劉偉

（重慶建工集團房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，重慶 401122）

引言

隨著社會的不斷發(fā)展，科技的不斷進步，生活資料的積累，人類對生活質(zhì)量的要求也在逐漸提高，便利、高效、舒適的居住環(huán)境無疑能為居民帶來更愉悅的生活享受，因此智能家居是未來家居行業(yè)的發(fā)展趨勢。智能家居指將家庭中的各種電子、電氣設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連接起來，進而實現(xiàn)對這些設(shè)備和家庭環(huán)境的智能管理、遠程監(jiān)控和資源共享。另外，由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)、嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展，智能化、網(wǎng)絡(luò)化也已成為家居監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的主導(dǎo)因素。

1 整體方案

智能家居網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)是指系統(tǒng)能夠通過以太網(wǎng)同各個智能節(jié)點進行通信，實現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)（溫濕度、一氧化碳濃度等）的遠程監(jiān)視，并能實現(xiàn)對遠程節(jié)點的相關(guān)控制。其主要特點在于功能實用、操作簡單、價格低廉、易于安裝。

本文設(shè)計的智能網(wǎng)關(guān)需要接收各個節(jié)點通過以太網(wǎng)傳送來的數(shù)據(jù)信息，同時能夠及時有效地對所接收的數(shù)據(jù)進行融合分析處理并實時顯示各個節(jié)點的信息。另外，智能網(wǎng)關(guān)的使用者可按需設(shè)置不同的報警閾值（溫度、濕度、CO濃度等），當(dāng)設(shè)定的報警閾值小于節(jié)點處的實際測量值時，可對危險信息進行報警，同時通過以太網(wǎng)向智能節(jié)點發(fā)送相應(yīng)的控制命令（如窗簾控制命令，空調(diào)控制命令等）。這就需要網(wǎng)關(guān)具有強大的數(shù)據(jù)處理及運算能力。此外，智能網(wǎng)關(guān)的功耗也是設(shè)計要考慮的主要問題。本文以設(shè)計所要實現(xiàn)的功能為出發(fā)點，選擇了基于高性能ARM處理器為核心控制器的系統(tǒng)方案，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

此設(shè)計結(jié)構(gòu)通常要求主控制芯片功能較強大，處理速度較快，硬件資源較豐富，通常需要以32位的CPU為核心控制器。設(shè)計可以通過在控制器上移植簡單的操作系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)功能，也可以不帶操作系統(tǒng)，采用簡單的程序結(jié)構(gòu)實現(xiàn)功能。

該類方案的優(yōu)點:①主芯片功能較強大，運行速度較快，硬件電路結(jié)構(gòu)較簡單，成本較低。②芯片廠商為芯片開發(fā)提供的底層的軟件庫，便于用戶進行二次開發(fā)。該類方案的不足:由于其主要功能由控制芯片的硬件實現(xiàn)，故功能可擴展性較差。

2 智能網(wǎng)關(guān)硬件的設(shè)計與實現(xiàn)

網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計框圖如圖2所示，主要由電源模塊、STM32最小系統(tǒng)模塊、串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊、人機交互模塊（TFT-LCD模塊、按鍵及LED模塊）及串口模塊組成。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 主控制器

智能家居系統(tǒng)對信息的實時性能要求相對不高，但當(dāng)系統(tǒng)中的節(jié)點較多時，智能網(wǎng)關(guān)需處理的信息量較大，這就對控制器的數(shù)據(jù)運算能力提出了挑戰(zhàn)。該設(shè)計選用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103RBT6作為核心控制器。該芯片基于專門用于高性能、低功耗、低成本、實時性嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的ARM CortexTM-M3內(nèi)核，處理器速度最高可達72Mbit/s。內(nèi)部資源豐富，提供了多個USART、I2C、SPI接口并整合了全速USB、CAN接口。內(nèi)置高速存儲器（高達128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM）。 STM32有豐 富的I/O口資源 :GPIOA、GPIOB、GPIOC各有16個，GPIOD有3個、擁有2個12位的ADC、一個實時時鐘RTC，此外還有3個通用16位定時器和一個PWM定時器。該芯片足以完成智能家居系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與控制。作為智能家居系統(tǒng)的核心控制器，它具有功耗小，性價比高，可靠性好的優(yōu)點。

2.2 顯示屏TFT-LCD

在智能家居網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中，良好的人機交互界面保證了用戶擁有更加舒適的視覺感并提高了智能網(wǎng)關(guān)的可操作性。本系統(tǒng)采用帶觸摸屏的TFT-LCD作為人機交互介質(zhì)。TFT-LCD英文全稱為:Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display。即薄膜晶體管液晶顯示器。它由熒光管、導(dǎo)光板、偏光板、濾光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄膜式晶體管等構(gòu)成。TFTLCD與無源TN-LCD、STN-LCD的簡單矩陣不同，它在液晶顯示屏的每一個像素上都設(shè)有一個薄膜晶體管（TFT），能夠有效地克服非選通時的像素串?dāng)_，使顯示液晶屏的靜態(tài)特性與掃描線數(shù)無關(guān)，大大提高了圖像顯示的質(zhì)量。TFT-LCD也被叫做真彩液晶顯示器。TFTLCD模塊有如下特點:

(1)2.4/2.8兩種大小的屏幕可選。

(2)320×240的分辨率。

(3)16位真彩顯示。

(4)自帶觸摸屏，可以用來作為控制輸入。

在智能家居網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計中，使用了2.8寸的TFTLCD模塊，該模塊采用的是顯尚光電的DST2001PH TFTLCD，DST2001PH的控制器為ILI9320，采用26萬色的TFTLCD屏，分辨率為320×240，采用16位的80并口。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸單元

本文所設(shè)計的智能家居系統(tǒng)是基于以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，以太網(wǎng)與控制器之間的數(shù)據(jù)交換是通過串口通信實現(xiàn)的，而串口與以太網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)通信，必須經(jīng)過相關(guān)的電路，對控制器的TTL電平進行轉(zhuǎn)換。本設(shè)計選用AX88796B作為以太網(wǎng)控制芯片，AX88796B是一款針對嵌入式及工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的低接腳數(shù)（LQFP-64）以太網(wǎng)絡(luò)控制芯片，支持全雙工及半雙工模式和10/100Mbps N-Way自動協(xié)商機制，在全雙工模式下支持IEEE 802.3x流量控制，在半雙工模式下支持Backpressure流量控制。數(shù)據(jù)傳輸單元的電路如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸單元電路框圖

3 軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

智能網(wǎng)關(guān)一方面需要實時接收各個節(jié)點通過以太網(wǎng)傳來的數(shù)據(jù)，并通過ARM處理器對接收來的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理，同時將處理結(jié)果顯示在TFT上，使使用者能夠較為直觀地得到監(jiān)測點相關(guān)的環(huán)境值；另一方面，網(wǎng)關(guān)將處理后的數(shù)據(jù)與設(shè)定的報警值經(jīng)行比較，判斷是否需要發(fā)送報警信號（屏幕閃爍顯示報警字樣）；此外，用戶可以通過觸摸屏設(shè)定驅(qū)動電機的PWM值，并通過以太網(wǎng)傳輸至相應(yīng)的節(jié)點，控制節(jié)點處執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行任務(wù)的速度。同時智能網(wǎng)關(guān)能夠設(shè)定并實時顯示系統(tǒng)時間。

智能網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計主要包括:TFT-LCD的初始化及顯示，實時時鐘RTC初始化及顯示、數(shù)據(jù)偵聽及處理等等。系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

4 測試驗證

網(wǎng)關(guān)的測試主要分以下幾個方面:報警值的設(shè)定，時間的設(shè)定，網(wǎng)關(guān)通過以太網(wǎng)與其它終端設(shè)備通信。

（1）報警值設(shè)定。首先連接好硬件設(shè)備，給系統(tǒng)上電，顯示系統(tǒng)主界面，通過界面切換鍵，進入“報警值設(shè)定”界面。設(shè)定值及報警效果如圖5所示。

（2）時間設(shè)定。通過界面切換鍵進入 “時間設(shè)定界面”，設(shè)定完成后點擊“確定”按鈕，系統(tǒng)時間更改，對比圖6左右結(jié)果可知，設(shè)定有效。結(jié)果如圖6所示。

（3）網(wǎng)關(guān)通過以太網(wǎng)與其它終端通信。將智能網(wǎng)關(guān)通過網(wǎng)線連接至路由器，同樣電腦也通過網(wǎng)線連接至路由器，在電腦上運行TCP調(diào)試助手及串口調(diào)試助手，智能網(wǎng)關(guān)可以向電腦發(fā)送數(shù)據(jù)包 （網(wǎng)關(guān)通過以太網(wǎng)向PC機終端發(fā)送的數(shù)據(jù)包為 [0507040155 AA A5]）， 通過圖7所示TCP調(diào)試助手可以看到智能網(wǎng)關(guān)發(fā)送的數(shù)據(jù)包[0507040155 AA A5]。PC機同樣可以通過以太網(wǎng)向智能網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)包格式為[A5075555555555]），智能網(wǎng)關(guān)利用串口將從以太網(wǎng)接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到串口調(diào)試助手顯示，結(jié)果如圖8所示。測試結(jié)果表明，智能網(wǎng)關(guān)可以通過以太網(wǎng)同PC機進行良好的通信。

圖5 報警值設(shè)定圖

圖6 時間設(shè)定效果圖

圖7 TCP調(diào)試助手收發(fā)數(shù)據(jù)圖

5 結(jié)論

該系統(tǒng)經(jīng)過長時間測試，各裝置工作正常，可以進行現(xiàn)場安裝運行。通過該系統(tǒng)的運行，可以方便地實現(xiàn)各個節(jié)點安置點的環(huán)境值，對改善居民生活質(zhì)量，提高居民住宅環(huán)境的安全等級有較高的使用價值。

該項目所設(shè)計的智能家居系統(tǒng)，最多可接入的節(jié)點數(shù)目多達256個，加之當(dāng)前以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展日趨成熟，網(wǎng)線的布置密集度高，通信可靠，故該項目除可應(yīng)用于家庭環(huán)境監(jiān)控外，也可擴展應(yīng)用于居民小區(qū)，對整個居民小區(qū)的環(huán)境進行實時集中監(jiān)測，提高居民區(qū)的安全等級。

人們對生活質(zhì)量及安全性的重視程度越來越高，為提高系統(tǒng)的可靠性以及為該產(chǎn)品的大范圍推廣使用打下了堅實的基礎(chǔ)。未來對該系統(tǒng)的設(shè)計與完善主要須進行以下工作:

（1）居民小區(qū)環(huán)境復(fù)雜，有強電設(shè)備，可能會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。另外，雷雨天氣等惡劣環(huán)境可能也會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響。因此，還需要大量的實驗驗證該系統(tǒng)在此環(huán)境下的可靠性與穩(wěn)定性。

（2）支持更多協(xié)議。目前智能家居系統(tǒng)是基于UDP傳輸協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的通用性，在未來的工作中將分別實現(xiàn)支持TCP/IP、APR、ICMP和DHCP PPPOE等多協(xié)議進行通信。

圖8 串口調(diào)試助手接收數(shù)據(jù)圖

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