基于NiosII軟核與ZigBee技術(shù)的無線智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

石新峰

（河南機(jī)電高等專科學(xué)校電子通信工程系，河南 新鄉(xiāng) 453000）

在現(xiàn)代家居中，智能家居系統(tǒng)以其高度智能化、網(wǎng)絡(luò)化、遠(yuǎn)程化及能夠提供安全、舒適、便捷的服務(wù)而受到消費(fèi)者的青睞，有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

在可供選擇的控制平臺(tái)中，基于FPGA芯片和NiosII軟核處理器構(gòu)建的SOPC系統(tǒng)具有很大優(yōu)勢(shì)，常作為首選方案。而ZigBee無線傳輸模塊以其低成本、低功耗、低復(fù)雜度、自組織等特點(diǎn)，特別適合智能家居中近距離、低數(shù)據(jù)速率的無線數(shù)據(jù)傳輸，并且體積較小，可以很方便地嵌入各種設(shè)備。

1 采用FPGA平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)分析

首先，對(duì)于智能家居中視頻監(jiān)控與智能門禁兩個(gè)功能，采用FPGA具有較大優(yōu)勢(shì)。具體表現(xiàn)在下面三個(gè)方面:

1)在視頻監(jiān)控方面:如果采用ARM平臺(tái)，則必須配備DSP芯片，否則將無法實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的高速處理和傳輸。這樣不但增加了硬件成本，同時(shí)也增加了系統(tǒng)復(fù)雜程度。除非用戶再去單獨(dú)購買一整套基于個(gè)人電腦的監(jiān)控系統(tǒng)。這與高集成化的全能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)宗旨相違背。采用FPGA平臺(tái)，可以不再購買DSP芯片，而是借助DSP Builder技術(shù)，利用FPGA內(nèi)部專用的數(shù)字信號(hào)處理模塊來完成視頻圖像的編碼、壓縮、解碼等復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法。采用云臺(tái)技術(shù)控制攝像頭，將圖像數(shù)據(jù)壓縮后存儲(chǔ)至大容量硬盤，并可以通過系統(tǒng)自帶液晶屏實(shí)現(xiàn)圖像回放。從而系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高度集成。

2)目前智能門禁中，普遍采用指紋鎖、掌紋鎖，或者更進(jìn)一步采用了人臉掃描和視網(wǎng)膜掃描，以提高保安等級(jí)和安全性。這些都屬于對(duì)圖像進(jìn)行人工智能模式識(shí)別的技術(shù)范疇。都需要進(jìn)行信息采集，信息比對(duì)，以及一定規(guī)模的數(shù)據(jù)庫管理。如前面所述，仍然是圖像的處理。為了提高集成度，不采用DSP芯片，則FPGA仍是最佳選擇，因?yàn)槟壳癋PGA容量已經(jīng)可以做得很大，而且價(jià)格日益低廉。并且很多成熟的免費(fèi)或者付費(fèi)的圖像處理IP模塊已經(jīng)層出不窮地出現(xiàn)。這些都為利用FPGA實(shí)現(xiàn)視頻圖像處理提供了極大便利。

3)基于FPGA與NiosII軟核的SOPC系統(tǒng)面向特定用戶的而設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高度集成化，不但能滿足嵌入式系統(tǒng)要求，而且可以最大程度上減少板卡失效的可能性、改善板卡性能、降低風(fēng)冷要求、減少系統(tǒng)開發(fā)成本、增加產(chǎn)品一次性合格率、降低功耗以及減少印制板上部件數(shù)目和管腳數(shù)。

2 智能家居系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文所介紹的SOPC技術(shù)硬件平臺(tái)選用Altera公司的 Cyclone II EP2C35系列芯片，外部擴(kuò)展SDRAM、FLASH、各種輸入/輸出電路以及以太網(wǎng)接口芯片等組成。利用SOPC技術(shù)設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能家居控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)由嵌入式智能家居控制中心、接口電路和外圍模塊組成。將無線傳輸模塊嵌入于外圍模塊電路中。

其中，門禁系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)不需設(shè)置無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，因?yàn)樾枰到y(tǒng)直接參與圖像處理過程，為了保證數(shù)據(jù)的高速可靠傳輸，所以必須以有線的方式布線。

其他單元，因?yàn)閭鬏敂?shù)據(jù)量較小，且不需要很高速度，故可以采用Zigbee無線模塊采集傳感器數(shù)據(jù)。這些單元的控制對(duì)象主要有:空調(diào)、窗簾、電視、音響、照明、電熱水器、煤氣泄漏檢測(cè)與控制、消防檢測(cè)與控制等等。

無線傳輸網(wǎng)絡(luò)采用Helicomm公司推出的ZigBee開發(fā)工具和產(chǎn)品，包含符合802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz射頻組件、低功耗的8位微控制器、ZigBee網(wǎng)絡(luò)軟件和全波長(zhǎng)天線，每次接力通信都能在75m范圍內(nèi)提供250Kbps的速率，支持最新的RS232 mesh透明串行模式，能在網(wǎng)狀或多次跳接(multichip)無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)支持串行數(shù)據(jù)路由，速率最高可達(dá)38.4 Kbps。射頻部分使用 Freescale的 MC13191/13192/13193芯片，MCU使用的Freescale的Mc9S08GT60芯片。

采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將各傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的環(huán)境信息通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)匯聚至網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)，再通過I2C總線發(fā)送數(shù)據(jù)到智能家居系統(tǒng)中的控制中心?？刂浦行挠稍贏ltera公司EP2C35芯片中植入niosII軟核處理器，并移植uClinux操作系統(tǒng)構(gòu)成?？刂浦行膶?duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過家庭總線系統(tǒng)與各種電器設(shè)備進(jìn)行關(guān)聯(lián)操作，從而實(shí)現(xiàn)家庭環(huán)境的監(jiān)測(cè)與管理。

遠(yuǎn)程監(jiān)控采用Internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。當(dāng)系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)互聯(lián)網(wǎng)接口與遠(yuǎn)程控制終端相連，用戶可以在任何一臺(tái)聯(lián)網(wǎng)電腦上通過訪問自己家庭的控制中心地址。

由于系統(tǒng)利用互聯(lián)網(wǎng)來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和處理，具有更強(qiáng)大的功能性以及使用的方便性。

3 智能家居控制器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能家居控制器的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。系統(tǒng)主芯片采用 Altera公司的 CycloneⅡEP2C35 F672C8芯片，該款芯片有35000個(gè)邏輯單元、672個(gè)引腳，其中用戶可用I/O引腳475個(gè)。

在構(gòu)建系統(tǒng)模塊時(shí)，先定制各種自定制組件，再利用SOPC Builder組件編輯器將各自定制組件與NIosII處理器最小系統(tǒng)相連。完成系統(tǒng)的各模塊自制及系統(tǒng)搭建后，需要為各個(gè)模塊設(shè)定中斷號(hào)，讓CPU在運(yùn)行過程中判斷內(nèi)部和外部各種中斷的優(yōu)先級(jí)，其中系統(tǒng)定時(shí)器的中斷優(yōu)先級(jí)最高，然后各個(gè)模塊的中斷優(yōu)先級(jí)從高到低依次為JTAG模塊、外部按鈕輸入、EPCS配置芯片、DM9000A芯片。同時(shí)，需要將FLASH存儲(chǔ)器的基地址設(shè)為0x000000，以便使系統(tǒng)每次都能從FLASH中開始執(zhí)行指令。

圖2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

最后運(yùn)行SOPC Builder，即可生成系統(tǒng)PTF模塊，將該系統(tǒng)模塊放置于原理圖界面。并用Verilog HDL編寫外圍應(yīng)用模塊，通過QuartusⅡ軟件編譯整個(gè)FPGA設(shè)計(jì)項(xiàng)目，即生成應(yīng)用系統(tǒng)的整體硬件。

圖3 I2C總線數(shù)據(jù)讀取流程圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要完成以下任務(wù):網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能(即建立客戶端和本系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)連接);響應(yīng)以太網(wǎng)消息數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)電路控制。

選擇并移植 uClinux操作系統(tǒng)，添加 RTOS和LwIP這2個(gè)組件，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸與控制功能。

系統(tǒng)軟件Nios II IDE集成開發(fā)環(huán)境中用C語言編寫。主要包括底層驅(qū)動(dòng)程序和上層應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。底層程序包括硬件驅(qū)動(dòng)程序和基本的輸入輸出函數(shù)，用來供上層程序的調(diào)用。具體到本系統(tǒng)，底層程序主要有液晶屏的驅(qū)動(dòng)程序和通用PIO口的讀寫程序。上層應(yīng)用程序主要完成讀取串口數(shù)據(jù)并存入SDRAM、鍵盤識(shí)別和控制液晶屏對(duì)數(shù)值進(jìn)行顯示等功能。其中對(duì)I2C總線數(shù)據(jù)的讀取流程圖如圖3所示。

5 結(jié)語

本文提出了一種基于SOPC技術(shù)智能家居控制系統(tǒng)。該方案具有設(shè)計(jì)靈活、可裁剪性強(qiáng)、集成度高、保密性強(qiáng)、成本低廉、易于升級(jí)以及在視頻處理和遠(yuǎn)程監(jiān)控具有明顯優(yōu)勢(shì)等優(yōu)點(diǎn)，在不遠(yuǎn)的將來必將成為智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)中廣泛采用的設(shè)計(jì)方法。

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