基于ARM7的遠程智能住宅控制裝置的研制
摘要： 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,。本文選用三星公司芯片作為控制器的中心控制模塊，負責和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。
Abstract：
Key words :
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)的遠程監(jiān)控,。
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)的遠程控制,，同時，控制器還通過鍵盤和顯示屏為用戶提供人機界面,，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)備進行監(jiān)控。
(3)遠程控制：遠程用戶可以通過發(fā)送手機短信或通過互聯(lián)網(wǎng)對家庭系統(tǒng)進行控制和查詢,。
(4)自動報警：當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)
本文選用三星公司芯片作為控制器的中心控制模塊，負責和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擴展了完整的9線串口擴展,。
(4)RS485轉(zhuǎn)換器：通過TI公司的RS485接口芯片75LBCl84，實現(xiàn)了(單片機)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標準輸入阻抗的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)核的存儲和運行提供存儲空間。
擴展網(wǎng)口：10M網(wǎng)口,，RTL8019AS,，該部分用于從PC機上下載操作系統(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交互界面,。
串口：兩個標準RS232接口。用于和PC機連接,，通過超級終端進行系統(tǒng)調(diào)試,。
JTAG接口：利用JTAG仿真器可以通過JTAG邊界掃描口進行在線仿真。目前JTAG有兩種標準，即14針接口和20針接口,，開發(fā)板采用的是標準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支持數(shù)據(jù)存儲的大／小端選擇(通過外部引腳進行選擇),；具有8個存儲體，每個存儲體可達32MB,，總共可達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(標準輸入為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模塊的單獨調(diào)試,，當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 串口擴展模塊
為了實現(xiàn)家庭智能控制器的網(wǎng)絡(luò)遠程控制,，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(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和單片機的串口輸出都為TTL電平,，因此44B0和單片機與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作為控制器構(gòu)成，并通過單片機連接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行自主調(diào)節(jié),，當室內(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,，負責家庭系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集,、數(shù)據(jù)處理，并且能夠和遠程用戶通訊,，實現(xiàn)遠程控制,，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)定標準(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)的遠程監(jiān)控,。
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