基于A(yíng)RM芯片LPC2214和μCOS-II的家庭智能終端的設計與實(shí)現

　　智能家居是指利用先進(jìn)的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)、綜合布線(xiàn)技術(shù)，將與家居生活有關(guān)的名種子系統有機地結合，通過(guò)統籌管理，使家居生活更加舒適、安全、有效。作為小區智能化的重要組成部分，智能家居平臺是通過(guò)其核心——家庭智能終端實(shí)現家居智能化。智能家居終端可實(shí)現系統信息的采集、信息輸入、邏輯處理、信息輸出、聯(lián)動(dòng)控制等功能。早期的家庭智能終端網(wǎng)絡(luò )是基于電話(huà)網(wǎng)實(shí)現遠程監控和遠程控制。由于電話(huà)網(wǎng)絡(luò )的帶寬限制以及較高的使用成本，使得家庭智能終端無(wú)法推廣。隨著(zhù)計算機技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，基于IP技術(shù)的遠程通信已經(jīng)成為家庭智能終端開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。目前，基于8位單片機和TCP/IP協(xié)議的遠程通信設備已大量出現。但是由于8位單片機工作頻率和存儲量的限制，使得操作系統和完整的IP協(xié)議無(wú)法移植，遠程監控和遠程控制的實(shí)時(shí)性和大數據量可靠通信難以保證，從而成為家庭智能終端開(kāi)發(fā)的瓶頸。利用成熟的ARM芯片和μCOS-Ⅱ操作系統，可以有效地解決這一難題。

　　ARM(Advanced RISC Maehines)是精簡(jiǎn)指令集計算機，它集成了典型的RISC結構特性。除此之外，ARM體系結構還具有地址自動(dòng)增加和自動(dòng)減少的尋址模式、多寄存器加載和存儲指令等特性。

　　從最初開(kāi)發(fā)至今，ARM已經(jīng)經(jīng)歷了5種主要的ARM指令集體系結構.以版本號V1-V5表示。常見(jiàn)的ARM7、ARM9、ARMl0、SecurCore系列芯片都是ARM V4以上的體系結構。ARM7TDMI系列芯片是目前應用最廣泛的ARM芯片。其廣泛應用于多媒體和嵌入式設備，包括Intemet設備、網(wǎng)絡(luò )和調制解調設備以及移動(dòng)電話(huà)、PDA等無(wú)線(xiàn)設備。

　　LPC2214是Philips公司生產(chǎn)的一種高性?xún)r(jià)比的ARM7TDMI(-S)芯片，主要應用于Intemet網(wǎng)關(guān)、串行協(xié)議轉換、訪(fǎng)問(wèn)控制等領(lǐng)域。

　　1 家庭智能終端的系統結構與硬件組成

　　1.1 家庭智能終端的系統結構

　　家庭智能終端是家庭智能化的核心設備，是家庭內部網(wǎng)絡(luò )與外部網(wǎng)的中轉站。它通過(guò)各種協(xié)議轉換模塊和組網(wǎng)方式實(shí)現各項功能。該文提出的家庭智能終端主要具有以下功能：安全防范、聯(lián)動(dòng)控制、遠程控制和監控、信息采集、家庭信息管理。外部網(wǎng)絡(luò )利用局域網(wǎng)與遠程終端(用戶(hù)終端、小區管理終端、收費終端等)進(jìn)行信息傳送。此外考慮到因特網(wǎng)的不穩定性，系統還預留了PSTN接口以增加系統冗余。采用RS-485總線(xiàn)和藍牙技術(shù)實(shí)現家庭內部網(wǎng)絡(luò )，將無(wú)線(xiàn)與有線(xiàn)相結合滿(mǎn)足更多設備的需要。家庭智能終端的網(wǎng)絡(luò )系統如圖1所示。

　　1.2 家庭智能終端的硬件實(shí)現

　　本文以LPC2214-S作為中心控制芯片。LPC2214-S是基于實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S CPU的微控制器，并帶有256KB的高速片內Flash存儲器。片內128位寬度的存儲器接口和加速器結構可實(shí)現高達60MHz的操作頻率。LPC2214還在片內集成了16KB的SHAM，并且提供了豐富的接口資源，包括2個(gè)16C550工業(yè)標準UART異步串行口，1個(gè)高速PC接口(400Kbps)，2個(gè)SPI接口及112個(gè)GPl0口。其片內Boot裝載程序可實(shí)現在系統編程(ISP)和在應用編程(IAP)。此外芯片提供空閑和掉電兩種低功耗模式。

　　由此可以看出，LPC2214-S具有高性能、低功耗、接口資源豐富的特點(diǎn)。這些特點(diǎn)可以較好地滿(mǎn)足基于網(wǎng)絡(luò )的家庭智能終端的設計需要。

　　作為家庭自動(dòng)化的控制中心，家庭智能終端除了具有局域網(wǎng)接口、PSTN接口、RS-485接口、藍牙接口外，還提供音頻視頻接口、HUB接口、RS-232接口、報警傳感器接口等。這些接口可以實(shí)現音視頻自動(dòng)切換、多臺PC同時(shí)上網(wǎng)、與PC機結合完成家庭事物管理等功能。圖2為家庭智能終端主控模塊的硬件實(shí)現圖。

　　1.3 家庭智能終端工作原理

　　利用基于藍牙技術(shù)的遙控設備或基于RS-485總線(xiàn)的有線(xiàn)鍵盤(pán)，可以設置家庭智能終端的各項參數，打開(kāi)或關(guān)閉485總線(xiàn)或具有藍牙模塊的電器設備，設置報警模塊的報警方式、撤布防等。此外遙控設備和鍵盤(pán)上還有緊急求助按鈕，可以通過(guò)電話(huà)和網(wǎng)絡(luò )向遠程管理中心發(fā)送報警信號。家庭智能終端還具有聯(lián)動(dòng)控制模塊，當485總線(xiàn)或藍牙網(wǎng)絡(luò )上的一個(gè)設備發(fā)生某個(gè)特定的動(dòng)作時(shí).可以引發(fā)另外一些設備做設定的狀態(tài)變化，從而達到方便用戶(hù)和節省能耗的效果。以上介紹的是本地操作的工作原理。關(guān)于遠程控制和遠程監控，本文提供了兩種方式：基于電話(huà)網(wǎng)絡(luò )和基于互聯(lián)網(wǎng)。由于基于電話(huà)網(wǎng)絡(luò )的遠程控制和遠程監控已經(jīng)有了大量介紹，這里主要介紹互聯(lián)網(wǎng)方式的遠程控制和監控。

　　家庭智能終端是通過(guò)Web技術(shù)提供遠程監控和控制服務(wù)的。用戶(hù)在任意一臺連接到因特網(wǎng)的PC機上打開(kāi)Windows IE，登錄小區服務(wù)器，輸入家庭智能終端的IP地址和相關(guān)密碼，使可以看到智能終端上的Web頁(yè)。在Web頁(yè)上可以查看家庭內部網(wǎng)絡(luò )各種設備的狀態(tài).并且可以改變某些設備的狀態(tài)。這里利用小區網(wǎng)關(guān)完成小區局域同與外網(wǎng)的連接，小區內部局域網(wǎng)上的IP地址可以使用私有地址，從而節省費用。

　　2 家庭智能終端軟件設計

　　嵌入實(shí)時(shí)操作系統μCOS-Ⅱ是一種占先式多任務(wù)操作系統.可固化、可裁減、移植性好，具有良好的可靠性和穩定性。它支持64個(gè)任務(wù)，具有信號量、消息郵箱、消息隊列等多種進(jìn)程間通信機制，已經(jīng)在商業(yè)領(lǐng)域得到了成功的應用。由于μCOS-Ⅱ操作系統本身并不帶TCP/IP協(xié)議棧，因此在操作系統上需要移植IP協(xié)議。本文采用μCOS-Ⅱ+LWIP來(lái)實(shí)現家庭智能終端的網(wǎng)絡(luò )通信。