基于嵌入式Web服務(wù)器的智能家居主控制系統(tǒng)

引言
隨著信息技術(shù)的發(fā)展，以PC為代表的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展到一個(gè)更高階段，以嵌入式智能設(shè)備為核心的后PC時(shí)代已經(jīng)來臨。ARM處理器以其性能高、成本低和功耗低的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于嵌入式控制、消費(fèi)，教育類多媒體、DSP和移動(dòng)式應(yīng)用等領(lǐng)域。隨著生活質(zhì)量的提高，人們對(duì)家庭智能化的需求越來越高。智能化正體現(xiàn)在人們生活的各個(gè)方面。其中家居的智能化正成為人們生活中追求的熱點(diǎn)，而這里提出的基于嵌入式Web服務(wù)器的智能家居系統(tǒng)正好滿足這一需求。

2 硬件設(shè)計(jì)
智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求是PC機(jī)遵循802．3和HPPTD等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，通過網(wǎng)絡(luò)訪問主控制器的Web服務(wù)器，登錄主控制器，通過電力線構(gòu)成的家庭小型局域網(wǎng)絡(luò)或串口，發(fā)送指令給從控制器進(jìn)而控制家電，同時(shí)利用監(jiān)控家電的傳感器將家電狀態(tài)返回至PC，如圖1所示。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求主控制器功耗低，占用空間小，可進(jìn)行可視化操作。

2．1 控制器選擇
DSP數(shù)學(xué)信號(hào)處理器具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，但在音頻、USB、SD卡等接口功能擴(kuò)展較弱。而單片機(jī)系列的ARM920T具有5級(jí)指令流水線．處理速度為1．1 MHz，內(nèi)置MMU(Memory Management Unit)、獨(dú)立的16 KB數(shù)據(jù)Cache、16 KB指令Cache和高速AMBA(Advanced Microcon-troller Bus Architecture)總線接口等功能。DSP和一般8位單片機(jī)相比，它具有更全面的通用功能，具有60個(gè)中斷控制器，支持實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)、LCD控制器接口、串口接口、網(wǎng)卡接口等功能，還具有16／32位RISC體系結(jié)構(gòu)和ARM指令集。因此該系統(tǒng)采用ARM公司的ARM920T作為主控制器。
從控制器選用MSP430單片機(jī)，與89S51單片機(jī)相比，它具有RISC(精簡(jiǎn)指令集)，功耗低，支持16位內(nèi)部總線，引入Flash型存儲(chǔ)器和JTAG技術(shù)，編程開發(fā)非常方便。這里主要講述主控制系統(tǒng)。
2．2 網(wǎng)卡接口設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)需要通過互聯(lián)網(wǎng)或電力線進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，而Web服務(wù)器設(shè)計(jì)也必須通過網(wǎng)絡(luò)收發(fā)數(shù)據(jù)，要求數(shù)據(jù)處理速度快。根據(jù)這些要求，該系統(tǒng)采用DAVICOM公司的DM9000AEP作為網(wǎng)卡的設(shè)計(jì)器件。該器件具有10 Mbit／s和100 Mbit／s的自動(dòng)切換功能，支持802．3x全雙工控制流標(biāo)準(zhǔn)，具有16 K字節(jié)的雙字SRAM，可以減輕CPU的負(fù)擔(dān)，因此使系統(tǒng)更穩(wěn)定，處理和傳輸數(shù)據(jù)速度更快。
RJ-45采用HanRun公司的可對(duì)信號(hào)濾波的HR911105A接口，這樣可節(jié)約印刷板，并有效地減小電磁干擾。ARM920T與網(wǎng)卡DM9000AEP接口設(shè)計(jì)如圖2所示。圖中16根數(shù)據(jù)線相連；命令選擇引腳CMD，為高電平時(shí)，選擇數(shù)據(jù)端口，CMD為低電平時(shí)，選擇地址通道；IOR#為讀信號(hào)引腳；IOW#為寫信號(hào)引腳；CS#片選信號(hào)與ARM920T的片選信號(hào)線nGCS3相連。

2．3 串口接口設(shè)計(jì)
智能家居系統(tǒng)需要串口控制家電信息，并進(jìn)行相應(yīng)通信，而且調(diào)試系統(tǒng)同樣需要串口。為滿足要求，該系統(tǒng)采用Sipex的窄體SP3232串行通信器件。該器件支持滿載120 Kb／s的最小傳輸速率，可在中斷或DMA兩種模式下工作，每個(gè)通道包含64 K字節(jié)的發(fā)送FIFO和接收FIFO。該器件最大特點(diǎn)就是采用電荷泵技術(shù)：由4只外接電容組成，采用4相電壓轉(zhuǎn)換技術(shù)，保持輸出對(duì)稱的5．5 V電壓。即使輸入電壓VCC在3．0~5．5 V范圍內(nèi)，電荷泵仍可提供5．5 V穩(wěn)定電壓，這樣可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。有益于智能家居系統(tǒng)整體的良好運(yùn)行。串口接口設(shè)計(jì)如圖3所示。圖3中TXD表示接收數(shù)據(jù)，RXD表示發(fā)送數(shù)據(jù)，RTS表示請(qǐng)求發(fā)送，CTS表示清除發(fā)送。當(dāng)RTS請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，需經(jīng)CTS信號(hào)檢測(cè)，只有CTS信號(hào)允許才能發(fā)送數(shù)據(jù)。

2．4 存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)
完整操作系統(tǒng)的啟動(dòng)離不開引導(dǎo)程序。采用SAMSUNG公司64 MB的K9F1208作為NAND Flash，具有4 KB的內(nèi)部緩沖區(qū)可作為引導(dǎo)肩動(dòng)，系統(tǒng)啟動(dòng)后NAND Flash仍可作為外部存儲(chǔ)器繼續(xù)使用。Windows CE5．O引導(dǎo)加載程序(BootLoader)由NANDFlash的地址0x00000000處開始執(zhí)行。完成硬件初始化，建立系統(tǒng)的內(nèi)存空間映射圖，最終BootLoader把操作系統(tǒng)內(nèi)核映像加載到RAM中；采用HY公司的兩片HY57V561620CTP作為SDRAM，通過nGCS6連接到ARM920T引腳，起始地址為0x30038000．同時(shí)SDRAM還支持自動(dòng)更新和掉電模式，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。
2．5 智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
主控制器還包括觸摸屏接口。觸摸屏采用帶有驅(qū)動(dòng)電路的日立7寸屏，用于用戶可視化操作。
傳感器信號(hào)線與ARM920T的中斷引腳EINT8相連。當(dāng)傳感器信號(hào)到來時(shí)，通過中斷引腳向ARM920T申請(qǐng)中斷服務(wù)程序，并通過網(wǎng)絡(luò)向用戶報(bào)警。系統(tǒng)框圖如圖4所示。

3 軟件設(shè)計(jì)
3．1 內(nèi)核創(chuàng)建及裁剪
Windows CE是一個(gè)開放的、可裁減的、32位的實(shí)時(shí)嵌入式窗口操作系統(tǒng)。因此要實(shí)現(xiàn)Web Server功能必須對(duì)內(nèi)核裁剪。除了實(shí)現(xiàn)基本的WINCE 5．0功能外，還需要在定制內(nèi)核時(shí)在Platform內(nèi)添加DM9000網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)，串口驅(qū)動(dòng)，USB驅(qū)動(dòng)，MFC，SDK(標(biāo)準(zhǔn)工具集)、HTFPD和SOAP協(xié)議等系統(tǒng)必備驅(qū)動(dòng)和協(xié)議。Windows CE上Web Server的通信協(xié)議是HTTP協(xié)議，HTTP的消息機(jī)制是基于請(qǐng)求一應(yīng)答模式。