基于Cortex-A53的智慧空間控制系統設計與實現

摘要：本文主要介紹了一種基于Cortex-A53的智慧空間控制系統的設計方案?；贏RM平臺Cortex-A53系列芯片的智慧空間控制系統與傳統的智能樓宇系統相比具有更豐富的管理功能、更高性能的數據處理、更低的運行功耗和擴展接口豐富等特點;軟件部分基于Linux精簡系統使用Python語言開發智慧空間管理應用系統。用戶使用此系統可以實現通過多種協議與各類樓宇系統、辦公設備以及智能家電設備通訊（空調、燈光、開關、門、風扇、響鈴、溫濕度計、音響、安防監控設備、智能電表等），實現多設備集中管理，體現智慧空間管理理念。

關鍵詞：智慧空間? 智能樓宇? 智能家居? Cortex-A53? MQTT

引言

近年來內嵌控制器的智能電氣產品相繼面市，但不同品牌的設備使用相對獨立的技術標準，目前還沒有廣泛采用開放式智能設備通信標準。這給大范圍內多設備相互通信帶來困難。為解決這個問題，需要一個能夠與所有這些連接的多源異構設備進行通信和管理的高層次管理系統。該系統必須便于跟蹤每個設備的狀態，并實現集中控制。此外，該系統還應能夠充分利用互聯網上的各類新穎的在線服務資源（如：自然語言處理、語音合成及情感分析等），持續為智慧空間提供新功能擴展。基于此，本文提出了一種便于擴展異構設備兼容性的智慧空間管理系統方案，該方案架構設計考慮了更高層面的設備兼容理念，很容易通過定義設備模型實現對未來新產品的接入管理，最大化保護已有系統投入。

1 系統方案及基本構成

本系統軟件構建于Armbian Linux精簡操作系統，以Python為編程語言，開發實現：接入設備管理、通訊協議棧、系統狀態管理、語音指令識別、語音合成、自動控制策略管理及Web交互界面等功能模塊。

控制系統硬件部分包括：外殼、電源、喇叭、麥克風陣列、天線及主板PCB等。外殼選用成品工程塑料工業制品。電源選擇為直流5V3A高頻外置開關電源設計，以保證設備滿功率長時間運行可靠性。本機設置一個8Ω2W喇叭，用于實現系統工作狀態音頻提示及基礎的控制語音交互。選用兩個硅麥克風一字型排開安裝，組成基礎麥克風陣列系統，以支持前述的控制語音交互功能。選用單根高增益天線實現WiFi通訊，同時設置一根Zigbee天線用于支持近距離IOT設備接入。主板PCB設計為4層板，中央處理器選用Cortex-A53四核芯片，搭配512MB（與GPU共享）內存芯片，并附加各類控制器、接口電路及音頻功放等外圍器件。

2 系統總體設計

本系統主要由下層嵌入式硬件系統及上層軟件系統構成。下層硬件由嵌入式處理器、RAM、Flash、無線通訊、音頻電路、電源等部分組成。上層軟件系統基于Linux精簡系統，集成定制硬件器件驅動程序，使用Python語言開發各類上層應用功能模塊程序，并搭建小型Web交互站點，為用戶提供交互操作界面。系統總體架構如下圖1所示：

3 系統硬件設計

3.1 控制器核心部分硬件設計

主板PCB由Altium Designer 14軟件繪制，后委托工廠加工貼片生產。主控制器選用Allwinner H5 Cortex-A53芯片，搭配SamSung的K484G1646E單片512MB（與GPU共享）內存芯片。Cortex-A53不僅是功耗效率最高的ARM應用處理器，也是全球最小的64位處理器?；陧樞驁绦械暮唵?級流水線，并且與ARMv7架構100%兼容。選用SamSung公司單片KLM8G1WEPD-B031 8GB容量的SPI EMMC Flash作為基礎操作系統存儲器。

3.2 無線通訊部分硬件設計

Wifi通訊部分選用AP6212，支持IEEE 802.11 b/g/n，同時該芯片還支持BT4.2藍牙通訊，支持短距離藍牙設備接入。Zigbee通訊控制器選用TI公司的CC2630超低功耗無線微控制器，其內部含有一個 32 位 ARMCortex?-M3 內核，屬于超低功耗 2.4GHz RF 器件。

3.3 音頻部分硬件設計

PDM選用2顆ADI公司的數字硅麥ADMP521，該型號具有很高的SNR（65dBA）和靈敏度（-26dBFS），其頻響范圍也比較寬（從100Hz到16KHz）。音頻部分選用PCM2902C單片解決方案，該片采用 SpAct 片載模擬PLL實現具有低時鐘抖和獨立回放和錄音采樣率的回放和錄音功能。為推動本機內置喇叭，選用一片PAM8302A音頻放大IC。 該音頻放大器輸出功率達2.5W，具有低THD+N高質量語音再生功能，無濾波器的新型直接輸出無需低通濾波器驅動揚聲器。

3.4 外部接口部分硬件設計

以太網接口部分選用一顆Realtek RTL8211E控制芯片，它符合10Base-T，100Base-TX和1000Base-T IEEE802.3標準，可以通過CAT 5 UTP電纜及CAT 3 UTP電纜傳輸網絡數據。

HDMI接口依托H5 Soc芯片內置功能引出，支持HDMI V1.4，最高輸出性能可達4K@30fps，在通常的H.264視頻解碼工況下，可實現最高1080p@60fps的優良性能。

依托H5 Soc芯片內置功能引出4個USB接口，其中1個USB2.0 OTG，另外3個為USB HOST接口。利用芯片內置PHY，接口可工作于高速480Mbps、全速12Mbps和低速1.5Mbps模式。

3.5 電源部分硬件設計

直流輸入5V電源分別經SY8008B、SY8089A、SY8113B及PST73133BETV等降壓至3.3V、1.5V、1.2V供CPU、DRAM、WIFI及各類IO等器件使用。音頻功率放大集成電路PAM8302A標稱工作電壓范圍2.5V～5.5V，故該部分電路直接使用5V電源工作。

4 系統軟件設計

系統應用設計采用多服務功能模塊化方式，嵌入式底層軟件基于Linux操作系統平臺（如下圖2所示），主要包括板載硬件驅動、基礎控制程序和各部分功能模塊基礎管理程序，基礎控制程序主要完成上電初始化配置、首次使用初始化配置、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、整機恢復出廠設置等功能。

基于Cortex-A53處理器的智慧空間管理系統的應用軟件主要模塊功能有通訊管理模塊、語音功能模塊、設備管理模塊、MQTT消息服務模塊、事件管理模塊、服務管理模塊和自動化策略模塊

4.1 設備管理模塊軟件設計

負責接入設備的連接參數配置、收集信息和控制設備。設備接入參數主要包括但不限于：通訊協議類型、設備地址、設備端口、通訊密鑰、連接賬號及密碼、附加連接參數等（設備接入配置界面設計如圖3所示）。

系統內置了一些常見智能設備配置模板，對于已知系統支持的智能設備用戶只需要選擇相應設備型號的配置模板即可快速完成接入配置。

4.2 事件管理模塊

內含事件總線和事件狀態機，支持事件的觸發和監聽。事件總線承載已接入設備的狀態更新信息和控制指令信息的雙向傳遞。事件狀態機負責跟蹤事物的狀態，并在狀態發生更改時觸發狀態更改事件。計時器在事件總線上每1秒發送一個時間更改事件，推動系統持續向前運行。

4.3 服務管理模塊

負責管理接入外部網絡上提供的各類軟性服務資源，在事件總線上偵聽調用服務事件，并允許其他應用注冊提供新的服務。自動化策略模塊根據用戶配置的判斷條件實現自動觸發遙控命令發送。

4.4 MQTT消息服務模塊

MQTT協議是廣泛應用的物聯網協議，越來越多的智能設備開始考慮支持此協議接入物聯網絡，根據協議工作規范，在系統中配置MQTT Broker服務，以便更好支持越來越多的新型智能設備接入。備選的MQTT服務器非常多，如apache的ActiveMQ，emtqqd，HiveMQ，Emitter，Mosquitto，Moquette等。故最終選用輕量級的mosquitto搭建本地MQTT服務器。

4.5 語音功能模塊

語音交互功能包含ASR（Automatic Speech Recognition）語音識別與TTS（Text To Speech）語音合成兩部分。為實現語音功能的持續可擴展性并滿足用戶使用此類功能的個性偏好，本系統中將此部分功能設計為遠程調用互聯網在線服務方式。該模塊中允許用戶填寫在線服務地址、端口、API附加參數及服務賬號密碼等信息。本地程序負責將從麥克風陣列采集的音頻信息傳輸至在線服務平臺，再將服務端反饋的文本信息合成為音頻信息經本機音頻電路播放。也支持將本地軟件應用系統中形成的文本信息發送至遠端服務接口，再將反饋的音頻文件傳輸至相關的應用功能模塊實現個性化音頻播放。

4.6 無線通訊管理模塊

本模塊主要實現Zigbee控制、Wifi控制、藍牙控制、紅外控制等功能。ZigBee 是一種基于標準的遠程監控、控制和傳感器網絡應用技術。核心市場是消費類電子產品、能源管理和效率、醫療保健、家庭自動化、電信服務、樓宇自動化以及工業自動化。常見的ZigBee模塊都是遵循IEEE802.15.4的國際標準，并且運行在2.4GHZ的頻段上。另外，歐洲的標準是868MHZ、北美是915MHZ。本系統中選用CC2630作為Zigbee硬件通訊控制，內置Z-Stack協議棧，軟件層面實現Zigbee協議工作參數配置及狀態監控。功能包括本地模塊與遠程模塊配置，修改模塊基本信息、串口信息、無線傳送信息、AD數據采集、恢復出廠設置、獲取本地信息、搜索網絡模塊、顯示硬件工作狀態及復位本地模塊等。軟件功能實現采用調用操作系統中對應串口通訊方式傳輸CC2630指令集。其余Wifi、藍牙及紅外硬件模組控制實現方式也采用同樣方式實現。

4.7自動化策略管理模塊

該模塊負責管理系統中的自動化運行規則集。為用戶提供輸入自動化策略條目的界面，每條規則包含三項參數：觸發條件、約束規則及執行動作。觸發條件為系統中的事件信息，如1號門鎖打開，約束條件可以是用戶自定義屬性，如下午18時至20時之間，也可為其它事件或狀態，如1號門燈處于關閉狀態。執行動作可由用戶靈活定義，如觸發1號門警報器。自動化策略管理程序將根據事件總線上的事件狀態更新持續輪詢自動化策略規則集內容，發出相應的控制指令。

4.8 用戶交互模塊

系統與用戶交互采用Web方式，便于用戶在各類終端上使用瀏覽器訪問操作?？紤]到交互界面功能并不復雜及節省系統資源，選擇基于微型Python框架Flask實現用戶交互站點。

5 關鍵技術的實現

各類不同品牌的設備分別基于互不相容的技術特性工作運行，它們各有不同的設備屬性、操作指令、通訊協議及工作邏輯。如何將這些特性各異的設備進行統一管理并協調運作是本系統實現面臨的主要難題。本文中采取解決問題的主要思路既是將各類設備與網絡服務資源進行高層次的抽象。在配置設備接入時，將設備屬性、通訊方式、控制指令等具體細節分別配置入系統預先定義的抽象設備模型中，之后系統在后續運行時將只關注設備模型的狀態及事件。進而由狀態機實現對各設備抽象事件的集中響應，響應結果再由設備模型轉化為具體設備的控制指令，依據預先配置的具體通訊協議進行傳輸。

另外，自動化運行是智慧空間系統的一個主要功能特性。為實現可擴展的自動化配置及豐富的功能，文中在事件狀態抽象模型之上建立了自動化系統運作機制。即：自動化觸發條件、環境條件約束及執行動作三步邏輯。依據系統中收集的各類事件狀態，判斷符合某些預定條件下觸發某些觸發器，并通過約束條件篩選，從而執行某些預設的動作。此機制持續循環迭代運行，使得系統整體表現出靈活多樣的自動化運行特性。

6 結論

各種商業化智能產品（如小米系列產品、Philips智能燈系列、亞馬遜的音響、蘋果的Siri、Google Assistant、博聯的產品、特斯拉汽車等）仍在快速推陳出新，本文提出了一種便于擴展異構設備兼容性的智慧空間管理系統方案，該方案架構設計考慮了更高層面的設備兼容理念，很容易通過定義設備模型實現對未來新產品的接入管理，最大化保護已有系統投入。方案為智慧空間管理系統進一步研究和設計做出了參考，具有一定的實際應用和推廣價值。

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作者簡介

王大勇，1978年6月，男，籍貫：遼寧省昌圖縣，漢族，工程師，研究方向：信息系統研發。