基于ＡＲＭ的家庭智能終端裝置的設(shè)計(jì)

黃雨生

摘要：文章對(duì)家庭智能終端裝置的功能進(jìn)行闡述，研究并設(shè)計(jì)了一款基于ARM微控制器的、Linux作為操作系統(tǒng)的智能化終端，給出了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的軟硬件解決方案，論證了未來家庭實(shí)現(xiàn)智能化的可行性。

關(guān)鍵詞：家庭智能終端；ARM；通訊模塊；嵌入式開發(fā)；智能控制

中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2374（2009）11-0003-02

隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，一方面由于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的控制需要，另一方面由于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能等學(xué)科的高速發(fā)展，使得控制科學(xué)進(jìn)入了一個(gè)智能化的時(shí)代，智能控制作為一門獨(dú)立學(xué)科應(yīng)運(yùn)而生。

人類社會(huì)的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人類開始邁入以數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化為平臺(tái)的智能化社會(huì)，開始出現(xiàn)了諸如“智能化儀表、智能化機(jī)器人、智能化汽車”等具有不同智能程度的產(chǎn)品、設(shè)備、工具，并且呈現(xiàn)出迅猛發(fā)展的趨勢(shì)。家庭智能終端裝置是20世紀(jì)70年代后期開始出現(xiàn)的，80年代在許多國(guó)家興起，各種家庭智能終端裝置應(yīng)運(yùn)而生。

家庭智能終端裝置是指將家庭內(nèi)部所有的設(shè)備和應(yīng)用系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)終端連接成一體，以實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)、舒適、方便等指標(biāo)綜合平衡的家庭系統(tǒng)，它是計(jì)算機(jī)、通信及控制等相關(guān)技術(shù)與傳統(tǒng)家庭系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物。隨著全球信息化時(shí)代的到來，以往的家庭已不再滿足于高質(zhì)量的電器設(shè)備，而是逐步融入到信息社會(huì)中來。家庭智能控制網(wǎng)絡(luò)已成為信息技術(shù)領(lǐng)域中一個(gè)跨世紀(jì)的研究熱點(diǎn)。家庭智能控制網(wǎng)絡(luò)的普及將大大提高人們的生活水平和質(zhì)量。

一、家庭智能終端裝置的主要功能

使用家庭智能終端裝置最重要的目的就是為了保障居民人身和財(cái)產(chǎn)的安全。因此安防報(bào)警和可視化對(duì)講，是必須具有的功能模塊。

家居安防功能是通過外接報(bào)警傳感器探頭來實(shí)現(xiàn)的，報(bào)警器的種類主要有門磁、紅外柵窗、煙溫感、燃?xì)夂退粋鞲衅?。?dāng)有警情發(fā)生的時(shí)候，傳感器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并將報(bào)警信號(hào)傳至智能終端，并由智能終端對(duì)報(bào)警信號(hào)進(jìn)行記錄和判斷后上傳至門口機(jī)。家庭智能終端還在內(nèi)部安裝有一個(gè)撬殼開關(guān)，當(dāng)有人惡意破壞智能終端的時(shí)候，只要外殼被撬開就會(huì)立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

可視對(duì)講功能使住戶在家里通過智能終端的顯示屏就可看到門口的狀況，看到訪客后再?zèng)Q定是否打開單元門鎖。這一功能使住戶避免在不知來訪者身份的情況下開門而產(chǎn)生的安全隱患，也使訪客不必費(fèi)力解釋自己的身份，為住戶提供了更好的安全保障，也為訪客提供了方便。

住宅小區(qū)的管理員可以通過上位機(jī)可以向住戶家里的智能終端發(fā)布如天氣預(yù)報(bào)、繳費(fèi)通知、設(shè)備檢修等重要的公共信息和個(gè)人信息。用戶也可以定制新聞發(fā)布業(yè)務(wù)，不必出屋即可知天下事。對(duì)于這些信息，用戶可以根據(jù)自己的需求，通過菜單提示進(jìn)行信息的查看、讀取、刪除、清空等操作。

智能終端的家電控制功能則可以使用戶對(duì)家電進(jìn)行集中操作。首先將各家電的開關(guān)線路集中到一個(gè)家電控制裝置中，住戶通過智能終端對(duì)這個(gè)家電控制裝置發(fā)布命令，從而達(dá)到控制家用電器的目的。有了這種功能，用戶在開車回家途中，用手機(jī)打個(gè)電話就可以提前打開家里的空調(diào)，讓榨汁機(jī)準(zhǔn)備一杯新鮮的果汁，再讓家庭音響準(zhǔn)備好最喜歡的音樂等。

高檔智能終端還可以具有留言的功能。當(dāng)住戶不在家而又有客人來訪的時(shí)候，通過留言功能，可簡(jiǎn)單描述身份以及來訪的主要目的。此外，如果主人臨時(shí)有事而又暫時(shí)沒有聯(lián)絡(luò)的其他家庭成員的時(shí)候，可以在智能終端里給家人留下口訊。

隨著我國(guó)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，寬帶網(wǎng)已經(jīng)進(jìn)入了一般居民的住宅和小區(qū)，使家庭智能終端具有上網(wǎng)功能將成為其今后發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。有了這一功能，即使身在千里之外，只要登陸到自己的家庭網(wǎng)站，用戶就可以對(duì)家庭的智能終端進(jìn)行家電控制、查看消息和留言，甚至可以查看家庭安全防護(hù)系統(tǒng)的攝像記錄。

二、家庭智能終端裝置的硬件設(shè)計(jì)

（一）ARM微控制器介紹

此芯片作為整個(gè)家庭信息中心的主控制器，對(duì)整個(gè)家庭信息中心的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，ARM（Advanced RISC Machines）是精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（RISC），其設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了外型非常小但性能高的結(jié)構(gòu)。

ARM內(nèi)核分為ARM7、ARM9、ARM10以及StrongARM等幾類。其中每一類又根據(jù)其各自包含的功能模塊而分成多種構(gòu)成。ARM是目前應(yīng)用很廣的嵌入式RISC處理器。T：表示Thumb，該內(nèi)核可從16位指令集擴(kuò)充到32位ARM指令集。D：表示Debug，該內(nèi)核中放置了用于調(diào)試的結(jié)構(gòu)，通常它為一個(gè)邊界掃描鏈JTAG，可使CPU處在實(shí)時(shí)調(diào)試模式，從而可方便地進(jìn)行斷點(diǎn)設(shè)置、單步調(diào)試。M：表示Multiplier，是8位乘法器。I：表示EmbedbediceLogic，用于實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)觀測(cè)及變量觀測(cè)的邏輯電路部分，其中的TAP控制器可接入到邊界掃描鏈。

ARM處理器結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單使ARM的內(nèi)核非常小，這樣使器件的功耗非常低。因此，在本設(shè)計(jì)中，采用了基于ARM體系結(jié)構(gòu)的32位微控制器。

（二）家庭智能化終端裝置的主要功能模塊

1．微控制器：它是家庭智能終端裝置的核心部分。微處理器將接收到的外部信號(hào)進(jìn)行處理后發(fā)出數(shù)據(jù)或控制信號(hào)給芯片外部的各個(gè)模塊，使之進(jìn)行相應(yīng)的操作。

目前在嵌入式開發(fā)應(yīng)用上，32位嵌入式RISC領(lǐng)域中，ARM體系結(jié)構(gòu)有著極大的影響力，并幾乎成為了事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。家庭智能終端裝置的功能較多，對(duì)微控制器資源（如GPIO、RAM和Flash等）的需求自然比較高。如果選用資源豐富的高端8位單片機(jī)產(chǎn)品如CygnalF020，其價(jià)格要比ARM芯片如LPC2214的價(jià)格高，而芯片資源不如LPC2214豐富，在運(yùn)行速度上更無法與ARM芯片相比。而用于ARM內(nèi)核的標(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)開發(fā)工具也可以很方便地找到。

2．通信模塊：用來實(shí)現(xiàn)智能終端與門口機(jī)之間的通信，以及與家電控制裝置進(jìn)行通信。

智能終端與家電控制模塊之間由數(shù)據(jù)通信線相連，當(dāng)用戶通過操作觸摸屏向智能終端發(fā)出各種指示，這些命令也按照通信協(xié)議發(fā)給家電控制裝置，并由家電控制裝置對(duì)家電進(jìn)行控制。

3．音頻處理模塊：實(shí)現(xiàn)終端與門口機(jī)的對(duì)講。門口機(jī)的麥克和喇叭通過音頻總線與本單元內(nèi)每戶家里的智能終端的喇叭和麥克相連，當(dāng)門口機(jī)與終端接通后，家里的住戶即可與單元門口的訪客進(jìn)行對(duì)講。

4．防區(qū)報(bào)警模塊：由微處理器對(duì)各防區(qū)（如柵窗、門磁、煙溫感、燃?xì)夂头浪┑膱?bào)警信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，向用戶發(fā)出報(bào)警音，并通過通信模塊上傳至門口機(jī)，然后再由門口機(jī)傳給園區(qū)管理處。

由于煙溫感、燃?xì)夂头浪畟鞲衅鱾鱽淼膱?bào)警信號(hào)，產(chǎn)生的警情破壞力大，且誤報(bào)率低，一檢測(cè)到就立即上傳通知管理處。

5．視頻疊加模塊：在屏幕上顯示文字信息和門口機(jī)傳來的視頻圖像。這一部分主要用來實(shí)現(xiàn)在智能終端的液晶屏上顯示管理處發(fā)布的公共和個(gè)人信息。此外，由于終端采用觸摸屏操作方式，當(dāng)接通門口的視頻畫面后，需要在畫面疊加接聽、掛機(jī)等文字來提示用戶的下一步操作。

6．觸摸屏及按鍵掃描模塊：用戶只需根據(jù)終端屏幕上的提示點(diǎn)擊屏幕的相應(yīng)位置，就可以很方便地查看單元門口的景象，對(duì)上位機(jī)發(fā)來的信息進(jìn)行查看、讀取、翻頁、刪除、清空等操作。

7．遠(yuǎn)程家電控制模塊：用來實(shí)現(xiàn)用戶不在家時(shí)對(duì)家用電器的控制。用戶撥打家里的電話，智能終端接通后，用戶按照語音提示進(jìn)行按鍵操作，智能終端根據(jù)用戶的要求向家電控制模塊發(fā)出命令，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。