基于Cortex—M3處理器的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一種以Cortex—M3微控制器為核心，μC／OS-Ⅱ?yàn)閷?shí)時(shí)操作系統(tǒng)、JN5139模塊為節(jié)點(diǎn)，組建的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過采用3G無線通信技術(shù)以及構(gòu)建Web服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)家庭內(nèi)部ZigBee網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。給出了智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的硬件和軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)并詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。該系統(tǒng)成本低廉、性能穩(wěn)定、便于擴(kuò)展，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：智能家居；微控制器；ZigBee；3G；以太網(wǎng)

0 引言
    隨著生活水平的不斷提高，人們對(duì)家庭安全和舒適的要求越來越高。智能家居監(jiān)控系統(tǒng)能夠提供安全舒適，高效節(jié)能的人性智能化生活空間，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)家庭或辦公室中電器設(shè)備的運(yùn)行、人員和財(cái)產(chǎn)安全等情況，故獲得越來越廣泛的應(yīng)用。
    目前市場(chǎng)上智能家居監(jiān)控系統(tǒng)能滿足家庭生活要求，但其高昂的安裝維護(hù)費(fèi)用和復(fù)雜的系統(tǒng)操作，讓很多用戶望而卻步。近來，隨著嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的體積、成本、功耗都大大減少。針對(duì)以上情況，本文設(shè)計(jì)了一種低功耗、低成本、性能穩(wěn)定的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案
    智能家居監(jiān)控系統(tǒng)由遠(yuǎn)程控制端、中心控制器和室內(nèi)節(jié)點(diǎn)子網(wǎng)構(gòu)成，其功能為安防報(bào)警、遠(yuǎn)程抄表、家電控制、手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控和互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)把ZigBee模塊嵌入煙霧、煤氣、溫濕度、人體紅外等傳感器中，通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控各傳感器采集數(shù)據(jù)。若出現(xiàn)火情、燃煤氣泄漏、外人非法入侵、家庭呼救等情況，ZigBee節(jié)點(diǎn)借助于無線網(wǎng)絡(luò)，將采集到的信息，傳送到智能家居中心控制器。中心控制器既是監(jiān)控系統(tǒng)的核心控制部分，又充當(dāng)網(wǎng)關(guān)的作用，將傳輸來的數(shù)據(jù)打包成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流，通過3G網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)實(shí)時(shí)傳送到用戶計(jì)算機(jī)、手機(jī)或者小區(qū)監(jiān)控中心。用戶也可以通過計(jì)算機(jī)和手機(jī)，遠(yuǎn)程登錄智能家居監(jiān)控系統(tǒng)Web服務(wù)器，實(shí)時(shí)查看家庭信息和控制家庭設(shè)備。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示，主要由微控制器STM32F207、以太網(wǎng)模塊DP83848、ZigBee模塊JN5139、3G模塊EM770、圖像采集模塊、電源管理模塊和人機(jī)接口模塊構(gòu)成。

2．1 中心控制器
    本系統(tǒng)選用意法半導(dǎo)體公司的STM32F207為中心控制器。該芯片基于專門用于高性能、低功耗、低成本、實(shí)時(shí)性嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的ARM Cortex-M3內(nèi)核，內(nèi)部資源豐富，提供了多個(gè)USART、I2C、SPI、I／O接口并整合了全速USB OTG接口、以太網(wǎng)10／100MAC以及8～14位相機(jī)傳感器并行接口，處理性能高達(dá)150 Dhrystone MIPS，內(nèi)置多達(dá)128 KB～1MB的閃存和132 B的SRAM。該芯片能完成家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)各種不同通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換和信息共享，以及與外部通信網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換。作為智能家居監(jiān)控信息平臺(tái)的核心部分，它具有功耗小，可靠性好，性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)。
2．2 ZigBee節(jié)點(diǎn)
    在智能家居監(jiān)控系統(tǒng)中，ZigBee節(jié)點(diǎn)模塊采用JENNIC公司的JN5139。該芯片嵌入到主控制器、信息家電、各種傳感器中，將信息家電、門禁安防、三表等組成星形ZigBee網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)該芯片充當(dāng)協(xié)調(diào)器和終端監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的角色，負(fù)責(zé)傳輸網(wǎng)絡(luò)命令和數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)發(fā)和管理終端監(jiān)控節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)。該芯片將各終端節(jié)點(diǎn)的信息傳輸給主控制器，家庭出現(xiàn)異常時(shí)，將報(bào)警信息發(fā)給用戶手機(jī)和小區(qū)管理終端；同時(shí)接收用戶的控制信息，轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的終端監(jiān)控節(jié)點(diǎn)。監(jiān)控終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)各子傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳感器狀態(tài)的控制，包括家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中的門磁開關(guān)狀態(tài)、紅外對(duì)射探測(cè)器、火災(zāi)探測(cè)器、煙感和燃?xì)庑孤短綔y(cè)器數(shù)據(jù)等。
    本監(jiān)控系統(tǒng)采用的JN5139，是業(yè)界第一款與IEEE 802．15．4兼容的低功耗、低成本無線控制模塊，集成了32位的RISE處理器，并且擁有豐富的模擬和數(shù)字外設(shè)，只需添加少量的外圍元件即可完成該通信功能硬件的設(shè)計(jì)。該模塊的數(shù)據(jù)傳輸和交換都是通過SPI總線完成的。
2．3 網(wǎng)絡(luò)通信接口
    STM32F207內(nèi)嵌了一個(gè)以太網(wǎng)MAC，并有專用的DMA，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部數(shù)據(jù)的高速傳輸。而且支持默認(rèn)的介質(zhì)無關(guān)接口(MII)和精簡的介質(zhì)無關(guān)接口(RMII)兩種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的物理層接口，所以只需外接一片物理層收發(fā)器，就能完成以太網(wǎng)幀的接收和發(fā)送，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。在該設(shè)計(jì)中采用DP83848C，它是一款功能全、魯棒性好、功耗低、價(jià)格低的10／100Mb／s單路物理層(PHY)器件，通過配置AFIO_MAPR寄存器中的bit23，MII_ RMII_SEL來選擇RMII，把與接口相連的信號(hào)線簡化到7根，大大節(jié)約了成本。為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口，采用了PULES的J0011型變壓器與DP83848C收發(fā)差分線連接，其主要功能是轉(zhuǎn)換電平并抑制高頻干擾接入以太網(wǎng)以及防止燒壞元器件，實(shí)現(xiàn)帶電插拔功能。J0011型變壓器還集成了RJ-45接頭，簡化器件之間的連線，節(jié)省PCB板的空間，提高高頻信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴＝涌谠O(shè)計(jì)如圖3所示。

2．4 圖像采集模塊
    STM32F207內(nèi)嵌8～14 b的CMOS相機(jī)傳感器并行接口，可承受27 MB／s數(shù)據(jù)傳輸速度，支持連續(xù)和快照模式，并且有自動(dòng)裁剪圖像的功能。所以這里采用OV7670這款CMOS彩色／黑白圖像傳感器，通過逐行掃描的方式，完成圖像的采集，而且STM32F207支持DMA，數(shù)據(jù)圖像傳輸速度快，能夠滿足用戶遠(yuǎn)程登陸Web服務(wù)器，通過Web瀏覽器視頻查看家庭安全信息的要求。
2．5 3G模塊
    EM770是一款華為公司生產(chǎn)的WCDMA、M2M模塊，支持UMTS 2 100／1 900／900／850和GPRS／GSM1 900／1 800／900／850頻段，集成了高速USB接口，同時(shí)內(nèi)置TCP／IP協(xié)議棧，支持WCDMA協(xié)議規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)AT指令集和華為擴(kuò)展AT指令集，具有兼容性強(qiáng)、速率高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)主要包括操作系統(tǒng)的移植，嵌入式Web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)程序流程設(shè)計(jì)。
3．1 操作系統(tǒng)的移植
    μC／OS-Ⅱ免費(fèi)公開源代碼、是一種基于優(yōu)先級(jí)的可搶占式的硬實(shí)時(shí)內(nèi)核的實(shí)時(shí)操作多任務(wù)系統(tǒng)，它占用空間小、執(zhí)行效率高、實(shí)時(shí)性能好和可擴(kuò)展性強(qiáng)。
    系統(tǒng)移植主要是處理與處理器相關(guān)的源文件，即os_cpu_c．c，os_cpu_a．a(chǎn)sm，os_cpu．h。首先重新定義os_cpu．h文件中的主要包含編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型堆棧類型以及幾個(gè)宏定義和函數(shù)說明。其次編寫os_cpu_c．c文件中10個(gè)函數(shù)，主要足初始化函數(shù)OSTask-StkInit()，然后在os_cpu_a．a(chǎn)sm文件中編寫與處理器相關(guān)的匯編函數(shù)OSstartHighRdy()，OSCtxSw()，OSIntetxsw以及臨界處理函數(shù)OS_CPU_SR_Save，OS_CPU_SR_Restore。
3．2 Web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)
    Web瀏覽器與Web服務(wù)器的交互是通過HTTP協(xié)議來實(shí)現(xiàn)的。HTTP協(xié)議基于TCP連接，在客戶端和服務(wù)器之間采用請(qǐng)求／響應(yīng)模式。傳統(tǒng)TCP／IP的實(shí)現(xiàn)過于復(fù)雜，占用大量系統(tǒng)資源。因此．采用LwIP這種輕型(Light Weight)IP協(xié)議是非常理想的解決方案，它只需要幾百字節(jié)的RAM和40 KB左右的ROM就可以運(yùn)行，而且LwIP采用在同一個(gè)任務(wù)TCP／IP thread中實(shí)現(xiàn)所有協(xié)議，獨(dú)立于操作系統(tǒng)內(nèi)核之外。這種設(shè)計(jì)方法使LwIP非常方便移植到μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)中，而且只需修改在src＼arch目錄下的與CPU或編譯器相關(guān)的include文件以及與操作系統(tǒng)相關(guān)的sys．c和sys_arch．c兩個(gè)主要文件，就可以完成LwIP的移植。
    而對(duì)嵌入式Web服務(wù)器而言，要提供動(dòng)態(tài)頁面服務(wù)，則要為Web服務(wù)器構(gòu)建公共網(wǎng)關(guān)接口(CGI)，它是外部擴(kuò)展應(yīng)用程序與WWW服務(wù)器交互的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口。服務(wù)器端放入CGI程序，當(dāng)收到用戶的請(qǐng)求后，啟動(dòng)編好的應(yīng)用程序，應(yīng)用執(zhí)行完后將動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶瀏覽器上。通過CGI可以提供許多靜態(tài)的HTML網(wǎng)頁無法實(shí)現(xiàn)的功能。
3．3 系統(tǒng)程序流程
    系統(tǒng)程序流程如圖4所示。從圖4可知，系統(tǒng)上電初始化后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)智能家居中心控制器接收的數(shù)據(jù)，調(diào)用不同的處理程序。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)聽到遠(yuǎn)程Web瀏覽器發(fā)來的控制請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)將調(diào)用信息家電控制程序，數(shù)據(jù)處理完后，發(fā)給Web瀏覽器。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)聽到是支持ZigBee協(xié)議的JN5139收發(fā)模塊傳輸至中心控制器的數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)解析數(shù)據(jù)并判斷家中有突發(fā)事件后，會(huì)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)出聲光報(bào)警并驅(qū)動(dòng)攝像頭，通過3G網(wǎng)絡(luò)以短信息或視頻通話的方式通知到用戶，或者向小區(qū)監(jiān)控中心報(bào)警。

4 結(jié)語
    本監(jiān)控系統(tǒng)采用低功耗、性價(jià)比高的微控制器STM32F207作為智能家居監(jiān)控核心，移植了μC／OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)和LwIP協(xié)議棧，通過3G技術(shù)以及構(gòu)建的Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)家庭ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控和報(bào)警。該系統(tǒng)具有成本低廉、性能穩(wěn)定、用戶操作方便、便于推廣的優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。