智能家居的主控系統(tǒng)與分控系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)

呂梓豪 劉鐘 崔旭晶

摘 要：針對(duì)智能家居的主控系統(tǒng)和分控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)其有線和無線通信。有線通信應(yīng)用I2C、SPI總線技術(shù)，使用Verilog HDL語言編程，功能時(shí)序仿真，最終下載到FPGA芯片上，完成硬件實(shí)物可行性測試;無線通信選用CC2530通信芯片，基于ZigBee協(xié)議，C語言編程，并下載到硬件實(shí)物進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行快速穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)高效，能夠較好地應(yīng)對(duì)普通戶型智能家居的通信需求。

關(guān)鍵詞：智能家居;通信;FPGA;I2C;SPI;CC2530

中圖分類號(hào)：TN913，TN92文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）03-00-02

0 引 言

智能家居是以家庭住宅為平臺(tái)，利用自動(dòng)化技術(shù)、視覺識(shí)別技術(shù)、綜合布局技術(shù)、音視頻技術(shù)等最新物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)綜合應(yīng)用于家居生活。目前，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，家居產(chǎn)業(yè)正向著智能化和方便化方向發(fā)展，智能家居作為新興行業(yè)與傳統(tǒng)行業(yè)的結(jié)合，具有廣闊的市場前景和創(chuàng)新空間[1]。家居智能化的大趨勢(shì)是使用手機(jī)APP遠(yuǎn)程監(jiān)控家居，而監(jiān)控的重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)家居之間的互聯(lián)通信。

基于目前智能家居通信功率、通信距離及普通住宅房型的要求，短距離通信可使用有線通信技術(shù);對(duì)于空間距離較遠(yuǎn)，考慮到不易布線及信號(hào)衰減等問題，可使用通信無線技術(shù)，這樣能夠應(yīng)對(duì)大多數(shù)普通戶型家庭的需求，從而實(shí)現(xiàn)智能家居之間不同距離、不同通信要求的各終端設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信[2-3]。

本文智能家居的主控系統(tǒng)為FPGA可編程芯片，分控系統(tǒng)由各FPGA芯片及單片機(jī)構(gòu)成，因此需要實(shí)現(xiàn)主控系統(tǒng)FPGA芯片與分控系統(tǒng)各FPGA芯片及單片機(jī)之間的通信，包括有線和無線通信。有線通信使用Verilog HDL語言、I2C和SPI總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)[4-5]，無線通信使用C語言和CC2530芯片及ZigBee通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)[6]。

1 通信功能實(shí)現(xiàn)原理

1.1 I2C總線

I2C協(xié)議使用雙線輸入輸出，其中一根為時(shí)鐘傳輸線，另一根為數(shù)據(jù)傳輸線。晶振輸入初始50 MHz時(shí)鐘信號(hào)，并在狀態(tài)機(jī)模塊中加入對(duì)于分頻寄存器的判斷，以確定分頻后時(shí)鐘信號(hào)所在位置。實(shí)現(xiàn)發(fā)送和讀取功能的主要模塊為狀態(tài)跳轉(zhuǎn)模塊和執(zhí)行模塊，狀態(tài)跳轉(zhuǎn)模塊即在現(xiàn)在狀態(tài)下，達(dá)到滿足跳轉(zhuǎn)到下一狀態(tài)的條件后，自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到下一狀態(tài)，執(zhí)行模塊是在當(dāng)前狀態(tài)下，通過工作時(shí)鐘的觸發(fā)執(zhí)行相應(yīng)功能，通過對(duì)狀態(tài)機(jī)模塊編程可完成從最初單字節(jié)發(fā)送、接收等更多功能。

1.2 SPI總線

SPI使用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸入輸出口。由標(biāo)準(zhǔn)晶振產(chǎn)生50 MHz時(shí)鐘，經(jīng)過分頻模塊分頻后得到相應(yīng)的通信時(shí)鐘;具有四種工作模式，而實(shí)現(xiàn)這四種工作模式主要依靠不同狀態(tài)下的時(shí)鐘系統(tǒng)，根據(jù)SPI協(xié)議的相關(guān)規(guī)定，本設(shè)計(jì)采用多路時(shí)鐘的工作方式，從最初50 MHz晶振時(shí)鐘輸入到FPGA中，經(jīng)過分頻變?yōu)?0 kHz工作時(shí)鐘，經(jīng)由一個(gè)初始時(shí)鐘觸發(fā)，記錄當(dāng)前時(shí)鐘下分頻時(shí)鐘電平與上一個(gè)時(shí)鐘下分頻時(shí)鐘電平，再將其進(jìn)行相應(yīng)邏輯運(yùn)算，即可獲得分頻后時(shí)鐘上升沿和下降沿信號(hào)，并輸出到上升沿下降沿脈沖模塊，再根據(jù)外部CPOL與CPHA決定，通過二選一模塊，最終成為發(fā)送模塊與接受模塊的觸發(fā)條件。

1.3 CC2530芯片

CC2530以眾多而全面封裝函數(shù)和簡化易懂規(guī)范，使無線通信開發(fā)者從繁雜開發(fā)背景中解放出來。本設(shè)計(jì)使用片上自帶的串口UART，從上位機(jī)接受字符串，并載入無線發(fā)送緩存中，同時(shí)分配好數(shù)據(jù)發(fā)送的去向，分配相應(yīng)的PANID，以方便數(shù)據(jù)接收端與發(fā)送端之間數(shù)據(jù)校驗(yàn)。串口接收到數(shù)據(jù)后，經(jīng)過無線通信將其帶著的地址信息發(fā)出，而無線通信主要通過ZigBee協(xié)議實(shí)現(xiàn)。ZigBee 使用的路由協(xié)議是基于AODV（Ad-Hoc 按需距離矢量）路由協(xié)議的Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)。

2 TI 2530 8051核心主函數(shù)

下面的函數(shù)是串口接收發(fā)送函數(shù)，首先要求接收的字符串長度要小于CC2530所能接收的長度，此后才開始進(jìn)行接收，接收碼率固定為115 200 b/s（其規(guī)定于初始化中），剩下的功能為異常判斷，若出現(xiàn)異常則返回?cái)?shù)據(jù)長度為0，接收失敗，返回未接收狀態(tài)，等待下一次接收[6]。

void rxCB（uint8 port，uint8 event）

{

if （（event & （HAL_UART_RX_FULL | HAL_UART_RX_ABOUT_FULL | HAL_UART_RX_TIMEOUT）） &&

#if SERIAL_APP_LOOPBACK

（SerialApp_TxLen < SERIAL_APP_TX_MAX））

#else

！SerialApp_TxLen）

#endif

{

SerialApp_TxLen = HalUARTRead（0， RxBuf， SERIAL_APP_TX_MAX）;

if （SerialApp_TxLen）

{

if （ AF_DataRequest（ &SampleApp_Periodic_DstAddr， &SampleApp_epDesc，

SAMPLEAPP_PERIODIC_CLUSTERID，

SerialApp_TxLen，

RxBuf，

&SampleApp_TransID，

AF_DISCV_ROUTE，

AF_DEFAULT_RADIUS ） == afStatus_SUCCESS {}

else

{// Error occurred in request to send. }

SerialApp_TxLen=0;

}

}}

3 仿真及實(shí)物下載驗(yàn)證

對(duì)于有線通信部分，首先對(duì)I2C和SPI做功能時(shí)序仿真，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性和可行性，然后將實(shí)物下板驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)其具體功能。仿真部分使用Verilog HDL語言編程和模塊設(shè)計(jì)，ModelSim軟件做功能時(shí)序仿真。I2C主要仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。在I2C發(fā)送寄存器地址之后進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，從狀態(tài)跳變到0100中可以看出，sda_r在每個(gè)iic_scl時(shí)鐘的上升沿，隨著slv_reg2依bcnt的位數(shù)而確定的數(shù)據(jù)位改變，即除了第3位為高電平，其余均為低電平，外部讀取結(jié)果為00110011，符合slv_reg2中的數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)驗(yàn)證通過[7-8]。

從圖4可以看出，每個(gè)時(shí)鐘升沿之后，當(dāng)數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定的高電平中心時(shí)，iic_rddb在由bcnt確定的相關(guān)位被寫入iic_sda_in的數(shù)據(jù)位，所有位的時(shí)序均符合要求，接收數(shù)據(jù)驗(yàn)證通過。

SPI主要仿真結(jié)果如圖5所示。其仿真過程實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)完整時(shí)序收發(fā)功能，其中包含了整體收發(fā)功能，包括起始、發(fā)送、讀取采樣、終止及兩個(gè)工作時(shí)序中的外部信號(hào)觸發(fā)的采樣時(shí)序改變和采樣觸發(fā)時(shí)鐘的改變[9]。

實(shí)物下載驗(yàn)證部分，以Quartus Prime軟件作為開發(fā)平臺(tái)，在完成模塊程序調(diào)試和仿真之后，將生成的目標(biāo)文件下載到Altera公司的FPGA芯片中，實(shí)現(xiàn)I2C和SPI協(xié)議的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收功能，最終完成硬件實(shí)物的運(yùn)行與驗(yàn)證，如圖6所示，左側(cè)為I2C，右側(cè)為SPI[10]。

對(duì)于無線通信部分，選用TI公司CC2530芯片，基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee協(xié)議，使用IAR Work Bench軟件進(jìn)行開發(fā)與調(diào)試，最終下載到硬件實(shí)物板中進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)無線通信功能如圖7所示。

4 結(jié) 語

本設(shè)計(jì)中，有線和無線通信均通過軟件編程、仿真、測試和實(shí)物下載驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的基本功能，完成了數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，實(shí)現(xiàn)了智能家居主控系統(tǒng)與分控系統(tǒng)之間的通信聯(lián)系。設(shè)計(jì)中高效利用FPGA設(shè)計(jì)方法的多變性和可編程等優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)的I2C和SPI協(xié)議，具有高效、小型和專用的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)中CC2530通信模塊，可單獨(dú)作為模塊直接使用，亦可移植到大型通信系統(tǒng)中。

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