基于ARM7的遠(yuǎn)程智能住宅控制裝置的研制

摘要：隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展以及人們對生活要求的不斷提高，實現(xiàn)家庭智能的遠(yuǎn)程控制已經(jīng)成為必然的趨勢。本文采用嵌入式系統(tǒng)、GPRS通訊技術(shù)和RS485總線技術(shù)相結(jié)合的方式，研制了一種操作簡單且成本較低的遠(yuǎn)程智能家電控制系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，可以將家中的電器、防盜系統(tǒng)、水電系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合起來，實現(xiàn)對家用電器和各個子系統(tǒng)的智能管理。同時能通過短信等方式，實現(xiàn)對家庭系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。
關(guān)鍵詞：家庭控制裝置；ARM7；89C52

1 總體方案設(shè)計
　　如圖l所示。智能家電控制系統(tǒng)由家庭智能控制模塊、家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、以及GPRS模塊等幾部分構(gòu)成。

　　(1)家庭智能控制器：該部分是系統(tǒng)的核心。采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，能夠自動運(yùn)行、處理數(shù)據(jù)，通過RS485總線管理和控制家庭系統(tǒng)。并且控制器通過GPRS模塊，實現(xiàn)家庭系統(tǒng)與外部網(wǎng)絡(luò)的通訊，使用戶可以通過短信和互聯(lián)網(wǎng)等方式實現(xiàn)家庭系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，同時，控制器還通過鍵盤和顯示屏為用戶提供人機(jī)界面，方便用戶實現(xiàn)本地控制。
　　(2)家庭系統(tǒng)：家庭系統(tǒng)通過單片機(jī)組成若干小的控制系統(tǒng)控制各家用設(shè)備，并通過統(tǒng)一的控制總線將這些小的控制系統(tǒng)組成網(wǎng)絡(luò)，連接到家庭智能控制器，受家庭智能控制器控制。
　　家庭智能控制器系統(tǒng)的具體功能包括：
　　(1)家用設(shè)備的數(shù)據(jù)采集：采集家用設(shè)備包括室內(nèi)溫度、燈具家電、防盜門等設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)控制器處理后反饋給用戶。
　　(2)本地控制：用戶通過控制器上的鍵盤和顯示屏，對家用設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。
　　(3)遠(yuǎn)程控制：遠(yuǎn)程用戶可以通過發(fā)送手機(jī)短信或通過互聯(lián)網(wǎng)對家庭系統(tǒng)進(jìn)行控制和查詢。
　　(4)自動報警：當(dāng)控制器檢測到非法闖入或溫度超高等報警信號時，及時觸發(fā)室內(nèi)報警裝置，并通過發(fā)送報警短信等方式及時通知用戶。
　　(5)溫度查詢：用戶可以通過控制器查詢室內(nèi)溫度。
　　(6)紅外家電控制：接收用戶命令，通過紅外發(fā)射電路控制電視、空調(diào)等紅外可控的家電設(shè)備。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　本文選用三星公司S3C4480芯片作為控制器的中心控制模塊，負(fù)責(zé)和GPRS通信模塊、家庭系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)存儲、鍵盤、顯示屏等模塊進(jìn)行通訊以及系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理。主要分為家庭智能控制器和家庭系統(tǒng)兩部分。
2．2 智能住宅家庭控制裝置的硬件設(shè)計
　　控制器的電路設(shè)計部分主要分為如下幾個模塊：
　　(1)ARM處理器S3C44B0的外圍電路模塊：包括電源管理、鍵盤、顯示屏以及SDRAM、Flash等數(shù)據(jù)及程序存儲設(shè)備。
　　(2)GPRS通信模塊及其外圍電路設(shè)計：GPRS模塊用于實現(xiàn)遠(yuǎn)程用戶與控制終端的數(shù)據(jù)傳送，本文選用了西門子公司的MC35I模塊。其外圍電路設(shè)計主要完成了MC35模塊的供電部分，數(shù)據(jù)傳送、模塊啟動和關(guān)閉及工作模式指示等部分的電路設(shè)計。
　　(3)串口擴(kuò)展：GPRS modem撥號上網(wǎng)需要處理器為其提供完整的9線串口，而S3C4480只提供了3線串口。因此本文通過外接雙通道的通用異步收發(fā)器ST16C2550擴(kuò)展了完整的9線串口擴(kuò)展。
　　(4)RS485轉(zhuǎn)換器：通過TI公司的RS485接口芯片75LBCl84，實現(xiàn)了S3C4480(單片機(jī))串行口的TTL電平與RS485電平之間的轉(zhuǎn)換，該芯片的輸入阻抗為RS485標(biāo)準(zhǔn)輸入阻抗的2倍(≥24kΩ)，故可以在總線上連接64個節(jié)點。
2．2．1 ARM處理器的外圍電路設(shè)計
2．2．1．1 開發(fā)板資源的使用
　　開發(fā)板提供了豐富的外部資源，下面對除了電源、時鐘源、復(fù)位電路等必要配置外，系統(tǒng)使用到的部分資源作簡要介紹：
　　外部存儲器配置：2MB Flash、8MB SDRAM，為系統(tǒng)數(shù)據(jù)、程序和操作系統(tǒng)內(nèi)核的存儲和運(yùn)行提供存儲空間。
　　擴(kuò)展網(wǎng)口：10M網(wǎng)口，RTL8019AS，該部分用于從PC機(jī)上下載操作系統(tǒng)內(nèi)核和應(yīng)用程序。
??? LCD接口(帶LCD顯示屏)：320×240，STN，16級灰度，最大可接640×480256色。
??? 鍵盤：鍵盤和LCD接口用于為用戶提供本地控制的人機(jī)交互界面。
??? 串口：兩個標(biāo)準(zhǔn)RS232接口。用于和PC機(jī)連接，通過超級終端進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。
??? JTAG接口：利用JTAG仿真器可以通過JTAG邊界掃描口進(jìn)行在線仿真。目前JTAG有兩種標(biāo)準(zhǔn)，即14針接口和20針接口，開發(fā)板采用的是標(biāo)準(zhǔn)14針JTAG接口，支持ARM7全系列處理器，支持STD，并口連接，支持網(wǎng)絡(luò)調(diào)試功能。

??? 蜂鳴器：作為室內(nèi)的報警信裝置。
2．2．1．2 系統(tǒng)存儲器的分配
??? S3C44B0支持?jǐn)?shù)據(jù)存儲的大／小端選擇(通過外部引腳進(jìn)行選擇)；具有8個存儲體，每個存儲體可達(dá)32MB，總共可達(dá)256MB；對所有存儲體的訪問大小均可以改變(8位／16位／32位)；8個存儲體中，Bank0～Bank5可以支持ROM、SDRAM；Bank6、Bank7可支持ROM、SRAM和SDRAM等；7個存儲體的起始地址固定，1個存儲體的起始地址可變。
??? 開發(fā)板中Flash選用SST39VFl60，lM×16位，作為程序存儲器主要用于替代ROM，必要時也可以存儲部分重要數(shù)據(jù)。開發(fā)板中SDRAM芯片選用HY57V641620，4M×16bit，存儲容量為8MB。用SDRAM當(dāng)作系統(tǒng)內(nèi)存。
2．2．2 GPRS模塊NC35及其外圍電路設(shè)計
2．2．2．1 MC35模塊
??? MC35是Siemens公司推出的新一代無線通信GPRs模塊，主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊(ASIC)、閃存、ZIF連接器、天線接口六部分組成。
2．2．2 MC35外圍電路設(shè)計
??? (1)MC35I電源電路
??? 模塊要求單一電源供電，提供3．3～4．8V的電壓(標(biāo)準(zhǔn)輸入為4．2v)、2A的電流。本文選用LM2576ADJ為模塊提供電源，該芯片為降壓式開關(guān)電壓調(diào)整器，電壓的輸入范圍為：lO～40V，選用12V(通過220V轉(zhuǎn)12V變壓器得到)輸入，輸出為4．5V。供電部分電路設(shè)計如圖2所示。

??? (2)啟動和關(guān)機(jī)電路
??? 啟動電路由開漏極三極管和上電復(fù)位電路組成。本文用程控方式實現(xiàn)，其電路圖如圖3所示，其簡化電路如圖4所示。
??? 第一種方式為手動控制方式，電路如圖3所示，主要用于MC35I模塊的單獨(dú)調(diào)試，當(dāng)S1被按下時Q3基極為高電平，Q3導(dǎo)通，使IGT腳電壓被拉低，啟動模塊。

??? 關(guān)機(jī)電路通過三極管給該腳一個大于3．5s的低電平，可以關(guān)閉GPRS模塊。電路圖設(shè)計與圖3類似。
2．2．2．3 數(shù)據(jù)通信電路
??? 電氣特性方面MC35模塊的串口采用的是ITU—TV．24協(xié)議，和RS232電平并不兼容。因此需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。
??? 本系統(tǒng)中我們使用TI公司的MAX3238電平轉(zhuǎn)換芯片。數(shù)據(jù)通信電路設(shè)計如圖5所示。

2．2．2．4 SlM卡電路
??? MC35I還提供了6個SIM卡電路接口，SIM卡讀卡器的電路連接圖如圖6所示：

2．2．3 串口擴(kuò)展模塊
??? 為了實現(xiàn)家庭智能控制器的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制，需要通過GPRS modem MC35實現(xiàn)撥號上網(wǎng)。本設(shè)計選用過AT公司的ST16C2550完成串口擴(kuò)展，ST16C2550與ARM處理器的電路連接圖如圖7所示。

??? 此外，ST16C2550的串口輸出為TTL電平，這里使用MAX3238將電平轉(zhuǎn)化為串口的RS232電平。
2．2．4 RS485接口電路
??? 本系統(tǒng)設(shè)計的家庭智能控制器，家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)布線采用RS485總線。由于ARM處理器44B0和單片機(jī)(文中選用的Atmel公司的AT89C52)都沒有提供現(xiàn)成的RS485總線接口，因此需要選擇轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)接口的轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)選用了TI公司生產(chǎn)的一種RS485接口芯片75LBC184。
2．2．4．1 RS485接口電路設(shè)計
??? 44B0和單片機(jī)的串口輸出都為TTL電平，因此44B0和單片機(jī)與75LBC184的連接電路一致，其電路圖如圖8所示。

2．3 家庭系統(tǒng)模塊
??? 家庭智能系統(tǒng)集家電控制、安全防范、娛樂休閑等多功能于一體。本文在家庭系統(tǒng)模塊實現(xiàn)了紅外家電控制、溫度報警模塊，每個模塊都由單片機(jī)作為控制器構(gòu)成，并通過單片機(jī)連接RS485總線組成家庭網(wǎng)絡(luò)，并最終受家庭智能控制器控制。
2．3．1 紅外家電控制模塊
??? 紅外家電控制模塊主要用于控制一些設(shè)備內(nèi)含有紅外接收芯片的家用電器。
2．3．1．1 紅外發(fā)射電路設(shè)計
??? 紅外發(fā)射電路中采用的紅外發(fā)射器件是塑封的TSAL6200紅外發(fā)射二極管，紅外脈沖串的寬度和間隔由單片機(jī)通過I／O口輸出的高低電平的時間間隔來控制，調(diào)制電路是74LS123的兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U2A和U2B級聯(lián)構(gòu)成的可控振蕩器。其電路圖如圖9所示。

2．3．1．2 紅外接收電路設(shè)計
紅外接收采用HS0038B紅外接收器，電路設(shè)計如圖10所示。

2．3．2 溫度報警器模塊
??? 溫度測試和報警裝置在家用設(shè)備中是非常必要的。很多家用設(shè)備可以通過智能控制器讀取溫度信號進(jìn)行自主調(diào)節(jié)，當(dāng)室內(nèi)發(fā)生火情等緊急情況，可以通過溫度測試及時地向用戶發(fā)出報警信號，做出處理。
??? 溫度傳感器選擇Dallas公司的單線數(shù)字溫度傳感器芯片DS18B20。電路設(shè)計如圖ll所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
??? 系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要的分為三個部分：家庭系統(tǒng)模塊的軟件設(shè)計、RS485通訊協(xié)議設(shè)計及家庭智能控制器與家庭系統(tǒng)通訊的軟件設(shè)計、家庭智能控制器的軟件設(shè)計。其中，家庭智能控制器的軟件設(shè)計是系統(tǒng)軟件設(shè)計的核心，該部分的軟件設(shè)計以嵌入式u Clinux操作系統(tǒng)為開發(fā)平臺，負(fù)責(zé)家庭系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理，并且能夠和遠(yuǎn)程用戶通訊，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，是實現(xiàn)對家庭系統(tǒng)的智能化管理的關(guān)鍵。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖12所示。

4 結(jié)論
??? 利用本裝置可以控制住宅溫度等參數(shù)，滿足智能住宅規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)(溫度控制在18～28℃)；可以將家中的電器、防盜系統(tǒng)、水電系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來，實現(xiàn)對家用電器和各個子系統(tǒng)的智能管理。同時能通過短信等方式，實現(xiàn)對家庭系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。