數字家庭遙控器的研究與開(kāi)發(fā)

1 引言

數字家庭是一個(gè)融合了家庭控制網(wǎng)絡(luò )和多媒體信息網(wǎng)絡(luò )于一體的信息化平臺，通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)的方式在家庭范圍內實(shí)現PC、消費電子產(chǎn)品和通信設備的互聯(lián)和管理，對內實(shí)現各種信息的資源共享，對外實(shí)現信息的互換。數字家庭遙控器是數字家庭的控制終端，通過(guò)紅外、藍牙或Wi-Fi等無(wú)線(xiàn)介質(zhì)連入數字家庭網(wǎng)絡(luò )，使用戶(hù)能夠隨時(shí)隨地獲取家庭控制、數字媒體等信息。

本文的目的是研究并開(kāi)發(fā)一款數字家庭遙控器。普通的遙控器只能控制一個(gè)或一類(lèi)設備，數字家庭遙控器能夠通過(guò)與家庭網(wǎng)絡(luò )的通訊，實(shí)現對掛接在家庭網(wǎng)絡(luò )上的所有家用電器的查詢(xún)與控制。用戶(hù)可以通過(guò)液晶顯示隨時(shí)監控設備的狀態(tài)和參數。除了家電控制功能以外，數字家庭遙控器還具有豐富的娛樂(lè )和多媒體功能，能夠實(shí)現無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)、影音播放、視頻監控等數字家庭功能。

本文第2節描述數字家庭的系統結構，第3節介紹遙控器的系統設計，包括硬件平臺的設計和軟件平臺的設計，第4節給出結論和創(chuàng )新點(diǎn)。

2 數字家庭的系統結構

數字家庭主要由家庭網(wǎng)關(guān)、各種信息終端設備和智能家電設備、家庭智能聯(lián)網(wǎng)環(huán)境三部分組成，如圖1^[1]所示。其中家庭智能聯(lián)網(wǎng)環(huán)境包括家庭控制網(wǎng)絡(luò )和多媒體信息網(wǎng)絡(luò )。E-Home智能家居系統^[2]是由清華大學(xué)自動(dòng)化系和清華同方公司合作開(kāi)發(fā)的家庭控制網(wǎng)絡(luò )系統。本文設計的數字家庭遙控器能夠控制E-Home、Zigbee等家庭控制網(wǎng)絡(luò )系統，同時(shí)也能夠和多媒體信息網(wǎng)絡(luò )通信，實(shí)現無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)、多媒體瀏覽等功能。

3 系統設計

3.1 遙控器硬件平臺

遙控器的硬件平臺以PXA255為核心，包括核心系統、電源系統、音視頻系統、以及Zigbee、紅外通信等其他功能擴展系統。遙控器硬件結構框圖如圖2所示。

3.1.1 核心系統設計

數字家庭遙控器的硬件平臺采用了Intel公司的Xscale系列CPU PXA255作為核心。PXA255處理器基于A(yíng)RM V5TE指令集，最高運行頻率400MHz，內部集成了大量功能模塊，比如LCD控制器、USB Device控制器、PCMCIA卡接口等，功能強、體積小、功耗低。

除了PXA255，系統核心還包括了64MB的SDRAM、32MB的NOR Flash（主要用于存儲程序）、128MB的NAND Flash（主要用于存儲數據），為了調試方便設計了JTAG接口與RS232串口。嵌入式手持設備一般采用單鍵延時(shí)開(kāi)關(guān)機設計，分為硬開(kāi)關(guān)設計和軟開(kāi)關(guān)設計兩種。由于PXA255在睡眠狀態(tài)下功耗很低，為了能夠實(shí)現快速開(kāi)關(guān)機，設計中采用了單鍵軟開(kāi)關(guān)設計的方法。當系統關(guān)機時(shí)CPU并未完全掉電，而是進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

圖1 數字家庭網(wǎng)絡(luò )結構圖

圖2 數字家庭遙控器硬件結構框圖

3.1.2 電源設計

使用單節鋰電池為系統供電。電源系統主要分為充電和電源管理兩個(gè)部分。

采用MAXIM公司的MAX1555芯片作為充電管理芯片，可以通過(guò)5V直流電源或者USB接口為鋰電池充電，并用一個(gè)LED指示充電狀態(tài)。采用紐扣型鋰電池作為備份電源，當主電源存在時(shí)為備份電池充電；當主電源無(wú)效時(shí)，備份電池接替主電源為實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）供電。

采用MAX1586芯片作為系統的電源管理芯片。MAX1586芯片針對Xscale系統CPU進(jìn)行了優(yōu)化，集成了7路高性能、低工作電流的電源，以及監測和管理功能。為了節約電能，需要根據CPU的運行頻率，通過(guò)PXA255的I2C接口動(dòng)態(tài)調整內核電壓。當系統進(jìn)入睡眠狀態(tài)時(shí)，可以完全切斷CPU的內核電源并將液晶屏、揚聲器等外設電源切斷。

3.1.3 音視頻設計

數字家庭遙控器需要具有較強的音視頻功能。選用了NEC的NL2432HC22-22B液晶模塊作為顯示屏,該模塊是3.5英寸、半反射型的TFT液晶屏，具有240x320的分辨率和18位色深，并帶有觸摸屏接口和矩陣鍵盤(pán)。

PXA255內部集成了AC’97(音頻多媒體數字信號編/解碼器)控制單元。遙控器采用PHILIPS公司的UCB1400芯片作為音頻編解碼芯片，實(shí)現了雙聲道音頻輸出、麥克風(fēng)音頻輸入等功能。音頻輸出部分使用了LM4880功放芯片驅動(dòng)2個(gè)8歐姆揚聲器。

3.1.4 其他擴展功能設計

利用PXA255的PCMCIA接口設計了CF擴展卡插槽。CF卡作為一種存儲卡接口標準在便攜式設備中應用廣泛，具有物理尺寸小、低功耗、靈活性強等特點(diǎn)。市面上有大量符合CF卡標準的存儲卡、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡、GPS接收器、攝像頭等。插入這些符合CF卡標準的I/O卡可以為數字家庭遙控器擴展相應的功能。比如我們通過(guò)一個(gè)CF以太網(wǎng)卡為遙控器擴展了以太網(wǎng)通信的功能。

紅外通信模塊選用了安捷倫公司的HSDL-3020紅外收發(fā)器和TFMS5380紅外接收芯片。HSDL-3020具有2個(gè)紅外發(fā)射LED：波長(cháng)為875nm的紅外LED用于IrDA快速數據傳輸，波長(cháng)為940nm的LED用于家電紅外遙控。其中家電遙控的最遠距離為14米；IrDA數據傳輸的最遠距離為50厘米，速率介于9.6kbps和4Mbps（FIR）之間。TFMS5380芯片直接接收波長(cháng)940nm，載波頻率為38kHz的紅外信號，并對紅外信號解調、放大、濾波、整形。通過(guò)軟件支持，數字家庭遙控器紅外模塊具有普通家用電器的萬(wàn)能紅外遙控、E-Home系統的紅外控制、IrDA紅外通信三個(gè)功能。

ZigBee（IEEE802.15.4）技術(shù)是最近發(fā)展起來(lái)的一種短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，被業(yè)界認為是最有可能應用在家庭自動(dòng)化控制的無(wú)線(xiàn)方式，市場(chǎng)上已經(jīng)出現了很多基于ZigBee的家庭控制系統。ZigBee使用2.4GHz波段，采用跳頻技術(shù)和擴頻技術(shù)。遙控器設計中選用了飛思卡爾的MC13192芯片作為ZigBee收發(fā)器。MC13192采用標準的4線(xiàn)SPI及7根GPIO與PXA255通信。

3.2 遙控器軟件平臺

數字家庭遙控器的軟件平臺自底向上分別是Redboot、Linux、MiniGUI和應用程序。其軟件平臺結構如圖3所示。

圖3 數字家庭遙控器軟件結構框圖

3.2.1 Redboot

Redboot是一個(gè)專(zhuān)門(mén)為嵌入式系統定制的開(kāi)發(fā)工具，是嵌入式操作系統eCos的一個(gè)最小版本。Redboot集Bootloader、調試、Flash燒寫(xiě)于一體，支持串口、網(wǎng)絡(luò )下載、執行嵌入式應用程序等功能。把編譯好的Redboot映像燒寫(xiě)到物理地址為0x00的NOR Flash上，這樣Redboot就是系統上電后第一個(gè)運行的程序。然后利用Redboot來(lái)引導Linux操作系統。

Redboot建立在eCos的硬件抽象層（HAL）和設備驅動(dòng)程序的基礎上。硬件抽象層對處理器結構和系統硬件平臺進(jìn)行抽象，當需要將Redboot移植到一個(gè)新的平臺只需對底層的硬件抽象層（HAL）進(jìn)行修改。移植Redboot到遙控器的步驟如圖4所示。

3.2.2 ARM-Linux

數字家庭遙控器要為用戶(hù)提供智能家庭控制、影音娛樂(lè )等功能。要實(shí)現這些功能，多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò )協(xié)議、文件系統、出色的GUI都是不可缺少的。選用操作系統可以簡(jiǎn)化系統的開(kāi)發(fā)難度，并使開(kāi)發(fā)具有更好的可擴展性和可移植性。數字家庭遙控器選用了Linux作為操作系統，ARM-Linux是打了ARM補丁的Linux操作系統。在設備驅動(dòng)的支持下，Linux管理了系統硬件并向上層提供了一個(gè)統一的，硬件不可見(jiàn)的應用程序接口。

選用2.4.19版本的標準Linux內核并打上了針對PXA255處理器的補丁diff-2.4.19-rmk7-pxa2.gz。將Linux移植到遙控器平臺上的流程如圖5所示。移植的一個(gè)重要工作是為液晶屏、音頻模塊、CF卡插槽、Zigbee模塊、紅外模塊等外設編寫(xiě)驅動(dòng)。移植的最后要為L(cháng)inux啟動(dòng)建立初始化RAM盤(pán)映像（initrd），initrd里包含了必要的設備文件、鏈接庫、啟動(dòng)腳本、busybox工具等。

圖4 Redboot移植流程圖

圖5 Linux板級移植流程圖

3.2.3 MiniGUI

遙控器采用MiniGUI作為圖形用戶(hù)界面系統。MiniGUI是我國國內自主開(kāi)發(fā)、比較成熟的一個(gè)圖形用戶(hù)界面系統，面向基于Linux 的嵌入式系統，采用微客戶(hù)端/ 服務(wù)器模式來(lái)提供對多進(jìn)程的支持，集成了多字體和多字符集。MiniGUI采用分層設計的層次結構，修改最底層的GAL（圖形抽象層）和IAL（輸入抽象層）將MiniGUI移植到遙控器平臺上。

基于MiniGUI編寫(xiě)了服務(wù)器程序mginit和遙控器的主界面程序。按下主界面上的按鍵就可以調用相應的應用程序，如E-Home系統控制、視頻播放等。

3.2.4 應用程序

為遙控器編寫(xiě)應用程序實(shí)現豐富的數字家庭功能。數字家庭遙控器具有以下功能：

1. 家庭控制網(wǎng)絡(luò )系統控制功能

為遙控器編寫(xiě)了基于MiniGUI的E-Home家庭網(wǎng)絡(luò )控制程序，實(shí)現了遙控器對E-Home系統的即插即用控制^{[3] [4]}。當E-Home網(wǎng)絡(luò )上新添加設備或者刪除設備時(shí)，遙控器能夠自動(dòng)更新配置文件并得到新設備的控制方法，用戶(hù)可以通過(guò)圖形液晶顯示方便的查詢(xún)和控制新設備。對于普通的電視、空調等非智能設備，數字家庭遙控器可以學(xué)習并保存他們的遙控碼，并利用HSDL-3020紅外收發(fā)器提供的940nm紅外發(fā)射端口對這些普通家電進(jìn)行控制。此外遙控器還具有聯(lián)入并控制ZigBee網(wǎng)絡(luò )的能力。

2. 媒體娛樂(lè )功能

編寫(xiě)了推箱子、掃雷等幾個(gè)基于MiniGUI的圖形游戲，證明了遙控器可以實(shí)現美觀(guān)的圖形界面。另外移植了開(kāi)源的視頻播放軟件mplayer到遙控器上，實(shí)現了音視頻播放功能。通過(guò)實(shí)驗數字家庭遙控器可以很流暢的解碼并播放20幀/秒、240x320像素、MPGE4編碼的視頻文件和15幀/秒、240x320像素、H.264編碼的視頻，具有較強的多媒體功能。

3. 網(wǎng)絡(luò )通信功能

通過(guò)CF擴展卡為遙控器擴展了以太網(wǎng)功能，并利用Ftp服務(wù)實(shí)現了文件的上傳與下載。利用基于MiniGUI的mSpider嵌入式瀏覽器、FlashPlayer等開(kāi)源軟件，還可以實(shí)現網(wǎng)頁(yè)瀏覽、Flash動(dòng)畫(huà)播放等。除此之外，遙控器可以利用USB接口或者IrDA紅外通信端口與PC機通訊并交換數據。

4 結束語(yǔ)

數字家庭具有廣泛的發(fā)展前景，現在市面上還沒(méi)有成熟的數字家庭遙控器產(chǎn)品。本文提出的數字家庭遙控器功能豐富，能實(shí)現對E-Home家庭網(wǎng)絡(luò )、ZigBee家庭網(wǎng)絡(luò )、普通家用電器的控制。同時(shí)該遙控器具有較強的媒體娛樂(lè )功能和網(wǎng)絡(luò )通信功能，可以給家庭用戶(hù)帶來(lái)全新的感受。經(jīng)過(guò)系統運行實(shí)驗，數字家庭遙控器非常適合未來(lái)數字家庭的應用。

本文作者創(chuàng )新點(diǎn): 現有的家庭網(wǎng)絡(luò )遙控器只能實(shí)現對某一種特定家庭控制網(wǎng)絡(luò )的控制，功能單一，而且不具備未來(lái)數字家庭必需的多媒體能力。本文提出的數字家庭遙控器能同時(shí)實(shí)現對E-Home、ZigBee兩種流行的家庭控制網(wǎng)絡(luò )的控制，而且能夠控制沒(méi)有聯(lián)入家庭網(wǎng)絡(luò )的普通家電，還可以實(shí)現媒體娛樂(lè )、互聯(lián)網(wǎng)通信等功能。本文給出了該遙控器的具體軟硬件實(shí)現方法，對今后數字家庭遙控器的研究與開(kāi)發(fā)具有很好的指導意義。

參考文獻

[1] “數字家庭”產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報告. 北京：諾達咨詢(xún)，2005

[2] 楊士元. E-Home在中國. 工程設計CAD與智能建筑，2000，（11）：80~84

[3] 林麗華，楊士元，葉朝輝，徐海. 即插即用家庭網(wǎng)絡(luò )遙控器的研究與開(kāi)發(fā)[J]. 微計算機信息，2006, 12-1: 1-4.

[4] Zhaohui Ye，Yindong Ji， Shiyuan Yang. Home Automation Network Supporting Plug-and-Play [J]. IEEE Transaction on Consumer Electronics, Feb. 2004, 50(2): 173-179.