基于三星S5PV210處理器的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單桂峰

【摘要】此系統(tǒng)已三星A8系列的S5PV210處理器為控制核心，采用無線有線相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代家居的智能化管理。本系統(tǒng)集家庭娛樂，家庭安防，燈光控制，窗簾控制，信息家電，等自動(dòng)化控制為一體。為現(xiàn)代家庭提供了安全、高效、舒適、節(jié)能的可視化，人性化的生活環(huán)境。本文主要介紹核心控制部分的結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法，以及整個(gè)智能家居的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

【關(guān)鍵詞】智能家居；S5PV210處理器；家庭防盜；無限監(jiān)控；自動(dòng)化家居；arm處理器應(yīng)用

1.引言

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，特別是互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，人們對(duì)生活質(zhì)量也提出越來越高的要求，舒適，高效，便捷和安全的家居環(huán)境逐步被人們所青瞇，智能家居系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。出門在外，擔(dān)心家中是否安全，打開手機(jī)可以查看家中每個(gè)角落；在下班回家的路上，可以提前開啟家中的空調(diào)和熱水器；早上當(dāng)太陽升起的時(shí)候，窗簾自動(dòng)慢慢打開，迎接清晨的第一縷陽光；當(dāng)在辦公室，家中來了客人，在也不用著急跑回家開門，輕輕按一下電話鍵，門就自動(dòng)打開了；當(dāng)需要購買你需要的商品時(shí)，不需要再跑到商場挑選，直接按幾下遙控器，你滿意的商品就送到了家。這些現(xiàn)代的智能家居系統(tǒng)都可以幫你輕松實(shí)現(xiàn)。

2.系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主控部分采用三星的A8處理器，系統(tǒng)有兩部分組成，一部分是室內(nèi)部分（本地網(wǎng)絡(luò)），一部分是遠(yuǎn)程部分（遠(yuǎn)程控制）（如圖2-1所示）。

室內(nèi)部分主要有以下部分組成：

室內(nèi)可視：主要是通過寬帶互聯(lián)網(wǎng)和高清電視實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)電影觀看，網(wǎng)絡(luò)游戲，遠(yuǎn)程購物及視頻監(jiān)控等相關(guān)的功能

環(huán)境監(jiān)控：這一部分主要是實(shí)現(xiàn)溫度，煙氣，煤氣等的采集，這些信息通過網(wǎng)絡(luò)可以和物業(yè)等相關(guān)部門的信息聯(lián)動(dòng)，防止煤氣泄漏，火災(zāi)等事故的發(fā)生；同時(shí)可以采集電表，煤氣表，水表等相關(guān)信息，這些信息通過網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表遠(yuǎn)程繳費(fèi)等功能。

家居控制：這一部分主要實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的控制，由很多木模塊組成，可以通過主控制器，對(duì)家居中所有的家電，比如照明，空調(diào)，電視，熱水器，電動(dòng)窗簾等進(jìn)行本地和遠(yuǎn)程的控制。

3.智能家居主控設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的cpu處理器選用三星的S5PV210， S5PV210是一款功能極其強(qiáng)大的高端ARM Cortex-A8處理器，其功能全面、接口豐富，主頻高達(dá)1G。其主要特性如下：

a）采用45nm低功率制程，cpu典型功耗：11mW；

b）CPU主頻 1G；

c）支持DDR2存儲(chǔ)器；

d）0.65mm引腳間距，17X17mm2 FBGA封裝；

e）支持USB HOST2.0，usb OTG2.0接口；

f）4個(gè)SDIO/HS-MMC接口；

g）3D圖形加速器采用Power VR SGX540；

h）2D圖形加速器，最大支持8000X8000分辨率；

i）JPEG硬件解碼器，最大支持65536X65536分辨率圖片；

j）視頻硬件解碼器，支持1080@30fps；

k）HDMI，TVOUT，CAMERAX2接口。

3.1 控制器總體方案的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

3.2 ZIGBEE無線系統(tǒng)

Zigbee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和“嗡嗡”（zig）地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。Zigbee自身的主要技術(shù)優(yōu)勢如下：

①低功耗。在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5 號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6～24個(gè)月，甚至更長。這是ZigBee的突出優(yōu)勢。相比較， 藍(lán)牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時(shí)。

②低成本。通過大幅簡化協(xié)議（不到藍(lán)牙的1/10），降低了對(duì)通信控制器的要求，按預(yù)測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32KB代碼，子功能節(jié)點(diǎn)少至4KB代碼，而且ZigBee免協(xié)議專利費(fèi)。每塊芯片的價(jià)格大約為2 美元。

③低速率。ZigBee工作在20～250kbps的較低速率，分別提供250 kbps（2.4GHz）、40kbps（915MHz）和20kbps（868MHz）的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。

④近距離。傳輸范圍一般介于10～100m之間，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1～3km。這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離。如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。

⑤短時(shí)延。ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)牙需要3～10s、WiFi需要3s。

⑥高容量。ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。

⑦高安全。ZigBee提供了三級(jí)安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單（ACL）防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES 128）的對(duì)稱密碼，以靈活確定其安全屬性。

⑧免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療（ISM）頻段，2.4GHz（全球）、915MHz（美國）和868MHz（歐洲）。

正是這些優(yōu)點(diǎn)的存在，我們?cè)诒鞠到y(tǒng)中采了Zigbee技術(shù)，通過Zigebee主要，可以使系統(tǒng)模塊化，數(shù)據(jù)采集，溫度采集，三表數(shù)據(jù)，燈光控制可以通過zigbee無線模塊來實(shí)現(xiàn)，可以省去布線的麻煩，是產(chǎn)品安裝更加方便。維護(hù)更加便捷。如圖3-2所示，Zigbee智能終端可以是溫度傳感器，智能煤氣表，智能空調(diào)，電動(dòng)窗簾等。

3.3 can總線接口

控制器局域網(wǎng)CAN（Controller Area Network）作為一種多線路網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，以其時(shí)分多主、非破壞性總線仲裁和自動(dòng)檢錯(cuò)重發(fā)等靈活、可靠的通信技術(shù)，及低廉的價(jià)格，被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線、汽車、傳感器、醫(yī)療設(shè)備、智能化大廈、電梯控制、環(huán)境控制等分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)。CAN總線有以下優(yōu)點(diǎn)：

①具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)；

②采用雙線串行通信方式，檢錯(cuò)能力強(qiáng)，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作；

③具有優(yōu)先權(quán)和仲裁功能，多個(gè)控制模塊通過CAN控制器掛到CAN-bus上，形成多主機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)；

④可根據(jù)報(bào)文的ID決定接收或屏蔽該報(bào)文；

⑤可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制；

⑥發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動(dòng)重發(fā)；

⑦節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)退出總線的功能；

⑧報(bào)文不包含源地址或目標(biāo)地址，僅用標(biāo)志符來指示功能信息、優(yōu)先級(jí)信息。

在本系統(tǒng)中采用can總線接口主要是對(duì)ZIGBEE無線接口的有力補(bǔ)充，在不合適無線環(huán)境中，我們可以采用can總線通訊的方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，和對(duì)智能家電終端的控制。

3.4 網(wǎng)絡(luò)接口

主控制器設(shè)計(jì)了10/100Mhz的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口，系統(tǒng)可以通過具有以太網(wǎng)接口的系統(tǒng)連接到互聯(lián)網(wǎng)上，比如ADSL，小區(qū)寬帶等。我們可以在辦公室的電腦上，或者手機(jī)上通過互聯(lián)網(wǎng)來控制家電，查看視頻監(jiān)控，并且可以通過家中的高清電視觀看互聯(lián)網(wǎng)上的節(jié)目，以及完成網(wǎng)上購物等。系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口采用DM9000芯片設(shè)計(jì)完成。

DM9000是一款完全集成的和符合成本效益的，單芯片快速以太網(wǎng)MAC控制器。它有一個(gè)一般處理接口，一個(gè)10/100M自適應(yīng)的PHY和4K DWORD值的SRAM。它的目的是在低功耗和高性能進(jìn)程的3.3V與5V的支持寬容，DM9000還提供了介質(zhì)無關(guān)的接口，來連接所有提供支持介質(zhì)無關(guān)接口功能的家用電話線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或其他收發(fā)器。該DM9000支持8位，16位和32-位接口訪問內(nèi)部存儲(chǔ)器，以支持不同的處理器。DM9000物理協(xié)議層接口完全支持使用10MBps下3類、4類、5類非屏蔽雙絞線和100MBps下5類非屏蔽雙絞線。這是完全符合IEEE 802.3u規(guī)格。它的自動(dòng)協(xié)調(diào)功能將自動(dòng)完成配置以最大限度地適合其線路帶寬。還支持IEEE 802.3x全雙工流量控制。這個(gè)工作里面DM9000是非常簡單的，所以用戶可以容易的移植任何系統(tǒng)下的端口驅(qū)動(dòng)程序。

DM9000有以下特點(diǎn)：支持處理器讀寫內(nèi)部存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)操作命令以字節(jié)/字/雙字的長度進(jìn)行；集成10/100M自適應(yīng)收發(fā)器；支持介質(zhì)無關(guān)接口；支持背壓模式半雙工流量控制模式；IEEE802.3x流量控制的全雙工模式；支持喚醒幀，鏈路狀態(tài)改變和遠(yuǎn)程的喚醒；4K雙字SRAM；支持自動(dòng)加載EEPROM里面生產(chǎn)商ID和產(chǎn)品ID；支持4個(gè)通用輸入輸出口；超低功耗模式；功率降低模式；電源故障模式；可選擇1：1 YL18-2050S，YT37-1107S或5：4變壓比例的變壓器降低格外功率；兼容3.3v和5.0v輸入輸出電壓。

3.5 WCDMA

wcmda就是我們常說的3G網(wǎng)絡(luò)，WCDMA模塊實(shí)現(xiàn)的功能和以太網(wǎng)接口是相同的，主要是有線以太網(wǎng)出現(xiàn)問題以后的備用方案，比如盜竊分子破壞了有線網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)自動(dòng)會(huì)轉(zhuǎn)接無線網(wǎng)絡(luò)連接，使得家居更加安全可靠。

使用WCDMA通訊和3G手機(jī)是相同的，需要運(yùn)營商的支持，因?yàn)槟壳百M(fèi)用比有線通訊高，所以在系統(tǒng)中我們把它作為備用方案使用，只有有線網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)連接故障，才會(huì)自動(dòng)切換到WCDMA網(wǎng)絡(luò)。

目前中國支持WCDMA的運(yùn)營商主要有中國聯(lián)通公司。聯(lián)通的WCDMA的主要優(yōu)勢有，網(wǎng)絡(luò)速度最快，支持業(yè)務(wù)最廣泛，終端種類最多，國內(nèi)覆蓋廣泛，開通國家最廣，可漫游的國家和地區(qū)最多。

3.6 攝像機(jī)和聲音采集

攝像機(jī)輸入和聲音采集主要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，視頻圖像和聲音通過主控制器壓縮以后，用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)終端查看家居的視頻圖像，起到防盜監(jiān)控的目的。

參考文獻(xiàn)

[1]S5PV210_EVT1_Usermanual_20100218 SAMSUNG ELECTRONICS CO.，LTD.

[2]鐃運(yùn)濤.現(xiàn)場總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)（第2版）[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[3]zigbee http：//baike.baidu.com/view/117166.htm.

[4]《DM9000_DataSheet》http：//www.davicom.com.tw.