制任務(wù)和三表抄送任務(wù)。
3．1 主程序設(shè)計(jì)
    主程序任務(wù)是其他各任務(wù)的創(chuàng)建者，由它來(lái)管理各個(gè)任務(wù)的創(chuàng)建及運(yùn)行。故程序運(yùn)行時(shí)首先創(chuàng)建主程序任務(wù)，它的顯示界面將提供其他各個(gè)任務(wù)的進(jìn)入菜單。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。

    從圖中可以看到，系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化(包括LCD、中斷、串口等初始化)，再進(jìn)行Zigbee網(wǎng)絡(luò)的硬件初始化，再進(jìn)入操作系統(tǒng)uC／OS-II的載入及初始化，接下來(lái)創(chuàng)建主程序任務(wù)，主程序任務(wù)默認(rèn)又創(chuàng)建安防報(bào)警任務(wù)并進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)要進(jìn)行其他模塊任務(wù)的創(chuàng)建時(shí)就需要將安防報(bào)警任務(wù)掛起，等其他模塊任務(wù)退出后再恢復(fù)運(yùn)行安防報(bào)警模塊。每一時(shí)刻在uC／OS-II最多只有兩個(gè)任務(wù)處于運(yùn)行狀態(tài)，這樣做很好地保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
3．2 Zigbee收發(fā)子程序設(shè)計(jì)
    在對(duì)Zigbee節(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)置時(shí)，使用Chipcon公司提供的開發(fā)套件，該套件包括各種高性能的Zigbee軟件工具，如網(wǎng)絡(luò)設(shè)置器、協(xié)議追蹤調(diào)試工具等。Zigbee收發(fā)子程序流程圖如圖5所示：

4 結(jié)論
    本系統(tǒng)采用具有ARM Cortex-M3的嵌入式器件LPC1769作為主控制器件，在uC／OS-Ⅱ平臺(tái)上構(gòu)建了一個(gè)能夠接入Internet的嵌入式智能家居監(jiān)控終端。經(jīng)檢驗(yàn)，此系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定，與傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)相比更舒適、方便、快捷，應(yīng)用前景廣闊。另外，本文提出的原理和方法對(duì)于一些基于網(wǎng)絡(luò)接口的嵌入式系統(tǒng)都具有一定的參考價(jià)值。