黃紅霞

(湖北理工學(xué)院 電氣與電子信息工程學(xué)院，湖北 黃石 435003)

“智能家居”(Smart Home)，又稱智能住宅，利用軟件網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議所支持的硬件，將家庭中的各種家電連接到一起。這種無(wú)線遠(yuǎn)程智能家居系統(tǒng)將給住戶提供更加方便的家電管理服務(wù)。例如可以使多個(gè)設(shè)備形成聯(lián)動(dòng);同時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部的家電可以交換信息，無(wú)需人的控制即可按照不同情況分別運(yùn)行，在最大程度上帶給用戶方便、舒適、安全的使用體驗(yàn)。除了具有傳統(tǒng)的居住功能，智能家居還提供更為舒適安全的生活體驗(yàn)，改變了人們的生活方式，使得時(shí)間的利用更為有效，同時(shí)大幅降低了資源成本。

1 智能家居控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

1.1 家居控制系統(tǒng)功能

智能家居系統(tǒng)使用了電傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)通訊技術(shù)，在對(duì)房屋內(nèi)的各種狀態(tài)監(jiān)控的同時(shí)，也可以根據(jù)要求做出相應(yīng)的調(diào)整。整個(gè)智能家居系統(tǒng)分為執(zhí)行模塊、顯示系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、傳感控制模塊、數(shù)據(jù)控制傳輸?shù)炔糠帧?/p>

無(wú)線遠(yuǎn)程控制智能家居系統(tǒng)功能有［1］:

1)住戶遠(yuǎn)程控制。

2)自行控制水電氣的通斷。

3)自行調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣溫度和濕度。

4)自行控制家用電氣的開(kāi)關(guān)。

5)安全報(bào)警與防范。

6)火情檢測(cè)報(bào)警，有害氣體檢測(cè)報(bào)警。

1.2 智能家居控制系統(tǒng)硬體框架

結(jié)合系統(tǒng)功能要求，從功能性、經(jīng)濟(jì)性考慮，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

由于采用的是S3C2410 芯片，主機(jī)的MCU 支持日后擴(kuò)展，同時(shí)滿足了設(shè)計(jì)要求。而采用MSP430F149 單片機(jī)的分機(jī)，滿足家居控制功能的同時(shí)還具有超低的功耗。而各種傳感器的應(yīng)用使得系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集狀態(tài)信息，超出允許范圍可進(jìn)行報(bào)警。住戶通過(guò)觸摸屏下達(dá)指令，然后依靠連在各個(gè)家電上的繼電器來(lái)完成動(dòng)作［2］。

圖1 家居控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)中，主機(jī)的作用就是采集各種狀態(tài)信息并進(jìn)行分析處理，然后控制各個(gè)功能模塊做出相應(yīng)的調(diào)整。家庭里的各種狀態(tài)信息會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示出來(lái)讓住戶查看，而住戶也可以通過(guò)觸摸屏來(lái)下達(dá)調(diào)整指令。而采用無(wú)線通訊方式，無(wú)需布線，也可以降低成本。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 Flash 模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用基于ARM920T 內(nèi)核的RISC 嵌入式處理器S3C2410，它具有功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、全靜態(tài)設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于低成本和低功耗系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)非常適合。該處理器具有NAND Flash，NOR Flash 兩種啟動(dòng)方式。

兼顧閃存易維護(hù)性、便于升級(jí)擴(kuò)展的特點(diǎn)，系統(tǒng)選用的39VF160 16M NOR Flash 和64MNAND Flash K9F1208 作為存放應(yīng)用程序的存儲(chǔ)空間，修改閃存中的內(nèi)容方便簡(jiǎn)單。

2.2 SDRAM 接口電路設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)操作運(yùn)行中數(shù)據(jù)量大，而存儲(chǔ)空間較小的處理器S3C2410 不能滿足要求，所以外存儲(chǔ)系統(tǒng)配備進(jìn)來(lái)作為補(bǔ)充。S3C2410 擁有片內(nèi)獨(dú)立的控制SDRAM 刷新邏輯電路［3］，一般的SDRAM 數(shù)據(jù)寬度大多為8 位或者16 位，考慮到系統(tǒng)的運(yùn)行速度，選用K4S561632C－TC75 組成了32 位的存儲(chǔ)系統(tǒng)，兩片K4S561632C－ TC75 連接的差別在于LDQM、UDQM、SCLK 引腳的不同，其他連線相同。

2.3 UART 串口電路設(shè)計(jì)

處理器S3C2410 的UART(通用異步收發(fā)器)單元具有兩個(gè)異步串行I/O 口，并且它們之間相互獨(dú)立，其工作方式分為中斷方式和DMA 方式。

RS－232－C 標(biāo)準(zhǔn)采用的接口是9 芯或25 芯的D 型插頭，9 芯D 型插頭更為常用。其中的RXD，TXD 和GND 這3 個(gè)引腳就可以完成基本的串行信息交換，但是上述標(biāo)準(zhǔn)與S3C2410 系統(tǒng)的LVTTL 電路相比，兩者定義的高低電平信號(hào)完全不同，后者的高電平對(duì)應(yīng)2 V～3.3 V 信號(hào)，低電平對(duì)應(yīng)0 V～0.4 V 信號(hào)，與之相比，前者采用的是負(fù)邏輯方式，高電平對(duì)應(yīng)－5 V～－15 V 電平，低電平對(duì)應(yīng)+5 V～+15 V電平。通過(guò)比較可以看出，只有經(jīng)過(guò)電平信號(hào)的轉(zhuǎn)換，兩者才能進(jìn)行通信，系統(tǒng)選用MAX3232 電平轉(zhuǎn)換芯片。

2.4 USB 接口電路

S3C2410 處理器提供了兩個(gè)USB 接口，其片內(nèi)的兩個(gè)USB 控制器的分配方案可以設(shè)置為2 個(gè)主機(jī)或1 個(gè)主機(jī)與1 個(gè)從設(shè)備，本文選用的是兩個(gè)主機(jī)的分配方案。

2.5 JTAG 接口電路

訪問(wèn)ARM 芯片邊界的JTAG 掃描口是此技術(shù)的調(diào)試方法，JTAG 仿真器基于其邊界掃描實(shí)現(xiàn)與處理器的信息交換，這是一種完全不使用片上資源的調(diào)試方式，不需要目標(biāo)存儲(chǔ)器，更不占用系統(tǒng)的任何端口，對(duì)于監(jiān)控軟件來(lái)說(shuō)是必備的特性?；贘TAG 技術(shù)的調(diào)試程序的執(zhí)行位于目標(biāo)板，所以，直交流參數(shù)匹配問(wèn)題、調(diào)試頻率限制、所用電線長(zhǎng)度等許多其他的問(wèn)題造成影響被最大程度的消除［4］。

2.6 電源電路設(shè)計(jì)

電源管理系統(tǒng)是極其關(guān)鍵的部分，對(duì)于一個(gè)電源系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，良好的穩(wěn)定性和出色的抗干擾能力是必不可少的。一塊電路板上往往有著不同的電壓和功率分布，這就要求我們先準(zhǔn)確計(jì)算各個(gè)部分的電壓和功率，然后選擇合適的電源管理單元。

S3C2410 工作時(shí)向IO 口提供3.3 V 電壓，向內(nèi)核提供1.8 V 電壓。為了達(dá)到穩(wěn)定電壓的要求，將5 V 電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V 的任務(wù)交給了電壓轉(zhuǎn)換芯片LM1117－ 3.3，再用LM1117－1.8 將5 V 電壓轉(zhuǎn)為1.8 V。

2.7 煤氣泄漏檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

QM2N2 型氣敏傳感器中電阻值隨有害氣體濃度的變化而變化，是泄漏檢測(cè)模塊控制關(guān)鍵。如果有害氣體濃度高于正常值，氣敏傳感器C 和D 間電阻值較大，D 端輸出低電平。一旦有害氣體濃度超過(guò)正常閥值后(通常為25%的氣體體積濃度)，迅速減小的C、D 間電阻值，將使D 端輸出高電平，導(dǎo)通三極管，連接單片機(jī)P4.3 口的E 點(diǎn)由高電平變?yōu)榈碗娖?，隨即向單片機(jī)發(fā)出報(bào)警信息。

2.8 電磁閥控制模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用ZD20 型電磁閥來(lái)控制煤氣的開(kāi)關(guān)，它具有節(jié)能高效的特點(diǎn)，供電的是3.6 V 鋰電池，采用點(diǎn)動(dòng)工作方式。無(wú)論開(kāi)關(guān)，均可一直保持該狀態(tài)。微控制器P4.2 腳的電平高低控制電磁閥的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。輸出低電平時(shí)，三極管截止，電磁閥關(guān)閉;輸出高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，電磁閥打開(kāi)。該電磁閥通過(guò)控制電路與單片機(jī)控制系統(tǒng)相連，通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥的開(kāi)關(guān)。

2.9 聲光報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

聲光報(bào)警模塊啟動(dòng)后，如果有害氣體濃度超標(biāo)，紅色LED 點(diǎn)亮，同時(shí)蜂鳴器鳴響，發(fā)出聲光報(bào)警。

3 主分機(jī)通信模塊設(shè)計(jì)

3.1 nRF905 射頻芯片

無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)開(kāi)始用于各種特殊的數(shù)據(jù)測(cè)控中，選用MSP430 +nRF905 的組合，具有低功耗、傳輸距離較遠(yuǎn)、傳輸數(shù)據(jù)量適中等特點(diǎn)。其中的MSP430 有著出色的功耗控制，而nRF905 無(wú)線收發(fā)芯片除了低功耗，操作簡(jiǎn)單并且可以自動(dòng)進(jìn)行CRC 校驗(yàn)，兩者的組合已經(jīng)被廣泛用于很多產(chǎn)品中。

nRF905 是一款射頻發(fā)射芯片，工作電壓范圍在1.9 V～3.6 V 之間，32 引腳QFN 封裝(5 mm ×5 mm)，工作頻段有433/868/915 MHz。該芯片可以自動(dòng)進(jìn)行CRC 校驗(yàn)，配置方便，超低功耗。它采用非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸方式，在接收端收到發(fā)送端傳來(lái)的數(shù)據(jù)之后先暫存於芯片內(nèi)部存儲(chǔ)器，MCU 可以在需要的時(shí)候訪問(wèn)內(nèi)部存儲(chǔ)器。nRF905 一次可以傳輸不超過(guò)32B 的數(shù)據(jù)［5］。

3.2 nRF905 與MCU 連接電路

主機(jī)與分機(jī)的MCU 分別連接各自的nRF905 芯片，再通過(guò)無(wú)線方式進(jìn)行信息交換，其連接電路如圖2 所示。

圖2 MCU 和nRF905 整體電路圖

其中CSN、SCK、MOSI、AM、TRX_CE、MISO、CD、PWR、DR 等引腳分別與主機(jī)和分機(jī)的MCU 的通用IO 口相連接，圖3 為S3C2410 和nRF905 連接電路。

圖3 S3C2410 與nRF905 連接圖

4 總結(jié)

無(wú)論智能家居系統(tǒng)技術(shù)如何發(fā)展，其核心始終是控制器。結(jié)合了無(wú)線和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)基于嵌入式系統(tǒng)的家居控制器具有超低的功耗，可以穩(wěn)定運(yùn)行，具有十分廣闊的發(fā)展前景。本文智能家居控制系統(tǒng)的微處理器選用了S3C2410 芯片，以嵌入式操作系統(tǒng)為軟件基礎(chǔ)，以無(wú)線通訊技術(shù)為硬件基礎(chǔ)，提出了一種成本較低、性能較強(qiáng)的設(shè)計(jì)方案。

［1］陳長(zhǎng)友，朱禮智，馬曉軍，等.現(xiàn)代智能家居的研究設(shè)計(jì)［J］.林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2006(4) ：34.

［2］李迅波.基于嵌入式的智能家居系統(tǒng)研究［D］.成都：電子科技大學(xué)，2006.

［3］趙靜.嵌入式智能家居控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2008.

［4］陳曦.智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.國(guó)外電子元器件，2003(11) ：5－7.

［5］Frank Vahid，Tony Givargis .Embedded System Design［D］.A Unified Hardware/software Approach Department of Computer Science and Engineering University of California，2002.