摘　要： 介紹了智能終端的硬件和軟件實(shí)現(xiàn),，重點(diǎn)說(shuō)明了μCOS-II在LPC2214" title="LPC2214">LPC2214上的移植以及TCP/IP協(xié)議棧的API函數(shù)Socket API的工作流程,。
　　關(guān)鍵詞： 家庭智能終端 ARM μCOS-II嵌入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 程序?qū)?Socket API函數(shù)

　　智能家居是指利用先進(jìn)的計(jì)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(guò)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(tái)是通過(guò)其核心——家庭智能終端實(shí)現(xiàn)家居智能化,。智能家居終端可實(shí)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(dòng)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(shí)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(wú)法推廣,。隨著計(jì)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(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。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(chǔ)量的限制，使得操作系統(tǒng)和完整的IP協(xié)議無(wú)法移植,，遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制的實(shí)時(shí)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(kāi)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 Machines)是精簡(jiǎn)指令集計(jì)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(dòng)增加和自動(dòng)減少的尋址模式、多寄存器加載和存儲(chǔ)指令等特性,。
　　從最初開(kāi)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(hào)V1~V5表示,。常見(jiàn)的ARM7,、ARM9、ARM10,、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Internet設(shè)備,、網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)設(shè)備以及移動(dòng)電話,、PDA等無(wú)線設(shè)備。
　　PLC2214是Philips公司生產(chǎn)的一種高性價(jià)比的ARM7TDMI(-S)芯片,，主要應(yīng)用于Internet網(wǎng)關(guān),、串行協(xié)議轉(zhuǎn)換、訪問(wèn)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(guò)各種協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊和組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)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(dòng)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(fèi)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(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，將無(wú)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(shí)現(xiàn)
　　本文以LPC2214-S作為中心控制芯片。LPC2214-S是基于實(shí)時(shí)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(chǔ)器,。片內(nèi)128位寬度的存儲(chǔ)器接口和加速器結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)高達(dá)60MHz的操作頻率。LPC2214還在片內(nèi)集成了16KB的SRAM,，并且提供了豐富的接口資源,，包括2個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART異步串行口，1個(gè)高速I²C接口(400Kbps),，2個(gè)SPI接口及112個(gè)GPIO口,。其片內(nèi)Boot裝載程序可實(shí)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(diǎn),。這些特點(diǎn)可以較好地滿足基于網(wǎng)絡(luò)的家庭智能終端的設(shè)計(jì)需要,。
　　作為家庭自動(dòng)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(bào)警傳感器接口等。這些接口可以實(shí)現(xiàn)音視頻自動(dòng)切換,、多臺(tái)PC同時(shí)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(shí)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(xiàng)參數(shù)，打開(kāi)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(bào)警模塊的報(bào)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(guò)電話和網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)程管理中心發(fā)送報(bào)警信號(hào),。家庭智能終端還具有聯(lián)動(dòng)控制模塊，當(dāng)485總線或藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)設(shè)備發(fā)生某個(gè)特定的動(dòng)作時(shí),，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(guò)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(tái)連接到因特網(wǎng)的PC機(jī)上打開(kāi)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，便可以看到智能終端上的Web頁(yè),。在Web頁(yè)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)局域網(wǎng)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(fèi)用,。
2 家庭智能終端軟件設(shè)計(jì)
　　嵌入實(shí)時(shí)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(gè)任務(wù),，具有信號(hào)量、消息郵箱,、消息隊(duì)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(lái)實(shí)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(wú)線通信模塊、232通信模塊,、報(bào)警檢測(cè)模塊,、聯(lián)動(dòng)控制模塊以及電話和語(yǔ)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(bào)警檢測(cè)任務(wù),、聯(lián)動(dòng)控制任務(wù)、電話語(yǔ)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(jí)和堆?？臻g分配如表1。

　　軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì),，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(gè)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(shí)間管理功能。應(yīng)用程序?qū)又饕瓿蓴?shù)據(jù)處理和請(qǐng)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(dòng)程序,。圖3中最外圍層為硬件接口層,，它不是實(shí)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(diǎn)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PLC2214上需要OS_CPU.H,、OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM三個(gè)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(zhǎng)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(yǔ)言中的short、int,、long等數(shù)據(jù)類型,，而是以整數(shù)數(shù)據(jù)類型代替。PLC2214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(zhǎng)方式。
　　定義底層接口是為了在C語(yǔ)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(shí)現(xiàn)底層接口,。底層接口代碼如下：
　　#define OS_CRITICAL_METHOD 2
　　/*選擇開(kāi)、關(guān)中斷的方式*/
　　__swi(0x00) void OS_TASK_SW(void),；
　　/*任務(wù)級(jí)任務(wù)切換函數(shù)*/
　　__swi(0x01) void _OSStartHighRdy(void),；
　　/*運(yùn)行優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)*/
　　__swi(0x02) void OS_ENTER_CRITICAL(void)；
　　/*關(guān)中斷*/
　　__swi(0x03) void OS_EXIT_CRITICAL(void),；
　　/*開(kāi)中斷*/
　　__swi(0x40) void*GetOSFunctionAddr(int Index),；
　　/*獲取系統(tǒng)服務(wù)函數(shù)入口*/
　　__swi(0x41) void *GetUsrFunctionAddr(int Index)；
　　/*獲取自定義服務(wù)函數(shù)入口*/
　　__swi(0x42) void OSISRBegin(void),；
　　/*中斷開(kāi)始處理*/
　　__swi(0x43) int OSISRNeedSwap(void),；
　　/*判斷中斷是否需要切換*/
　　__swi(0x80) void ChangeToSYSMode(void)；
　　/*任務(wù)切換到系統(tǒng)模式*/
　　__swi(0x81) void ChangeToUSRMode(void),；
　　/*任務(wù)切換到用戶模式*/
　　__swi(0x82) void TaskIsARM(INT8U prio),；
　　/*任務(wù)代碼是ARM代碼*/
　　__swi(0x83) void TaskIsTHUMB(INT8U prio)；
　　/*任務(wù)代碼是THUMB*/
　　OS_CPU_C.C文件首先根據(jù)PLC2214體系結(jié)構(gòu)和ADS1.2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*pdata,，OS_STK**ptos，INT16U opt)中定義了一個(gè)全局變量OsEnterSum,，主要用于對(duì)關(guān)中斷次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù),，這樣可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)中斷和關(guān)中斷的嵌套。此文件也包括實(shí)現(xiàn)軟中斷的詳細(xì)代碼,。
　　void SWI_Exception(int SWI_Num,，int*Regs)
　　{
　　OS_TCB *ptcb；
　　switch(SWI_Num)
　　{
　　case 0x02：/*關(guān)中斷函數(shù)OS_ENTER_CRITICAL()*/
　　__asm
　　{
　　MRS R0,，SPSR
　　ORR R0,，R0，#NoInt
　　MSR SPSR_c,，R0
　　}
　　OsEnterSum++,；
　　break；
　　case 0x03：/*開(kāi)中斷函數(shù)OS_EXIT_CRITICAL()*/
　　if (--OsEnterSum == 0)
　　{
　　__asm
　　{
　　MRS R0,，SPSR
　　BIC R0,，R0，#NoInt
　　MSR SPSR_c,，R0
　　}
　　}
　　break,；
　　……
　　}
　　此外，本文件還包括運(yùn)行多任務(wù)時(shí)系統(tǒng)啟動(dòng)前調(diào)用最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的函數(shù)void OSStartHighRdy(void)以及幾個(gè)供用戶編寫的Hook函數(shù),。
　　OS_CPU_A.ASM包括四個(gè)簡(jiǎn)單的匯編語(yǔ)言函數(shù)：調(diào)用啟動(dòng)前最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)函數(shù)OSStartHighRdy( ),，從低優(yōu)先級(jí)任務(wù)切換到高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的函數(shù)OSCtxSw( )、OSIntCtxSw( ),，時(shí)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(gè)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)省堆棧空間和減少切換時(shí)的時(shí)間開(kāi)銷,，建立了一個(gè)任務(wù)切換時(shí)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(jì)采用客戶端-服務(wù)器方式,。TCP/IP協(xié)議的傳輸層有兩個(gè)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(bào)傳輸協(xié)議UDP,，二者各有特點(diǎn)。UDP協(xié)議是提供最少服務(wù)和費(fèi)用的協(xié)議,，它不基于連接來(lái)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(fèi)用較高,。在智能終端的設(shè)計(jì)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(jì)中使用Socket API函數(shù)來(lái)編寫UDP和TCP通信任務(wù),。TCP和UDP通信時(shí),，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(tái),。本文采用Philipes公司的ARM7芯片LPC2214設(shè)計(jì)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(chǔ)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(shí)踐表明,，系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)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?br /> 參考文獻(xiàn)
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