基于Cortex—A9的智能家居控制系統的硬件設計與實現

左海成++劉豐++楊睿毅++葉晶晶++溫永彪

摘 要本文介紹了基于Cortex-A9的智能家居控制系統的設計方案，該控制系統以ARM平臺Cortex-A9系列Hi3798C芯片為控制核心，集成了音視頻模塊、Wi-Fi模塊、ZigBee模塊、3G/4G模塊、智能配電管理和本地存儲等功能模塊，具有智能家居網關、無線路由器、機頂盒和家庭服務器等功能。通過此控制系統可以實現智能家居的面板化控制操作和手機APP的遠程控制，在家庭有線網絡通信異常時，仍可以實現智能家居的遠程狀態監控和家居控制，具有較高的安全性和實用性。

【關鍵詞】智能家居 Cortex-A9 Hi3798C 家居控制

1 引言

隨著互聯網技術和智能家電設備的發展，智能家居系統越來越引起國家和企業的重視和關注。通過家庭智能控制系統可以實現對家庭用電設備的智能化控制和監控，智能家居控制系統作為智能家居系統的核心部分，其功能和安全可靠性直接影響智能家居的推廣和發展。隨著人們節能意識和信息安全意識的提高，人們對智能家居控制系統的安全可靠性和功能多樣性也越來越關注。

本文介紹了基于Cortex-A9的智能家居控制系統的設計方案。基于ARM平臺Cortex-A9系列Hi3798C芯片的智能家居控制系統與傳統的智能家居網關相比具有高性能的數據處理能力、高清音視頻編解碼功能、千兆網絡接口和本地存儲接口等特點。用戶通過此智能家居控制系統可以實現家庭監控視頻實時查看和本地存儲、視頻點播、智能家庭用電管理，Wi-Fi無線覆蓋和家電智能化控制。同時，家庭有線網絡異常后，智能家居控制系統由有線通信切換為3G/4G通信模式，提高了智能家居系統的安全可靠性和實用性。

2 系統設計方案

基于Cortex-A9處理器的智能家居控制系統主要包括電源模塊、通信控制模塊、視頻監控模塊、本地存儲模塊、音視頻模塊、觸摸屏顯示控制模塊、紅外控制模塊、ZigBee模塊、智能配電管理模塊、紅外控制模塊和通用外部擴展接口（如USB、UART、以太網口）等。以控制系統為核心實現了智能家居系統的配電系統管理、環境監測、家用電器和照明控制、安防監控管理、音視頻播放、家庭無線覆蓋等功能。

電源模塊為控制系統和外部智能接口提供電源，家居控制系統通過通信控制模塊的WLAN口網線接入Internet和云服務器，通信控制模塊的Wi-Fi模塊滿足用戶無線上網覆蓋的需求，在有線網絡通信異常時，通信控制模塊切換到通過3G/4G模式與internet和云服務器進行數據傳輸和交換。視頻監控模塊實現門禁及家庭重要場所的視頻安全監控，監控信息可以實時查看或進行本地存儲；音視頻模塊實現智能家居媒體播放的輸入輸出控制，觸摸屏顯示控制模塊實現家庭智能家居的觸摸控制和操作；紅外控制模塊用來控制電視機和空調等紅外電器的開關；ZigBee模塊實現家庭智能燈控系統的管理和利用ZigBee智能插座實現對傳統電器的智能化改造。智能家庭配電系統安全和能效管理作為智能家居的重要組成部分，系統通過智能配電管理模塊中RS485通信控制接口實現家庭配電系統的智能化控制和門窗窗簾的電機控制功能。智能家居控制系統設計框圖如圖1所示。

3 系統硬件設計

3.1 微處理器

微處理選用ARM平臺Cortex-A9系列Hi3798CV100芯片，微處理Hi3798CV100芯片作為智能家居控制系統的控制核心，CPU具有四核ARM Cortex A9和硬件JAVA加速，具有八核高性能GPU。微處理Hi3798CV100芯片存儲器控制接口DDR3/3L支持最大2GB容量，支持SPI FLASH、NAND Flash和EMMC Flash多種存儲方式，具有較強的編解碼能力和數據處理能力。同時，處理器具有IR接收處理器、UART接口、USB3.0 Host和USB2.0 Host、GPIO等豐富的外圍接口。Hi3798CV100芯片結構功能框圖如圖2所示。

3.2 配電控制模塊

配電控制模塊主要通過Hi3798CV100芯片的UART接口轉化為RS485接口協議與智能配電箱控制單元、智能窗簾電機控制終端進行通信。RS485接口通過ADM2582E實現TTL與RS485的電平轉換，接口采用TVS管和氣體放電管防雷保護接地，增加系統接口的可靠性。系統具有4路RS485控制接口，1路與智能配電箱進行通信控制，其它3路分別作為門窗電機控制接口。

3.3 通信控制模塊

通信控制模塊主要分三部分進行功能設計，千兆以太網絡接口通過Hi3798CV100芯片的GE接口經過PHY芯片RTL8211E和千兆網絡變壓器H5007NL，與Internet網絡進行高速率上行通信。為提高系統的可靠性，防止家庭網絡出現異常，控制系統采用雙備份的通信方式，利用處理器的USB接口與3G/4G模塊進行數據上行通信，同時可以支持在有線網絡異常時本地無線上網的需要。為了滿足本地上網的需求，替代家庭傳統路由器，系統通過以太網口與Wi-Fi無線路由器模塊進行通信，Wi-Fi無線路由器模塊以AR9331無線處理器為核心控制單元，支持802.11b/g/n無線標準，可滿足家庭無線Wi-Fi覆蓋的需求和智能手機APP接入控制管理的需求。

3.4 視頻監控模塊

Hi3798CV100處理器通過USB3.0接口與視頻監控模塊進行通信處理，通過GL3521芯片對USB3.0接口進行HUB擴展，支持4路USB3.0接口通信，其中2路用于家庭視頻監控的信息的處理和控制。

3.5 音視頻和存儲模塊

系統支持1路高清和1路標清同源或非同源輸出，最大支持4K*2K@30Hz輸出；具有1路HDMI接口和1路CVBS接口，支持左右聲道模擬輸出。存儲模塊接口通過HUB芯片擴展的USB3.0接口進行通信控制，USB3.0接口通過GL3321芯片轉化為SATA接口，可以外接SATA接口大容量移動硬盤，便于監控視頻存儲和本地化音視頻播放，同時，Hi3798CV100處理器支持TF卡存儲接口，可以對TF卡進行存儲讀寫控制。

3.6 ZigBee控制模塊

鑒于ZigBee無線通信技術具有低功耗、低成本、易組網的的優勢，智能家居照明系統和智能插座及相關智能電源管理單品采用了ZigBee無線通信技術進行組網。控制系統采用市場上主流的CC2430芯片進行網絡節點設計，Hi3798CV100處理器通過UART串口與CC2430進行通信控制轉化，實現對家用照明系統和家用電器的智能化控制。

3.7 其它接口功能

基于Cortex-A9處理器的智能家居控制系統除上述硬件設計功能接口外，還具有對外USB接口，支持USB程序升級和系統功能擴展。通過ADM3202芯片設計具有RS232接口兩路，可以支持在線調試和對外擴展支持RS232協議的功能模塊。系統具有常用的指示燈和復位電路按鈕，便于系統安裝調試和故障定位，系統同時具有紅外遙控接口設計功能和一些常用的電源接口和外部擴展接口。

4 系統應用設計

系統應用設計采用功能模塊化方式，嵌入式底層軟件基于Linux操作系統和平臺，主要包括主程序和各部分功能模塊程序，主程序主要完成上電初始化配置、看門狗復位管理、內部程序的運行管理、外圍通信接口的初始化化等功能。基于Cortex-A9處理器的智能家居控制系統軟件設計的應用的主要模塊功能有電源管理模塊、通信控制模塊、紅外控制模塊、視頻功能模塊、配電管理模塊、本地存儲模塊和傳感器模塊。系統應用軟件設計基于服務器的大數據處理和學習功能，智能實現用戶日常行為的分析和故障告警信息的傳遞和處理。

5 結論

目前智能家居控制系統依然存在集成化程度不高、智能單品控制系統兼容性差不易擴展等影響使用等問題。基于ARM平臺Cortex-A9系列Hi3798C芯片的智能家居控制系統具有智能家居網關、無線路由器、機頂盒和家庭服務器等功能，便于多種智能設備的集中管理和通信控制，降低智能家居綜合解決方案成本。隨著物聯網和智能家居技術的發展，具有多功能集成化的智能家居控制系統的應用場景將更加廣泛。

參考文獻

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