智能家居網關設計

劉偉

（重慶建工集團房地產開發(fā)有限公司，重慶 401122）

引言

隨著社會的不斷發(fā)展，科技的不斷進步，生活資料的積累，人類對生活質量的要求也在逐漸提高，便利、高效、舒適的居住環(huán)境無疑能為居民帶來更愉悅的生活享受，因此智能家居是未來家居行業(yè)的發(fā)展趨勢。智能家居指將家庭中的各種電子、電氣設備通過網絡連接起來，進而實現(xiàn)對這些設備和家庭環(huán)境的智能管理、遠程監(jiān)控和資源共享。另外，由于網絡技術、多媒體技術、嵌入式技術的快速發(fā)展，智能化、網絡化也已成為家居監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的主導因素。

1 整體方案

智能家居網關系統(tǒng)是指系統(tǒng)能夠通過以太網同各個智能節(jié)點進行通信，實現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)（溫濕度、一氧化碳濃度等）的遠程監(jiān)視，并能實現(xiàn)對遠程節(jié)點的相關控制。其主要特點在于功能實用、操作簡單、價格低廉、易于安裝。

本文設計的智能網關需要接收各個節(jié)點通過以太網傳送來的數(shù)據(jù)信息，同時能夠及時有效地對所接收的數(shù)據(jù)進行融合分析處理并實時顯示各個節(jié)點的信息。另外，智能網關的使用者可按需設置不同的報警閾值（溫度、濕度、CO濃度等），當設定的報警閾值小于節(jié)點處的實際測量值時，可對危險信息進行報警，同時通過以太網向智能節(jié)點發(fā)送相應的控制命令（如窗簾控制命令，空調控制命令等）。這就需要網關具有強大的數(shù)據(jù)處理及運算能力。此外，智能網關的功耗也是設計要考慮的主要問題。本文以設計所要實現(xiàn)的功能為出發(fā)點，選擇了基于高性能ARM處理器為核心控制器的系統(tǒng)方案，系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

此設計結構通常要求主控制芯片功能較強大，處理速度較快，硬件資源較豐富，通常需要以32位的CPU為核心控制器。設計可以通過在控制器上移植簡單的操作系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)功能，也可以不帶操作系統(tǒng)，采用簡單的程序結構實現(xiàn)功能。

該類方案的優(yōu)點:①主芯片功能較強大，運行速度較快，硬件電路結構較簡單，成本較低。②芯片廠商為芯片開發(fā)提供的底層的軟件庫，便于用戶進行二次開發(fā)。該類方案的不足:由于其主要功能由控制芯片的硬件實現(xiàn)，故功能可擴展性較差。

2 智能網關硬件的設計與實現(xiàn)

網關硬件設計框圖如圖2所示，主要由電源模塊、STM32最小系統(tǒng)模塊、串口轉以太網模塊、人機交互模塊（TFT-LCD模塊、按鍵及LED模塊）及串口模塊組成。

圖2 系統(tǒng)硬件結構圖

2.1 主控制器

智能家居系統(tǒng)對信息的實時性能要求相對不高，但當系統(tǒng)中的節(jié)點較多時，智能網關需處理的信息量較大，這就對控制器的數(shù)據(jù)運算能力提出了挑戰(zhàn)。該設計選用意法半導體公司的STM32F103RBT6作為核心控制器。該芯片基于專門用于高性能、低功耗、低成本、實時性嵌入式應用系統(tǒng)的ARM CortexTM-M3內核，處理器速度最高可達72Mbit/s。內部資源豐富，提供了多個USART、I2C、SPI接口并整合了全速USB、CAN接口。內置高速存儲器（高達128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM）。 STM32有豐 富的I/O口資源 :GPIOA、GPIOB、GPIOC各有16個，GPIOD有3個、擁有2個12位的ADC、一個實時時鐘RTC，此外還有3個通用16位定時器和一個PWM定時器。該芯片足以完成智能家居系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與控制。作為智能家居系統(tǒng)的核心控制器，它具有功耗小，性價比高，可靠性好的優(yōu)點。

2.2 顯示屏TFT-LCD

在智能家居網關系統(tǒng)中，良好的人機交互界面保證了用戶擁有更加舒適的視覺感并提高了智能網關的可操作性。本系統(tǒng)采用帶觸摸屏的TFT-LCD作為人機交互介質。TFT-LCD英文全稱為:Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display。即薄膜晶體管液晶顯示器。它由熒光管、導光板、偏光板、濾光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄膜式晶體管等構成。TFTLCD與無源TN-LCD、STN-LCD的簡單矩陣不同，它在液晶顯示屏的每一個像素上都設有一個薄膜晶體管（TFT），能夠有效地克服非選通時的像素串擾，使顯示液晶屏的靜態(tài)特性與掃描線數(shù)無關，大大提高了圖像顯示的質量。TFT-LCD也被叫做真彩液晶顯示器。TFTLCD模塊有如下特點:

(1)2.4/2.8兩種大小的屏幕可選。

(2)320×240的分辨率。

(3)16位真彩顯示。

(4)自帶觸摸屏，可以用來作為控制輸入。

在智能家居網關系統(tǒng)設計中，使用了2.8寸的TFTLCD模塊，該模塊采用的是顯尚光電的DST2001PH TFTLCD，DST2001PH的控制器為ILI9320，采用26萬色的TFTLCD屏，分辨率為320×240，采用16位的80并口。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸單元

本文所設計的智能家居系統(tǒng)是基于以太網進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)模蕴W與控制器之間的數(shù)據(jù)交換是通過串口通信實現(xiàn)的，而串口與以太網之間的數(shù)據(jù)通信，必須經過相關的電路，對控制器的TTL電平進行轉換。本設計選用AX88796B作為以太網控制芯片，AX88796B是一款針對嵌入式及工業(yè)以太網絡應用的低接腳數(shù)（LQFP-64）以太網絡控制芯片，支持全雙工及半雙工模式和10/100Mbps N-Way自動協(xié)商機制，在全雙工模式下支持IEEE 802.3x流量控制，在半雙工模式下支持Backpressure流量控制。數(shù)據(jù)傳輸單元的電路如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸單元電路框圖

3 軟件的設計與實現(xiàn)

智能網關一方面需要實時接收各個節(jié)點通過以太網傳來的數(shù)據(jù)，并通過ARM處理器對接收來的數(shù)據(jù)進行相應的處理，同時將處理結果顯示在TFT上，使使用者能夠較為直觀地得到監(jiān)測點相關的環(huán)境值；另一方面，網關將處理后的數(shù)據(jù)與設定的報警值經行比較，判斷是否需要發(fā)送報警信號（屏幕閃爍顯示報警字樣）；此外，用戶可以通過觸摸屏設定驅動電機的PWM值，并通過以太網傳輸至相應的節(jié)點，控制節(jié)點處執(zhí)行機構執(zhí)行任務的速度。同時智能網關能夠設定并實時顯示系統(tǒng)時間。

智能網關軟件設計主要包括:TFT-LCD的初始化及顯示，實時時鐘RTC初始化及顯示、數(shù)據(jù)偵聽及處理等等。系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

4 測試驗證

網關的測試主要分以下幾個方面:報警值的設定，時間的設定，網關通過以太網與其它終端設備通信。

（1）報警值設定。首先連接好硬件設備，給系統(tǒng)上電，顯示系統(tǒng)主界面，通過界面切換鍵，進入“報警值設定”界面。設定值及報警效果如圖5所示。

（2）時間設定。通過界面切換鍵進入 “時間設定界面”，設定完成后點擊“確定”按鈕，系統(tǒng)時間更改，對比圖6左右結果可知，設定有效。結果如圖6所示。

（3）網關通過以太網與其它終端通信。將智能網關通過網線連接至路由器，同樣電腦也通過網線連接至路由器，在電腦上運行TCP調試助手及串口調試助手，智能網關可以向電腦發(fā)送數(shù)據(jù)包 （網關通過以太網向PC機終端發(fā)送的數(shù)據(jù)包為 [0507040155 AA A5]）， 通過圖7所示TCP調試助手可以看到智能網關發(fā)送的數(shù)據(jù)包[0507040155 AA A5]。PC機同樣可以通過以太網向智能網關發(fā)送數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)包格式為[A5075555555555]），智能網關利用串口將從以太網接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到串口調試助手顯示，結果如圖8所示。測試結果表明，智能網關可以通過以太網同PC機進行良好的通信。

圖5 報警值設定圖

圖6 時間設定效果圖

圖7 TCP調試助手收發(fā)數(shù)據(jù)圖

5 結論

該系統(tǒng)經過長時間測試，各裝置工作正常，可以進行現(xiàn)場安裝運行。通過該系統(tǒng)的運行，可以方便地實現(xiàn)各個節(jié)點安置點的環(huán)境值，對改善居民生活質量，提高居民住宅環(huán)境的安全等級有較高的使用價值。

該項目所設計的智能家居系統(tǒng)，最多可接入的節(jié)點數(shù)目多達256個，加之當前以太網技術發(fā)展日趨成熟，網線的布置密集度高，通信可靠，故該項目除可應用于家庭環(huán)境監(jiān)控外，也可擴展應用于居民小區(qū)，對整個居民小區(qū)的環(huán)境進行實時集中監(jiān)測，提高居民區(qū)的安全等級。

人們對生活質量及安全性的重視程度越來越高，為提高系統(tǒng)的可靠性以及為該產品的大范圍推廣使用打下了堅實的基礎。未來對該系統(tǒng)的設計與完善主要須進行以下工作:

（1）居民小區(qū)環(huán)境復雜，有強電設備，可能會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性產生影響。另外，雷雨天氣等惡劣環(huán)境可能也會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性產生一定的影響。因此，還需要大量的實驗驗證該系統(tǒng)在此環(huán)境下的可靠性與穩(wěn)定性。

（2）支持更多協(xié)議。目前智能家居系統(tǒng)是基于UDP傳輸協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的通用性，在未來的工作中將分別實現(xiàn)支持TCP/IP、APR、ICMP和DHCP PPPOE等多協(xié)議進行通信。

圖8 串口調試助手接收數(shù)據(jù)圖

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