（计算机软件与理论专业论文）智能家居中央控制平台的分析与设计.pdf

摘要 摘要 智能家居是一个充满发展前景的行业，在国内已经发展了几年了。随着智 能家居行业自身的发展和人们对居住环境的现代化、信息化和舒适化的追求， 人们对智能家居的关注度逐渐提高。从目前国内的智能家居发展情况来看，智 能家居还存在着很多问题，需要我们耐心去解决。 本文首先介绍了课题研究的背景和意义，分析了智能家居系统的发展现状 和趋势，总结了智能家居研究目前存在的主要问题。通过深入研究了智能家居 所涉及的相关理论和技术，提出了网络家电的设计模型和家庭网络的通讯技术 方案，并结合嵌入式技术给出了其实现方法。论文阐述了家居控制系统的功能 和设计思想，设计了一个低成本、易维护、可扩展、易配置的家居中央控制平 台方案。 本文针对国内智能家居产品存在的问题和目前家庭的实际情况凡一提出了以 嵌入式设备为主控设备，以蓝牙作为家庭网络的通信技术，构建智能家居控制 平台的方案。系统选用$ 3 c 2 4 1 0 芯片为智能家居控制平台的核心控制芯片， c s 8 9 0 0 a 为远程控制芯片，蓝牙芯片r o k l 0 10 0 8 为家庭网络通信模块，构建 智能家居控制平台的核心控制器。系统完成了b o o t l o a d e r 的移植、嵌入式 l i n u x 的剪裁和移植，设计了核心控制器与网络家电之间的数据通讯格式。通过 对家居控制系统的分析，设计了家居控制系统的软件模型。为了方便用户对家 电设备的控制，系统除了本地控制外还设计了嵌入式w e bs e r v e r ，为用户提供远 程控制功能。 关键词：智能家居；控制平台；网络家电；嵌入式l i n u x a b s t r a c t a b s t r a c t s m a r th o m ei sa l li n d u s t r yf u l lo fp r o s p e c t sf o rt h ed e v e l o p m e n t ，h a sb e e n d e v e l o p e di nc h i n af o ry e a r s a st h ed e v e l o p m e n to fs m a r th o m ea n d t h ep u r s u i to f t h em o d e r n i z a t i o na n dc o m f o r to fp e o p l e sl i v i n ge n v i r o n m e n t ，p e o p l ep a yc l o s e a t t e n t i o nt os m a r th o m eg r a d u a l l y a st h ed o m e s t i cs m a r th o m ei sd e v e l o p i n g ，t h e r e a r es t i l lm a n yp r o b l e m s ，w en e e dp a t i e n c et or e s o l v e t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e ，t h e n a n a l y s e st h ed e v e l o p m e n ts t a t u sa n dt r e n d s o ft h es m a r th o m e ，s u m m a r i z e st h e e x i s t i n gm a i np r o b l e mo ft h es m a r th o m e t h r o u g hi n - d e p t hs t u d yo ft h er e l e v a n t t h e o r i e sa n dt e c h n i q u e si n v o l v e di nt h es m a r th o m e ，t h i sp a p e rp u t so v e rd e s i g n m o d e l so fn e t w o r ka p p l i a n c ea n dt h et e c h n i c a ls o l u t i o no fh o m en e t w o r k i n g c o m m u n i c a t i o n s ，g i v e st h em e t h o d so ft h e i rr e a l i z a t i o nc o m b i n e dw i t he m b e d d e d t e c h n o l o g y t h ep a p e r d e s c r i b e df u n c t i o n sa n dd e s i g nm e t h o d o l o g yo ft h e h o m e c o n t r o l s y s t e m ，d e s i g n e d ah o m ec e n t r a lc o n t r o lp l a t f o r mh a v i n g t h e c h a r a c t e r i s t i c so fl o w c o s t ，e a s yt om a i n t a i n ，e x t e n s i b l e ，e a s yt oc o n f i g u r e i nc o n n e c t i o nw i t ht h ep r o b l e mo ft h ed o m e s t i cs m a r th o m ep r o d u c t sa n d r e a l i t yo ft h ec u r r e n tf a m i l i e s ，t h i sp a p e rp r o p o s e st oas m a r th o m ec o n t r o lp l a t f o r m s o l u t i o ni n c l u d ee m b e d d e dd e v i c e sa sam a s t e rd e v i c ea n dt h eb l u e t o o t ha sah o m e n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y t h ep a p e ru s e sa $ 3 c 2 4 10c h i pa sac o r e c o n t r o l l e r ，ac s 8 9 0 0 ac h i pa st h er e m o t ec o n t r o lc h i pa n dab l u e t o o t hc h i pn a m e d r o kio10 0 8a st h eh o m en e t w o r kc o m m u n i c a t i o nm o d u l et ob u i l dt h es m a r th o m e c o n t r o l p l a t f o r m t h ep a p e rc o m p l e t e s t h eb o o t l o a d e rt r a n s p l a n t a t i o n ， e m b e d d e dl i n u xc l i p p i n ga n dt r a n s p l a n t a t i o n ，a n dd e s i g n sd a t ac o m m u n i c a t i o n f o r m a tf o rc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h en e t w o r ka p p l i a n c ea n dt h ec o r ec o n t r o l l e r t h r o u g ha n a l y s i so ft h eh o m e - c o n t r o ls y s t e m ，t h ep a p e rd e s i g n ss o f t w a r em o d e lo f t h eh o m e c o n t r o ls y s t e m i no r d e rt of a c i l i t a t eu s e rt oc o n t r o lc o n s u m e re l e c t r o n i c s d e v i c e s ，t h es y s t e mp r o v i d e su s e r sw i t hr e m o t ec o n t r o lf u n c t i o n s k e yw o r d s ：s m a r th o m e ；c o n t r o lp l a t f o r m ；n e t w o r ka p p l i a n c e s ；e m b e d d e dl i n u x i l 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 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，也不包含为获得直昌太堂或其他教育 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。 瑚瓣对期：刎。年，肿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太学有关保留、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。本人授权南昌太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、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名( 手写) ：善之叶 签字日期：妒年月，o 日 导师签名。手写，：【乏、? _ 签字b 朔： 沪 o 年f 羁l b 第1 章绪论 1 1 选题研究背景和意义 1 1 1 选题背景 第1 章绪论 家电行业的发展始于2 0 世纪6 0 年代末至7 0 年代初，主要机械控制和电气 控制式家电。从2 0 世纪7 0 年代末开始，由于电子技术的发展，家电的控制方 式进入了电子控制方式。8 0 年代微处理器在各个领域得到应用，出现了微电脑 控制家电。1 9 9 8 年以来，随着计算机、信息和网络技术的迅速发展，信息家电 受到信息、家电、通信厂商的广泛关注，许多公司想把信息家电作为重要的发 展方向，有的公司甚至认为信息家电是i t 产业继p c 之后第二个最为重要的产 品。i n t e l 、c i s c o 、s o n y 、p a n a s o n i c 、s a m s u n g 、m i c r o s o f t 、h p 等计算机软硬件、 家电、通信厂商纷纷投资于信息家电产品的研究与开发【l 儿引。 人们期待家电在历经机电控制、电子控制和智能控制等技术台阶之后，能 够发展成为通过网络交换信息、获取知识、协同工作的新一代家电信息家 电，向人们提供前所未有的强大功能。但由于信息家电是家庭环境中的独立设 备，在实际进入市场过程中将遇到无法避免的问题和困难，如信息家电技术标 准不统一、难以协同工作以及成本高等。 与此同时，世界上一些科研机构已经将智能大厦的概念和模式引进智能小 区，并进一步引进家庭，由此产生了智能家居这一概念。智能家居构建以家为 平台，兼备自动化、智能化的高效、舒适、安全、便利的家居环境。智能家居 将各种住宅设备和信息设备通过家庭网络连接起来，并维护这些设备与住宅的 协调，从而构筑舒适安全的信息化居住空间，以便于实现信息社会中富有创造 性的生活。 为了适应信息化时代的要求，近年来，世界上不少有识之士已意识到家庭 信息化的重要性，把发展家庭信息化作为一个极其重要的方向来考虑。要实现 家庭的信息化，构建完善的智能家居系统则是必由之路。家庭居住环境的数字 化、智能化、网络化趋势已势不可挡。 第l 章绪论 1 1 2 课题研究目的及意义 随着人们对居住条件、生活质量、信息获取的需求越来越迫切，社会信息 化脚步的进一步加快，家居信息化成为建设社会信息化过程的一个很重要环节。 家庭是社会的细胞，唯有家庭实现了信息化，才可能真正实现社会的信息化。 对智能家居系统的研究及开发是实现家庭信息化得必经之路。但目前国内的研 究尚未建立一个完整的理论体系，对智能家居的理解也存在着种种差异；当前 国内的智能家居产品大都功能贫乏，系统设计不规范、扩展性差，对当前的发 展形式较难适应，同时智能家居技术在我国处于起步阶段，许多技术标准都未 标准化，还有很多工作需要做。因此加强智能家居应用方面的研究，通过选取 合适的技术，设计合理的方案，组建一种符合我国国情的、具有自主知识产权 的智能家居系统己成为当前智能家居研究领域中极富挑战的课题。 根据上述存在的问题，本课题研究的主要目的是深入研究智能家居涉及的 相关理论与技术，将计算机技术及嵌入式控制技术等应用于智能家居控制系统 中，基于此基础上，设计一个低成本、易维护、可扩展、易配置的家居中央控 制平台。本设计选用了价格适中、货源稳定的3 2 位删核的嵌入式微处理器 $ 3 c 2 4 1 0 作为硬件控制核心，选用网络功能强大、开源、并且便于维护的嵌入式 l i n u x 操作系统作为软件开发平台，在此基础上进行嵌入式开发，设计出一个面 向家居系统的专用控制系统。 1 2 智能家居发展现状及存在的主要问题 1 2 1 智能家居发展现状 自从世界上第一幢智能建筑于1 9 8 4 年在美国出现后，各国相继形成了智能 建筑热潮。之后，世界上一些科研机构将智能建筑的概念和模式又引进智能小 区，并进一步引进家庭，由此产生了智能家居这一概念。 智能化家居发展跨越三个层次，首先是家庭电子化( h o m ee l e c t r o n i c s ) ， 其次是家居自动化( h o m ea u t o m a ti o n ) ，最后是家居智能化，欧洲则称其为时髦 屋( s m a r th o m e ) ，美国称其为智慧屋( w i s eh o u s e ) ，在我国被称为智能住宅或 智能家居。 2 第1 章绪论 智能家居在发达国家起步较早，始于2 0 世纪8 0 年代，其建设最早起源于 美国。目前，全球最大的智能化住宅群位于美国，其占地3 3 5 9 公顷。日本也建 有相类似的高标准示范性住宅小区。美国、日本都已对住宅小区智能化系统制 定了技术标准，按照技术标准进行智能化住宅建设。应用于智能化小区的基础 产品，在发达国家已形成了系列。有相当一部分产品已通过了国际智能认证， 在国际市场上占据优势。但目前其成熟产品的价格却是较昂贵的。 我国的智能家居相对于国外起步较晚，尚未形成一定的国家标准，主要采 用国外的技术和产品，但也有些单位推出了自己的产品。如清华同方的e h o m e 数字家园，海尔的“e 家庭 ，还有科龙的“现代家居信息服务集散控制系统 等。现在国内企业和科研单位都处于从不同角度和立场理解智能家居的阶段。 各大企业厂商在推出概念性产品时，也在寻求更为合理的家居系统解决方案。 从技术角度来看，智能家居系统的关键是对家庭网络的引入，智能家居系 统的实现离不开家庭网络。国外家庭网络的概念始于2 0 世纪7 0 年代。开始时 各公司自定标准，导致市场的开拓和技术的进步极为缓慢。近年来，遵循统一 标准已成为业内共识。目前，国际上用于智能家居和家庭网络中占主导地位的 标准有：美国的x l o 和c e b u s 、欧洲的e i b 、日本的h b s 。其他相关的技术规范 有：b l u e t o o t h 、h a v i 、h o m ep n a 、j i n i 、z i g b e e 、o s g i 、h o m er f 等。虽然这 些标准和规范各有侧重点，但大部分标准主要是围绕家庭内部组网和设备互联 互通、互操作及即插即用等方面1 3 儿4 1 。 从2 0 0 0 年以来，国内企业、组织纷纷着手并提出了符合中国国情的智能家 居协议标准。2 0 0 1 年，在前国家计委、信息产业部和国家标准化管理委员会的 组织和领导下，海尔、长虹、上广电、清华同方等国内2 3 家家电、i t 企业成立 了“数字电视接收设备与家庭网络平台标准 工作组。2 0 0 3 年7 月1 7 日，在 获得信息产业部科技司批准下，以联想、康佳、t c l 、长城、海信等5 家企业发 起，7 家单位共同参与的i g r s 标准工作组正式成立。i g r s 将新的智能家居发展 趋势定义为3 c ( c o n s u m e r 、c o m p u t e r 、c o m m u n i c a t i o n ) 合一。2 0 0 4 年，以电 信为首的中国通信标准化协会( c c s a ) 提出开展家庭网络的标准的研究工作，对 家庭网络进行了全面综合研究，形成了电信制造和运营商对未来智能家居新时 代的看法、对策与发展规划，并向c c s a 提交了一份家庭网络总体研究( v 1 2 ) 报告。2 0 0 4 年7 月2 6 日，“e 家佳”的中国家庭网络联盟宣告成立。该联盟由 海尔集团、中国网通、清华同方、春兰集团、上海广电集团、上海贝岭、长城 第1 章绪论 集团共7 家公司发起组建，目的是统一中国家庭网络标准。2 0 0 5 年6 月2 8 日， 信息产业部批准i t o p h o m e ( e 家佳) 为行业推荐标准。 从国内外发展形势来看，智能家居系统在国外已经开始处于应用阶段，有 较成熟的产品；在国内，智能家居发展所需具备的条件还远没有成熟，所以目 前智能家居还主要处于研究阶段，智能家居行业的发展周期目前还是在培育阶 段，智能家居对我国来说还是新鲜事物。随着2 1 世纪信息社会的快速发展，随 着人们生活水平的提高，智能家居将会逐渐发展起来。 1 2 2 智j 二家居研究及技术存在的主要问题 目前国内家庭家居的研究及研发过程中存在几个主要问题急需解决，它们 分别是： ( 1 ) 国外产品不适合国内市场。虽然国外产品集成了家庭自动化、能源管理、 家庭维护、家庭安防等多方面的功能，但其功能的底层支持需要网络运营商和 其它相关服务机构的支持，而在国内，这些硬件基础条件还远远达不到其要求。 另外，国外产品较昂贵，不适合在国内市场做推广。 ( 2 ) 国内没有统一的国家行业标准规范。目前，国内智能家居领域的主流标 准主要有3 个，分别是c c s a 、i g r s 、i t o p h o m e ( e 家佳) 等组织制定的协议标 准。国内智能家居行业刚展开不久，智能家居的各厂商的激烈竞争，产品多样， 技术路线各异，没有统一的国家行业标准规范，相互之间无法兼容，导致系统 构建必须依赖于厂商，这严重制约着行业进一步的发展。为了促进智能家居的 健康发展，必须探索规范化、标准化的道路，模块化组建系统，使各厂家的产 品遵循统一的接口规范，实现互用互换，必须具有开放性和扩展性。 ( 3 ) 智能家居系统解决方案不成熟。各大企业厂商在推出概念性产品的同时 也在寻求更为合理的家居系统解决方案。一个具有良好应用前景的家居系统必 须具有开放性和扩展性，以及使用和维护的简单方便，这也是普通家庭的实际 情况所决定的。 ( 4 ) 智能家居行业不成熟制约智能家居系统发展。智能家居的基础是信息家 电和家庭网络，但这两个基础条件在国内还不成熟，严重制约智能家居系统的 发展。目前国内的智能家居系统仅是不同企业和科研单位从不同角度和立场理 解智能家居的结果，其适用性及通用性较差，不利于其在市场上做大规模推广。 4 第1 章绪论 鉴于智能家居系统存在的诸多问题，有必要对智能家居系统相关理论和技 术等进行研究，选取合适的技术，进行合理的方案设计，提出一个更好的解决 方案。 1 3 本文的主要研究内容 本设计主要以蓝牙为通信方式来构建家庭核心网络，使家庭内部的网络家 电或信息家电互联、共享信息；在中央控制平台下实现对已接入家庭网络的设 备及子系统进行集中控制与管理，并利用嵌入式w e b 技术向用户提供远程控制 接口。 课题研究主要内容如下： ( 1 ) 概述了智能家居系统的功能及国内外发展现状。 ( 2 ) 阐述了智能家居系统的构架、家庭网络及智能家居控制平台涉及的相关 技术。 ( 3 ) 详细介绍了智能家居控制平台实现的功能，并提出了智能家居控制平台 的设计方案。 ( 4 ) 详细介绍了智能家居控制平台的硬件选型以及硬件设计。 ( 5 ) 详细介绍了研究及实现智能家居控制系统所必需建立的软件开发环境， 软件开发平台的搭建过程以及软件设计开发所采用的原理和方法。 ( 6 ) 最后对全文进行了总结，并提出设计中存在的问题和需要改进的方向。 第2 章智能家居中央控制平台设计方案 第2 章智能家居中央控制平台设计方案 2 1 智能家居的功能 智能家居的普及可以使得家庭生活更加健康、安全、方便、舒适、环保。 随着生活需求的提高与家居智能化的发展，智能家居系统将拥有丰富的资源和 复杂的系统配置。它提供的功能可以覆盖整个家庭，主要包含安全服务、数据 通信服务、家庭环境监测、能源管理和各种智能控制。因此，现代智能化家居 具有节省费用、使用方便、安全性高等特剧5 】【6 】。 现代智能家居系统具有以下主要功能： ( 1 ) 家电控制功能：利用计算机、p d a 、移动电话等终端，结合蓝牙、红外 等无线通信技术，对电视机、电灯、电冰箱、空调等家用电器以及供冷热系统 等进行本地控制和远程控制。 ( 2 ) 家居安全防控功能：消防报警、防盗报警、煤气泄露探测及门禁系统( 例 如指纹识别、静脉识别、虹膜识别) 等科技手段实时采集信息，从而进行防灾、 防火和防盗监控，并能够通过网络及时向小区物业和业主报警，联动处理各种 警情。 ( 3 ) 信息采集功能：远程采集小区用户的四表( 水表、电表、煤气表及热力表) 的计量数据，提升小区物业管理水平。 ( 4 ) 信息共享和服务功能：通过建立网络访问系统，实现i n t e m e t 共享访问、 计算机外设共享使用、文件共享等应用；利用嵌入式技术和数据库技术可使用 户了解各种计量表读数、房间温湿度、被控家电运行状态等，同时还可通过网 络查询各种家庭信息。 ( 5 ) 家庭娱乐和办公功能：利用多媒体、网络、计算机等技术，实现有线电 视、在线视频点播、无线视频传输系统，视频会议、可视电话、语音、传真和 网上商务联系系统，网上购物系统，电子邮件服务系统，远程教育系统，股票 操作系统，交互游戏以及家庭远程医疗和监护系统。 ( 6 ) 智能化控制功能：根据周围环境通过自学习方法对家用电器、照明、室 内温度等设备进行智能化控制，从而建立健康舒适的居住环境。 6 第2 章智能家居中央控制平台设计方案 跟传统家居相比较，智能家居在具有传统的居住功能基础上，还提供了舒 适安全、方便、科学的家庭生活空间；全方位的信息交换功能，实现了家庭内 部与外界环境保持信息畅通，在提高人们的生活水平的同时，增强家居生活的 安全性，优化人们的生活方式，合理地安排作息时间，以及节约家用能源的开 支。 2 - 2 智能家居的基本架构 智能家居系统具有方便、安全、快捷、高效、智能化、个性化的独特魅力， 对于提高现代人类的生活质量，创造便利、安全、舒适的生活空间有着非常重 要的意义。智能家居的基本构架如图2 1 所示，包含如下的构件【7 】： 家居网络管理软件 i 家居管理系统 家居信息系统 土，j 家居控制系统 1r 通信协议和物理媒介 1 r 家庭网关 图2 - 1 智能家居基本架构 ( 1 ) 家庭网关：住宅要实现智能化，必须建立家庭网络，以网络的连接形式 将家庭内部各种设备连接在一起，建立起一个有机的整体。家庭网关实现家庭 内部信息与家庭外部信息的交换，它对家庭内部网络提供网关服务，以便从家 庭外部网络( 如i n t e m e t 、小区物业网) 上监视和控制家居内部有关设备的运行状 态。 ( 2 ) 通信协议和物理媒介：家庭网络具有专门的通信协议，这便于家居网络 的信息处理及信息采集。家居网络的物理媒介可以使用红外线、双绞线、电力 7 第2 章智能家居中央控制平台设计方案 线、蓝牙、无线射频等媒介传递信息。这些媒介物质具有广泛的通用性及适应 性。 ( 3 ) 家居控制系统：家居控制系统至少实现了设备控制及数据采集等功能， 具有智能家居的底层功能，是智能家居系统的硬件支撑。它以家居控制器为中 心，以家居控制网络为基础，接受和判断外界的状态及指令，进行各类家电设 备的协同工作。从家居控制内容上分，一个完备家居控制系统应包括家居设备 的自动控制系统、照明控制系统、居室环境控制系统、厨房设备控制系统、视 频及音响控制系统和家居安全防卫系统等子系统。 ( 4 ) 家居管理系统：集大型数据库管理、计算机网络通信和调制解调器等技 术为一体的智能家居管理系统可以自动完成多表抄送、安全防范、信息网络等 系统之间的数据交换、信号监测、控制、存储、维护和使用等功能。它向下与 下层的家居控制系统直接相连，向上与外部网络相连实现数据的交换。 ( 5 ) 家居信息系统：家居信息系统包括电话留言、住宅环境、设备状态信息 和智能家居各类日志、小区信息等内容。家居信息系统基于家居网络，用户可 以共享这些信息，通过网络与家居系统相交互，随时随地查看和更新家居信息。 ( 6 ) 家居网络管理软件：目前家居管理的内容和范围尚不统一，但管理软件 一般具有两个基本的功能。其一用来配置、诊断、维护及控制家庭网络中所连 接的设备，其二用来控制和监视家居信息系统。 2 3 家庭网络 2 3 1 家庭网络的技术分析 家庭网络有着自身的特殊性和复杂性。按照家庭网络的组成，至少可以分 成两个部分家庭外网和家庭内网。家庭外网和内网之间的连接依靠家庭网 关来完成。家庭网关是异构子网的信息中转站，是家庭设备对外的统一出i 二i t 4 3 1 。 家庭内网的连接方式把家庭内部网络分为有线和无线两大类。有线方案主 要有h o m ep n a 、电力线载波、c e b u s 、l o n w o r k s 、以太网等；无线方案主要有 i e e e 8 0 2 1 1 、d e c t 、h o m er f 、蓝牙、红外技术等。 家庭内部设备种类繁多，如果要对家庭内部设备进行集中控制，就需要寻 找一种对各种设备都适用且经济的网络连接方式。根据目前国内家庭现实拥有 8 第2 章智能家居中央控制平台设计方案 的家庭设备情况及其信息传输的特点和要求，选择蓝牙无线连接方式为主体的 组网方式是一种比较理想的组网方案【引。 2 3 2 家庭网络的组成 家庭网络是实现智能家居的通信平台，可以定义为在家庭范围内将家庭内 部多种设备和电器互连，还可以将这些设备接入家庭外部网络进行通信的一种 新技术。 宽带接入方式 图2 2 智能家居的网络结构 图2 2 为智能家居的网络结构。第一条虚线以上部分是远程控制部分的网络 结构图，主要通过i n t e m e t 、移动电话等方式实现远程控制；两条虚线之间的部 分为本地集中控制部分，也是本论文的一个研究重点；第二条虚线之下是本地 分散控制部分。本地分散控制的主体是家庭内部的各种设备，如家用电器、p d a 、 传感器、各种仪器表等，这些设备通过网络与智能家居中央控制平台相互交换 控制信息。智能家居中央控制平台采用有线、无线及专用线技术中任意多种技 术组合实现各种网络的物理连接，并与远程终端进行通信，使用户在任何地方 可通过多种通信方式访问本地设备，从而实现智能家居的整体控制。 9 第2 章智能家居中央控制平台设计方案 2 4 智能家居系统的模块组成 随着家用电器的不断数字化与智能化，新的家电产品在为人们提供更加强 大的功能的同时，也面临着新的挑战，比如，产品的造价高，开发时间长，维 护、升级费用昂贵等等。事实上，单个家电在不断增加功能的同时，也形成了 彼此相互隔离的信息孤岛，因而造成了资源浪费，成为信息家电发展中的瓶颈。 为了解决这一个问题，人们通过先进的网络技术，将单个家电通过统一的接口 与协议相互连接，并形成独立的功能模块以协同工作，实现资源共享。 学术界对智能家居系统的组成没有定论，综合各种观点，一个完整的智能 家居系统除了具有各种功能的信息家电外，还必须包括以下几个模块 9 j ： ( 1 ) 信息处理模块：为了使相互独立的信息家电可以实现信息共享与协同工 作，智能家居系统中必须具有专门的信息处理模块。它的功能主要是收集家庭 中各个家电的工作状态和服务请求，对各种数据进行实时处理，并将结果送入 功能驱动模块。现阶段，无论是基于家庭网关的智能家居系统还是基于家居服 务器的智能家居系统，多采用了集中式信息处理模块。由于家庭网络的拓扑结 构比较简单，集中式的信息处理设计实现都较为简单，控制的效率也较高，因 而得到了广泛的应用。但是随着家庭中信息家电的数量不断增加，采用分布式 的控制方式将具有更高的灵活性，这是未来智能家居系统的发展趋势。 ( 2 ) 通信模块：如果说信息处理模块是智能家居系统的大脑，那么通信模块 就是实现信息传导的神经。根据家庭组网的特点，通信模块常利用已有的布线 或者采用无线传输( 如蓝牙、红外) 等。由于不同的信息电器对传输时的带宽 要求不同，实际中的通信模块常采用多种方式混合组网。 ( 3 ) 功能驱动模块：功能驱动模块是信息流入、流出各个信息电器的接口。 由于各电器生产厂商的产品在功能和实现上都有很大的不同，所以必须通过功 能驱动模块将信息处理模块的指令翻译成电器可以执行的电平信号，以及将电 器的各种状态信息转换成信息处理模块可以理解的二进制信息。 ( 4 ) 外界信息接口模块：该模块可以看成是一个家庭通向外界( 如i n t e m e t ) 的网关。它在家庭内部各种电器信息共享的基础上，进一步实现了基于i n t e m e t 的资源共享，从而更进一步实现了共享的深度和广度，也将是外来智能家居系 统的热点。由于家庭内部网络通常不使用t c p i p 协议，所以外界的信息接口模 块中最基本的功能就是从t c p i p 协议到各种家庭内部网络协议的转换，如 l o 第2 章智能家居中央控制平台设计方案 t c p i p 到蓝牙协议的协议转换等。 根据上述分析，一个具有集中式信息处理模块的智能家居系统的组成可以 下图所示。 i 电器ii 电器2i i 信息处l工 土 掣 功能驱动模块 功能驱动模块 工?3 i通信模块 工 外界信息接口 图2 - 3 智能家居系统的模块组成 2 5 智能家居中央控制平台总体设计方案 智能家居中央控制平台以中央控制器为核心，利用蓝牙无线网络构建家庭 网络连接各种家电以及接收各种传感器信号；利用以太网接口接入广域网，实 现用户远程控制。 对于大多数家电而言，其本身的计算能力和存储能力都非常有限，依照传 统的设计观念，只有通过提高家电本身的硬件能力和软件资源来实现家电的各 种网络功能。这样必然要提高家电的成本，这对家电的发展和普及是相对不利 的。基于以上原因，本设计利用宿主机代理网络家电加入家庭网络，并代理实 现其网络功能，从而实现白色家电的网络化。 中央控制平台的基本架构如图2 4 所示，它包含如下的组件： ( 1 ) 用户室内无线家庭网络部分，这部分由蓝牙模块组成，实现了网络家电 宿主机和控制平台的无线通信。 第2 章智能家居中央控制平台设计方案 ( 2 ) 中央控制平台与i n t e m e t 通信部分，这部分由中央控制器上的网络芯片 和嵌入式l i n u x 操作系统所提供的t c p i p 协议栈以及嵌入式w e b 服务器组成， 实现用户对家电设备的远程访问和控制。 ( 3 ) 中央控制平台上的家居控制系统实现了集中控制家庭中的家电设备。 ( 4 ) 网络家电宿主机上实现了对家庭中家电设备的代理，家庭设备通过网络 家电宿主机加入到家庭网络中。 图2 - 4 中央控制平台的基本架构框图 下面将详细地介绍中央控制平台的整体设计过程。 1 2 第3 章中央控制平台硬件选型与设计 第3 章中央控制平台硬件选型与设计 3 1 嵌入式微处理器的选型及设计 目前，据不完全统计，世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1 0 0 0 种，处理器芯片速度越来越快，性能越来越强，价格也越来越低。目前主要的 嵌入式处理器类型有p o w e r p c 、a r m 、6 8 0 0 0 、m i p s 系列等【l o 】。 a r m 处理器具有体积小、低功耗、低成本和高性能等优点，可以满足本系 统所要完成的功能。$ 3 c 2 4 1 0 处理器是s u m s a n g 公司基于a r m 公司的 a r m 9 2 0 t 处理器核，采用0 1 8um 制造工艺的3 2 位微控制器。该芯片本身集 成了包括存储器接口、通信接e i ( u s b 、r s 2 3 2 ) 、a d 、j t a g 等在内的丰富的硬 件资源，可简化外围设备与微处理器的硬件连接程度，提高系统的稳定性、可 靠性。$ 3 c 2 4 1 0 处理器作为a r m 9 系列处理器的代表，拥有相对稳定的框架结 构、成熟的开发技术，在工程应用等方面具有优势，是嵌入式系统首选的硬件 开发平台，采用$ 3 c 2 4 1 0 作为处理器的系统目前应用比较广泛【l l 】【1 2 】【13 1 。 基于a r m 9 开发平台的上述优点，本系统选用基于a i 蝴9 2 0 t 内核的3 2 位 嵌入式微处理器$ 3 c 2 4 1 0 作为中央控制器的处理器【1 4 儿1 5 l 。 中央控制器的硬件整体设计如图3 1 所示。中央控制器以$ 3 c 2 4 1 0 为核心 根据需求设计了存储系统，通信系统，人机接口系统等。 ( 1 ) 存储系统选用s a m s u n g 公司的具有6 4 m b 容量的k 9 f 1 2 0 8 作为系统 外部的n a n df l a s h 存储器。k 9 f 1 2 0 8 是市面上一款嵌入式系统中常用的存储 器，用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据等。 选用容量为3 2m b 的s a m s u n g 公司的h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 b t - - h 芯片2 片作为系统 外部的s d r a m ，用作程序的运行空间、数据及堆栈区，6 4 m 内存空间满足系统 运行时对内存的需求。 ( 2 ) 通信系统中设计了j t a g 仿真接口、1 路以太网接口、3 路r s 2 3 2 接口、 1 路u s bd e v i c e 接口、1 路u s bh o s t 接口。本系统选用c i r r u sl o g i c 公 司的c s 8 9 0 0 a 作为系统的以太网控制芯片。c s 8 9 0 0 a 是一个单芯片全双工的以 太网解决方案，所有的数字和模拟电路合成了完整的以太网电路。蓝牙模块选 第3 章中央控制平台硬件选型与设计 用爱立信公司的r o k l 0 10 0 8 。该模块是一款适合短距离无线通信的射频基带模 块，且集成度高、功耗小，完全兼容蓝牙协议v e r s i o n l 1 ，可嵌入任何需要蓝牙 功能的设备中。 ( 3 ) 人机接口系统中设计了一个l c d 接口，支持2 4 0 x 3 2 0 大小的t f tl c d 显示触摸屏。该l c d 支持彩色黑白灰度，支持虚拟屏幕功能，可利用系统存 储器作为显示存储器，可编程屏幕大小；同时市场上一般型号的u s b 键盘或u s b 鼠标可以插在u s bd e v i c e 接口上，方便用户使用。 ( 4 ) 3 通道的u a r t 传输，可进行基于中断的操作；支持硬件握手协议；可 编程的波特率；支持扩展模块等。蓝牙模块通过u a r t 接口与$ 3 c 2 4 1 0 相连接。 人机接口： t f t l c d 触摸屏 u s b 鼠标 藉dram s 3 c 2 4 l 。 f l a s h k = 刭 j t a gk = = 爿 3 2 控制器的存储系统 3 2 1 存储器的选型 r s2 3 2k 刊蓝牙主模块 以太网接口k 刮c s 8 9 0 0 a 图3 - 1 系统设计整体硬件图 考虑到中央控制器的现有和将来的需要，系统的存储系统具有作为内存使 用的6 4 m b 的s d r a m 和作为外存使用的6 4 m b 的n a n df l a s h 。在$ 3 c 2 4 1 0 体 系结构中，存储系统的存储空间分为8 个b a n k ，每个b a n k 的大小均为1 2 8 m b ， 总共为1 g b 存储空间，采用n g c s 0 ：7 8 个通用片选信号引脚选择8 个b a n k 区域。b a n k 0 到b a n k 5 的开始地址是固定的，用于r o m 或s r a m ；b a n k 6 和b a n k 7 用于r o m 、s r a m 或s d r a m ，b a n k 6 的起始地址也为固定的， b a n k 7 的起始地址是b a n k 6 的结束地址，其起始地址和大小可通过编程改变； 1 4 第3 章中央控制平台硬件选型与设计 所有内存块的访问周期都可编程，外部等待扩展了访问周期；除了b a n k o ，所 有的存储段都可以通过程序控制存取的位数8 i6 3 2 ；支持s d r a m 的自动刷新 和电源掉电模式等f i 刖。 s 3 c 2 4 l o 芯片内集成外部总线接口支持s 洲、s d r a m 、f l a s h 等存储器， 提高了系统的稳定性和可靠性。根据芯片上述要求，作为内存的s d r a m 地址 空间使用b a n k 6 地址空间；作为外存的n a n df l a s h 占用b a n k 0 空间。 3 2 2fia s h 存储器 $ 3 c 2 4 1 0 内部集成了n a n d 闪存控制器，为了支持n a n d 加载启动代码， $ 3 c 2 4 1 0 提供一个内部s r a m 缓存区s t e p p i n g s t o n e ，称为“步堆”。系统启动时， n a n df l a s h 中的前4 k b 的代码被自动载到s t e p p i n g s t o n e 中，被a r m 执行。 设置$ 3 c 2 4 1 0 的o m i ：o 】引脚为0 0 时，c p u 从n a n df l a s h 启动。用户启 动前将引导加载程序b o o tl o a d e r 代码和操作系统的镜像存储在外部的n a n d f l a s h 中，处理器上电复位时，通过处理器内部的n a n d 控制器将b o o tl o a d e r 代码自动加载到s t e p p i n g s t o n e 的4 k b 空间中，此时s t e p p i n g s t o n e 定位于起始地 址0 x 0 运行，b o o t l o a d e r 程序开始执行，将操作系统的镜像加载至外部内存 s d r a m 中，然后操作系统便能够在s d r a m 中运行，启动完成后，处理器 s t e p p i n g s t o n e 的4 k b 空间就可以释放并用于其他的用途。 k 9 f 1 2 0 8 是s a m s u n g 公司生产的一款5 1 2m b ( 6 4 m 8 位w 舢旧f l a s h 存储 器。该存储器的工作电压为2 7 , - - , 3 6v ，内部存储结构为5 2 8 字节3 2 页40 9 6 块，页大小为5 2 8 字节，块大小为( 1 6k b5 1 2 字节) ；可实现程序自动擦写、页 程序、块擦除、智能的读写和擦除操作，一次可以读写或者擦除4 页或者 块的内容，内部有命令寄存器。该器件按功能可以划分为：存储阵列、输入 输出缓冲、命令寄存器、地址译码寄存器和控制逻辑产生。其中，命令寄存器 用来确定外部设备对存储器进行操作的类型；地址译码寄存器用于保存被访问 的地址并产生相应的译码选通信号。主设备通过8 位i o 端口分时复用访问器 件命令、地址和数据寄存器，完成对芯片内存储器的访洲1 6 】。 k 9 f 1 2 0 8 上的片选使能信号引脚c e 低电平选中，k 9 f 1 2 0 8 的低8 位i o 口 与$ 3 c 2 4 1 0 低8 位数据线d a t a 0 d a l 渔7 对应相连；w p 引脚提供相关数据操 作保护，可通过引出一上拉电阻与电源v c c 相连。k 9 f 1 2 0 8 的c l e 和a l e 直 第3 章中央控制平台硬件选型与设计 接与$ 3 c 2 4 1 0 的对应引脚相连；$ 3 c 2 4 1 0 的读写控制信号n f w e 和n f r e 分别 提供k 9 f 1 2 0 8 的w e 和r e 信号。从n a n d 闪存读取数据时，$ 3 c 2 4 1 0 就通过 相关控制信号输出把n f r e 设置成低电平，n f w e 为高电平，在系统上电复位时 n a n d 闪存芯片上的逻辑电路保证将数据送出；向n a n d 芯片上写数据时， $ 3 c 2 4 1 0 就通过相关控制信号输出把n f w e 设置成低电平，n f r e 为高电平。 $ 3 c 2 4 1 0 与k 9 f 1 2 0 8 的连接原理图如图3 2 所示。 3 2 3s d r a m 存储器 图3 2 $ 3 c 2 4 1 0 与k 9 f 1 2 0 8 连接原理图 s d r a m 的存取速度仅次于s r a m ，但价格远低于s r a m ，远高于f l a s h 存 取速度，并且集成容量可以做的很大。所以s d r a m 一般用于程序的运行空间， 数据及堆栈区。