基于嵌入式的智能家庭网关控制系统

基于嵌入式的智能家庭网关控制系统

1中央控制器有线/无线接口智能家庭网络可以视为一个信息处理系统。每个系统元素都连接到网络每个节点的家庭设备。系统中央控制器一方面提供各个设备的信息交换接口,另一方面进行信息化控制与处理;各个设备单元以总线(有线或无线)方式连接。因此,系统要求中央控制器具有较强的数据处理能力和丰富的接口,各设备的总线连接方式可靠。在本系统模型中,中央控制器是采用ARM处理器S3C44B0X为核心的开发平台,内部设备单元的连接采用CAN总线方式,网关的外部连接以整体的形式与外界进行数字或模拟信号的交换。2种控制方式如图1所示,嵌入式智能网关的功能主要有外部信号的接入与CAN总线模块通讯。目前外部信号的控制方式有基于Ethernet的远程监控、基于电话网络的远程监控和基于红外的近程遥控三种控制方式。每种控制方式通过智能网关实现与家用设备的远程或近程数据交换,完成对家用设备的状态监测、开关量控制和模拟量调节等功能。根据家居控制的实际情况,控制协议对三种控制方式进行优先级设定。各个设备采用CAN总线方式连接以减少室内的物理连线,按照各种设备的控制需要可以设计智能节点和非智能节点以优化总线配置。3关键技术3.1嵌入式系统软件设计ARM处理器S3C44B0X是韩国三星公司早期推出的一款基于ARM7TDMI核的16/32位RISC高性价比、低功耗的嵌入式微处理器,芯片的片上资源非常丰富,提供了8KB的Cache、可选SRAM、2个UART、系统管理、8通道12位ADC、I/O口、I-IC/IIS总线等功能接口,自带LCD控制器,大大降低了成本,可以移植μClinux等复杂的操作系统,非常适用于高性能的嵌入式系统。基于S3C44B0X的嵌入式系统操作平台是构建智能网关最核心的技术。嵌入式系统软件开发平台采用μClinux操作系统,该操作系统包含TCP/IP网络协议栈,协议栈通过一系列互相连接层的软件来实现各层之间的Internet地址族,硬件扩展如图2所示。因为S3C44B0X片内不带启动FLASH和RAM,在应用时须进行扩展,主要采用了8MB的系统内存和16MB的硬盘组成ARM最小系统,然后利用芯片自带的功能接口以及智能网关的需求进行扩展:接口主要包括USB接口,JTAG调试口,红外接口,语音采集与输出接口,多路复用的传感器AD转换接口,Ethernet网络接口,CAN总线接口,电话接口等;人机交互设备包括一个4×6的矩阵键盘,一块3.9英寸的LCD显示屏和四个LED指示灯。3.2语音信息的采集智能网关内部完全集成了一个可自动应答的家用座式电话机,在此基础上可以检测到在通话过程中外界通过拨号发送的双音多频信号,并通知ARM系统做出相应的反应以及调用预先保存在ARM系统中的数字语音信息给用户以提示。当居室中出现某些意外情况,可以在电话线上加载双音多频信号拨打预先保存在网关中的电话号码并调用语音信息通知用户及时处理。该模块主要由铃流检测电路,双音多频编解码芯片MT8880以及外围电平转换电路组成,通过中断和I/O口与ARM系统相连,如图3是S3C44B0X与电话双音多频和语音信号模块的物理连接框图。3.3汽车产业应用CAN(ControllerAreaNetwork)即控制器局域网,是一种全数字化、多主和双向的现场总线。与一般的通信总线相比,CAN总线的数据通信具有多主工作方式、报文标志符滤波、非破坏性仲裁、较高的传输速率、高性价比等突出特点,现已被广泛应用于汽车、工业控制、小区安防、智能家居等众多领域中。在智能网关的电路中集成了一个CAN模块,模块采用PHILIPS公司的CAN控制器SJA1000与驱动器TJA1050作为网关与家庭中CAN总线的接口,由于S3C44B0X与SJA1000之间使用不同的信号电平且使用不同的总线结构,因此选择QS34X245芯片作3.3V/5V电平转换以及采用GAL器件实现对SJA1000的寄存器操作,CAN模块接收来自微控制器的经过电平转换后的指令就可以自动完成链路层以下的收发工作,如图4为S3C44B0X与CAN总线模块的接口。3.4fpga双绞线模块系统采用Realtek公司的全双工以太网接口芯片RTL8019进行网络连接,它能完成物理帧的形成、编解码、CRC的形成和校验、数据的收发等;它内嵌16K的SDRAM,具有全双工的通信接口;它可以通过交换机在双绞线上同时发送和接收数据,使带宽从10MHz增加到20MHz,是用来进行以太网通信的理想芯片。如图5是S3C44B0X与Ethernet模块的接口框图,通过无屏蔽双绞线RJ-45接口接入Ethernet小区局域网,再通过小区局域网联入Internet便于远程监控。由于在Ethernet网络中,家庭智能网关只是一个相对独立的接收反馈型用户终端,其接收到的IP数据包经过智能网关软件系统处理并提取各种命令信息后,可直接由CAN智能与非智能节点执行外界用户的操作指令或者收集室内各CAN节点信息经过软件打包后发送到Ethernet网络,因此只存在CAN总线与Ethernet的不透明信息交换而无需进行协议转换。4系统的安全问题设计智能网关如一个带3.9英寸彩色显示屏的传真机:显示屏正常页面可显示日期、时钟、温度、湿度等状态,借助键盘可查看10天内的所有非语音电话信息、居室以外的查询控制信息和居室内的设备非正常信息;4×6的矩阵键盘分为一个4×4的电话键盘和一个2×4功能键盘;话筒可用于正常的电话通话,预留USB接口可连接摄像头实现视频通话;网关侧面留有普通的电源接口(9V)、网络接头(RJ45)、电话线接口、9针串口接口(用于连接家庭CAN总线)。系统上电后ARM运行μClinux并对系统初始化,尤其是对CAN模块进行初始化并且要求CAN模块以控制节点的模式对CAN总线中的非智能节点进行初始化;系统运行中以一定时间间隔向CAN总线发送远程帧并等待各个CAN节点回应的数据帧信息,系统根据回应的信息判断各个设备是否运行正常,如果正常则转入睡眠模式等待下一个计时中断的唤醒,如果不正常则可利用CAN总线的分布式控制实现及时处理并调用电话模块拨打主人手机或者以Ethernet方式通知小区控制终端。外界电话双音多频与语音信号、Ethernet、红外信号以及CAN总线其它节点对网关的任何访问可将处于睡眠状态的系统唤醒以实现家庭内外信息的交换。家庭智能网关的安全问题是一个十分重要的环节,在系统中设置了三个等级的安全级别:小区管理级,只能查看到“三表”以及防盗等情况;家庭管理级,可实现对家用设备的查询与控制;网关管理级,可以实现对网关的设置与管理,如修改家庭管理级的密码等。5其他接口的改进本文提供了一种新的