基于嵌入式系统的智能家居网络实现.pdf

第 2 1 巷第 4期 安徽工程科技学 院学报 2 0 0 6年 l 2月 J o u r n B l o f A n h u i Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y a n d S c i e n c e V o 1 2 1 N o 4 De c 2 0 0 6 文 章 编 号 l 6 7 2 2 4 7 7 2 0 0 6 0 4 0 0 4 3 一O 5 基于嵌入式 系统的智能家居网络实现 曹建刚 王 鸣 安徽工程科技学院 安徽省电气传动与控制重点实验蜜 安徽 芜湖 2 4 1 0 0 0 摘耍 讨论了基于嵌入式系缆的智能家居网络的实现 介绍了嵌入式茉统及索詹网络的概念和功能 讨论了几 种基于嵌入式系统的智能网络的实现形式 最后 以三星公司 ARMT T D MI 徽处理器 S 3 C 4 4 B O X为例 从硬件 和软件 两方面较详 细地论述 了基 于嵌入式 系统 的智能家居网络的实现过程 关 词 智能家居网络l 嵌入式系统 网络构建l 实现形式 中圈分类号 T P 3 9 3 U 文 献标识码 A 随着生活节奏的加快 人们希望拥有一个更舒适 更温馨的现代化家居 对其安全性 智能性 经济性 提出了更高的要求 控制 通讯 计算机和网络技术的发展 尤其是嵌人式 系统的广泛应用 促进 了信息家 电 网络技术的迅速发展 家庭网络的主要设备不再是 P C机 而是嵌人式系统智能家居 网络控制平 台 它 为家居内 外部网络的联接及内部网络之间信息家电和设备的连接提供了一个基础平台 本文结合嵌人式 系统在智能家居网络中的应用 对基于嵌人式 系统的智能家居网络实现的几个关键问题分别进行了讨论 1 基于嵌入式系统的智能家居网络的应用 功能及实现形式 1 1 嵌入式系统及智能家居网络的应用 嵌人式系统就是嵌入到对象体系中的 争 用计算机系统 嵌入性 专用性是嵌入式系统的基本要素 它 具有功耗低 体积小 集成度高 移动能力和网络互联能力强 的特点 系统软件通常以固态形式存在 运行 速度和可靠性高 同时嵌入式操作系统可以使得开发集中精力在本领域 通过操作 系统提供的 AP 1函数 的支持 减少对底层软硬件的关注 加快开发进度并提高开发程序的稳定性 嵌人式系统更大 的优点是具 有内核小和多任务操作系统 软件可剪裁 可靠性高 实时性好 等用性强 以嵌人式系统 构建 的智能家居 网络 具有强大的信息处理 设备控制和网络管理能力 因而嵌人式系统在智能家居网络得到广泛的应用 基于嵌人式系统的智能家居网络的功能主要有 家居 自动化 家居安防 家居通信与网络应用 1 2 智能家居网络的几种实现形式 1 用 R S 4 8 5 构建智能家居陶络 R S 4 8 5 通信网络作为一种成熟的技术 已经广泛地应用于工业 控制 汽车电子等领域 它的噪音抑制能力很强 数据传输速率最高可述 1 o Mb p s R S 一4 8 5的网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构 不支持环型或星型网络 传输介质一般选用双 绞线 在通信距离超过 l I 2 k m时 应在网络中适当 加人 R s 一4 8 5 中继器 如果嵌人式系统只有 R s 一2 3 2 口 可用 RS 一4 8 5 转 RS 2 3 2的方法来实现 RS 2 3 2和 R S 5 8 5主要缺点 无法构成多主结构 主节点任务繁忙 一旦 主节点 出现故障就可能引起系 统瘫痪 数据通信方式为命令式响应 传输效率较低 同时当通信下端出现异常时 数据不能上传 因而 灵 活性差 不适于实时性要求很高的场合 2 用 C AN总线构建智能家居网络 C AN总线也称为控铋器局域网 是国际上应用最广泛的现场总 线之一 其通信有 以下优点 用通讯数据块编码 可实现多主工作方式 可实现点对点 一点对多点及全局广播等多种传输方式 C A N网络具有完善的错误处理机耕 C A N 议采用 C R C校验并 r 提供采用破坏性基于优先权的 总线仲裁技术的错误处理功能 保证数据传输的可靠性 网络采用分布式结构 C A N总线是基于发送报文的编码 增添或删减 C A N上的控制节点不会对 收稿日期 2 0 0 6 0 5 1 5 作者简介 建刚 1 9 6 6 一 男 陕西渭南人 硕士研究生 维普资讯 蜜徽工程科技学院学报 系统造成太大的影响 增强了系统的灵活性和可扩展性 现场布线和安装简单 易于维护 经济性好 速度快 且工程建没简单 通讯介质可采用双绞线 无特 殊要求 通信距离最远可达 1 0 k m 由于 C AN总线的诸多优点 目前 C AN总线网络 已广泛用于智能家居 的 没计 中 3 用 L o n Wo r k s 总线 构 建智 能家居 网 络 L o n Wo r k s是具有 强 劲 势力 的 全新 的总 线 技 术 它 采用 了 I S O OS I 模型的全部 7层通信协议 采用面向对象的设计方法 其通信最大速率为 1 2 5 Mb p s 直接通信 距离可达 2 7 k m 支持双绞线 同轴电缆 光纤等多种通信介质 L o n Wo r k s总线网络结构一般包括五部分 网络协议 1 o n Ta l k 网络传输介 质 执行机构和管理软 件 其主要优点是开放件和互操作性 通信介质多样化带米的强大的网络兼容性 自f h的网络拓扑形式及 高可靠性 在 自动楼宇控制中得到广泛的应用 4 用蓝牙技术构建智能家居网络 它 由内嵌蓝牙模块 的嵌入式系统组成家庭 网关 担当信息处理平 台的角色 与内嵌蓝牙模块的家用 没备 手持控制没备共同组成智能家居监牙网络 其特点有 无线性 蓝牙通过无线链路将多种没备连成一个网络 实现殴备之问无缝的资源共享 开放 性 只要是 S I G的成员 都有权无偿使用蓝牙技术 互操作和兼容性 不同公司的 监牙产品 可实现互操作 和资源共享 随着监牙技术的不断发展和完善 它将给信息家电和智能家居带来一场革命 2 基于嵌入式 系统的智能家居网络 的实现 本文主要以基于嵌入式系统的智能家居 C AN总线网络来介绍智能家居网络的实现过程 本 系统分 为三层结构 底层 检测传感控制器 r n 单片机与各种传感 殴备和监控 备相连接来实现 其功能是数据的检测 变 换和传送 硬件的基本组成有 C P U A I D A R AM C AN接 口等 通过 C AN总线与中间层通信 中问层 嵌入式系统智能家居控制器 实现一个家居的管理 l 控制功能 完成 示 控制 报警等任务 并通过 C AN总线与上层智能家居小区管理系统和底层实现数据交换 E 层 I J 区智能家居管理系统 它是 由计算机组成的小区监控 l 管理系统 由 C AN总线与嵌入式系 统形成智能家居 C AN总线基本单元 通过 C AN总线构成局域网 并通过互联网与外部相连接 实现一个 智能化的家居网络系统 智能家居 C AN总线的具体实现的体系结构如图 l 所示 一一 一竺 小区智能家居管 系统 式系统智能家居控制 F A N 总线嘲络 检测传感控制料1 I l检测传感控制器2 照 明 监 控 l l粪l 蓁 l l煮 备 用 图 l 基于嵌入式 系统的智能 家居 网络实现的体 系结构 图 2 智能家居控制器硬件结构简图 构建和实现基于嵌入式系统的家居智能网络 主要有两大任务 嵌入武系统的i 殳计和智能家居网络的 没计 不同类型的智能家居 网络 设计实现方法有很多相 似之处 本文 主要通过三 星公司 AR M 处理器 S 3 C 4 4 B O X 为核心 的嵌 入式 系统 论 述基 于嵌入 式系统 的智 能家居 C AN 总线 网络 的实现 过程 2 1 智能 家居 网络 的硬件 的构 建和 实现 基于嵌入式的智能家居 网络的硬件的构建和实现 从狭义的角度一 卜讲是指网络硬件的构建与实现 从 医 疗 救 护 报 警 煤 气 泄 甜 检 j 罨 防 盗 检 测 器 蛔 感 检 测 器 维普资讯 第 4朔 曹建刚 等 基于嵌入式系统的智能家屠网络实现 4 5 广义的角度上讲是指网络硬件及与网络有关的嵌入式系统硬件平台的构建 嵌入式系统 硬件平 台为网络 提供 了一个必耍的实现平台 2 1 1 嵌入式处理器及硬件平台的构建 选择合适的嵌入式微处理器及相关外围硬件 选择处理器是嵌入式系统硬件设计中最为重要的一环 处理器外匿电路的基本部分 由时钟复位电路 S D 1 A M F l a s h ROM 及 J T AG 口等部件组成 构成处理器 最小的工作单元 同时要考虑系统实现的功能 应用范围 特点 有选择地选用其它硬件 如键盘 显示 US B 网络接 口 总线接 口 L E D等 本文嵌入式硬件平 台包括 CP U S 3 C 4 4 B OX 6 0 M ARM7 TD MI f B I OS 1 M NOR F I AS H 内存 8 M S D RAM 海量存储器f i 6 M NAND F l a s h 网络接口l 1 O M 以太网f C AN接 口 1 2 5 k b 2 5 0 k b 5 0 0 k b 1 M 等 智能家居网络硬 件结构简图如图 2 所示 2 1 2网络硬件的构建 在家居总线网络 中 网络的硬件设计对系统十分重要 它是嵌入式系统硬件设计的重要部分 通过在 嵌入式 系统 中嵌入网络总线控制器等方式 来实现 内部可通过 S P I 同步卓口和网络总线控制 器相连 C A N总线控制根据 网络形式的不同 设计不同的网络接口 构建不同形式的家屠智能 网络 本文系统采用 UP NE TAR M3 0 0 0上嵌入 CAN总线控制器 MC P 2 5 1 0 S 3 C 4 4 B O通过 S P I 同步串口和 MC P 2 5 1 0通讯 器体系结构如图 3所示 2 1 3 C AN总线协议及实现 C A N总线的 I S O O I 模型将各种协议分为七层 自下 ffi 上依次为 物理层 链路层 网络层 传送层 会话层 表达层和应用层 C AN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的 不过 考虑到作 为智能家居 网络 和工业控制底层网络相似 其信息传输量较少 实时性要求比较高 悃此 e A N 的模型结构只取了 O S I 底 层的物理层 数据链路层和顶层的应用层 1 物理层协议 物理层协议是网络中最低层协议 涉及通信系统的驱动电路 接收电路与通信介质之 由 J 的借 口问题 物理层协议主要包括以下内容 接插件的类型 以及插针的数量和功能 数字信号在通 信介质 匕 的编码方式 确定与链路控制有关的硬件功能 物理谣协议韵功能与所选择 的通信介质 双绞 线 同轴电缆 光缆 以及信道结构 串行 并行 密切相关 2 数据链路层协议 数据链路层的主要功能有 数 据链路的建立和拆除 包括同步 站址确认 收发关系的确 定 最终一次传输的表示等 信息传输 包括信息格式 数 量 信息编码 接受认可 信息流量调节方案等 传输差错 控制包括一套防止信息丢失 重复和失序的方法 异常情 况处理 包括如何发现可能 出现 的异常情况及发现后 的处 围3 C A N总线控制器体系结构 理过程 协议 中对异常情况的处理 主要用于发现和恢复永久性故障 帧是数据链路层的传输单位 报文传送由 4 种不同类 的帧表示和控制 数据帧携带数据由发送器 至接收器 远程帧通过总线单元发送 以请求发送具有相同 表示符的数据帧 出错帧 由检测 出总线错 误的任何单元发送 超载帧用于提供当前的和后继的数据帧的附加延迟 应用层协议分析 应用层是 O S I 模型的最高层 实现的功能分为两大部分 即用户应用进程和系统应 用管理进程 系统应用管理进程管理系统资源 如优化分配系统资源和控制资源的使用 还负责系统的重 启动 用户应用进程 由用户要求决定 通常的应用有数据库访向 分乖计算和分布处理等 本文的基于 A R MT T D MI 结构的 C A N网络采用 MC P 2 5 1 0 总线控制器 其嵌入有物理层和数据链层 协议 应用层协议则通过嵌入式系统的软件来实现 3 C 4 4 B 0通过 S P I 同步串行接 口和 MP C 2 5 1 0相连 MC P 2 5 1 0的片选信号 通过接在 3 C 4 4 B 0的 B a n k 5上的锁存 器 7 4 HC 7 5 3 来控制 通过设置 MC P 2 5 1 0 中的 C F l C NF 2 C NF 3三个寄存器 来实现总线通讯的波特率的设置 由嵌入式系统建立 C AN总线的通信任务 实现任务的管理和调度 在执行任务之前 必须对 C AN总 线控制器进行初始化 它包括 软件复位 进入配置模式 设置 C AN总线波特率 关中断 没置 l D过滤器 维普资讯 4 6 安徽工程科技 学 院学报 2 0 0 6 年 I II l lli lll IIIII I I III I 一 I I II ll i l I ll l竺li 切换 MC P 2 5 1 0到正常状态 清空接受和发送缓冲区 开启接受缓冲区 开启中断等 数 据发送 和 接收 可采用 查询 或者 中断方 式 2 2网络 软件 设计 2 2 1 网络软件设计内容 1 硬件抽象层 B S P 包括嵌入式系统初始化 总线接口初始化程序和硬件相关的设备驱动程序 如片 级初 始化 板级 初始 化 系统初 始化 等 2 系统程序设计 包括实时操作系统 RT OS 文件管理 图形用户接 口 GUI 网络系统和通用模 块 操作系统的选择 本文系统采用 g C OS 2作为操作系统 主要管理 同时 发生的 2个网络任务 图形 用户界面任务和 C AN总线通讯任务 操作 系统的移植 设置 i n c l u d e s h中与处理器和编译器相关的代 码 包括与编译器相关的数据类型 开关 中断 O S E NTE R C RI TI C AL O S E X I T C R I TI C AL 和堆 栈生长方式 OS S I K GR OW H 用 C语言编写 6个操作 系统相关的 函数 OS a s k C r e a t e OS Ta s k Cr e a t e Ho o k 0S Ta s k De l Ho o k 0S Ta s k S w Ho o k OS Ta s k S t a r Ho o k 0S Ti me Ti c k Ho o k OS Ta s k Cr e a t e OS Ta s k Cr e a t e Ho o k OS F a s k De l Ho o k OS F a s k S w Ho o k OS Ta s k S t a t Ho o k OS F i me l i c k Ho o k 用汇编语言编写 的 4个与广 处理器相关的 函数 O S S t a r t Hi g h Rd y OS L 广 rASK S W OS I n t Ct x Sw OS 1 i me I S R 3 应用程序设计 包括 网络数据传输 数据 示 没备检测控制 通讯程序等 2 2 2 嵌入式系统的启动和运行过程 基于嵌入式 的智能家 居系统属 于多 任务系 统 控制任务 比较复杂 有些任务对实时性要求较 高 为了有效 的管理 通 常采 用实时操作 系统如 c 0 s 一2 L i n u x等对任务进行调度 在软件开 发中 首先引入信号量机制 它主要是控制对于一 个共享资源 互斥 的访问 让两个任务同步 在网 络中 总线作 为一个 共享资源 为了完成通信任 务 首先必须获得信 号量 如果该 信号量在使用 中 那么请求的任务就被挂起 等待信号 量释放 嵌入式系统的启动乖 运行程 序流程 图如 图 4所 示 2 2 3 基 于 AR M7 F D MI 结 构 的 C AN 网 络 应 用程 序 陔程序是基于 AR M7 TD MI 结构的嵌入式系 统 用 g C S一2作 为 嵌 入 式操 作 系统 选 用 MC I 2 5 1 0作为总线控制器 的一例 C AN总线应 用程序 控制 C AN总线时首先初始化各寄存器 发送数据时先置位命令寄存器 然后写发送缓冲 区 最后置位请 求发送 接收通过查询状态 寄存 器 读 取 接 收 缓 冲 区获 得 信 息 Ma i n c包 括 A R MTa r g e t 初始化桐 I C AN控制器 MC P 2 5 1 0初 始化 读写 MC P 2 5 1 0数据 接 收 查 询和发送数 据 Ma i n c 程序框 图如 图 5所示 Ma i n c函数程序如下 拧制器初始化 初始化信号盘 操作系统毛 始化 t ZO C J 始化 C A N 总线初始化 中断优先级及掩码设艘 I I I 请信号量 线通信任务i 建立通俯任务 e 任务等待 二 E 启动操作累坑 进行任务谢度 E 申璃信号挝 总线通信任务2 总线中断服务程序 释放信号 丘 返回任务等待 申请信号盈 总线通信任务3 图 4 嵌 入式系统 的启动和 运行程序流程 图 图 5 Ma i n c程序框 图 维普资讯 第 4 期 曹建刚 等 t 基于嵌 入式系统 的智 能家居网络实现 4 7 i n c l u d e u h a 1 h i n c l u d e my u a r t h i n c l u d e MCP 2 5 1 0 h i n t Ma i n i n t a r g c c h a r a r g v i at n u ns i g ne d i nt i d i n t l c n g t h B L r xR 1 R i s Ex t U8 d a t a S 3 0 A RM r a r g c t l n i t ARM 开发板初始化 i ni t MCP 2 5 1 0 B a n d Ra t e一2 5 0 k b p s c a n S e t u p Ua a S c n d B y t e 0 0 x a 换行 Ua r t S e n d B y t c 0 0 x d 回车 f o r 4 结束语 i f Ua r t P o l l 0 串口收到数据 则发送到 C AN总线 U a r t Ge t c h c h a r d a t a 0 O c a n Wr i t e 0 x 1 2 3 d a t a 8 FAL S E F AI S E U a r t S e n d B y t e 0 d a t a 0 i f n c a M o i l 一1 C AN总线收到数据 则发 送到 串 口 c a n Re a d n g i d d a t a l e n g t h r x RTR i s Ex t Ua r t S e n d B y t e 0 d a t a 0 显示采集的数据 i f d a t a 0 r 发送换行 Ua r t S c n d B y t e 0 n 3 r et u r n 0 嵌入式系统以其具有多任务 实时操作系统 可靠性高 友好的人机界面等优点 在楼宇和家居智能化 中得到了广泛的应用 嵌入式系统与家居网络的结合 使更多的家庭享受到现代科技带来 的便利 随着嵌 入式系统雨 1 网络技术 的不断发展 智能家居网络会更加成熟 实现形式更加多样化 必将对传统的家居模 式带来革命性的变化 参考文献 1 工田苗 嵌入式系统设计与实例开发 M 清华大学出版社 2 0 0 5 3 9 4 9 2 胥静 嵌入式系统设计开发实例详解 M 北京 北京航空航天大学出版社 2 0 0 5 2 0 7 2 4 1 3 饶运涛 邹继军 郑勇芸 现场总线 C AN原理与应用技术 M 北京 北京航空航天大学出版社 2 0 0 3 2 2 4 2 3 3 4 3 周立功 AR M 微控制器基础与实践 M 北京 北京航空航天大学出版社 2 0 0 3 4 8 6 4 8 9 5 邬宽l f 1 C AN总线原理和应用系统设计 M 北京 北京航空航天大学出版社 1 9 9 6 1 8 3 4 6 蒋小济 朱海涛 信息家电与智能家庭网络 J 电声技术 2 0 0 2 2 0 9 1 1 4 9 5 z 7 李小将 樊天暗 胡止国 嵌入式系统在信息家电中的应川 J 计算机上程 2 0 0 2 2 8 4 1 9 2一l 9 3 2 3 4 Re a l i c a t i o n o f s ma r t h o me n e t wo r k s b a s e d o n e m b e d d e d s y s t e m CAO J i a n g a n g W ANG Mi n g An h u i P r o v i n c i a l Ke y La b o r a t