基于嵌入式Web服務(wù)器的智能家居主控制系統

引言
隨著(zhù)信息技術(shù)的發(fā)展，以PC為代表的計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)發(fā)展到一個(gè)更高階段，以嵌入式智能設備為核心的后PC時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨。ARM處理器以其性能高、成本低和功耗低的特點(diǎn)，廣泛應用于嵌入式控制、消費，教育類(lèi)多媒體、DSP和移動(dòng)式應用等領(lǐng)域。隨著(zhù)生活質(zhì)量的提高，人們對家庭智能化的需求越來(lái)越高。智能化正體現在人們生活的各個(gè)方面。其中家居的智能化正成為人們生活中追求的熱點(diǎn)，而這里提出的基于嵌入式Web服務(wù)器的智能家居系統正好滿(mǎn)足這一需求。

2 硬件設計
智能家居系統設計需求是PC機遵循802．3和HPPTD等網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)主控制器的Web服務(wù)器，登錄主控制器，通過(guò)電力線(xiàn)構成的家庭小型局域網(wǎng)絡(luò )或串口，發(fā)送指令給從控制器進(jìn)而控制家電，同時(shí)利用監控家電的傳感器將家電狀態(tài)返回至PC，如圖1所示。該系統設計要求主控制器功耗低，占用空間小，可進(jìn)行可視化操作。

2．1 控制器選擇
DSP數學(xué)信號處理器具有強大數據處理能力和高運行速度，但在音頻、USB、SD卡等接口功能擴展較弱。而單片機系列的ARM920T具有5級指令流水線(xiàn)．處理速度為1．1 MHz，內置MMU(Memory Management Unit)、獨立的16 KB數據Cache、16 KB指令Cache和高速AMBA(Advanced Microcon-troller Bus Architecture)總線(xiàn)接口等功能。DSP和一般8位單片機相比，它具有更全面的通用功能，具有60個(gè)中斷控制器，支持實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)、LCD控制器接口、串口接口、網(wǎng)卡接口等功能，還具有16／32位RISC體系結構和ARM指令集。因此該系統采用ARM公司的ARM920T作為主控制器。
從控制器選用MSP430單片機，與89S51單片機相比，它具有RISC(精簡(jiǎn)指令集)，功耗低，支持16位內部總線(xiàn)，引入Flash型存儲器和JTAG技術(shù)，編程開(kāi)發(fā)非常方便。這里主要講述主控制系統。
2．2 網(wǎng)卡接口設計
該系統需要通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或電力線(xiàn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )通信，而Web服務(wù)器設計也必須通過(guò)網(wǎng)絡(luò )收發(fā)數據，要求數據處理速度快。根據這些要求，該系統采用DAVICOM公司的DM9000AEP作為網(wǎng)卡的設計器件。該器件具有10 Mbit／s和100 Mbit／s的自動(dòng)切換功能，支持802．3x全雙工控制流標準，具有16 K字節的雙字SRAM，可以減輕CPU的負擔，因此使系統更穩定，處理和傳輸數據速度更快。
RJ-45采用HanRun公司的可對信號濾波的HR911105A接口，這樣可節約印刷板，并有效地減小電磁干擾。ARM920T與網(wǎng)卡DM9000AEP接口設計如圖2所示。圖中16根數據線(xiàn)相連；命令選擇引腳CMD，為高電平時(shí)，選擇數據端口，CMD為低電平時(shí)，選擇地址通道；IOR#為讀信號引腳；IOW#為寫(xiě)信號引腳；CS#片選信號與ARM920T的片選信號線(xiàn)nGCS3相連。

2．3 串口接口設計
智能家居系統需要串口控制家電信息，并進(jìn)行相應通信，而且調試系統同樣需要串口。為滿(mǎn)足要求，該系統采用Sipex的窄體SP3232串行通信器件。該器件支持滿(mǎn)載120 Kb／s的最小傳輸速率，可在中斷或DMA兩種模式下工作，每個(gè)通道包含64 K字節的發(fā)送FIFO和接收FIFO。該器件最大特點(diǎn)就是采用電荷泵技術(shù)：由4只外接電容組成，采用4相電壓轉換技術(shù)，保持輸出對稱(chēng)的5．5 V電壓。即使輸入電壓VCC在3．0~5．5 V范圍內，電荷泵仍可提供5．5 V穩定電壓，這樣可以保證系統穩定工作。有益于智能家居系統整體的良好運行。串口接口設計如圖3所示。圖3中TXD表示接收數據，RXD表示發(fā)送數據，RTS表示請求發(fā)送，CTS表示清除發(fā)送。當RTS請求發(fā)送數據時(shí)，需經(jīng)CTS信號檢測，只有CTS信號允許才能發(fā)送數據。

2．4 存儲器設計
完整操作系統的啟動(dòng)離不開(kāi)引導程序。采用SAMSUNG公司64 MB的K9F1208作為NAND Flash，具有4 KB的內部緩沖區可作為引導肩動(dòng)，系統啟動(dòng)后NAND Flash仍可作為外部存儲器繼續使用。Windows CE5．O引導加載程序(BootLoader)由NANDFlash的地址0x00000000處開(kāi)始執行。完成硬件初始化，建立系統的內存空間映射圖，最終BootLoader把操作系統內核映像加載到RAM中；采用HY公司的兩片HY57V561620CTP作為SDRAM，通過(guò)nGCS6連接到ARM920T引腳，起始地址為0x30038000．同時(shí)SDRAM還支持自動(dòng)更新和掉電模式，保證系統穩定工作。
2．5 智能家居系統結構
主控制器還包括觸摸屏接口。觸摸屏采用帶有驅動(dòng)電路的日立7寸屏，用于用戶(hù)可視化操作。
傳感器信號線(xiàn)與ARM920T的中斷引腳EINT8相連。當傳感器信號到來(lái)時(shí)，通過(guò)中斷引腳向ARM920T申請中斷服務(wù)程序，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )向用戶(hù)報警。系統框圖如圖4所示。

3 軟件設計
3．1 內核創(chuàng )建及裁剪
Windows CE是一個(gè)開(kāi)放的、可裁減的、32位的實(shí)時(shí)嵌入式窗口操作系統。因此要實(shí)現Web Server功能必須對內核裁剪。除了實(shí)現基本的WINCE 5．0功能外，還需要在定制內核時(shí)在Platform內添加DM9000網(wǎng)卡驅動(dòng)，串口驅動(dòng)，USB驅動(dòng)，MFC，SDK(標準工具集)、HTFPD和SOAP協(xié)議等系統必備驅動(dòng)和協(xié)議。Windows CE上Web Server的通信協(xié)議是HTTP協(xié)議，HTTP的消息機制是基于請求一應答模式。