智能家居網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

劉偉

（重慶建工集團(tuán)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(jìn)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)對這些設(shè)備和家庭環(huán)境的智能管理、遠(yuǎn)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(diǎn)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)（溫濕度、一氧化碳濃度等）的遠(yuǎn)程監(jiān)視，并能實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)的相關(guān)控制。其主要特點(diǎn)在于功能實(shí)用、操作簡單、價格低廉、易于安裝。

本文設(shè)計(jì)的智能網(wǎng)關(guān)需要接收各個節(jié)點(diǎn)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(jìn)行融合分析處理并實(shí)時顯示各個節(jié)點(diǎn)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(diǎn)處的實(shí)際測量值時，可對危險信息進(jìn)行報警，同時通過以太網(wǎng)向智能節(jié)點(diǎn)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(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理及運(yùn)算能力。此外，智能網(wǎng)關(guān)的功耗也是設(shè)計(jì)要考慮的主要問題。本文以設(shè)計(jì)所要實(shí)現(xiàn)的功能為出發(fā)點(diǎn)，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(jì)結(jié)構(gòu)通常要求主控制芯片功能較強(qiáng)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(jì)可以通過在控制器上移植簡單的操作系統(tǒng)實(shí)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(shí)現(xiàn)功能。

該類方案的優(yōu)點(diǎn):①主芯片功能較強(qiáng)大，運(yùn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)，故功能可擴(kuò)展性較差。

2 智能網(wǎng)關(guān)硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)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(jī)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(shí)時性能要求相對不高，但當(dāng)系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)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(yùn)算能力提出了挑戰(zhàn)。該設(shè)計(jì)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(shí)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(dá)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(dá)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(shí)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(diǎn)。

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(jī)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(jī)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(diǎn):

(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(jì)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(jì)的智能家居系統(tǒng)是基于以太網(wǎng)進(jìn)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(shí)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(jìn)行轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)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(jī)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(jì)與實(shí)現(xiàn)

智能網(wǎng)關(guān)一方面需要實(shí)時接收各個節(jié)點(diǎn)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(jìn)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(diǎn)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(jī)的PWM值，并通過以太網(wǎng)傳輸至相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，控制節(jié)點(diǎn)處執(zhí)行機(jī)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(shí)時顯示系統(tǒng)時間。

智能網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)主要包括:TFT-LCD的初始化及顯示，實(shí)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(yàn)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(jìn)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(jìn)入 “時間設(shè)定界面”，設(shè)定完成后點(diǎn)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(yùn)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(jī)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(jī)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(jī)進(jìn)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(jìn)行現(xiàn)場安裝運(yùn)行。通過該系統(tǒng)的運(yùn)行，可以方便地實(shí)現(xiàn)各個節(jié)點(diǎn)安置點(diǎn)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(xiàng)目所設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)，最多可接入的節(jié)點(diǎn)數(shù)目多達(dá)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(xiàng)目除可應(yīng)用于家庭環(huán)境監(jiān)控外，也可擴(kuò)展應(yīng)用于居民小區(qū)，對整個居民小區(qū)的環(huán)境進(jìn)行實(shí)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。未來對該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與完善主要須進(jìn)行以下工作:

（1）居民小區(qū)環(huán)境復(fù)雜，有強(qiáng)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的通用性，在未來的工作中將分別實(shí)現(xiàn)支持TCP/IP、APR、ICMP和DHCP PPPOE等多協(xié)議進(jìn)行通信。

圖8 串口調(diào)試助手接收數(shù)據(jù)圖

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