基于ARM芯片LPC2214和μCOS-II的家庭智能終端的設計與實現(xiàn)

　　智能家居是指利用先進的計算機技術、網(wǎng)絡通信技術、綜合布線技術，將與家居生活有關的名種子系統(tǒng)有機地結合，通過統(tǒng)籌管理，使家居生活更加舒適、安全、有效。作為小區(qū)智能化的重要組成部分，智能家居平臺是通過其核心——家庭智能終端實現(xiàn)家居智能化。智能家居終端可實現(xiàn)系統(tǒng)信息的采集、信息輸入、邏輯處理、信息輸出、聯(lián)動控制等功能。早期的家庭智能終端網(wǎng)絡是基于電話網(wǎng)實現(xiàn)遠程監(jiān)控和遠程控制。由于電話網(wǎng)絡的帶寬限制以及較高的使用成本，使得家庭智能終端無法推廣。隨著計算機技術和通信技術的發(fā)展，基于IP技術的遠程通信已經(jīng)成為家庭智能終端開發(fā)的重點。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(xiàn)。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(tǒng)和完整的IP協(xié)議無法移植，遠程監(jiān)控和遠程控制的實時性和大數(shù)據(jù)量可靠通信難以保證，從而成為家庭智能終端開發(fā)的瓶頸。利用成熟的ARM芯片和μCOS-Ⅱ操作系統(tǒng)，可以有效地解決這一難題。

　　ARM(Advanced RISC Maehines)是精簡指令集計算機，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增加和自動減少的尋址模式、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)絡和調(diào)制解調(diào)設備以及移動電話、PDA等無線設備。

　　LPC2214是Philips公司生產(chǎn)的一種高性價比的ARM7TDMI(-S)芯片，主要應用于Intemet網(wǎng)關、串行協(xié)議轉換、訪問控制等領域。

　　1 家庭智能終端的系統(tǒng)結構與硬件組成

　　1.1 家庭智能終端的系統(tǒng)結構

　　家庭智能終端是家庭智能化的核心設備，是家庭內(nèi)部網(wǎng)絡與外部網(wǎng)的中轉站。它通過各種協(xié)議轉換模塊和組網(wǎng)方式實現(xiàn)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)動控制、遠程控制和監(jiān)控、信息采集、家庭信息管理。外部網(wǎng)絡利用局域網(wǎng)與遠程終端(用戶終端、小區(qū)管理終端、收費終端等)進行信息傳送。此外考慮到因特網(wǎng)的不穩(wěn)定性，系統(tǒng)還預留了PSTN接口以增加系統(tǒng)冗余。采用RS-485總線和藍牙技術實現(xiàn)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡，將無線與有線相結合滿足更多設備的需要。家庭智能終端的網(wǎng)絡系統(tǒng)如圖1所示。

　　1.2 家庭智能終端的硬件實現(xiàn)

　　本文以LPC2214-S作為中心控制芯片。LPC2214-S是基于實時仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S CPU的微控制器，并帶有256KB的高速片內(nèi)Flash存儲器。片內(nèi)128位寬度的存儲器接口和加速器結構可實現(xiàn)高達60MHz的操作頻率。LPC2214還在片內(nèi)集成了16KB的SHAM，并且提供了豐富的接口資源，包括2個16C550工業(yè)標準UART異步串行口，1個高速PC接口(400Kbps)，2個SPI接口及112個GPl0口。其片內(nèi)Boot裝載程序可實現(xiàn)在系統(tǒng)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。這些特點可以較好地滿足基于網(wǎng)絡的家庭智能終端的設計需要。

　　作為家庭自動化的控制中心，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。這些接口可以實現(xiàn)音視頻自動切換、多臺PC同時上網(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現(xiàn)圖。

　　1.3 家庭智能終端工作原理

　　利用基于藍牙技術的遙控設備或基于RS-485總線的有線鍵盤，可以設置家庭智能終端的各項參數(shù)，打開或關閉485總線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上還有緊急求助按鈕，可以通過電話和網(wǎng)絡向遠程管理中心發(fā)送報警信號。家庭智能終端還具有聯(lián)動控制模塊，當485總線或藍牙網(wǎng)絡上的一個設備發(fā)生某個特定的動作時.可以引發(fā)另外一些設備做設定的狀態(tài)變化，從而達到方便用戶和節(jié)省能耗的效果。以上介紹的是本地操作的工作原理。關于遠程控制和遠程監(jiān)控，本文提供了兩種方式：基于電話網(wǎng)絡和基于互聯(lián)網(wǎng)。由于基于電話網(wǎng)絡的遠程控制和遠程監(jiān)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(jiān)控。

　　家庭智能終端是通過Web技術提供遠程監(jiān)控和控制服務的。用戶在任意一臺連接到因特網(wǎng)的PC機上打開Windows IE，登錄小區(qū)服務器，輸入家庭智能終端的IP地址和相關密碼，使可以看到智能終端上的Web頁。在Web頁上可以查看家庭內(nèi)部網(wǎng)絡各種設備的狀態(tài).并且可以改變某些設備的狀態(tài)。這里利用小區(qū)網(wǎng)關完成小區(qū)局域同與外網(wǎng)的連接，小區(qū)內(nèi)部局域網(wǎng)上的IP地址可以使用私有地址，從而節(jié)省費用。

　　2 家庭智能終端軟件設計

　　嵌入實時操作系統(tǒng)μCOS-Ⅱ是一種占先式多任務操作系統(tǒng).可固化、可裁減、移植性好，具有良好的可靠性和穩(wěn)定性。它支持64個任務，具有信號量、消息郵箱、消息隊列等多種進程間通信機制，已經(jīng)在商業(yè)領域得到了成功的應用。由于μCOS-Ⅱ操作系統(tǒng)本身并不帶TCP/IP協(xié)議棧，因此在操作系統(tǒng)上需要移植IP協(xié)議。本文采用μCOS-Ⅱ+LWIP來實現(xiàn)家庭智能終端的網(wǎng)絡通信。