智能家居主控模块的设计与实现

 　　目前智能家居流行的组网方案有4类：基于TcP／IP协议的控制网络；基于EIB(European Installation Bus)总线的控制网络；基于电力载波的控制网络；基于无线协议(zigBee)的控制网络。本文采用TCP／IP协议与CAN总线协议，两种协议取长补短，使整个系统性能更加稳定，功能更加丰富。

　  完整的智能家居系统包括5个部分：主控模块、电器控制子系统、照明控制子系统、安全控制子系统和网络控制子系统，5个部分功能上各司其职，逻辑上构成一个完整的控制实体。整个系统为人们提供智能、舒适、安全的家庭环境，同时提供远程信息监控能力。主控模块是智能家居的大脑，子系统是智能家居的四肢。主控模块，负责子系统的信息集中、存储、分析和决策。嵌入式芯片发展使主控模块越来越精巧，功能日益丰富。

　　电器控制子系统，负责监控电器的运行状态，执行主控模块的控制指令。网络家电的发展扫清了不同家电的识别和互连的障碍，也简化了电器控制子系统的设计。照明控制子系统，又名情景控制，核心是对光影和色彩的智能控制。该子系统控制灯光在角度、明暗、颜色等方面的组合以满足不同的情景需求。该子系统也满足时间控制的概念，具有机械动作传感器、人体移动传感器和照度传感器等。

　　安全控制子系统，针对引起安全问题的诸多因素，起到防范和报警的作用，烟雾传感器、温度传感器、一氧化碳传感器负责环境安全控制；可视对讲系统预防陌生人的干扰；门磁传感器和窗磁传感器起到防盗作用。远程控制系统子系统，满足家庭网络和公共网络的联网控制功能。孤立的家庭网络使智能家居大打折扣，而和GPRS(General Packet Radio Service)网络和Internet互联，又使智能家居别样精彩。

　　智能家居是一个庞大的系统，主控模块是系统的控制中枢和通信中枢，家庭网络是系统的神经系统，传输系统信息流和控制流。家居中的设备众多，设备的接口各异，要实现各种设备的智能控制面对巨大挑战。针对目前智能家居系统功能单一、联网能力差的缺点，本设计采用分布式技术、总线技术和嵌入式技术构造了一个多功能、通信能力强的智能家居主控模块。

　　主控模块的功能和硬件设计

　　嵌入式技术的发展，特别是嵌入式控制芯片在功耗、速度、集成度方面的持续发展，使用单片控制芯片完成整个系统的控制成为可能。主控模块要完成以下工作：和子系统的联网、GPRS通信功能、以太网通信功能、显示功能、监控软件等。其中GPRS通信和以太网通信逻辑上属于网络控制子系统，但是这两种功能是在主控模块上实现的，这样一方面提高了集成度和稳定性；另一方面充分利用了主控模块在硬件和软件上的资源。

　　ARM芯片选用S3C2410，该芯片的很多特性很适合做智能家居的主控模块。内置的STN／CSTN／TFT LCD控制器和4线制电阻式触摸屏控制器简化液晶显示的电路设计；标准工作频率为203 MHz，运算能力强，功耗低，可满足主控模块的运算要求；外围接口丰富，为主控模块的联网功能提供良好的支持。GPRS模块选用支持AT命令集的西门子MC35I模块，它与主控模块通过串口进行通信；以太网芯片选用Realtek RTL8139以太网控制器；主控模块和子系统之间由CAN总线组网，主控模块上相应的有CAN通信电路；FLASH，SDRAM,EEPROM和SD卡都是信息存储介质，设计EEPROM来存储系统配置信息，配置64 MB NANDFLASH和64 MB SDRAM；语音电路输出提醒或警告声音等；信息包含时间信息才有意义，主控模块上时钟电路提供精确的时间；液晶屏可以直观地显示各种信息，有利于增强系统的亲和力，选用8．O英寸TFT液晶屏。

　　主控模块和子系统的CAN总线通信

　　主控模块的处理能力有限，多个子系统和主控模块由现场总线组网构成一个分布式控制系统。各个子系统在主控模块的控制下协同工作。主控模块和子系统之间主要传输信息流和控制流。主控模块到子系统传输的主要是控制流，这些控制流完成子系统的配置或者命令子系统完成特定的任务。子系统到主机传输的主要是数据流，数据流主要包含子系统中各设备的运行状态或传感器数据等。主控模块和子系统的通信可以采用有线方式或无线方式。鉴于有线方式速度快、可靠性高、成本低、技术成熟等优点，本系统采用CAN总线完成主控模块和子系统的联网。

　　CAN协议是最流行的现场总线协议。为保证协议的灵活性，该协议只定义了数据链路层和物理层，一般CAN控制器会实现这两层协议，针对具体应用需要开发应用层协议。CAN应用层协议标准有DeviceNet和CANOpen。这两种协议是面向大型系统，针对工厂自动化控制和汽车电子开发的，所以智能家居需要使用自定义的CAN应用层协议。智能家居中子系统和主控模块采用点对点的通信方式。自定义应用层协议基于非对称型主从式网络结构。应用层帧结构定义如图4所示。Dir(1 bit)：数据传输的方向，0表示主控模块到子系统；1表示子系统到主控模块。