基于NIOSⅡ处理器的智能家居控制系统设计
1 引 言 在现代家居环境中,随着照明、智能电器、安…
楼宇信息系统简称BIS系统(Building Information System)是指安装在住宅小区、单元楼、写字楼等建筑或建筑群,用图像和语音来识别来访客人,用各种前端传感器采集,控制数据和安防信息,进行各种智能控制,控制门锁及遇到紧急情况向管理中心发送求助信号和各种自动控制信息,管理中心亦可以与住户进行语音、数据指令或文字信息沟通的由统一总线平台或同一网络平台联接而成的设备集成。以可视对讲系统为基础平台,包含了安防报警系统、监控制录像系统、家电、灯光控制等家居自动化系统、家庭信息系统、家庭娱乐系统、物业管理信息系统(见图1)。由各种门口主机、住户终端机、中间传输切换器及管理中心等设备种类组成。
楼宇信息系统因其产品发展的历史原因和产品技术的特点,已涵盖了可视对讲、单纯对讲、住宅报警、IC卡门禁、短信息发布、家电控制、视频监控和周界联动、安防信息管理等用途或领域,并且楼宇信息系统目前仍处于产品整合和技术高速发展的阶段。
楼宇信息系统与单元防盗门、住户防盗门、物业管理处结合起来为住户、访客的出入提供了便捷、安全、文明、舒适、智能的生活方式,同时为物业管理处提供了集中、快捷、有效的管理和控制平台,提高了信息管理的效率,降低了不良事件或案件的发生率。
楼宇信息系统定义及子系统相互关系
楼宇信息系统设备及网络示意图
引言
与采用有线网络通信的楼控产品相比,无线解决方案的优势在于安装布置的灵活性、低廉的安装费用和对楼宇自动化系统进行重新布置的可移动性。ZigBee技术产品以其低功耗、低成本以及优秀的组网能力,被广泛认为将在未来几年中对楼宇自动化和工业产生重大的影响。本文研究的远程抄表系统就基于ZigBee技术实现了无线自动抄表功能。
系统硬件结构
无线抄表系统是由多个ZigBee节点所构成的网络。ZigBee技术支持3种网络拓扑结构,即星形(Star)、网状(Mesh)和树形分簇(Cluster Tree)。星型结构由一个协调器节点(主设备)和一个或多个终端设备(从设备)组成。协调器是一种特殊的全功能设备(Full Function Device,FFD)。FFD是具有转发与路由能力的节点。终端设备可以是FFD或简化功能设备(Reduced Function Device,RFD)。RFD 是最小且最简单的ZigBee 节点,只发送与接收信号,并不起转发器、路由器的作用。如果某个终端设备需要传输数据到另一个终端设备,它会把数据发送给协调器,然后由协调器依次将数据转发到目标终端设备。
本文设计的ZigBee节点是星型结构中最简单的双节点网络,即由一个协调器节点和一个RFD节点组成。其中,ZigBee每个节点的硬件均由两部分构成:电能测量与处理部分和无线接收/发送部分。而硬件具体实现的功能则由烧写入单片机的程序来决定。无线抄表系统的硬件结构如图1所示。
电能测量与处理模块的工作原理
电能数据采集模块的核心是美国ADI公司的一款高精度单相有功电能计量芯片ADE7753。该芯片集成了数字积分、参考电压源和温度传感器。它提供了一个和有功能量成比例的脉冲输出(CF)和数字系统校准误差电路(通道偏置校准、相位校准及能量校准)。该芯片适用于单相电路中有功功率、无功功率和视在功率的测量。
ADE7753有电流和电压两个通道,共两路模拟量输入,分别是电流通道V1P、V1N和电压通道V2P、V2N。电压信号经可编程放大器(PGA)放大和模数转换器进行A/D转换变为数字信号,然后,电流信号经电流通道内的高通滤波器HPF滤除DC分量并数字积分后,与经相位校正后的电压信号相乘,产生瞬时功率;此信号经低通滤波LPF2产生瞬时有功功率信号。利用功率偏差校准寄存器的值对有功功率进行校准,放入采样波形数据寄存器中,然后对采样波形数据寄存器的值进行累加,将功率累加值(电能值)存放在电能寄存器中,经DOUT引脚输出。
电流和电压采集电路把交流电变为可供ADE7753输入的电压。在电流通道中,通过di/dt微分电流传感器实现电流/电压变换。di/dt微分电流传感器基于Rogowski线圈原理。Rogowski线圈由环绕一根长直导线排列、匝数为N的矩形空芯线圈组成。
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无线收发模块的工作原理
无线收发模块主要由CC2420芯片和2.4GHz射频天线以及相应的阻抗匹配电路组成。芯片外围电路包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和单片机接口电路三个部分。本设计采用16MHz无源晶振,其负载电容值约为22pF。射频输入/输出匹配电路主要用来匹配芯片的射频输入/输出阻抗,使其输入/输出阻抗为50Ω,同时为芯片内部的功率放大器和低噪声放大器提供直流偏置。CC2420通过4线SPI口(SI、SO、SCLK、CSn)设置芯片的工作模式,并实现读/写缓存数据和读/写状态寄存器。
从天线接收到的射频信号首先经过低噪声放大器和正交下变频到2MHz的中频信号,此混合I/Q信号经过滤波、放大,再通过ADC转变成数字信号。后经自动增益控制、数字解调和解扩,最终恢复出传输的正确数据。发射机部分采用直接上变频。待发送的数据先被送入128字节的发送缓存器中,头帧和起始帧是通过硬件自动产生的。根据IEEE802.15.4标准,所要发送的数据流的每4个比特被32码片的扩频序列扩频后送到DAC。然后,经过低通滤波和上变频的混频后被调制到2.4GHz,并经放大后送到天线发射出去。
系统软件设计
Microchip的ZigBee协议栈
完整的ZigBee协议栈自上而下由应用层、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。本硬件设计选择的是Microchip公司的PIC18系列单片机,因此在软件设计中应用了Microchip公司提供的ZigBee协议栈。它随着ZigBee无线协议规范的发展而不断更新。该协议栈有如下特点:使用支持2.4 GHz 频带的Chipcon CC2420 RF 收发器;支持简化功能设备和协调器;在协调器节点中实现对邻接表和绑定表的非易失性存储;支持非时隙的星型网络;可以在大多数PIC18系列单片机之间进行移植;支持Microchip MPLAB C18和Hi-TechPICC-18C编译器;易于添加或删除特定模块的模块化设计。
RFD节点软件设计流程
这里以RFD节点为例,阐述RFD节点加入由协调器节点组建的网络的设计思想及程序流程。图2是RFD节点主应用程序设计的流程框图。其主要功能是实现硬件的初始化,并根据用户指令进入配置模式来完成绑定操作。绑定的目的是让RFD的地址信息出现在协调器的绑定表中,从而使RFD节点与协调器关联起来。对于第一次完成烧写程序的节点,必须接入计算机终端,按照流程进行配置和绑定操作;对于已经完成绑定操作的节点,在进行下一次操作时,可以无需计算机而进行脱机操作。
一个RFD节点从自身配置、绑定完成到加入由协调器组建的网络,然后进入正常工作模式,要经历不同的状态。根据ZigBee协议栈的要求,在主应用程序中定义了6种工作状态。初始化状态(SM_APP_INIT),即节点进行任何操作前的最初状态;配置状态(SM_APP_CONFIG_START),即让节点进入配置模式的状态,主要通过调用配置函数引导用户完成配置操作;正常启动状态(SM_APP_NORMAL_START),当已经配置过的节点再次使用时,无须再次进行节点配置,则直接进入正常启动状态,并尝试加入一个由协调器节点组建的网络;正常启动等待状态(SM_APP_NORMAL_START_WAIT),RFD节点在尝试加入网络的过程中,要经过新网络初始化、网络初始化是否完成、网络初始化是否成功等问答和回应过程;正常工作状态(SM_APP_NORMAL_RUN)下,节点能够最终进入正常工作状态才能完成节点的绑定操作;休眠状态(SM_APP_SLEEP)下,ZigBee节点节能的关键就是能够实现在休眠状态和正常工作状态间的切换,当工作任务完成后能够自动进入休眠状态,而当受到触发后能够自动进入正常工作状态。
结语
基于ZigBee技术的无线抄表系统不仅能节约人力成本,还可提高抄表的准确性、实时性,使管理部门能及时准确地获得数据信息。
参考文献:
1 白剑波等. ZigBee技术及其在楼宇自动化系统中应用的思考[J].智能建筑与城市信息,2006(1):102-104
2 刘和平等.PIC18Fxxx单片机程序设计及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005
上世纪末,自助服务终端如雨后春笋般出现在国内各种商业环境里,ATM机、自助查询机、自助售票机等设备,正以一种人机互动的模式改写着人与人的传统商业交流模式,而正是触控技术化繁为简的神奇功能使之得以轻松实现与普及,通过指尖轻触彩色屏幕上的形象化菜单,操作更为直观,从心理上消除了人与机器的距离感。而今天,随着苹果iphone的风靡,触控技术的进步,触控的触角正伸向生活的各个方面,从手机、MP3、智能控制到电脑、家电、大屏幕,触控几乎成为了未来电子产品的必备功能。触控的魅力,令消费者着迷,令厂商追捧,其前景也为各大分析公司所唱好。
投射电容式触控技术大行其道
去年九月电子消费品的时尚先锋苹果公司推出iPhone和iPod touch,前者被称为“可以打手机的iPod”,后者则被称作“不能打电话的iPhone”。业已成熟的“多点触控屏”(Multi Touch)技术正是这两款产品的最闪亮之处。iPhone的触控屏魅力颠覆了传统的触控概念,不仅使手机键盘无用武之地,也使以往的单点触控技术产品相形失色。
针对电阻式触控屏的缺陷,电容式触控屏应运而生,相比之下,后者只需要手指轻触而无需触控笔或施压触控;后者透光率更佳、分辨率更高;另外电容式触控技术采用玻璃外层,因此相较采用塑料外层的电阻式触控,其防火、防刮、防污尘、防静电性能更佳,且无需校正、使用寿命也比较长。
基于电容式触控技术的上述优势,使多点触控技术具有了实现的可能性,iPhone(Multi-touch)多点触控技术,便舍弃传统电阻式触控,采用了电容式触控技术中的“投射式电容”(projective capacitive)技术。与传统触控技术只能向控制器传达1个触点信息相比,多点触控技术能够记录同时发生的多点触控信息,其中涉及重要零组件,包括:显示面板(Touch Panel)、控制器(Touch Controller)及软件驱动程序(Utility)。它主要利用投射电容双层玻璃,保护层间的感应网络上的静电电场变化,来感应触点位置,进行定位。只要手轻触屏幕时,控制器会计算手和网格间的电容参数,计算出触点的坐标位置。另外,为减少干扰讯号,在玻璃上会镀上氧化铟锡薄膜(ITO Layer),及保护膜以防止电子讯号干扰。
背 景
Smarthome,世界领先的家庭智能产品提供商,开发出一种新的家庭智能网络协议Insteon(pron.“instee-on”),第一次将电力线信号和无线射频通讯技术包含到同一个网络中。Insteon被设计成为一种实事的标准——在家庭自动化设备中安全、快速、可靠的传输信息,这些设备包括:灯光、安防、娱乐系统、家电产品、空调等。
历 史
在过去10年,几个工业联盟花费了数百万用于研发基于X10的家庭智能化网络技术——这种有着30年历史的家庭自动化标准。X10允许用户自动/远程控制家庭中的无数功能,从灯光场景到温度控制再到无线安防摄像机。但它从来没有被主流的客户所采用,因为它的可靠性不可预测。
但是为什么X10一直被公认为工业标准?因为它是低价的。其他X10的替代标准并不成功,因为要么太过昂贵、要么不能隐式地兼容X10、要么就是安装调试过于复杂。
Insteon的开发
这几年,Smarthome开始研发Insteon。因为它有着世界上最庞大的智能家居用户群,Smarthome非常适合开发下一代的家庭智能网络技术。自从12年前公司成立到现在,已经开发出超过150种的智能家居产品,每年销售量数以万计。
Smarthome的工程师们牢记客户们的需求:可靠的、低成本、易安装和使用的、能兼容X10,并把这些作为关键的目标。
在2004年6月,Smarthome正式启动Insteon。这种网络技术发送给家庭设备的速度是X10的30倍,并且允许新的音视频控制应用。每个Insteon设备都是一个收发器/转发器,因此信号可靠得被重复。另外,所有的通讯都要被确认,各个设备都有一个独立的标识,允许访问控制应用,比如锁定门和窗户。
Insteon的名字是从它的“即时启用”(instant on)演变而来的。相比较X10传递一个消息需要1/16秒到几秒的时间,而Insteon只需要0.04秒,这个时间比人眼感觉到灯打开的时间都要短。
Smarthome的工程师们独特地设计Insteon,它能够内置电力线和无线射频网络技术。包含电力线的原因是因为它是最廉价的家庭自动化网络技术,而RF则提供了距离的扩展和无线应用业务。这种组合,使得用户可以在屋子里的任何一个地方通过无线或者电力线发送信号,而信号可以通过电力线发送到设备上,或者直接发送到其他无线设备上。
例如,同时使用电力线和RF,电池驱动的门锁就可以使用Insteon RF进行控制,如果室外的喷嘴连接在一个电源插座上,那么我们就可以在室内通过电力线控制它的开关。在其他情况下,这种技术需要确定采用什么样的传输方式。Smarthome同合作伙伴一起将Insteon整合到非常广泛的日常设备中,包括家电和其他家庭用具。
什么是Insteon?
Insteon是一个功能强大的无线家庭控制网络技术,简单、低成本、可靠的整合系统,能够使家庭更加舒适、安全、方便和高效。
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功能:
灯光的场景控制和远程控制
安全警报界面和传感器
家庭传感器(比如:水、湿度、温度等)
访问控制(比如:门锁)
加热和降温(HVAC)控制和管理
音频-视频控制
电器管理
节约电能
网络拓扑
Insteon是一个强力的双重冗余网络,包含了无线射频和电力布线。
Insteon使用最新的技术建立一个真实的点到点的网状网络。每种设备都是一个点,不需要网络的管理,所以负责的网路控制器和路由器并不需要。
安 装
用户使用Insteon,只需要简单的将RF访问节点插到他们的房间中,同时安装两个过滤器到电脑的插线板上。Insteon家庭自动化设备的安装遵循“Plug and Tap”(插入拧紧)流程。例如,要在楼上控制楼下的照明灯,用户需要这么做:
①将灯插入到楼下的一个电源插座上的Insteon模块上;
②将一个面板或者其他远程控制设备插到楼上,或者使用一个无线控制设备;
③拧紧楼上的面板的设置按钮;
④拧紧楼下Insteon模块的设置按钮;
⑤安装完成。
Insteon设备可以通过PC进行程序控制,也可以由程序通过因特网进行控制。家庭智能控制软件可以控制到整个家庭,比如调暗灯、在晚餐时间打开立体声。
安装使用简单
Insteon的插件产品可以在10分钟以内完成安装和调试。布线的设备一旦安装以后,调试很简单。
Insteon设备的设置使用“Plug and Tap”方法。每个Insteon设备有自己的对立ID,不需要设置地址。连接两个Insteon设备很简单:在第一个设备上按下ON按钮并持续10秒,然后同样在第二个设备上做如此操作。
Insteon的网络不需要PC或者智能控制器。当然,智能控制器也可以加入,以进行高级的家庭控制。
应 用
Insteon的应用包括远程控制或者自动化,如灯光、家电、安防、空气调节等。宽带技术非常适合传输大的视频和音频数据,Insteon是一种窄带技术,适合于发送家居的自动化系统的控制信息。
Insteon的设计目标是很容易的组合到OEM产品中,比如洗衣机、甩干机、洗碗机、空调设备、车库门禁等。例如,当内置了Insteon之后,洗碗机可以程控做到清洗的时候机器不能打开;当干衣机工作完成之后,可以远程地用悦耳的声音通知人们衣服洗完了,而不是发出巨大的嗡嗡声;当冰箱停止之后,业主的移动电话可以接收一个由Insteon设备发出的文本消息。
市场潜力
根据权威调查,2008美国的家庭控制市场大概有4亿美元。使用了Insteon,就可以执行很多的家庭自动化操作,因为安全和可靠性原因,有些工作不能完整,用户可以建立程序控制Insteon设备执行程序来更好地适应他们的生活环境。
本文主要介绍了一种基于嵌入式处理器ARM平台以及GPRS网络通信技术的智能家居系统。该系统核心部分主要包括住宅小区的家居安防监控,图像监控以及远程抄表的实现。利用当前较为成熟的GPRS技术实现对住宅小区用户进行集中的安防监控与管理,给出了系统的功能和结构以及硬件原理框图和软件设计思路。
引 言
近年来,随着网络通讯技术、电子技术、计算机技术的迅猛发展,人们对生活质量提出了更高的要求,现代化的家居环境也备受人们的关注。目前,国内的智能家居系统主要集中在对单个住宅分散的子系统的控制上,这些子系统功能上比较单一,很难实现信息共享,不便于进行集中管理。本文针对目前国内智能家居系统的局限性,提出一种基于GPRS无线技术的智能家居系统,不仅能对小区多个住宅内的安全状况进行实时监控,还实现了“三表”(即水表、电表、燃气表)的远程抄送。
GPRS技术简介
GPRS(General Packet Radio Service),即通用无线分组业务,是一种基于GSM系统的无线分组交换技术,面向用户提供移动分组的IP或者X.25连接。与GSM电路交换数据相比,GPRS在数据业务的承载和支持上具有非常明显的优势:资源共享,频带利用率高,用户只有在进行数据传输时才占有系统资源;数据传输率高,GPRS采用分组交换技术,每个用户能同时占用多个无线信道,同一无线信道又可由多个用户共享。理论上,GPRS最高传输率可达171.2kbit/s;支持X.25协议和IP协议,可与现有的数据网络进行互通互连;用户永远在线且按流量、时间计费,通信成本低。由此可见,将GPRS技术应用于智能家居系统的数据传输是最理想的选择。
系统功能及总体结构设计
1.系统实现的功能
该系统主要是针对普通住宅小区家庭用户而设计的,它可以对小区内用户住宅内安全状况进行集中监控和管理,同时还实现了门禁及抄表功能。用户可以根据自己需要进行监控状态、监控参数的设置。系统实现了以下功能:
(1)家居安防监控
当小偷闯入住宅或者有火灾、燃气泄漏等危急事件发生时,监控终端能实时地监测到险情,向监控中心发送告警信息,监控中心则以GSM短信的方式通知户主。
(2)家居安全状况远程实时监控与查询
主人离家在外,可通过发送手机短信的方式来查询家中安全状况信息。
(3)现场图像抓拍功能
在设防状态下,当红外传感器或者门磁触发告警时,系统将启动图像抓拍器,对现场进行拍摄,所拍摄的图像通过GPRS网络发送到监控中心的主机上进行备份。用户也可以通过发送手机短信的方式来启动图像抓拍的功能。
(4)“三表”远程自动抄送与门禁功能
可以定时或主动读取用户家中的水表、电表、煤气表的用量,并根据相应价格计算费用。当有刷卡开门事件时,判断卡合法则允许进入。
2.系统总体结构
智能家居系统由监控终端,GSM短信收发模块,监控主机三部分组成。监控终端硬件采用ARM7平台,软件采用嵌入式实时操作系统VxWorks。监控主机是一台运行监控管理软件的PC机,一般置于小区的物业管理中心。图1是整个系统架构图。
系统工作时,监控终端循环检测安装在室内的门磁、红外、烟雾、燃气监测等传感器,当检测到有异常情况发生时,终端控制警笛发出告警声音,提醒户主及物业管理人员有险情发生并采取防范措施。另外,监控终端还通过GPRS网络向监控中心发送告警信息。当终端检测到门磁或红外告警时,将启动图像抓拍器,对用户室内现场进行连续拍照,拍摄到的图像终端先进行缓存,再通过GPRS网络发送至监控主机,监控主机将图像以文件的形式进行备份。
监控终端还循环接收监控主机下发的数据请求命令,终端对这些命令进行解析。如果是查询传感器及门磁状态,监控终端对相应传感器的状态进行检测,向监控主机返回传感器的状态信息;如果是查询水表、电表或者煤气表的用量命令,监控终端根据“三表”的RS-485协议,构造查询帧命令,发送相应的查询命令,将“三表”返回的数据按照系统的通信协议打包,通过终端上内置的GPRS模块发送到监控主机。监控主机接收到终端发送的数据后,先对数据帧进行解析。若是告警信息,则监控主机将根据不同的告警播放相应的告警提示音,提醒管理员作出处理。当有告警发生时,监控主机通过RS232接口输出AT指令,控制外置GMS模块向系统预先设置好的住宅主人的手机号码发送告警短信,通知户主家中有警情发生。
同时,监控主机还将把告警事件以日志的形式记录下来,以便事后对告警信息进行查询;当接收到的数据帧是抄表命令返回的数据时,主机将把数据写入到系统数据库。同时,在显示界面上弹出一个新窗口,显示户主信息、查询时间、表的用量、相应费用等信息。
系统硬件设计
终端硬件采用的是嵌入式硬件平台,CPU选用三星公司的基于ARM7TDMI内核的S3C440X微处理器,该处理器是三星公司专为PDA和一般应用开发提供的高性价比和高性能的解决方案。经过性能与成本的综合考虑,GPRS模块选用明基公司的M22模块。该模块可工作在三种频率下:900/1800/1900MHz。支持语音通信,具有GPRS、USSD和CSD三种数据方式及SMS和FAX功能;内嵌TCP/IP协议,软件支持标准AT指令并遵循3GPP 27.07/27.05规范。
S3C44B0的IO口的D口扩展了三个按键,它们是设防键、开门键、消告警键。按下设防键,CPU检测到IO口为低电平,系统进入监控状态。该状态下,系统将循检测门磁及所有已经安装的传感器。由于选用的传感器输出电平为0V或12V,而S3C44B0的外围接口电平为0V-3.3V,传感器的输出需经光耦隔离后连接至CPU的IO引脚。采用光耦隔离还有一个作用:在雷雨天气,传感器输出导线很容易引入雷电,导线上会有瞬时高压脉冲,用光耦将传感器的输出与CPU的IO口隔离后,起到保护CPU的作用。当监测到开门键按下,电控锁吸合,门将打开,此时为合法开门状态,不会产生告警。
如果是在监控状态下,门被强行打开,则门磁输出由低电平变为高电平,CPU检测到门磁传感器输出高电平,产生告警,CPU控制GPD3口输出低电平,触发警铃产生告警音。告警发生时,CPU通过UART0发送AT指令来控制GPRS模块,经GPRS网络向系统监控主机发送告警信息,监控主机对告警信息进行分析处理。
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M22模块与CPU采用115200bps的波特率进行通信。它们之间的接口比较简单,只需要将接收和发送两个引脚进行连接。考虑到本系统运行过程中需要保存大量的事件日志,如“三表”查询的数据、告警事件日志以及告警抓拍到的50张图像等,系统扩展了大容量的外部存储器HY57V641620(容量为8MB的SDRAM),SST39VF1601(2MB的FLASH)。其中SDRAM主要负责程序运行以及中间数据的保存,2MB的FLASH主要负责源程序的保存以及一些掉电需要保存的历史数据,事件日志、图像数据等。
图像抓拍器的主要作用是当有盗情发生时,进行现场抓拍。目前在国内市场上已经有很多该类型的产品。我们选择了深圳安信阳光科技有限公司的彩眼HRM600GJ图像抓拍器。HRM600GJ自带以太网接口。HRM600GJ在接收到S3C44B0发来的拍照命令包后进行连续拍照,所拍摄的图像为静态JPEG格式图像,解析度为320×240,图像经过网口发送给ARM处理器等待处理。由于S3C44B0片内并不带以太网接口,因此必须扩展一片以太网接口芯片实现彩眼和ARM处理器之间的互连。这里我们选用比较常见的也是性价比相对较高的RTL8019AS作为以太网接口芯片。
SN75LBC184是RS485驱动芯片。我们将S3C44B0的第二个串口(UART1)扩展为系统的RS485总线接口。该接口是CPU与“三表”及刷卡器等设备的通信接口。CPU按照主从模式与“三表”进行通信。CPU定义为主设备,“三表”为从设备。主从设备都有唯一的设备地址,通信时,主设备向指定地址的从设备发查询命令,从设备返回当前数据给主设备。
系统软件设计
1.终端软件
传统的单片机程序设计基本上都采用顺序结构,实时性低且CPU对资源的利用率不高。这里,我们采用了嵌入式实时操作系统VxWorks,它是美国风河(WindRiver)公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统(RTOS)。终端软件设计包括针对系统硬件平台进行的操作系统的移植和在VxWorks平台上应用程序的设计两部分。操作系统的移植的重点也即难点是BSP(Board Support Package)的设计。VxWorks本身提供了针对许多处理器的BSP,但针对S3C44B0的BSP并未提供。在设计系统BSP时,我们首先仔细研究了其中一种BSP代码范例,了解并掌握了BSP的结构,然后在风河公司针对ARM处理器提供给用户的BSP模板的基础上设计了本系统的BSP。
监控终端的应用程序采用模块化的设计思想。由于VxWorks支持多任务,我们将每个功能模块以一个任务来实现。从时间上看,各个任务处于并行运行的状态,极大地提高了系统对事件响应的速度,有效地提高了CPU对资源的利用率。终端应用程序包含五个任务,分别是:消息处理任务、传感器检测任务、GPRS通信任务、 RS485总线设备通信任务、按键检测及处理任务。除消息处理任务以外,其它五个任务优先级相同。VxWorks中任务优先级从0到255,0为最高优先级,255为最低优先级。我们将消息处理任务优先级设定为90,其它四个任务优先级都设定为100。这样可使消息处理任务尽快的处理其它任务发送来的消息,提高系统对外部事件的响应速度。下面分别对各个任务所实现的功能进行简要的介绍。
(1)消息处理任务
该任务循环检测自己的消息队列,当有其它任务发送来的消息时,读取消息,对消息进行解析,确定事件类型,然后调用事件相应的处理函数进行处理。本系统定义了多种事件类型,主要有如下几种事件:传感器告警事件、设置终端参数事件、传感器状态请求事件、刷卡开门事件、水表数据查询事件、电表数据查询事件、煤气表数据查询事件和按键设置事件。
(2)传感器检测任务
在任务运行的时间片内,首先判断系统当前所处的状态,如果系统处于设防状态,那么CPU将对室内所有已安装传感器进行循环检测。如果系统工作在撤防状态下,那么只对烟雾、煤气传感器进行检测。当任务检测到某一传感器的输出达到系统设定的告警阈值时,将向消息处理任务的消息队列发送一条传感器告警消息,消息中包含传感器通道编号。
(3)GPRS通信任务
此任务完成GPRS模块的初始化、终端与监控中心建立连接以及数据通信功能。
(4)RS485总线设备通信任务
任务完成“三表”数据的读取以及用户刷卡检测功能。
(5)按键检测及处理任务
该任务完成对终端上三个功能键的扫描。当其中某个按键被按下时,CPU检测到键值,向消息处理任务发送消息,消息任务将调用相应的处理函数进行处理。
2.监控中心软件
监控中心软件采用Borland C++ Builder 6.0开发。它使用WinSock控件接收和发送数据。中心软件采用模块化的设计思想,分别实现系统参数设置、操作员权限管理、用户管理、告警事件处理、数据库的维护以及数据打印和系统帮助等功能。
结束语
本系统实现了对住宅小区内多用户室内安全状况的集中监控与管理,还实现了对用户家中的水表、电表、煤气表的远程无线抄送。该系统在实用性、可靠性以及成本等方面取得了较为满意的效果。目前,本系统已经完成最后调试,即将进入现场试运行。由于系统在硬件设计上充分考虑到了不同的应用场合,留有较大的扩展空间,因此相信该系统将会有较为广阔的应用前景。
家庭网络是3C融合的结果,是未来数字生活的组成部分。近年来,国内外家庭网络标准化组织不断涌现,家庭网络技术也不断发展。尽管这些组织的技术路线和技术重点不尽相同,且家庭网络的商业模式有待完善,但随着家庭网络的应用模式和产业化前景越来越明晰,一些关键技术也将成为未来家庭网络标准中的必选技术。通过对国内外家庭网络技术发展趋势的研究,可以发现,基于IPv6的家庭网络构架、低速低功耗无线通信、超宽带无线通信、家庭网关、家庭网络安全机制、家庭多业务访问终端等技术将成为构建未来家庭网络的关键技术,在制定中国未来家庭网络标准时应该重点考虑这些技术。
为了保证家庭网络产品与标准的一致性,保证基于标准的产品的功能和品质,促进中国家庭网络产业化进程,保证家庭网络标准化工作的可持续发展,规范家庭网络市场,应该加快家庭网络标准符合性测试认证平台的建设。另外,家庭网络的国内标准起步比较早,与国外标准具有同样的技术先进性,同时由于国内外不同标准化组织都在制定家庭网络标准,为了保证未来家庭网络设备能够互连互通,不同家庭网络标准化组织制定的标准应该互相兼容。
基于IPv6的家庭网络结构
基于IPv6的家庭网络由家庭网关和各种信息化家电共同组成。在该网络结构中,家庭网关是家庭网络的管理核心、集中控制单元和访问接口。家庭网络的组网模式通常采用一个中心管理节点,附带多个家电成员。这种组网模式支持目前家庭网络普遍采用的多种接入技术,如有线以太网、无线网络802.11、ZigBee、家庭内部电力线网络等。首先,采用通用的网络连接技术IPv6,具备良好的扩展性。IPv6在地址空间、安全性和多媒体应用方面具有优势。IPv6协议上层存在大量的互联网应用,协议下层支持各种物理接入方式,所以家庭网络采用IPv6组网方式,不仅可以充分应用IPv6在互联网领域已有的研究成果,实现家庭网络与互联网的信息交互,还可以实现家庭网络物理连接的多样性。
其次,采用集中管理。现阶段适合家庭网络的管理模式是集中管理,这一方式可以保证家庭网络应用的多样性,保障家庭网络的安全性。
再次,通过Web及语音来实现外部对家庭网络的访问。目前互联网领域采用较多的Web服务访问方式,在IPv6网络架构下可以很容易地应用到家庭网络中,从而可以通过Web方式来实现家庭网络支持的各种业务和业务融合。访问家庭网络的另一种方式是语音电话,可以应用于座机和移动电话,而通过移动电话访问家庭网络也是将来的趋势。
短距离低速低功耗无线通信技术
短距离低速低功率无线通信技术可以实现家庭网络设备间的控制和状态反馈。家庭网络中的部分设备,特别是某些传感器是由电池供电,要求低功耗。由于室内的布局可能会改变和调整,为了方便安装这些设备,需要通过无线技术来实现对于设备的控制及其信息反馈。因此,家庭网络中需要短距离低功率的射频通信技术来实现这些设备的网络通信。当然,有条件使用电源供电的家庭网络设备也可以通过该技术实现无线通信,从而构成无线家庭控制网络。所以,低速低功耗的无线传输技术将会应用到家庭网络。目前,国际上比较流行的低速低功耗无线通信技术有ZigBee、Z-Wave等(见表1)。
家庭网络超宽带无线通信技术
数字音视频及多媒体信息正在成为家庭影音的主要组成部分,这些高速率信息需要在家庭网络设备之间传输,特别是在家庭媒体中心、家庭媒体播放设备之间进行传输。然而,数字音视频及多媒体信息对于传输带宽的要求比较高,而且其播放设备需要不时调整位置,因此,可以通过短距离高带宽的无线通信技术来实现这一信息的传输。目前,国际上比较流行的短距离高速无线通信技术有UWB、Wi-Fi、Home RF、HiperLAN等。
家庭网关家庭网关支持IPv6协议,提供多种物理接口,存放家庭网络运行的各类信息,实现家庭内部网络的通信以及家庭内部网络与外部网络的通信,保障家庭网络安全控制、访问授权和应用层路由,支持多种内网和外网访问方式。
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家庭网关具备实现家庭网络运行的基本功能,如成员管理、安全管理、操作管理、家庭网络远程监视和控制访问、网络运维管理等。另外,家庭网关的主要技术特征包括以下几点:
第一,家庭网关硬件需至少采用32位以上的嵌入式处理器,支持多种内网及外网接入方式。对家庭内部提供有线以太网接口和802.11无线接口,支持纯IPv6协议;对家庭外部支持有线以太网接口和PSTN接口,可以是IPv4或者IPv6协议。家庭网关软件可采用Linux等操作系统,实现IPv4和IPv6协议栈、嵌入式Web Server、家庭网络中间件、提供IP路由等功能,可以自动为信息家电分配IPv6地址。
第二,家庭网关实现家庭网络中间件的注册中心、管理中心、信息维护中心、操作分发中心和安全管理中心功能。家庭网关通过家庭网络中间件定义的通信协议来实现家庭网络访问、维护家庭网络的正常运行,家庭网关是家庭网络运行管理中心。
第三,家庭网关作为家庭网络惟一的访问接口,其重要功能是接收来自于家庭外部及内部的访问。它所支持的外网访问方式可以包括Web Browser访问及电话语音访问。目前,PC、PDA、移动电话等很多移动设备都支持Web浏览,家庭网关可以根据不同浏览器动态生成浏览器界面,从而实现诸如家电远程控制、远程家居监视,以及通过电话语音实施的家庭网络访问,如家电远程控制等。第四,家庭网络中的运维信息是指网络家电的运行状态、运行时间、关键指标等设备运行信息。在家庭网络运行中,为了向不同的家庭网络管理系统提供运维信息,需要由家庭网关定期采集和存储这些信息。
家庭网络安全机制
家庭网络中需要通过家庭网关来实现家庭网络的安全管理,主要包括外网安全管理和内网安全控制。外网安全管理主要管理来自于外网的访问,避免外网攻击,实现策略包括访问者身份验证、访问者授权等。采用的身份验证技术有用户名/口令、源IP地址检查、电话号码确认、CA证书等。内网安全控制主要判断网络家电的接入和访问是否安全。采用无线网络接入的网络家电对接入安全要求较高。所以,采用必要的无线接入安全认证是解决家庭网络内网安全控制的一种方法。目前,针对家庭网络尚无成熟完善的安全机制,对比还需要深入研究。
家庭多业务访问终端对于家庭网络访问可以分为两类:来自于家庭内部和外部的访问。
家庭内部控制终端应用在家庭网络内部,用以实现来自于家庭网络内部的多种业务。它可以替代家庭内部各种家电的遥控器,而且可以控制家庭媒体中心用以实现多业务融合。这类终端是家庭网络的组成部分,直接连接到家庭网络之中,支持IPv6协议,可以采用802.11、蓝牙等技术接入。
家庭网络访问终端用于家庭网络外部,来实现外部对于家庭网络的访问,支持家庭网络中已经实现或者准备实现的各种业务。无论家庭网络采用FTTH、ADSL、PSTN或者其他方式接入外部互联网,这类设备均需要支持IP网络,从而实现对于家庭网络的外部访问。由于家庭网络访问终端直接或者间接接入互联网,具备IP地址,所以它可以是具有web浏览器的联网PC机、固定电话、移动电话等,从而实现家庭网络外部访问业务。