智能家居是指利用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),、綜合布線技術(shù),，將與家居生活有關(guān)的名種子系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合，通過統(tǒng)籌管理,，使家居生活更加舒適,、安全、有效,。作為小區(qū)智能化的重要組成部分,，智能家居平臺是通過其核心——家庭智能終端實現(xiàn)家居智能化。智能家居終端可實現(xiàn)系統(tǒng)信息的采集,、信息輸入,、邏輯處理、信息輸出,、聯(lián)動控制等功能,。早期的家庭智能終端網(wǎng)絡(luò)是基于電話網(wǎng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制。由于電話網(wǎng)絡(luò)的帶寬限制以及較高的使用成本,，使得家庭智能終端無法推廣,。隨著計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展,，基于IP技術(shù)的遠(yuǎn)程通信已經(jīng)成為家庭智能終端開發(fā)的重點。目前,，基于8位單片機(jī)和TCP/IP協(xié)議的遠(yuǎn)程通信設(shè)備已大量出現(xiàn),。但是由于8位單片機(jī)工作頻率和存儲量的限制，使得操作系統(tǒng)和完整的IP協(xié)議無法移植,，遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制的實時性和大數(shù)據(jù)量可靠通信難以保證,，從而成為家庭智能終端開發(fā)的瓶頸。利用成熟的ARM芯片和μCOS-Ⅱ操作系統(tǒng),，可以有效地解決這一難題,。

        ARM(Advanced RISC Maehines)是精簡指令集計算機(jī)，它集成了典型的RISC結(jié)構(gòu)特性,。除此之外,，ARM體系結(jié)構(gòu)還具有地址自動增加和自動減少的尋址模式、多寄存器加載和存儲指令等特性,。

        從最初開發(fā)至今，ARM已經(jīng)經(jīng)歷了5種主要的ARM指令集體系結(jié)構(gòu)．以版本號V1-V5表示,。常見的ARM7,、ARM9、ARMl0,、SecurCore系列芯片都是ARM V4以上的體系結(jié)構(gòu),。ARM7TDMI系列芯片是目前應(yīng)用最廣泛的ARM芯片。其廣泛應(yīng)用于多媒體和嵌入式設(shè)備,，包括Intemet設(shè)備,、網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)設(shè)備以及移動電話、PDA等無線設(shè)備,。

        LPC2214是NXP公司生產(chǎn)的一種高性價比的ARM7TDMI(-S)芯片,，主要應(yīng)用于Intemet網(wǎng)關(guān)、串行協(xié)議轉(zhuǎn)換,、訪問控制等領(lǐng)域,。

1 家庭智能終端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與硬件組成

1.1 家庭智能終端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        家庭智能終端是家庭智能化的核心設(shè)備，是家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)的中轉(zhuǎn)站,。它通過各種協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊和組網(wǎng)方式實現(xiàn)各項功能,。該文提出的家庭智能終端主要具有以下功能：安全防范、聯(lián)動控制,、遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控,、信息采集、家庭信息管理,。外部網(wǎng)絡(luò)利用局域網(wǎng)與遠(yuǎn)程終端(用戶終端,、小區(qū)管理終端,、收費終端等)進(jìn)行信息傳送。此外考慮到因特網(wǎng)的不穩(wěn)定性,，系統(tǒng)還預(yù)留了PSTN接口以增加系統(tǒng)冗余,。采用RS-485總線和藍(lán)牙技術(shù)實現(xiàn)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，將無線與有線相結(jié)合滿足更多設(shè)備的需要,。家庭智能終端的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖1所示,。

1.2 家庭智能終端的硬件實現(xiàn)

        本文以LPC2214-S作為中心控制芯片。LPC2214-S是基于實時仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S CPU的微控制器,，并帶有256KB的高速片內(nèi)Flash存儲器,。片內(nèi)128位寬度的存儲器接口和加速器結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)高達(dá)60MHz的操作頻率。LPC2214還在片內(nèi)集成了16KB的SHAM,，并且提供了豐富的接口資源,，包括2個16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART異步串行口，1個高速PC接口(400Kbps),，2個SPI接口及112個GPl0口,。其片內(nèi)Boot裝載程序可實現(xiàn)在系統(tǒng)編程(ISP)和在應(yīng)用編程(IAP)。此外芯片提供空閑和掉電兩種低功耗模式,。

        由此可以看出,，LPC2214-S具有高性能、低功耗,、接口資源豐富的特點,。這些特點可以較好地滿足基于網(wǎng)絡(luò)的家庭智能終端的設(shè)計需要。

        作為家庭自動化的控制中心,，家庭智能終端除了具有局域網(wǎng)接口,、PSTN接口、RS-485接口,、藍(lán)牙接口外,，還提供音頻視頻接口、HUB接口,、RS-232接口,、報警傳感器接口等。這些接口可以實現(xiàn)音視頻自動切換,、多臺PC同時上網(wǎng),、與PC機(jī)結(jié)合完成家庭事物管理等功能。圖2為家庭智能終端主控模塊的硬件實現(xiàn)圖,。

1．3 家庭智能終端工作原理

        利用基于藍(lán)牙技術(shù)的遙控設(shè)備或基于RS-485總線的有線鍵盤,，可以設(shè)置家庭智能終端的各項參數(shù)，打開或關(guān)閉485總線或具有藍(lán)牙模塊的電器設(shè)備,，設(shè)置報警模塊的報警方式,、撤布防等,。此外遙控設(shè)備和鍵盤上還有緊急求助按鈕，可以通過電話和網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)程管理中心發(fā)送報警信號,。家庭智能終端還具有聯(lián)動控制模塊,，當(dāng)485總線或藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)上的一個設(shè)備發(fā)生某個特定的動作時．可以引發(fā)另外一些設(shè)備做設(shè)定的狀態(tài)變化，從而達(dá)到方便用戶和節(jié)省能耗的效果,。以上介紹的是本地操作的工作原理,。關(guān)于遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控，本文提供了兩種方式：基于電話網(wǎng)絡(luò)和基于互聯(lián)網(wǎng),。由于基于電話網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控已經(jīng)有了大量介紹,，這里主要介紹互聯(lián)網(wǎng)方式的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控。

        家庭智能終端是通過Web技術(shù)提供遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制服務(wù)的,。用戶在任意一臺連接到因特網(wǎng)的PC機(jī)上打開Windows IE,，登錄小區(qū)服務(wù)器，輸入家庭智能終端的IP地址和相關(guān)密碼,，使可以看到智能終端上的Web頁,。在Web頁上可以查看家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)各種設(shè)備的狀態(tài)．并且可以改變某些設(shè)備的狀態(tài)。這里利用小區(qū)網(wǎng)關(guān)完成小區(qū)局域同與外網(wǎng)的連接,，小區(qū)內(nèi)部局域網(wǎng)上的IP地址可以使用私有地址,，從而節(jié)省費用。

2 家庭智能終端軟件設(shè)計

        嵌入實時操作系統(tǒng)μCOS-Ⅱ是一種占先式多任務(wù)操作系統(tǒng)．可固化,、可裁減、移植性好,，具有良好的可靠性和穩(wěn)定性,。它支持64個任務(wù)，具有信號量,、消息郵箱,、消息隊列等多種進(jìn)程間通信機(jī)制，已經(jīng)在商業(yè)領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用,。由于μCOS-Ⅱ操作系統(tǒng)本身并不帶TCP/IP協(xié)議棧,，因此在操作系統(tǒng)上需要移植IP協(xié)議。本文采用μCOS-Ⅱ+LWIP來實現(xiàn)家庭智能終端的網(wǎng)絡(luò)通信,。

2.1 家庭智能終端軟件的總體規(guī)劃

        家庭智能終端軟件部分包括遠(yuǎn)程通信模塊,、RS-485通信模塊、無線通信模塊,、232通信模塊,、報警檢測模塊、聯(lián)動控制模塊以及電話和語音控制模塊,。根據(jù)以上劃分,，在μCOS-Ⅱ操作系統(tǒng)中定義了遠(yuǎn)程通信任務(wù),、485通信任務(wù)、232通信任務(wù),、報警檢測任務(wù),、聯(lián)動控制任務(wù)、電話語音控制任務(wù)以及藍(lán)牙通信任務(wù),。各任務(wù)的優(yōu)先級和堆?？臻g分配如表l。

        軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計,，保證程序具有良好的可移植性和可重用性,，各種軟件模塊分別屬于不同的程序?qū)印Ｈ鐖D3所示,，筆者將軟件模塊分為三個程序集合,，即軟件的程序?qū)印?nèi)層是μCOS-Ⅱ內(nèi)核,，承擔(dān)任務(wù)管理,、內(nèi)存管理和時間管理功能。應(yīng)用程序?qū)又饕瓿蓴?shù)據(jù)處理和請求內(nèi)核服務(wù)的功能,。中間件層移植和編寫各部分通信協(xié)議和底層接口芯片的驅(qū)動程序,。圖3中最外圍層為硬件接口層，它不是實際的軟件層,，并不做軟件編寫工作,。智能終端的軟件部分非常復(fù)雜，由于篇幅所限,，本文重點介紹操作系統(tǒng)的移植和遠(yuǎn)程監(jiān)控及控制,。
 

2.2 μCOS-Ⅱ操作系統(tǒng)在LPC2214上的移植

        將μCOS-Ⅱ操作系統(tǒng)移植到LPC2214上需要0S_CPU．H、OS_CPEL_C.C,、OS_CPU_A.ASM三個文件,。OS_CPU.H主要定義不依賴于編譯的數(shù)據(jù)類型、指定堆棧的生長方式以及定義底層接口,。

        為了具有良好的可移植性,，μCOS-Ⅱ并不使用C語言中的short、im,、long等數(shù)據(jù)類型,，而是以整數(shù)數(shù)據(jù)類型代替。LPC2214有四種堆棧形式：滿遞減,、滿遞增,、空遞減、空遞增，但是ADS1.2編譯器只支持滿遞減堆棧,，即選擇由上向下增長方式,。

        定義底層接口是為了在C語言中調(diào)用匯編代碼高效地完成某些系統(tǒng)服務(wù)功能。本文采用軟中斷指令實現(xiàn)底層接口,。底層接口代碼如下：

        OS_CPU_C.C文件首先根據(jù)LPC2214體系結(jié)構(gòu)和ADSl.2編譯器定義任務(wù)的堆棧結(jié)構(gòu),。在定義堆棧結(jié)構(gòu)的函數(shù)：OS_STK OSTaskStkInit(void(*task)void(*pd).void*plat，OS_STK**ptos,INT16U opt)中定義了一個全局變量OsEnterSum,主要用于對關(guān)中斷次數(shù)進(jìn)行計數(shù),，這樣可以實現(xiàn)開中斷和關(guān)中斷的嵌套,。此文件也包括實現(xiàn)軟中斷的詳細(xì)代碼。

        此外,，本文件還包括運(yùn)行多任務(wù)時系統(tǒng)啟動前調(diào)用最高優(yōu)先級任務(wù)的函數(shù)void0SStartHighRdy(void)以及幾個供用戶編寫的Hook函數(shù),。

        OS_CPU_A.ASM包括四個簡單的匯編語言函數(shù)：調(diào)用啟動前最高優(yōu)先級任務(wù)函數(shù)OSStartHigh Rdy()，從低優(yōu)先級任務(wù)切換到高優(yōu)先級任務(wù)的函數(shù)OSCtxSw(),、OS-IntCtxSw(),，時鐘節(jié)拍中斷處理函數(shù)OSTickISR()。任務(wù)切換函數(shù)在任務(wù)切換之前要利用堆棧保存被切換任務(wù)的有用狀態(tài),。LPC2214具有17個寄存器,，但并不是所有的寄存器都需要進(jìn)入堆棧。為了節(jié)省堆?？諉柡蜏p少切換時的時間開銷,，建立了一個任務(wù)切換時的堆棧結(jié)構(gòu)，如圖4所示,。
 

2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制

        遠(yuǎn)程監(jiān)控與遠(yuǎn)程控制的軟件設(shè)計采用客戶端一服務(wù)器方式,。TCP/IP協(xié)議的傳輸層有兩個數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議：傳輸控制協(xié)議TCP和用戶數(shù)據(jù)報傳輸協(xié)議UDP，二者各有特點,。UDP協(xié)議是提供最少服務(wù)和費用的協(xié)議,，它不基于連接來傳輸數(shù)據(jù)，因此UDP的傳送數(shù)據(jù)是不可靠的,。TCP協(xié)議是基于連接的雙向傳輸?shù)目煽繑?shù)據(jù)傳輸協(xié)議，但是TCP協(xié)議的使用費用較高,。在智能終端的設(shè)計中,，充分考慮了數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋憷院涂煽啃裕⑶诣b于ARM系統(tǒng)能夠提供足夠的資源,，根據(jù)數(shù)據(jù)的不同要求,，采用了不同的傳輸層協(xié)議。在軟件設(shè)計中使用Socket API函數(shù)來編寫UDP和TCP通信任務(wù),。TCP和UDP通信時,，Socket API的應(yīng)用流程如圖5所示。
 

        家庭智能終端是家庭內(nèi)外信息交換和家電控制的平臺。本文采用NXP公司的ARM7芯片LPC2214和μCOS-Ⅱ操作系統(tǒng)設(shè)計了硬件和軟件,，克服了8位單片機(jī)處理速度慢,、接口資源和存儲資源不足的限制。利用RS-485和藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)作為家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò),，局域網(wǎng)和電話網(wǎng)絡(luò)作為外部網(wǎng)絡(luò),，保證了大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，并且兼顧了傳統(tǒng)的電話網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制方式,。實踐表明,。系統(tǒng)具有良好的實時性和穩(wěn)定性，在高端家庭智能終端領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>