無線智能家居室內(nèi)終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

童世華

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院 計(jì)算機(jī)應(yīng)用系，重慶 401331）

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求不斷提高，不僅僅滿足于在家庭內(nèi)部實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化，而且希望能夠在千里之外就可以對(duì)所有家庭網(wǎng)絡(luò)上的電氣設(shè)備和環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)成為智能家居發(fā)展的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[1]。

藍(lán)牙技術(shù)作為無線傳輸技術(shù)的代表，是一種支持設(shè)備短距離通信的無線技術(shù)[2-3]。藍(lán)牙工作在2.4 GHz頻段（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療頻段），采用了藍(lán)牙技術(shù)[4]的設(shè)備將能夠提供高達(dá)720 kbit/s的數(shù)據(jù)交換速率。由于藍(lán)牙技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，使得藍(lán)牙的用途很廣泛，基本上各個(gè)領(lǐng)域都有涉及，就個(gè)人生活方面有居家、工作和娛樂。

1 智能家居系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì)思路是結(jié)合Internet技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，開發(fā)一套基于嵌入式Linux的智能家居系統(tǒng)[5]，即要實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的嵌入式智能終端設(shè)備及其與Internet的直接接入，從而可以在遠(yuǎn)程對(duì)家庭環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并可對(duì)智能家電進(jìn)行控制[6]；在嵌入式智能設(shè)備終端上要完成可視對(duì)講、訪客留影并存儲(chǔ)圖片、安防報(bào)警以及智能家電的控制等功能。主機(jī)還可以通過藍(lán)牙將家庭環(huán)境信息傳送給帶有藍(lán)牙的手持設(shè)備，如通過窗磁、門磁可以知道是否有陌生人闖入家中，通過煙霧傳感器可以知道家中是否有火災(zāi)發(fā)生，通過溫濕度可以實(shí)時(shí)了解家中的溫度，室內(nèi)終端都可以將這些信息傳送給藍(lán)牙手持設(shè)備實(shí)時(shí)顯示。

智能家居網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能家居網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2 智能家居室內(nèi)終端功能需求分析

智能家居室內(nèi)終端功能需求包括以下4個(gè)方面：

1）可視對(duì)講功能，通過網(wǎng)絡(luò)接收門口機(jī)或是網(wǎng)絡(luò)攝像頭采集到的視頻信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)來訪者或是環(huán)境的監(jiān)控。

2）家居安防功能，包括窗磁門磁報(bào)警、紅外報(bào)警、有毒有害氣體報(bào)警和煙霧報(bào)警等。

3）家電控制功能，通過紅外家電控制器將所有紅外控制家電設(shè)備集合在一起，紅外控制器將家電信息傳遞給智能家居室內(nèi)終端，通過一個(gè)終端實(shí)現(xiàn)對(duì)所有家電的控制，也可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

4）生活資訊功能，智能家居室內(nèi)終端通過互聯(lián)網(wǎng)連接物管中心或設(shè)備運(yùn)營商，實(shí)時(shí)發(fā)布生活資訊信息。

3 室內(nèi)終端的硬件設(shè)計(jì)

室內(nèi)終端硬件由微控制器ARM9 GM8120、SDRAM、Flash、LCD顯示器、藍(lán)牙通信模塊、以太網(wǎng)接口、音視頻模塊和JTAG下載電路組成，具體硬件框圖如圖2所示。

圖2 室內(nèi)終端硬件框圖

微處理器采用的是臺(tái)灣升邁科技股份有限公司CPU芯片，具體型號(hào)為GM8120SF，此CPU采用FA526內(nèi)核。FA526是32位的RISC體系結(jié)構(gòu)，并且指令系統(tǒng)和ARM V4（ARM9）架構(gòu)完成兼容，通過AMBA AHB接口和外部設(shè)備進(jìn)行通信。該微處理器CPU內(nèi)部含有豐富的片內(nèi)資源，具體包括8 kbyte的i-cache和d-cache、通用I/O接口、調(diào)試接口JTAG、通用異步收發(fā)器UART、串行的I2C和I2S接口，在設(shè)計(jì)中，只需要連接少量的外圍硬件就可以實(shí)現(xiàn)微處理器豐富的功能。這不僅降低了后期的開發(fā)難度，同時(shí)，也減少了硬件體積，方便集成度比較高、便攜式的產(chǎn)品開發(fā)，這也是選擇這款處理器的考慮因素之一。由于篇幅的限制，在這里主要對(duì)音視頻電路模塊和UART Zigbee模塊做具體闡述，其余電路模塊不在這里一一詳述。

3.1 音視頻電路模塊

音頻模塊電路主要用來采集聲音和播放聲音。GM8120含有I2S接口，可以方便地接目前主流的音頻解碼器，本系統(tǒng)使用PHILIPS公司的UDA1345芯片。UDA1345在一塊芯片上同時(shí)具有ADC和DAC的功能，并且功耗極低，工作所需要的電壓僅為3.3 V，非常適合低功耗的要求。UDA1345支持I2S總線的數(shù)據(jù)格式，可以方便地跟CPU進(jìn)行連接，電路簡(jiǎn)單。具體電路連接如圖3所示。

圖3 音頻編解碼電路

從圖3可以看出UDA1345的主要信號(hào)有VINL，VINR，BCK，WS，DATAO，DATAI，VOUTR和VOUTL等。VINL和VINR為左右聲道模擬信號(hào)的輸入端；BCK，WS，DATAO和DATAI作為I2S總線的時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)通道；BCK是同步時(shí)鐘信號(hào)線；WS為左右聲道選擇線，WS為0表示選擇左聲道，WS為1表示選擇右聲道；DATAI和DATAO為數(shù)據(jù)通道，分別作為數(shù)據(jù)輸入通道和數(shù)據(jù)輸出通道。

GM8120留有數(shù)字視頻輸入接口，對(duì)于輸出CCIR656/601的CCD/CMOS照相模塊，可以直接與GM8120連接，不用其他處理；對(duì)于輸出復(fù)合視頻或者S-video的CCD/CMOS照相模塊，需要1個(gè)外部的視頻解碼芯片，本方案使用了Philips的SAA7113芯片。圖4所示為視頻模塊電路。

如圖4所示，SAA7113的1、43、7和4號(hào)引腳為4路視頻信號(hào)的輸入端，根據(jù)需要只用到了其中1個(gè)管腳，但是為了以后的擴(kuò)展方便把其他的3個(gè)引腳也留了出來。8位VPO數(shù)字信號(hào)IPD0～I(xiàn)PD7分別與CPU的V_DI0～V_DI7相連。23和24號(hào)引腳分別作為I2C總線的數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線與CPU的I2C接口連接，I2C總線作為控制總線，CPU可以通過I2C總線來讀寫SAA7113的相關(guān)寄存器[7]。

3.2 藍(lán)牙模塊電路

在藍(lán)牙的硬件電路設(shè)計(jì)方面，采用了南京國春電氣設(shè)備有限公司生產(chǎn)的GC-01藍(lán)牙模塊來直接通過UART串口和CPU鏈接[8]。GC-01藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)采用了CSR公司的AUDIO-FLASH藍(lán)牙芯片，附加Atmel公司T7024藍(lán)牙專用前段芯片，擴(kuò)展成標(biāo)準(zhǔn)的1級(jí)藍(lán)牙模塊，通訊距離達(dá)到100 m，電路接口有USB口、RS-232串行口（TTL電平）、Audio模擬語音接口（SPK，MIC）、SPI編程口、2路AIO模擬量接口、7路數(shù)字PIO接口。并且每只模塊出廠時(shí)，都載入了標(biāo)準(zhǔn)HCI（1208版），并且通過各項(xiàng)檢測(cè)。如圖5所示，在本次設(shè)計(jì)中只使用到了UART串行口，其他的功能引腳沒有用到。UART串行口由UART_TXD、UART_RXD、UART_CTS、UART_RTS組成，CTS和RTS是用于串行數(shù)據(jù)的硬件流控制，不用時(shí)要進(jìn)行懸空處理，在這里沒有采用。RESET引腳在不用的時(shí)候接2 kΩ的電阻進(jìn)行拉地處理。LED發(fā)光二極管用來顯示藍(lán)牙模塊的通信狀態(tài)。

圖4 視頻模塊電路圖

圖5 藍(lán)牙模塊硬件電路圖

4 室內(nèi)終端的軟件設(shè)計(jì)

GM8120是ARM9+DSP的雙核處理器架構(gòu)，內(nèi)部集成了MPEG-4的編解碼模塊。對(duì)于輸出復(fù)合視頻或者S-video的CCD/CMOS照相模塊，需要一個(gè)外部的視頻解碼芯片，本設(shè)計(jì)中采用了SAA7113作為視頻解碼芯片。CPU上電后首先初始化DSP和I2C接口，使其能夠正常工作。通過寫I2C總線配置SAA7113的相關(guān)寄存器，使SAA7113處于查詢狀態(tài)，看是否有視頻信號(hào)輸入。然后SAA7113會(huì)在內(nèi)部對(duì)所采集的視頻信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)編碼，為8位VPO總線，為標(biāo)準(zhǔn)的ITU 656、YUV 4∶2∶2格式。DSP在收到8位的VPO信號(hào)后，對(duì)其進(jìn)行MPEG-4格式的編碼，將編解碼的信息放到視頻緩沖區(qū)中。判斷緩沖區(qū)是否已滿，如果已滿則將視頻信息通過以太網(wǎng)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上的目標(biāo)地址。整個(gè)程序流程如圖6所示。

圖6 視頻采集與編解碼流程圖

5 小結(jié)

依據(jù)對(duì)智能家居室內(nèi)終端的發(fā)展要求，設(shè)計(jì)了無線終端的實(shí)現(xiàn)方案。采用了ARM9處理器GM8120為核心，利用其內(nèi)部自帶的MPEG-4的編解碼器，實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻信號(hào)的MPEG-4編解碼，能夠使圖像更加清晰，系統(tǒng)運(yùn)行更加流暢，并且還極大地減輕了CPU的運(yùn)行負(fù)擔(dān)。另外還采用了低功耗的藍(lán)牙模塊CG-01通過串口與CPU連接，通過藍(lán)牙模塊室內(nèi)終端可以將家庭環(huán)境信息傳輸給帶有藍(lán)牙的移動(dòng)設(shè)備上顯示。測(cè)試表明，系統(tǒng)簡(jiǎn)易可行，成本低，有較好的推廣性和實(shí)用性。

[1]Bluetooth SIG—2001，Specification volume 1.specification of the bluetooth system core[S].2001.

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