智能電網(wǎng)中智能家居終端的設(shè)計

摘要 針對智能小區(qū)家庭中智能家居終端的特點和功能進行了闡述，研究并提出了一款基于ARM芯片并以Linux為操作系統(tǒng)智能家居終端的設(shè)計方案和軟硬件模型，理論上實現(xiàn)了智能家居終端的基本功能，為今后開發(fā)此類產(chǎn)品提供了一個思路方法。
關(guān)鍵詞 智能家居終端；嵌入式：通信

    所謂智能電網(wǎng)，就是指通過新技術(shù)能形成業(yè)務(wù)流、信息流、能量流之間雙向互動的未來電網(wǎng)，也叫“聰明電網(wǎng)”。與傳統(tǒng)電網(wǎng)比，智能電網(wǎng)孕育著更大的市場空間。智能電網(wǎng)是技術(shù)密集、資金密集集合體，將會帶動新能源、信息、傳感器等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展，具有很強的技術(shù)輻射性和經(jīng)濟帶動性。而智能家居系統(tǒng)就是其中顯著的一個方面，智能家居系統(tǒng)的核心設(shè)備是智能家居終端，通過它實現(xiàn)系統(tǒng)信息的采集、信息輸出、集中控制、遠程控制、聯(lián)動控制等功能。

1 智能家居平臺系統(tǒng)的技術(shù)特點
    智能家庭網(wǎng)絡(luò)隨著集成技術(shù)、通信技術(shù)、互操作能力和布線標(biāo)準(zhǔn)的實現(xiàn)而不斷改進，它涉及到對家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有的智能和非智能電器、設(shè)備和系統(tǒng)的操作、管理以及集成技術(shù)的應(yīng)用。
    (1)家居智能平臺系統(tǒng)的組成。
    通過智能家庭網(wǎng)關(guān)、智能家居終端、具有采集電量和功率功能的插座及其系統(tǒng)軟件建立家居智能平臺系統(tǒng)。智能家庭網(wǎng)關(guān)是智能家庭局域網(wǎng)的核心部分，主要完成家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)各種不同通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換和發(fā)送。
    用計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)，智能家居終端將家庭智能化的幾乎所有功能集成起來，使智能家居建立在一個統(tǒng)一的平臺上。首先，實現(xiàn)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換，其次還要保證能夠識別通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹噶钍欠窈戏?，因此智能家居終端既是家庭信息的交通樞紐，又是信息化家庭的保護神。
    (2)通過通信模塊和通信協(xié)議實現(xiàn)與家電的互聯(lián)。
    為實現(xiàn)家電的控制和相關(guān)信息的采集，系統(tǒng)平臺通過通信模塊并按照特定的通訊協(xié)議借助串口發(fā)送和接收碼流，從而實現(xiàn)家電的控制和信息采集。
    (3)硬件中嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用。
    隨著功能的不斷增加、性能的不斷提升，對處理能力和速度提出了更高的要求，所以具有高性能的嵌入式芯片系統(tǒng)將應(yīng)用到智能家居終端中去。

2 智能家居平臺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
    智能家居平臺系統(tǒng)的物理框圖如圖1所示。

3 智能家居終端的功能
    智能家居終端的功能包括如下幾個方面：
    (1)家電控制。家電控制是智能家居終端的主要功能，代表著家庭智能化的發(fā)展方向，通過無線通信方式對家庭的用電設(shè)備進行控制。
    (2)用電信息采集和分析。采集家電的用電量、功率、電壓和電流等一些用電數(shù)據(jù)，并以表格或者圖表的形式展示出來，為用戶分析家庭的用電情況，從而指導(dǎo)用戶進行合理用電。
    (3)家庭安防。安全是居民對智能家居的首要要求，所以家庭安防成為智能家居的重要組成部分。包括家庭安防報警、門窗磁報警、燃氣泄露報警、火災(zāi)煙霧報警、緊急求助報警等。當(dāng)智能家居終端處于布防狀態(tài)時，一但紅外探頭探測到家中有人走動，就會自動報警，同時將報警信息報到物業(yè)管理中心，還可以將報警信息發(fā)到主人的手機或其他移動終端上。
    (4)視頻通話。智能家居終端上集成了可視對講功能，可實現(xiàn)終端之間的視頻通話功能。
    (5)便民信息服務(wù)。物業(yè)管理中心與智能家居終端聯(lián)網(wǎng)，對住戶發(fā)布一些小區(qū)信息和小區(qū)周邊的一些便民服務(wù)信息，從而為住戶提供生活方便。
    (6)增值服務(wù)。通過智能家居終端可以實現(xiàn)網(wǎng)上購物，視頻點播等增值服務(wù)。

4 智能家居終端的硬件設(shè)計
    智能家居終端的微處理器采用S3C2440A，是三星公司推出的16／32位RISC微處理器，它為手持設(shè)備和一般類型應(yīng)用提供了低價格、低功耗、高性能小型微控制器的解決方案。S3C2440A采用了ARM920t的內(nèi)核，0．13μm的CMOS標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲器單元。它采用AMBA的總線架構(gòu)。  ARM920t實現(xiàn)了MMU，AMBA BUS和Harvard高速緩沖體系結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)具有獨立的16 kB指令Cache和16 kB數(shù)據(jù)Cache。
    作為智能家居的控制中心，智能家居終端除了具有網(wǎng)絡(luò)RJ-45接口、PSTN接口、RS-485接口、無線傳輸模塊接口外，還應(yīng)該提供音頻視頻接口、報警傳感器接口、HUB接口、RS-232接口等。這些接口可以實現(xiàn)音視頻的編解碼轉(zhuǎn)換，指令的傳輸接收以及與PC機的結(jié)合等功能。
    智能家居終端的硬件實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    其中電話控制部分，當(dāng)用戶在遠程話機鍵盤上按下控制按鈕后，這些信息采用雙音頻方式通過電話線發(fā)出，MT8870是一款雙音多頻解碼芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)雙音多頻信號(DTMF)的發(fā)送和接收。
    以太網(wǎng)控制芯片采用CS8900A，它是Cirrus Logic公司生產(chǎn)的低功耗、性能優(yōu)越的16位以太網(wǎng)控制器。該芯片的突出特點是使用靈活，其物理層接口、數(shù)據(jù)傳輸模式和工作模式等都能根據(jù)需要而動態(tài)調(diào)整，通過內(nèi)部寄存器的設(shè)置來適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境。
    此外，硬件部分還對SRAM進行了擴展以滿足更大的需求。另外由于智能家居終端上的一些重要參數(shù)，需要在系統(tǒng)掉電的情況下保留，所以在終端上還進行了EEPROM擴展。

5 智能家居終端的軟件設(shè)計
5．1 程序設(shè)計
    在硬件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，軟件系統(tǒng)采用了Linux嵌入式操作系統(tǒng)，內(nèi)核版本為2．6．28。鑒于所選ARM芯片的性能，從總體需求出發(fā)，軟件部分采用多進程+進程中多線程的編程方案。程序總體分為兩個進程：主進程、Web-Service進程。主進程包括3個線程：主線程、輔線程和次線程。
    其中，Web-Service進程為發(fā)送命令碼流。此處需要說明的是家庭網(wǎng)關(guān)也采用Web-Service的方法，智能家居終端作為客戶端，而家庭網(wǎng)關(guān)作為服務(wù)器端。
    主控制進程實現(xiàn)了大部分功能，是控制中心的主體。由于實時性、信息回復(fù)的不確定性，它開機啟動并一直處于運行狀態(tài)。主線程在程序啟動時首先進行初始化，包括硬件各部分的驅(qū)動初始化，各個功能模塊界面及其基本功能的初始化，還有數(shù)據(jù)存儲部分?jǐn)?shù)據(jù)庫的初始化。初始化完畢后將進入一個while(1)循環(huán)，不停地重復(fù)遍歷命令結(jié)構(gòu)體鏈表和返回碼流結(jié)構(gòu)體鏈表，并進行相應(yīng)處理。輔線程完成命令碼流的轉(zhuǎn)換和處理。次線程監(jiān)聽返回到終端的命令碼流，并進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換和處理。
    軟件部分的總體框圖如圖3所示。

5．2 進程間通信
    程序中設(shè)計了兩個進程，它們之間要進行通信。兩個并行進程可以通過互相發(fā)送消息進行合作，消息是通過消息緩沖在進程之間相互傳遞。進程間通信方式采用的是命名管道(FIFO)，F(xiàn)IFO是一種先進先出的隊列。它類似于一個管道，只允許數(shù)據(jù)的單向流動。每個FIFO都有一個名字，允許不相關(guān)的進程訪問同一個FIFO。本程序在／tmp文件系統(tǒng)中定義命名管道，這樣當(dāng)系統(tǒng)重新啟動或更新時，管道將被清除，不會占用過多存儲空間。
    此外，為避免兩個進程間同時要求訪問同一共享資源而引起訪問和操作的混亂，在進程對共享資源進行訪問前必須對其進行鎖定，該進程訪問完后再釋放。還有在主進程的3個線程內(nèi)，為保證兩個或多個關(guān)鍵代碼段不被并發(fā)調(diào)用，線程內(nèi)還使用了信號量，在進入一個關(guān)鍵代碼段之前，線程必須獲取一個信號量，一旦該關(guān)鍵代碼段完成，那么該線程必須釋放信號量，其他想進入該關(guān)鍵代碼段的線程必須等待，直到第一個線程釋放信號量。

6 結(jié)束語
    智能家居終端及其配套設(shè)備將會得到不斷的發(fā)展和完善，為人們提供更為安全、舒適、便利的生活環(huán)境。系統(tǒng)的使用也會更加方便、價格低廉、性能可靠。本文給出了基于ARM芯片的智能家居終端的設(shè)計方案，設(shè)計了一種可行的硬件和軟件模型，在理論上解決了智能家居終端的一些設(shè)計問題。