無線智能家居室內終端的設計與實現

童世華

（重慶電子工程職業學院 計算機應用系，重慶 401331）

隨著信息技術的發展，人們對生活質量的要求不斷提高，不僅僅滿足于在家庭內部實現網絡化、自動化，而且希望能夠在千里之外就可以對所有家庭網絡上的電氣設備和環境進行監測和控制，遠程監控技術已經成為智能家居發展的一個重要環節[1]。

藍牙技術作為無線傳輸技術的代表，是一種支持設備短距離通信的無線技術[2-3]。藍牙工作在2.4 GHz頻段（工業、科學和醫療頻段），采用了藍牙技術[4]的設備將能夠提供高達720 kbit/s的數據交換速率。由于藍牙技術的優點，使得藍牙的用途很廣泛，基本上各個領域都有涉及，就個人生活方面有居家、工作和娛樂。

1 智能家居系統的總體設計

系統總體的設計思路是結合Internet技術和自動控制技術，開發一套基于嵌入式Linux的智能家居系統[5]，即要實現獨立的嵌入式智能終端設備及其與Internet的直接接入，從而可以在遠程對家庭環境進行實時監測，并可對智能家電進行控制[6]；在嵌入式智能設備終端上要完成可視對講、訪客留影并存儲圖片、安防報警以及智能家電的控制等功能。主機還可以通過藍牙將家庭環境信息傳送給帶有藍牙的手持設備，如通過窗磁、門磁可以知道是否有陌生人闖入家中，通過煙霧傳感器可以知道家中是否有火災發生，通過溫濕度可以實時了解家中的溫度，室內終端都可以將這些信息傳送給藍牙手持設備實時顯示。

智能家居網絡的拓撲結構如圖1所示。

圖1 智能家居網絡拓撲圖

2 智能家居室內終端功能需求分析

智能家居室內終端功能需求包括以下4個方面：

1）可視對講功能，通過網絡接收門口機或是網絡攝像頭采集到的視頻信息，實現對來訪者或是環境的監控。

2）家居安防功能，包括窗磁門磁報警、紅外報警、有毒有害氣體報警和煙霧報警等。

3）家電控制功能，通過紅外家電控制器將所有紅外控制家電設備集合在一起，紅外控制器將家電信息傳遞給智能家居室內終端，通過一個終端實現對所有家電的控制，也可實現遠程控制。

4）生活資訊功能，智能家居室內終端通過互聯網連接物管中心或設備運營商，實時發布生活資訊信息。

3 室內終端的硬件設計

室內終端硬件由微控制器ARM9 GM8120、SDRAM、Flash、LCD顯示器、藍牙通信模塊、以太網接口、音視頻模塊和JTAG下載電路組成，具體硬件框圖如圖2所示。

圖2 室內終端硬件框圖

微處理器采用的是臺灣升邁科技股份有限公司CPU芯片，具體型號為GM8120SF，此CPU采用FA526內核。FA526是32位的RISC體系結構，并且指令系統和ARM V4（ARM9）架構完成兼容，通過AMBA AHB接口和外部設備進行通信。該微處理器CPU內部含有豐富的片內資源，具體包括8 kbyte的i-cache和d-cache、通用I/O接口、調試接口JTAG、通用異步收發器UART、串行的I2C和I2S接口，在設計中，只需要連接少量的外圍硬件就可以實現微處理器豐富的功能。這不僅降低了后期的開發難度，同時，也減少了硬件體積，方便集成度比較高、便攜式的產品開發，這也是選擇這款處理器的考慮因素之一。由于篇幅的限制，在這里主要對音視頻電路模塊和UART Zigbee模塊做具體闡述，其余電路模塊不在這里一一詳述。

3.1 音視頻電路模塊

音頻模塊電路主要用來采集聲音和播放聲音。GM8120含有I2S接口，可以方便地接目前主流的音頻解碼器，本系統使用PHILIPS公司的UDA1345芯片。UDA1345在一塊芯片上同時具有ADC和DAC的功能，并且功耗極低，工作所需要的電壓僅為3.3 V，非常適合低功耗的要求。UDA1345支持I2S總線的數據格式，可以方便地跟CPU進行連接，電路簡單。具體電路連接如圖3所示。

圖3 音頻編解碼電路

從圖3可以看出UDA1345的主要信號有VINL，VINR，BCK，WS，DATAO，DATAI，VOUTR和VOUTL等。VINL和VINR為左右聲道模擬信號的輸入端；BCK，WS，DATAO和DATAI作為I2S總線的時鐘信號和數據通道；BCK是同步時鐘信號線；WS為左右聲道選擇線，WS為0表示選擇左聲道，WS為1表示選擇右聲道；DATAI和DATAO為數據通道，分別作為數據輸入通道和數據輸出通道。

GM8120留有數字視頻輸入接口，對于輸出CCIR656/601的CCD/CMOS照相模塊，可以直接與GM8120連接，不用其他處理；對于輸出復合視頻或者S-video的CCD/CMOS照相模塊，需要1個外部的視頻解碼芯片，本方案使用了Philips的SAA7113芯片。圖4所示為視頻模塊電路。

如圖4所示，SAA7113的1、43、7和4號引腳為4路視頻信號的輸入端，根據需要只用到了其中1個管腳，但是為了以后的擴展方便把其他的3個引腳也留了出來。8位VPO數字信號IPD0～IPD7分別與CPU的V_DI0～V_DI7相連。23和24號引腳分別作為I2C總線的數據線和時鐘線與CPU的I2C接口連接，I2C總線作為控制總線，CPU可以通過I2C總線來讀寫SAA7113的相關寄存器[7]。

3.2 藍牙模塊電路

在藍牙的硬件電路設計方面，采用了南京國春電氣設備有限公司生產的GC-01藍牙模塊來直接通過UART串口和CPU鏈接[8]。GC-01藍牙模塊設計采用了CSR公司的AUDIO-FLASH藍牙芯片，附加Atmel公司T7024藍牙專用前段芯片，擴展成標準的1級藍牙模塊，通訊距離達到100 m，電路接口有USB口、RS-232串行口（TTL電平）、Audio模擬語音接口（SPK，MIC）、SPI編程口、2路AIO模擬量接口、7路數字PIO接口。并且每只模塊出廠時，都載入了標準HCI（1208版），并且通過各項檢測。如圖5所示，在本次設計中只使用到了UART串行口，其他的功能引腳沒有用到。UART串行口由UART_TXD、UART_RXD、UART_CTS、UART_RTS組成，CTS和RTS是用于串行數據的硬件流控制，不用時要進行懸空處理，在這里沒有采用。RESET引腳在不用的時候接2 kΩ的電阻進行拉地處理。LED發光二極管用來顯示藍牙模塊的通信狀態。

圖4 視頻模塊電路圖

圖5 藍牙模塊硬件電路圖

4 室內終端的軟件設計

GM8120是ARM9+DSP的雙核處理器架構，內部集成了MPEG-4的編解碼模塊。對于輸出復合視頻或者S-video的CCD/CMOS照相模塊，需要一個外部的視頻解碼芯片，本設計中采用了SAA7113作為視頻解碼芯片。CPU上電后首先初始化DSP和I2C接口，使其能夠正常工作。通過寫I2C總線配置SAA7113的相關寄存器，使SAA7113處于查詢狀態，看是否有視頻信號輸入。然后SAA7113會在內部對所采集的視頻信號進行自動編碼，為8位VPO總線，為標準的ITU 656、YUV 4∶2∶2格式。DSP在收到8位的VPO信號后，對其進行MPEG-4格式的編碼，將編解碼的信息放到視頻緩沖區中。判斷緩沖區是否已滿，如果已滿則將視頻信息通過以太網發送到網絡上的目標地址。整個程序流程如圖6所示。

圖6 視頻采集與編解碼流程圖

5 小結

依據對智能家居室內終端的發展要求，設計了無線終端的實現方案。采用了ARM9處理器GM8120為核心，利用其內部自帶的MPEG-4的編解碼器，實現對視頻信號的MPEG-4編解碼，能夠使圖像更加清晰，系統運行更加流暢，并且還極大地減輕了CPU的運行負擔。另外還采用了低功耗的藍牙模塊CG-01通過串口與CPU連接，通過藍牙模塊室內終端可以將家庭環境信息傳輸給帶有藍牙的移動設備上顯示。測試表明，系統簡易可行，成本低，有較好的推廣性和實用性。

[1]Bluetooth SIG—2001，Specification volume 1.specification of the bluetooth system core[S].2001.

[2]李磊，王安義，張瑞先.基于移動終端的藍牙技術方案的實現[J].通信技術，2007，40（11）：177-178.

[3]陳良銀，李志蜀，劉軼，等.智能家居系統的設計與實現[J].新疆電學學報：自然科學版，2005，22（1）：108-111.

[4]解放.藍牙技術、接口技術和壓縮技術的綜述[J].電聲技術，2003，27（1）：54-55.

[5]金純.Zigbee與藍牙的分析與比較[J].信息技術與標準化，2004（6）：17-20.

[6]張燕紅.藍牙技術在智能家居中的應用[D].北京：北京工業大學，2005.

[7]李靜，耿衛東，趙東，等.HCI協議在嵌入式藍牙系統中的應用[J].半導體技術，2002（8）：10-13.

[8]鄒靜嫻，昌慶江，紀志成.基于藍牙技術的MPEG-4視頻流傳輸性能分析[J].電視技術，2005，29（S1）：103-105.