基于ARM7的遠(yuǎn)程智能住宅控制裝置的研制

基于ARM7的遠(yuǎn)程智能住宅控制裝置的研制

摘要：隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展以及人們對(duì)生活要求的不斷提高，實(shí)現(xiàn)家庭智能的遠(yuǎn)程控制已經(jīng)成為必然的趨勢(shì)。本文采用嵌入式系統(tǒng)、GPRS通訊技術(shù)和RS485總線(xiàn)技術(shù)相結(jié)合的方式，研制了一種操作簡(jiǎn)單且成本較低的遠(yuǎn)程智能家電控制系統(tǒng)。通過(guò)該系統(tǒng)，可以將家中的電器、防盜系統(tǒng)、水電系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器和各個(gè)子系統(tǒng)的智能管理。同時(shí)能通過(guò)短信等方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。
關(guān)鍵詞：家庭控制裝置；ARM7；89C52

1 總體方案設(shè)計(jì)
　　如圖l所示。智能家電控制系統(tǒng)由家庭智能控制模塊、家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、以及GPRS模塊等幾部分構(gòu)成。

　　(1)家庭智能控制器：該部分是系統(tǒng)的核心。采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠自動(dòng)運(yùn)行、處理數(shù)據(jù)，通過(guò)RS485總線(xiàn)管理和控制家庭系統(tǒng)。并且控制器通過(guò)GPRS模塊，實(shí)現(xiàn)家庭系統(tǒng)與外部網(wǎng)絡(luò)的通訊，使用戶(hù)可以通過(guò)短信和互聯(lián)網(wǎng)等方式實(shí)現(xiàn)家庭系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，同時(shí)，控制器還通過(guò)鍵盤(pán)和顯示屏為用戶(hù)提供人機(jī)界面，方便用戶(hù)實(shí)現(xiàn)本地控制。
　　(2)家庭系統(tǒng)：家庭系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)組成若干小的控制系統(tǒng)控制各家用設(shè)備，并通過(guò)統(tǒng)一的控制總線(xiàn)將這些小的控制系統(tǒng)組成網(wǎng)絡(luò)，連接到家庭智能控制器，受家庭智能控制器控制。
　　家庭智能控制器系統(tǒng)的具體功能包括：
　　(1)家用設(shè)備的數(shù)據(jù)采集：采集家用設(shè)備包括室內(nèi)溫度、燈具家電、防盜門(mén)等設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)控制器處理后反饋給用戶(hù)。
　　(2)本地控制：用戶(hù)通過(guò)控制器上的鍵盤(pán)和顯示屏，對(duì)家用設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。
　　(3)遠(yuǎn)程控制：遠(yuǎn)程用戶(hù)可以通過(guò)發(fā)送手機(jī)短信或通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)家庭系統(tǒng)進(jìn)行控制和查詢(xún)。
　　(4)自動(dòng)報(bào)警：當(dāng)控制器檢測(cè)到非法闖入或溫度超高等報(bào)警信號(hào)時(shí)，及時(shí)觸發(fā)室內(nèi)報(bào)警裝置，并通過(guò)發(fā)送報(bào)警短信等方式及時(shí)通知用戶(hù)。
　　(5)溫度查詢(xún)：用戶(hù)可以通過(guò)控制器查詢(xún)室內(nèi)溫度。
　　(6)紅外家電控制：接收用戶(hù)命令，通過(guò)紅外發(fā)射電路控制電視、空調(diào)等紅外可控的家電設(shè)備。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　本文選用三星公司S3C4480芯片作為控制器的中心控制模塊，負(fù)責(zé)和GPRS通信模塊、家庭系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、鍵盤(pán)、顯示屏等模塊進(jìn)行通訊以及系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理。主要分為家庭智能控制器和家庭系統(tǒng)兩部分。
2．2 智能住宅家庭控制裝置的硬件設(shè)計(jì)
　　控制器的電路設(shè)計(jì)部分主要分為如下幾個(gè)模塊：
　　(1)ARM處理器S3C44B0的外圍電路模塊：包括電源管理、鍵盤(pán)、顯示屏以及SDRAM、Flash等數(shù)據(jù)及程序存儲(chǔ)設(shè)備。
　　(2)GPRS通信模塊及其外圍電路設(shè)計(jì)：GPRS模塊用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程用戶(hù)與控制終端的數(shù)據(jù)傳送，本文選用了西門(mén)子公司的MC35I模塊。其外圍電路設(shè)計(jì)主要完成了MC35模塊的供電部分，數(shù)據(jù)傳送、模塊啟動(dòng)和關(guān)閉及工作模式指示等部分的電路設(shè)計(jì)。
　　(3)串口擴(kuò)展：GPRS modem撥號(hào)上網(wǎng)需要處理器為其提供完整的9線(xiàn)串口，而S3C4480只提供了3線(xiàn)串口。因此本文通過(guò)外接雙通道的通用異步收發(fā)器ST16C2550擴(kuò)展了完整的9線(xiàn)串口擴(kuò)展。
　　(4)RS485轉(zhuǎn)換器：通過(guò)TI公司的RS485接口芯片75LBCl84，實(shí)現(xiàn)了S3C4480(單片機(jī))串行口的TTL電平與RS485電平之間的轉(zhuǎn)換，該芯片的輸入阻抗為RS485標(biāo)準(zhǔn)輸入阻抗的2倍(≥24kΩ)，故可以在總線(xiàn)上連接64個(gè)節(jié)點(diǎn)。
2．2．1 ARM處理器的外圍電路設(shè)計(jì)
2．2．1．1 開(kāi)發(fā)板資源的使用
　　開(kāi)發(fā)板提供了豐富的外部資源，下面對(duì)除了電源、時(shí)鐘源、復(fù)位電路等必要配置外，系統(tǒng)使用到的部分資源作簡(jiǎn)要介紹：
　　外部存儲(chǔ)器配置：2MB Flash、8MB SDRAM，為系統(tǒng)數(shù)據(jù)、程序和操作系統(tǒng)內(nèi)核的存儲(chǔ)和運(yùn)行提供存儲(chǔ)空間。
　　擴(kuò)展網(wǎng)口：10M網(wǎng)口，RTL8019AS，該部分用于從PC機(jī)上下載操作系統(tǒng)內(nèi)核和應(yīng)用程序。
??? LCD接口(帶LCD顯示屏)：320×240，STN，16級(jí)灰度，最大可接640×480256色。
??? 鍵盤(pán)：鍵盤(pán)和LCD接口用于為用戶(hù)提供本地控制的人機(jī)交互界面。
??? 串口：兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)RS232接口。用于和PC機(jī)連接，通過(guò)超級(jí)終端進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。
??? JTAG接口：利用JTAG仿真器可以通過(guò)JTAG邊界掃描口進(jìn)行在線(xiàn)仿真。目前JTAG有兩種標(biāo)準(zhǔn)，即14針接口和20針接口，開(kāi)發(fā)板采用的是標(biāo)準(zhǔn)14針JTAG接口，支持ARM7全系列處理器，支持STD，并口連接，支持網(wǎng)絡(luò)調(diào)試功能。

??? 蜂鳴器：作為室內(nèi)的報(bào)警信裝置。
2．2．1．2 系統(tǒng)存儲(chǔ)器的分配
??? S3C44B0支持?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)的大／小端選擇(通過(guò)外部引腳進(jìn)行選擇)；具有8個(gè)存儲(chǔ)體，每個(gè)存儲(chǔ)體可達(dá)32MB，總共可達(dá)256MB；對(duì)所有存儲(chǔ)體的訪問(wèn)大小均可以改變(8位／16位／32位)；8個(gè)存儲(chǔ)體中，Bank0～Bank5可以支持ROM、SDRAM；Bank6、Bank7可支持ROM、SRAM和SDRAM等；7個(gè)存儲(chǔ)體的起始地址固定，1個(gè)存儲(chǔ)體的起始地址可變。
??? 開(kāi)發(fā)板中Flash選用SST39VFl60，lM×16位，作為程序存儲(chǔ)器主要用于替代ROM，必要時(shí)也可以存儲(chǔ)部分重要數(shù)據(jù)。開(kāi)發(fā)板中SDRAM芯片選用HY57V641620，4M×16bit，存儲(chǔ)容量為8MB。用SDRAM當(dāng)作系統(tǒng)內(nèi)存。
2．2．2 GPRS模塊NC35及其外圍電路設(shè)計(jì)
2．2．2．1 MC35模塊
??? MC35是Siemens公司推出的新一代無(wú)線(xiàn)通信GPRs模塊，主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊(ASIC)、閃存、ZIF連接器、天線(xiàn)接口六部分組成。
2．2．2 MC35外圍電路設(shè)計(jì)
??? (1)MC35I電源電路
??? 模塊要求單一電源供電，提供3．3～4．8V的電壓(標(biāo)準(zhǔn)輸入為4．2v)、2A的電流。本文選用LM2576ADJ為模塊提供電源，該芯片為降壓式開(kāi)關(guān)電壓調(diào)整器，電壓的輸入范圍為：lO～40V，選用12V(通過(guò)220V轉(zhuǎn)12V變壓器得到)輸入，輸出為4．5V。供電部分電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

??? (2)啟動(dòng)和關(guān)機(jī)電路
??? 啟動(dòng)電路由開(kāi)漏極三極管和上電復(fù)位電路組成。本文用程控方式實(shí)現(xiàn)，其電路圖如圖3所示，其簡(jiǎn)化電路如圖4所示。
??? 第一種方式為手動(dòng)控制方式，電路如圖3所示，主要用于MC35I模塊的單獨(dú)調(diào)試，當(dāng)S1被按下時(shí)Q3基極為高電平，Q3導(dǎo)通，使IGT腳電壓被拉低，啟動(dòng)模塊。

??? 關(guān)機(jī)電路通過(guò)三極管給該腳一個(gè)大于3．5s的低電平，可以關(guān)閉GPRS模塊。電路圖設(shè)計(jì)與圖3類(lèi)似。
2．2．2．3 數(shù)據(jù)通信電路
??? 電氣特性方面MC35模塊的串口采用的是ITU—TV．24協(xié)議，和RS232電平并不兼容。因此需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。
??? 本系統(tǒng)中我們使用TI公司的MAX3238電平轉(zhuǎn)換芯片。數(shù)據(jù)通信電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

2．2．2．4 SlM卡電路
??? MC35I還提供了6個(gè)SIM卡電路接口，SIM卡讀卡器的電路連接圖如圖6所示：

2．2．3 串口擴(kuò)展模塊
??? 為了實(shí)現(xiàn)家庭智能控制器的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制，需要通過(guò)GPRS modem MC35實(shí)現(xiàn)撥號(hào)上網(wǎng)。本設(shè)計(jì)選用過(guò)AT公司的ST16C2550完成串口擴(kuò)展，ST16C2550與ARM處理器的電路連接圖如圖7所示。

??? 此外，ST16C2550的串口輸出為T(mén)TL電平，這里使用MAX3238將電平轉(zhuǎn)化為串口的RS232電平。
2．2．4 RS485接口電路
??? 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的家庭智能控制器，家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)布線(xiàn)采用RS485總線(xiàn)。由于ARM處理器44B0和單片機(jī)(文中選用的Atmel公司的AT89C52)都沒(méi)有提供現(xiàn)成的RS485總線(xiàn)接口，因此需要選擇轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)接口的轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)選用了TI公司生產(chǎn)的一種RS485接口芯片75LBC184。
2．2．4．1 RS485接口電路設(shè)計(jì)
??? 44B0和單片機(jī)的串口輸出都為T(mén)TL電平，因此44B0和單片機(jī)與75LBC184的連接電路一致，其電路圖如圖8所示。

2．3 家庭系統(tǒng)模塊
??? 家庭智能系統(tǒng)集家電控制、安全防范、娛樂(lè)休閑等多功能于一體。本文在家庭系統(tǒng)模塊實(shí)現(xiàn)了紅外家電控制、溫度報(bào)警模塊，每個(gè)模塊都由單片機(jī)作為控制器構(gòu)成，并通過(guò)單片機(jī)連接RS485總線(xiàn)組成家庭網(wǎng)絡(luò)，并最終受家庭智能控制器控制。
2．3．1 紅外家電控制模塊
??? 紅外家電控制模塊主要用于控制一些設(shè)備內(nèi)含有紅外接收芯片的家用電器。
2．3．1．1 紅外發(fā)射電路設(shè)計(jì)
??? 紅外發(fā)射電路中采用的紅外發(fā)射器件是塑封的TSAL6200紅外發(fā)射二極管，紅外脈沖串的寬度和間隔由單片機(jī)通過(guò)I／O口輸出的高低電平的時(shí)間間隔來(lái)控制，調(diào)制電路是74LS123的兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U2A和U2B級(jí)聯(lián)構(gòu)成的可控振蕩器。其電路圖如圖9所示。

2．3．1．2 紅外接收電路設(shè)計(jì)
紅外接收采用HS0038B紅外接收器，電路設(shè)計(jì)如圖10所示。

2．3．2 溫度報(bào)警器模塊
??? 溫度測(cè)試和報(bào)警裝置在家用設(shè)備中是非常必要的。很多家用設(shè)備可以通過(guò)智能控制器讀取溫度信號(hào)進(jìn)行自主調(diào)節(jié)，當(dāng)室內(nèi)發(fā)生火情等緊急情況，可以通過(guò)溫度測(cè)試及時(shí)地向用戶(hù)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，做出處理。
??? 溫度傳感器選擇Dallas公司的單線(xiàn)數(shù)字溫度傳感器芯片DS18B20。電路設(shè)計(jì)如圖ll所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
??? 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要的分為三個(gè)部分：家庭系統(tǒng)模塊的軟件設(shè)計(jì)、RS485通訊協(xié)議設(shè)計(jì)及家庭智能控制器與家庭系統(tǒng)通訊的軟件設(shè)計(jì)、家庭智能控制器的軟件設(shè)計(jì)。其中，家庭智能控制器的軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的核心，該部分的軟件設(shè)計(jì)以嵌入式u Clinux操作系統(tǒng)為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，負(fù)責(zé)家庭系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理，并且能夠和遠(yuǎn)程用戶(hù)通訊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，是實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭系統(tǒng)的智能化管理的關(guān)鍵。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖12所示。

4 結(jié)論
??? 利用本裝置可以控制住宅溫度等參數(shù)，滿(mǎn)足智能住宅規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)(溫度控制在18～28℃)；可以將家中的電器、防盜系統(tǒng)、水電系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器和各個(gè)子系統(tǒng)的智能管理。同時(shí)能通過(guò)短信等方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。