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智能家居控制器的设计 摘要 智能家居业是一个新兴行业，在我国已经得到了初步发展。各大信息家电 生产厂商和政府机构不失时机地开展了中国的标准化制定工作，为中国智能家 居业的发展提供了一个开放的标准化平台。如何建立一个高效率、低成本、实 用、易用的智能家居系统已成为当前社会的一个热点问题，有着广阔的应用前 景与较高的研究价值。 智能家居控制器是一款可以不依赖小区局域网而独立运行的智能家居系 统，集安全自动防范系统s a s 、通信自动化系统c a s 、管理自动化系统m a s 于一体。智能家居以用户需求为出发点，引导和改变大众生活，给人们生活带 来极大方便。本文主要讨论了智能家居控制器系统的设计与初步实现。 控制器的硬件设计采用3 2 位嵌入式多媒体芯片v i r g i n eg 2 为主控制芯片， 为多路视频输入与输出信号设计了叠加和切换电路，以电视为家庭的娱乐中心 与控制中心；通过r s 2 3 2 与上位机相连，便于系统的更新与程序的升级；设计 了有线和无线两种家庭网络，有线方式以c a n 网接入自动抄表系统，无线网 络利用3 1 5 m h z 业余频段，实现安防功能的1 6 路警情检测输入和家电控制命令 发送；以太网设计解决了用户家庭网络和外部网络的信息交互问题；嵌入电话 功能为用户随时随地掌控家庭各种情况提供便捷手段；系统还集成u s b 功能， 提供两路下行端口和一路上行端口。文中给出了系统结构框图和相关功能单元 的电路原理图。 软件的开发基于e i s cs t u d i o 开发环境，移植了g c o s i i 作为智能家居 控制器的操作系统，并在此基础上移植和编写了相关中间件，给出了主要的软 件模块流程图。 智能家居产品具有广阔的市场前景，符合国家的产业发展导向。本设计的 智能家居控制器硬件易于扩展，软件易于升级，机顶盒式的设计易于施工安装。 产品具有较高的性价比，适合中国国情，具有强大的生命力和广阔的市场空间。 关键字：多媒体处理器视频叠加通用串行总线以太网远程控制 a d e s i g no fs m a r t h o m ec o n t r o l l e r a b s t r a c t t h es m a r th o m ei n d u s t r yh a so b t a i n e dag r e a td e a la c h i e v e m e n ti nc h i n a h o m ea p p l i a n c em a n u f a c t u r e sa n dg o v e r n m e n t a lo r g a n i z a t i o n st a k et h i sa d v a n t a g e t om a k et h ep l a t f o r mf o rt h es t a n d a r d i z i n go ft h i si n d u s t r y f o ri t sp r o m i s i n gf u t u r e a n dr e s e a r c hv a l u e ，t h ee s t a b l i s h m e n to fa ne f f e c t i v e ，l o w - c o s t ，p r a c t i c a la n d u s a b i l i t ys y s t e mh a sb e c o m eo n eo ft h eh o tt o p i c si np r e s e n ts i t u a t i o n a sas y s t e mw h i c hc o u l dr u ni n d e p e n d e n to fl o c a la r e an e t w o r k ，s m a r th o m e c o n t r o l l e rh a s i n t e g r a t e d w i t hs a f ea u t o m a t i o n s y s t e m ，c o m m u n i c a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e ma n dm a n a g e m e n ta u t o m a t i o ns y s t e m t om e e tt h ed e m a n do f u s e r ，g u i d ea n dp r o m o t i o nl i f eq u a l i t y ，s m a r th o m ec o u l db r i n gg r e a tf a c i l i t yt o p e o p l e sl i f e t h i sp a p e ri sm a i n l yd i s c u s s e dt h ed e s i g na n dp r i m a r yr e a l i z a t i o no f s m a r th o m ec o n t r o l l e r t h ec o n t r o l l e ri sb a s e do nv i r g i n eg 2 ，o n e3 2 b i tm u l t i m e d i ac h i p e x t e n d e d c i r c u i tf o rr e a l i z es w i t c ha n do v e r l a pm u l t i - v i d e oi n p u ta n do u t p u t ，u t i l i z et vs e ta s h o m ee n t e r t a i n m e n ta n dc o n t r o lc e n t e r r s 2 3 2i n t e r f a c ei sd e s i g n e dt oc o n n e c tp c e a s yt or e a l i z ep r o g r a mu p g r a d e w i r ea n dw i r e l e s sh o m en e t w o r kh a sd e s i g n e d ， a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e mi sa c c e s s e db yc a nb u s ，s i x t e e na l a r mc h e c ki n p u t a n da p p l i a n c ec o n t r o lc o m m a n ds e n db ya m a t e u rf r e q u e n c yb a n d ( 315 m h z ) t h e p r o b l e mo fi n t e r n a la n de x t e r n a li n f o r m a t i o ni n t e r a c t i o ni sr e s o l v e db yt h ed e s i g n o fe t h e r n e tn e t w o r k f o rg i v eac o n v e n i e n tw a yt od e a lw i t hh o u s ei n f o r m a t i o n ， p h o n em o d u l ei se m b e d d e d i t si n t e g r a t e dw i t hu s bf u n c t i o nw h i c hc o u l dp r o v i d e t w od o w n s t r e a m p o r t s a n doneu p s t r e a m p o r t s y s t e m s t r u c t u r ec h a r ta n d c o r r e l a t i o nm o d u l es c h e m a t i cc i r c u i td i a g r a mi sp r o v i d e d s o f t w a r ed e v e l o p m e n ti sb a s e do ne i s cs t u d i o ，p o r t i n gu c o s i ia ss y s t e m e m b e d d e do s ，r e l a t e dm i d d l e w a r ei s c o m p i l e da n dt r a n s p l a n t e d ，c r u c i a lf l o w d i a g r a mi sp r o v i d e d s m a r th o m ep r o d u c eh a saw i d em a r k e tp r o s p e c t ，a n da c c o r d e dw i t hc o u n t y s i n d u s t r i a ld e v e l o p m e n ts t r a t e g y t h i sd e s i g ni s e a s yf o rs y s t e me x t e n d e da n d u p g r a d e d s e t t o p - b o xd e s i g nh a sc o n v e n i e n tt ob ef i x e d t h es y s t e mh a sh i g hr a t i o p e r f o r m a n c e t o p r i c e ，s u i t a b l ef o rc h i n e s eh o m e k e yw o r d s ：m u l t i m e d i ap r o c e s s o r ，v i d e oo v e r l a p ，u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，e t h e r n e t n e t w o r k ，r e m o t ec o n t r o l 插图清单 图2 1 智能家居控制器总体结构图7 图2 2v 0 2 体系结构图8 图2 3 系统时钟复位电路示意图。9 图2 4v 0 2 主r o m 存储器电路图1 2 图2 5v g 2 扩展r o m 存储器电路图1 3 图2 6k 4 s 6 4 1 6 3 2 结构图1 3 图2 7 主数据存储器电路图1 5 图2 8r s 2 3 2 接口电路图1 6 图2 9 视频叠加结构图1 7 图2 1 0 视频叠加电路图1 8 图3 1 电话单元总体结构图1 9 图3 2 振铃检测电路图2 l 图3 3 摘挂机电路图2 2 图3 4t e a l 0 6 2 内部功能框图。2 4 图3 5 电话功能电路图2 5 图3 - 6 阻容电桥式消侧音电路图2 6 图3 7m t 8 8 8 8 工作原理框图2 8 图3 8d t m f 收发电路图3 1 图3 9i s d l 4 2 0 内部工作原理框图3 3 图3 1 0 数字语音录放电路图3 5 图4 1 监控单元信号传输结构图3 6 图4 2 无线发射电路图3 7 图4 3 超再生接收电路图3 8 图4 - 4p t 2 2 6 2 内部原理图3 9 图4 5p t 2 2 7 2 内部原理图4 0 图4 6 无线信息发送电路结构图4 l 图4 7 无线门磁电路图4 2 图4 8 无线门磁低电压检测电路图4 2 图4 9 控制执行模块结构图4 3 图4 1 0 一路开关控制电路图“ 图4 1 l 遥控器l 的开关信号4 6 图4 1 2 遥控器l 的升温信号4 6 图4 1 3 遥控器2 的开关信号4 6 图4 1 4 红外指令接收电路图4 7 图4 1 5 红外指令发射电路图4 8 图4 1 6 智能自学习红外遥控电路图5 0 图5 1i s p l l 6 1 a 1 同时用作u s b 主机和u s b 设备5 3 图5 2i s p l l 6 1 的功能框图5 4 图5 3i s p l l 6 1 a i 与v g 2 接口简图。5 5 图5 4i s p i l 6 1 a 1 外围器件接口简图5 6 图5 5r t l 8 0 1 9 a s 与v g 2 接口硬件设计简图5 7 图5 6c a n 总线接口电路图5 9 图6 - l 家庭智能终端软件总体结构图6 0 图6 2u s b 主机软件流程简图6 9 图6 3u s b 主机软件系统结构图7 0 图6 4z l g f s 文件系统逻辑结构图7 2 图6 - 5 主程序流程图7 2 图6 6 显示程序流程图7 3 图6 7 图像解压缩子程序流程图7 4 图6 8 安防软件流程图7 5 图6 - 9 拨号子程序流程图7 6 图6 1 0p t 2 2 6 2 各状态编码格式。7 7 图6 1 1p t 2 2 6 2 发送编码格式 7 7 图昏1 2p 1 2 2 6 2 同步位格式。7 7 图7 1v g 2 开发板7 8 图7 2 主控单元电路板7 9 图7 3 视频叠加及c a n 接口电路板7 9 图7 - 4 以太网及u s b 电路板。8 0 图7 5 无线发送分立单元电路板8 0 图7 6 无线接收分立单元电路板8 l 图7 - 7 电话功能单元电路板8 l 图7 8 一路交流开关控制电路板8 2 表格清单 表2 - lm a x 7 0 8 引脚功能。l o 表2 - 2v g 2 地址空间表。1 0 表2 3k 4 $ 6 4 1 6 3 2 管脚功能1 4 表3 一lt e a l 0 6 2 a 引脚功能2 3 表3 2m t 8 8 8 8 引脚符号及其功能2 7 表3 3 各寄存器读写方式2 9 表3 - 4 控制寄存器a ( c r a ) 的功能2 9 表3 5 控制寄存器b ( c r b ) 的功能3 0 表3 6 状态寄存器( s r ) 的功能3 0 表3 7 编译码对应关系3 0 表3 8 引脚符号及其功能3 2 表4 1p t 2 2 6 2 引脚功能3 9 表4 - 2p t 2 2 7 2 引脚功能4 0 表6 1p t d 头字段7 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得盒目b 工些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：，j i 生壅 签字日期加乒，月咖 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒蟹王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒墨王些盔堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适州本授权 学位论文作者签名二骀 签字嗽砷上月2 f 学位论文作者毕业后去向 l ：作单位： 通讯地址： 导师签名 说笋 签字嗍冲f 爿刁日 电话 邮编 致谢 在本人攻读硕士学位的近三年时间里，自始至终得到了我的导师王建平教 授的悉心指导和无微不至的关怀。从课题的选题到课题的研究都倾注了王老师 的大量心血。壬老师在学术科研上有着自己独到精辟的见解和领悟力，思维开 阔、作风严谨。他根据自己敏锐的观察力，高屋建瓴，以潜移默化的方式有针 对性地提高学生的薄弱环节，让我深深地体会到他独具匠心的栽培、收益非浅。 王老师精深广博的学识、平易近人的生活态度和真诚友善的处世风格，对我的 生活有着极大的帮助，让我感受到是在和一个良师益友相处，这些对我以后的 生活和工作有着极大的启发意义。在此向王老师致以最诚挚的谢意和祝福! 同时也要感谢p l c 研究室的徐晓冰、秦剑、钱自拓和赵丽欣老师的指导和 帮助，在此表示衷心的感谢。 孙伟同学和我组成了智能家居控制器课题小组，在三年的同学和近两年的 共同工作过程中，孙伟同学思路开阔，学风严谨，生性活泼幽默，我们互帮互 学，融学于乐，共同完成了本课题的研究工作；在实验室期间，还得到了王熹 徽、刘伟、李伟韬、穆举胜、杨金付和朱克忠同学在学习和生活上热情关心和 无私帮助，感谢他们陪伴我度过这三年的美好时光：感谢同实验室的程羽、王 晓雪、张涛、张丽萍、潘乐、张凯、徐其林、张茂林、沈周辉等同学的关心和 帮助。 感谢我的家人以及我的女朋友，他们用辛勤的劳动和无私的关爱给了我学 习和生活的物质精神支持，感爱之心，无以言表，他们永远健康快乐是我的最 大心愿。 感谢所有关心和帮助过我的同学和朋友! 马宾 2 0 0 7 年4 月 第一章绪论 智能家居业作为近年的一个新兴行业，有着广阔的应用前景较高的研究价 值。本文首先通过对该行业进行考察，探讨其发展历程以及今后的发展方向， 明确本文的研究内容。 1 1 智能家居发展历程及前景展望1 1 1 1 2 1 1 3 i 在进行课题的研究前，有必要了解几个问题：何为智能家居? 研究有没有 价值? 要解决哪些问题? 下文着重就这几个问题展开相关论述。 1 1 1 前言 智能家居，或称智能住宅，在英文中常称为s m a r t h o m e 、i n t e l l i g e n t h o m e ， 与此含义相近的还有家庭自动化( h o m ea u t o m a t i o n ) 、电子家庭( e l e c t r o n i c h o m e 、e h o m e ) 、数字家园( d i g i t a lf a m i l y ) 、网络家居( n e t w o r kh o m e ) ，智 能建筑( i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ) 。智能家居是以住宅为平台，兼备建筑、网络通 讯、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、 安全、便利、环保的居住环境。 智能家居是在家庭产品自动化、智能化的基础上，通过网络按拟人化的要 求而实现的。智能家居可以定义为一个过程或者一个系统，利用先进的计算机 技术、网络通讯技术、综合布线技术、无线技术、将与家居生活有关的各种子 系统，有机地结合在一起。与普通家居相比，由原来的被动静止结构转变为具 有能动智能的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交 流畅通。智能家居强调人的主观能动性，要求重视人与居住环境的协调，能够 随心所欲地控制室内居住环境。 家居智能化与家居信息化和家居自动化，以及家庭的网络化等有一定的区 别。在住宅中为住户提供一个宽带上网接口，家居信息化的条件即已具备，但 这还达不到家居智能化。家用电器可定时工作，录像机可定时预录预定频道的 电视节目，这些仅仅是家电自动化。信息化和自动化的结合是家居智能化的前 提和条件，家居智能化不仅需对记录、判别、控制、反馈等过程进行处理，并 将这些过程在一个平台实现集成，能按人们的需求实现远程自动控制。智能化 应服务于人们的居家生活，因此应更全面、更富有人性化。智能家居不仅仅是 一个单独的产品，也不是传统意义上的“智能小区”概念，智能家居是基于多层 次家庭智能化解决方案。它综合利用计算机、网络通讯、家电控制、综合布线 等技术，将家电智能控制、信息交流、消费服务、小区安防监控等家居生活环 境和功能有效地结合起来，在传统“智能小区”的基础上实现“智能家居”的延伸。 1 科技进步应该服务大众，引导生活，改变生活。实用、易用、能给人们生 活带来极大方便的产品会有广阔的市场空间。如何建立一个高效率、低成本的 智能家居系统已成为当前社会一个热点问题。而国家政府机构及各大信息家电 生产厂商不失时机地开展了中国智能家庭网络的标准化制定工作，为中国智能 家居的发展提供了一个开放的标准化平台。 目前智能家居产品普遍存在定位偏高的问题。如何提高性价比，切实分析 用户需求，让智能家居进入寻常百姓家，还有很长的一段路要走。本课题的研 究正是以这方面为切入点，具有较高的技术价值与市场前景。 1 1 3 智能家居的发展趋势 智能家居怎样做到实用、易用、人性化，以实用为本真正提高人们的生活 品质，才是智能家居的发展方向。 1 1 2 智能家居的发展历程 智能家居概念的起源甚早，1 9 8 4 年美国联合科技公司( u n i t e dt e c h n o l o g i e s b u l l d i n gs y s t e m ) 将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康乃迪克州 ( c o n n e c t i c u t ) 哈特佛市( h a r t f o r d ) 的c i t yp l a c eb u i l d i n g 时，由此出现了首栋 “智能型建筑”，从此也揭开了全世界争相建造智能家居的序幕。 最早引起人们对智能家居的注意可能是比尔盖茨当初耗资5 3 亿美元建立 的智能化豪宅，比尔盖茨在他的( t h el o a d a h e a d 一书中以很大篇幅描绘在 华盛顿湖建造的私人豪宅，“由硅片和软件建成的”、“采纳不断变化的尖端技 术”。经7 年的建设，1 9 9 7 年，智能豪宅终于建成。它完全按照智能住宅的概 念建造，不仅具备高速上网的专线，所有的门窗、灯具、电器都能够通过计算 机控制，而且有一个商性能的服务器作为管理整个系统的后台。 美国、欧洲和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了“智能住宅”( 即智 能家居s m a r th o m e ) 的概念。其目标是：“将家庭中各种与信息相关的通讯设 备，家用电器和家庭保安装置通过家庭总线技术( h b s ) 连接到一个家庭智能化 系统上进行集中的或异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设 施与住宅环境的和谐与协调。”1 9 8 8 美国电子工业协会公布了家庭自动化系 统与通讯标准，从此智能家居( s m a r th o m e ) 频繁出现在各大媒体上，成了 人们耳熟能详的词汇，智能家居的发展也由此拉开了序幕。 目前，通常把智能家居被定义为利用电脑、网络和综合布线技术，通过家 庭信息管理平台将与家居生活有关的各种子系统有机地结合的一个系统。也就 是说，首先，它们都要在一个家居中建立一个通讯网络，为家庭信息提供必要 的通路，在家庭网络的操作系统的控制下，通过相应的硬件和执行机构，实现 对所有家庭网络上的家电和设备的控制和监测。其次，它们都要通过一定的媒 2 发展提供了规范。智能家居至今在中国已经历了十多年的发展，从人们初最初 的梦想，到如今众多的商家把这种梦想变为现实。现在许多住宅小区的开发商 在住宅的设计阶段就已经或多或少考虑了智能化功能的设施，少数高档的住宅 小区已经配套了比较完善的智能家庭网络，并在房地产的销售广告中，已经开 始将“智能化”作为一个“亮点”来宣传。 对科技发展动向和市场趋势敏感的科研机构和公司，也已经洞察到这个市 场的广阔前景，意识到这是一个难得的机遇，开始为研究和开发相关系统和产 品进行先期的部署和规划，积极介入智能家庭网络这个全新的领域。国外以 h o n e y w e l l 为代表，国内从事这方面研究的公司有宁波一舟、海尔智能、北京 兰德、深圳永华智创等。 1 1 3 智能家居的发展趋势 智能家居怎样做到实用、易用、人性化，以实用为本真正提高人们的生活 品质，才是智能家居的发展方向。 从2 0 0 0 年的首届峰会到去年年底的第七届中国国际建筑智能化峰会，虽然 中国房产智能化道路几经周折，但是这一进程却不可阻挡地前进着。科技的发 展使人们坚定不移地追求更高品质的生活，智能家居作为高品质信息生活的代 表得到越来越多的瞩目。 近年来，正值网络和新经济的高峰，房地产广告“智能化”的诱人描述比比 皆是，房产业以“智能化小区和家居”为亮点已成为新建社区不可缺少的“卖点”， 智能化住宅小区建设一时在全国形成高潮。但是，据上海市的统计数据显示： 智能化系统发挥作用的仅占2 0 ，由于运行不稳定尚可使用的占4 5 ，另有 3 5 的系统被废弃，业主对家庭安防系统、自动抄表系统和停车场管理系统等 的投诉率一直居高不下。 正如网络经济重回传统一样，第四届中国国际建筑智能化峰会上，朝华数 码等一大批智能家居厂商们呼吁，智能家居必须回归理性。虽然业晃对于智能 家居定义一直争论不休，正如建筑智能化领域专家、清华大学林贤光教授所言： 目前为止，并没有关于智能与非智能的确切的界限与概念。但是如果抛开业界 的争论，从消费者的角度来看，智能家居市场的需求已经逐渐明朗：就是以实 用为核心，力求实用、易用、人性化：2 0 0 6 年底的第七届峰会上，与会的专家 明确了在社会不断进步和时代发展背景下，智能建筑应该走可持续发展之路。 虽然科技飞速发展，信息技术日新月异，连c p u 运算速度的提升都已经突 破了摩尔定律，但是如何将这些技术引入智能家居产品之中，如何打造出真正 实用的智能家居产品，这才是国际建筑智能化峰会每一位参与者最关注的问题。 有关人士提出，如今智能家居产业界所体现的两大技术趋势正是发展方向：1 、 领先的无线移动；2 、不依靠p c 的独立形态。 3 盖茨当年在( t h el o a da h e a d ) 中所提到的智能房子如今已经成为华盛顿 湖的一大胜景，这幢房子可谓智能化到了极致，连车道旁的一棵老枫树，都通 过专门的监视系统给这棵树进行2 4 小时的全方位监控，一旦监视系统发现它有 干燥的迹象，将释放适量的水来为它解渴。但是，为了实现这样的智能化，专 门铺设了8 4 公里电缆，耗资5 3 亿美元。对普通用户来说，再多的光纤电缆， 不如手里一个无线遥控器来得实用方便，这正是无线移动技术在智能家居领域 大受青睐的原因。而正如计算机摆脱大型机进入p c 才开始大发展，脱离了p c 呈独立状态的智能家居产品才能有更大发展空间，它不会由于电脑的突然瘫痪 而一筹莫展，一切都更加灵活，更加随意。领先的无线移动和不依靠p c 的独 立形态，将使家居变成真正的“自由数码空问”。 智能家居是科技以服务为本、影响生活、改变生活、创造新的生活方式的 最直观体现，也是各智能家居厂商籍由产品让人们享受到的现实。只有更加贴 近实用、易用和人性化，才能真正提高人们的生活品质，才能真正体现智能家 居的价值，这也是现代科技价值的核心所在。 1 2 论文主要内容与设计标准 我国在智能家居产品的研发起步较晚，已有多家厂商开发出多种款式的产 品，但如何以人居习惯为出发点，很好地利用电视这个家庭娱乐中心，拓展电 视的功能，让电视集娱乐、监控于一体，研发出适合中国国情的智能家居产品 是值得研究的课题之一 本文主要研究内容有智能家居的总体设计、安防等单元设计，并在硬件设 计的基础之上给出了软件解决方案。 智能家居控制器的设计以小康住宅电气设计( 标准) 导则指导，参考了 安徽省地方标准住宅小区智能化系统工程设计、验收规范和合肥市地方标 准合肥市居住小区智能化系统分类标准及功能配置技术导则。 本文共分八章，分别从硬件角度与软件角度对系统的实现作了相关阐述。 第二章讨论了智能家居控制器的总体设计和其主控单元设计，内容包括主 控芯片的选型、基本单元电路的设计、叠加电路设计等： 第三章和第四章阐述的是电话单元的设计和监控单元的设计，讨论了电话 远程控制与报警的实现和监控模块设计； 第五章主要研究了智能家居系统的通讯接口扩展，为用户提供了以太网、 c a n 网和u s b 系统； 第六章从三个方面讨论软件系统的实现，内容包括操作系统、中间件和几 个主要软件模块的程序移植和编写； 第七章讲述本设计的实验系统，给出了相关实物图片； 最后一章分析了本设计的不足之处，给出了改进意见。 4 第二章智能家居控制器的主控单元设计 智能家居控制器的硬件设计以3 2 位高性能多媒体处理器为核心，功能强 大，性能稳定。控制器软件系统采用内嵌操作系统，便于升级、更换应用软件。 系统的设计充分考虑了产品的可持续发展，扩展性好，可为用户提供更多更好 的功能。 2 1 总体设计 智能家居控制器的设计原则以人居习惯为出发点，最大限度地方便用户使 用；以控制器为核心，接口电路易于安装和扩展。 2 1 1 智能家居控制器功能设计 智能家居控制器集管理自动化系统m a s 、通信自动化系统c a s 、安全自 动防范系统s a s 于一体，利用住户的固定电话和宽带网络来实现远程控制，采 用c a n 总线接入自动抄表系统，通过无线方式实现监控系统的信号传输。智 能家居控制器是一个可以独立运行的智能家居系统，还可与小区局域网络相连 接，组成智能小区。系统结构简单，安装方便，集控制与娱乐于一体。可实现 多路音视频的切换，提供图形图像信息与电视信号叠加的监控界面。 本文所设计的智能家居控制器主要功能如下： 1 ) 家庭理财：家庭水费、电费、煤气费和供热费的记录显示和传输；家庭 日常支出的录入和显示；家庭月、季、年支出累计。 2 ) 家政服务；家庭对小区物业公司的钟点工( 清洁、保姆、护理等) 、医 护、水电气维修送饭、送货的预约、召唤和呼救。 3 ) 家庭安防：门禁( 可视对讲) 控制操作；家庭安防系统( 红外入侵报警、 窗玻璃碎报警等) 预警设置和声光远程报警。 4 ) 家庭电子保姆：可预设置或通过电话网络远程遥控，实现电饭煲、微 波炉、洗衣机、热水器、窗帘和灯光等家电的控制。 5 ) 家庭信息平台：直接收看电视节目，转接播放v c d 、d v d ，完成数位 电视接收，转换和高清晰电视处理播放，网络接入等。 6 ) 物业管理：小区发布公共信息，各户信息通告等。 2 1 2 智能家居系统设计原则 系统的总体设计要求提供先进、可靠的功能，具有可扩展能力与升级能力。 1 ) 稳定性和可靠性：稳定和可靠的系统是首要前提。在系统方案设计、设 备选型、产品研发以及操作使用中，都要有优先考虑提供稳定可靠的技术条件。 5 2 ) 标准性和规范性：采用国家通用标准和地方标准相结合。系统设计规范 化，软件编制规范化，硬件选型规范化，产品规格规范化。 3 ) 实用性和先进性：采用的技术及产品，都具有先进、成熟、稳定、可靠、 实用的特点。技术和产品具有开放性原则，采用符合标准的产品，具有灵活方 便的连接及升级方案。 4 ) 可维护性和可扩展性：系统的总体结构合理，容量适度，扩展灵活，亦 即系统外设配置可灵活增加，系统规模便于扩展，易于和同类相关产品互连。 5 ) 经济适用性：产品设计力求高性价比。在合理配置平台的前提下，保证 产品具有较高档次和较低的价格。 2 。1 3 通信协议技术标准 1 ) 1 2 c ：通信速率1 0 0 b p s 3 0 0 b p s ； 2 ) r s 2 3 2 , 通信速率1 2 0 0 b p p 9 6 0 0 b p s ； 3 ) u s b ：u s b 2 0 协议 4 ) c a n ：c a n 2 0 b 协议 5 ) 以太网：l w l p 协议 2 1 4 智能家居控制器结构设计 主控单元以多媒体芯片v g 2 为核心，为用户提供高性价比的智能家居产 品。智能家居控制器的总体结构设计如图2 1 所示。 2 2 微处理器( m c u ) 的选型1 4 1 1 5 1 【6 1 1 4 6 1 1 4 7 l 韩国a d c h i p s 公司生产的多媒体芯片v i r g i n eg 2 ( 简称v g 2 ) 内嵌了一 个3 2 通道的8 1 6 位音频引擎和基于3 维图形算法的2 维图形加速器图形图像 加速器，为视频处理提供了一个低成本、高性能的嵌入式解决方案。v g 2 的内 部集成了一个3 2 位的s e i s c 处理器( s e 3 2 0 8 ) ，以及视频d a c 、d r a m 控制 器、d m a 、定时器、双串口等多种外设，可以较好的满足系统的设计需要。v g 2 可以将图像数据转换成r g b 信号输出，同时带有行、场等各种同步信号，可以 非常方便地实现图像与视频信号的叠加，大大节省了成本，减小了设计的复杂 度，这是其它的类型的处理器所不具备的。 6 图2 1 智能家居控制器总体结构图 2 2 1v g 2 及其结构特点 其集成的各种片上功能如下： 1 ) c p u 最大工作频率为4 0 m h z 2 ) 内建3 2 位e i s cc p uc o r es e 3 2 0 8 3 ) 4 k b y t e2 路联合c a c h e 4 ) 支持n t s c ，p a l 显示格式 5 ) 支持内部视频图像和外部视频以及视频信号叠加 6 ) 支持外部同步信号检测 7 ) 最大1 0 2 4 ( 像素) 水平线 8 ) 1 6 b i t 颜色模式 9 ) 基于3 d 的2 d 加速器 1 0 ) 支持两路光笔输入 1 1 ) 视频帧内存最大8 mb y t ed r a m 1 2 ) 视频纹理内存最大8 mb y t ed r a m 1 3 ) s d r a m 支持8 0 mh z 的工作频率 1 4 ) 嵌入式周边功能 1 5 ) 嵌入式r a m d a c 和p l l 1 6 ) 2 4 0 q f p 封装 7 2 2 23 2 位微处理器e i s cs e 3 2 0 8 s e 3 2 0 8 属于a d c h i p s 公司的e i s c 系列，并且为嵌入式应用和普通3 2 位 高性能微处理器进行了优化。同时e i s c 和c i s c 产品相比具有高指令密度和极 为简单 图2 - 2v g 2 体系结构图 e i s c 是可扩展指令集的简称( e x t e n d a b l ei n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) ，它基 于r i s c ，指令运行为单时钟周期，融合了c i s c 的优点，代码密度高。它体积 小，功能却很强大，适用于作为嵌入式的m c u 。 e i s cc p u 使用定长的1 6 位指令，操作数可以灵活扩展为1 6 位3 2 6 4 位， 这是通过扩展寄存器和扩展指令实现的。程序代码小，并且向上兼容，1 6 位3 2 8 位6 4 位e i s cc p u 的代码可以通用，方便升级。使用c c + + 语言进行开发。 2 2 3 基于3 d 的2 d 图形加速器 v g 2 通过对处理器频率倍频得到图像加速器的工作频率，最高工作在 9 0 m h z 。它的c r t 控制器支持n t s c p a l 及s v g a 显示，并且还支持和外部 视频信号的叠加，每行最大1 0 2 4 个像素，1 6 b i t 彩色模式，支持纹理和实时贴 图、透明和a ( 半透明) 变换、图像旋转以及图像放大缩小等功能。 贴图性能：每秒处理5 8 0 个对象( 工作频率8 0 m h z ，3 2 0 x 2 4 0 显示模式， 2 5 6 x 2 5 6 的纹理尺寸) 。最大外接帧存储器和纹理存储器各为8 m 字节。 2 2 4 音频引擎 v g 2 支持8 1 6 位最大4 4 1 k h z 的p c m 格式的声音，在w i n d o w s 中即为 w a v 文件。 2 3 微处理器基本单元电路设计l 1 基本单元的电路设计主要包括时钟和复位电路、存储器扩展电路的设计。 2 3 1 时钟和复位电路设计 v t 3 2 上集成有p l l ( 锁相环) 时钟模块，可以为v g 2 芯片提供所需要的 时钟信号。v g 2 的配置寄存器( c f g r ) 控制p l l 模块的运行，且可以通过p l l 编程寄存器( p l p g m ) 选择p l l 倍频系数。这里采用外部时钟，在v g 2 的x i n 和x o u t 引脚之间接入1 4 3 1 8 m h z 的晶体振荡器，外接电容为3 0 p f 。 是复位电路的硬件原理示意图如图2 3 所示。为提高系统自身的可靠性， 本系统采用了具有手动复位、电源检测复位和2 组复位电平输出的微处理器监 控芯片m a x 7 0 8 组成的高可靠性复位电路。 m c 笛 1 0 4 图2 3 系统时钟复位电路示意图 9 m a x 7 0 8 芯片是一种微处理器电源监控芯片，可同时输出高电平有效和低 电平有效的复位信号，复位可由v c c 电压复位、手动复位输入、或由孤立的比 较器所触发。m a x 7 0 8 引脚的功能如表2 - l 所列。 表2 1m a x t 0 8 引脚功能 m r手动复位输入：低电平有效 v c c正电源输入 g n d电源地 p f i电源失效比较器输入 p f o电源失效比较器输出 n c未用脚 r e s e t低电平有效复位输出，当m r 保持为低电平时，r e s e t 输出低电平复位信号并继续保持2 0 0 m s r e s e t高电平有效复位输出，当m r 保持为低电平时，r e s e t 输出高电平复位信号并继续保持2 0 0 m s 在本电路中，m a x 7 0 8 的低电平复位端r e s e t 接到v g 2 的r e s e t 引脚 ( v g 2 是低电平复位) 。当系统上电后电源电压稳定时，复位端r e s e t 输出低 电平且经过一段延迟时间( 为了提高系统的可靠性，通过7 4 l s 0 8 提高延迟时 间) 由低变高，这样此段时间就形成了一个复位信号，其作用等效于一般情况 下使用的r c 上电复位信号；在系统正常运行时，由于其他原故使程序跑飞或 锁死需要外部干涉时，按一下手动复位按钮即可使系统重新正常工作。 2 3 2 存储器电路设计 由于v g 2 片内不含程序存储器和数据存储器，因此在使用中必须外扩程序 存储器和数据存储器芯片。v g 2 芯片内部带有r o m 控制器和d r a m 控制器， 使得存储器的扩展变得非常容易。 v g 2 的内嵌c p us e 3 2 0 8 有3 2 位的地址总线，它可以直接访问4 g 字节的 地址空间。v g 2 的地址空间如表2 - 2 所示。从表中可以看出，v g 2 整个地址空 间采用统一编码原则。而且对于专门的地址范围，v g 2 有专门的地址信号进行 片选。 表2 2v g 2 地址空间表 地址范围描述标注 0 0 0 0 0 0 0 0 h 一0 0 f f f f f f h主r o mr o m c s 撑 0