智能家居基于Cortex- M3/M0的感知與控制子網設計

何錚，周娜

（1.海南政法職業(yè)學院，海口570203；2.海口經濟學院）

引 言

在感知/測控網中，按媒體連接型式則有RS-485總線網、CAN總線網、ZigBee總線網、WiFi總線網等。

圖1 物聯網智能家居系統

在真正的物聯網智能家居系統中，不應當再按功能劃分為各個獨立的抄表網、環(huán)境網、電控網、安防網等，而只是按傳輸接口形式和信息流的走向，融合為感知/控制子網。對于具有多主競爭總線接口的模塊（如CAN、ZigBee等），融合為感知/控制子網；而對眾多僅具單主總線的RS-485模塊，則按信息流的流向，融合成循環(huán)檢測的感知子網和點控的控制子網。NXP Cortex-M3/M0系列ARM微處理器的優(yōu)異性能，低廉的價格為這樣的設計開發(fā)提供了良好的條件。

1 系統體系結構

物聯網智能家居系統如圖1所示，它實際上是一個分布式測控系統。

它的上層管理網是以太網，用于在廣闊的互聯網范圍內信息共享，其上連接有各種管理、存儲及遠程控制設備。

它的下層，不再以功能（環(huán)境、抄表、安防、電控等）切割分塊，而是按信息流走向整合形成感知/控制網。感知網以多主或輪詢的方式向上傳送信息，而控制網則可采用一主多從方式向下傳送控制命令。

連接上、下層的是多個嵌入式通信服務器。通信服務器是智能家居中的核心模塊，它在整個智能家居系統中不僅起到了上下信息傳遞的作用，而且進行數據融合、分類以及安全管理，是感知網的管理主機。

2 嵌入式通信服務器

嵌入式通信服務器是智能家居中的核心模塊，選用的是NXP公司Cortex-M3系列中的LPC1768處理器。LPC1768處理器是一個低功耗，具有強大功能的32位ARM芯片。

LPC1768單片機內部包含有一個功能齊全的10/100 Mbps以太網RMII接口控制器，它可以通過RMII接口（通常簡化為媒體獨立接口MII）外接一個物理接口收發(fā)器（PHY），再接上網絡變壓器和RJ-45接口，就組成了一個完整的以太網通信接口，如圖2所示。

圖2 以太網接口電路

PHY芯片選用美國國家半導體公司的DP83848，這是10/100 Mbps單路物理層器件功能，用于為LPC1768芯片提供物理層接口。

以太網MAC，通過RMII接口與片外PHY相連。如圖2所示，LPC1768的以太網模塊使用RMII（簡化MII的媒體獨立接口）來連接外部PHY芯片（DP83848）。其中有8根RMII的串行數據總線，還有2根MIIM（媒體獨立接口管理）接口管理控制線，從而實現與片外以太網PHY之間的連接。DP83848的復位信號可以共用LPC1768的復位信號。

以太網RMII的引腳信號如下：

①ENET＿TX＿EN為輸出發(fā)送數據使能；

②ENET＿TXD[1：0]為輸出發(fā)送數據，2位；

③ENET＿RXD[1：0]為輸入接收數據，2位；

④ENET＿RX＿ER為輸入接收錯誤；

⑤ENET＿CRS為輸入載波偵聽/數據有效；

⑥ENET＿REF＿CLK/ENET＿RX＿CLK為輸入參考時鐘用于外部PHY的媒體獨立接口管理（MIIM）的信號；

⑦ENET＿MDC為輸出MIIM時鐘；

⑧ENET＿MDIO為輸入/輸出MI數據輸入和輸出。

DB83848通過TD＋、TD-、RD＋、RD-經隔離變壓器、RJ-45口輸出，L-、R-驅動LED，指示輸入、輸出狀態(tài)。

3 CAN接口及CAN感知網

在智能家居中采用CAN感知/控制子網，這里面有CAN-以太網關、CAN路由器、CAN感知/控制模塊。由于CAN-以太網關和CAN路由器需要以太網控制器（MAC）和2個CAN控制器，所以CAN-以太網關、CAN路由器均由Cortex-M3的LPC1768來承擔，而CAN感知/控制模塊則由Cortex-M0的LPC11C12/24來承擔。

3.1 CAN-以太網關、CAN路由器

如圖3所示，LPC1768內部集成有CAN控制器，外接CAN收發(fā)器就構成了嵌入式通信服務器的CAN通信接口，所以能很方便地構成以太-CAN網關。又由于LPC1768內部集成有2個CAN控制器，因而它支持2個CAN子網，能很方便地構成CAN路由器。

圖3 LPC1768的CAN控制器

LPC1768的CAN控制器支持控制局域網（CAN），提供了一個完整的CAN協議（遵循CAN規(guī)范V2.0B）實現方案，因而它能很方便地兼容/混用過去的SJA1000 CAN系統。

3.2 CAN總線感知/控制模塊

CAN感知/控制模塊均選用基于Cortex-M0的LPC11C14/24。LPC11C14內部集成有一個CAN控制器，而LPC11C24是在LPC11C14的基礎上集成了一個CAN收發(fā)器TJF1051。采用LPC11C14/24比過去采用51單片機＋TJF1050＋SJA1000方式，不僅性能大大提高，而且占用PCB板面積大大減小，芯片材料成本減少了40%。

新舊系統混用最好都采用同樣的CAN收發(fā)器。由于原CAN系統中CAN收發(fā)器芯片采用的是TJF1050，而TJF1051是與TJF1050高度兼容，因而以LPC11C14/24構成的CAN模塊和采用51單片機＋TJF1050＋SJA1000的CAN模塊高度兼容/混用。

4 RS-485接口及RS-485感知網

在原智能家居系統中有不少的感知網采用RS-485總線，而且采用的是80C51系列的9位多機通信方式。在新系統中選用Cortex-M0/M3后，也完全可兼容/混用原系統。LPC11C14的CAN接口如圖4所示。

圖4 LPC11C14的CAN接口

4.1 LPC812M101FDH20的感知/控制網從機模塊

LPC812M101FDH20是NXP Cortex-M0系列中的20引腳廉價芯片，它有16K閃存、4K SRAM和3個串口。如圖5所示，LPC812M101FDH20通過開關矩陣分配引腳充當 U0/U2/U3＿TXD、U1/U2/U3＿RXD、U1/U2/U3＿RTS，連接MAX485即構成了RS-485通信接口。在軟件中，通過CFG配置寄存器的第3、2位設置成10（9位通信模式），這就成了兼容于MCS-51的多機通信方式（即可進行軟件地址檢測和收發(fā)器方向控制的RS-485通信）。

圖5 LPC812M101FDH20的RS-485接口

由于LPC800系列微處理器串口的9位通信方式中的第9位僅能進行奇偶校驗設置，不能人為設置1/0（地址/數據），所以它只能在RS-485感知/控制網中充當從機。

在充當從機使用中，先要將USART CTRL寄存器第2位（ADDRDET使能地址檢測模式）設置為1，這時僅對主機發(fā)來的地址數據，產生一個接收數據中斷。軟件隨后便檢查接收地址數據，判斷是否是本機地址。如果是，則軟件會清零ADDRDET位，所有后續(xù)輸入數據均會被正常接收處理。在一次輪詢應答響應完后，再將USART CTRL寄存器第2位（ADDRDET使能地址檢測模式）設置為1，等待下次輪詢本機。

LPC800的串口由于在設置波特率時，還可使用小數分頻器，使其在各種晶振下均能獲得精準波特率；同時，它采用3次采樣接收，接收數據是3個樣本“投票”中的2個，當有1個樣本與其他不同時，會將USART狀態(tài)寄存器第“15”位設置狀態(tài)標志（接收噪聲中斷標志），從而大大降低了誤碼率。

4.2 LPC1768的感知/控制網主機模塊

RS-485感知/控制網中的主機通常都是嵌入式通信服務器，所以選用Cortex-M3系列中的LPC1768作為感知/控制網中的主機。LPC1768雖有4個串口，但只有UART1具有RS-485模式。在這個模式中有3個專門用于RS-485通信的寄存器（控制寄存器、地址匹配寄存器、延時值寄存器）。

作為主機在輪詢發(fā)送時，首先要將LPC1768的U1LCR線控制寄存器的1、0位設置成11（8位字符長度，相當于MCS-51的9位數據長度含TB8/RB8的通信）；再視所發(fā)送的是輪詢從機的地址還是數據，將U1LCR線控制寄存器第5、4位設成10（將第9奇偶校驗位強制為1地址），或設成11（將第9奇偶校驗位強制為0數據）。

作為主機在接收時，不再需要對自身地址匹配，所有的數據都必須接收。

通過U1RS485DLY延時值寄存器，可設置發(fā)送完最后一個停止位（移出TXFIFO）和DTR轉為接收信號之間的延時（0～255個波特率時鐘周期）。

5 ZigBee及WiFi接口

通過SPI接口，接入CC2530就構成了ZigBee接口。通過SPI接口，接入WiSmart EC32L12模塊就構成了WiFi接口。

結 語

采用NXP Cortex-M3/M0系列微處理器開發(fā)物聯網智能家居系統，有以下幾大優(yōu)點：

①新系統的感知/控制網是32位系統，性能得到了極大地提高；

②Cortex-M3/M0系列ARM微處理器中都有一定的ROM API庫，加塊了開發(fā)速度，也減少了開發(fā)成本。

③集成度高，并有開關矩陣定義引腳，從而大大提高了硬件的適應性。

④智能家居24小時工作不斷電，Cortex-M3/M0微處理器超低功耗設計，使新系統的待機功耗僅為舊系統的20%。

[1]廣州周立功單片機發(fā)展有限公司.LPC1700系列微控制器用戶手冊，2010.

[2]廣州周立功單片機發(fā)展有限公司.LPC11X/LPC11CX User manual，2012.

[3]廣州周立功單片機發(fā)展有限公司.LPC800系列微控制器用戶手冊，2013.