远程智能家电控制系统的研究与设计.docx
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远程智能家电控制系统的研究与设计.docx
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远程智能家电控制系统的研究与设计
摘要
传统的家电采用各自独立的工作模式,不同家电之间无法通信,这样就不能有效地安排各种家电协同工作,容易造成浪费。
同时它们无法自动获取外界的信息,人们无法对其进行远程操作,难以满足现代生活的需求。
所以开发智能化的家电及其控制系统己成为当前的研究热点。
传统的电话只能进行语音通信,它存在利用率低、功能有限和安全性不好等缺点。
近年来,以ARM为代表的高性能专用微处理器的出现,以及Linux、WindowsCE等操作系统的完善,使嵌入式技术迅速发展,这为智能IP电话的研发提供了软硬件基础。
现阶段家庭网关接入互联网的方式主要为有线接入,因为这种方式网络性能比无线隐定,延时性相对要小,用它来远程控制智能家电比无线网要安全可靠。
要实现智能家电的网络化,如果采用PC机进行直接进行控制,或者让每台家电接入网络,这样成本很高,不利于一般家庭的普及。
为此,笔者采用基于S3C2410芯片、WindowsCE4.2嵌入式操作系统的IP电话作为家电的控制中心,智能家电采用S3C2410ARM芯片和linux2.4操作系统。
各个智能家电与口电话采用串口进行通信,IP电话采用网口与因特网通信。
这样可以大量的降低成本,而且通信方式比PLC和蓝牙通讯技术更安全可靠。
本文以IP电话与智能家电互联为切入点,结合ARM、嵌入式LINUX和网络技术,设计出一种较为完善的IP电话与智能家电的控制系统。
采用这种方式,使智能家电集电脑、电信和消费类电子产品的特征于一体,让家电具有信息的获取、加工、传递等功能,提供全方位的信息交换,帮助家电与外部保持信息交流畅通,这样可以优化人们的生活方式,节约能源费用资金。
关键词:
智能家电;遥操作;IP电话;嵌入式系统
Abstract
Thetraditionalelectricalappliancesworkindependently.theyareunabletocommunicateeachother,sowecannotarrangeeachkindofelectricalappliancestoworkeffectively.It’seasytoresultinwaste.Atthesametime,theyareunabletogaintheoutsideinformationautomatically,soweareunabletocarryonthelong-distanceoperation.It’sdifficulttosatisfythemodernlife.thereforethedevelopmentofintelligentelectricalappliancesandtheircontrolsystemhavebecomecurrentresearchhotspot.
Thetraditionaltelephonecanonlycommunicatebyvoice.Ithassomanyshortcomingssuchasthelowusefactor,thelimitedfunction,thebadsecurityandsoon.Inrecentyears,theembeddedtechnologyexpendsrapidly,withtheappearanceofhighperformancespecial-purposemicroprocessorsuchasARM,aswellasLinuxoperatingsystem’sandWindowsCEoperatingsystem’sconsummation.ThishasprovidedthesoftwareandhardwarefoundationfortheintelligentIPphone’sreseachanddevelopment.
Atpresent,thefamilygatewaysconnectsInternetismainlybywiredway,becausethismannerisstable,haslesstimedelay,isreliablecomparewithwirlessnetwork.Torealizetheintelligentelectricalapplicances’network,ifweusePCtocontrolintelligentelectricalapplicances,orleteachelectricalapplianceconnectsnetworkdirectly,itmustcostsomuch.soitishardtopopularizethesystemforthegeneralfamily.
Keywords:
intelligentElectricalApplianceRemoteOperationIPphoneembeddedsystem
第1章绪论
1.1智能家电的含义
智能家电,也叫智能家居,与智能家电含义近似的有家庭自动化(HomeAutomation)、电子家庭(ElecctronicHome、E-home)、数字家园(DigitalFamily)、家庭网络(HomeNet/Networksforome)、网络家居(NetworkHome)、智能家庭/建筑(IntelligentHome/Building),在我国香港和台湾等地区,还有数码家庭、数码家居等称法。
智能家居是以各种家电设备为基础平台,综合网络通信、信息家电、设备自动化等技术,将系统、结构、服务、管理集成为一体的高效、安全、便利、环保的居住环境,而智能家电远程控制系统即是实现其的一个重要手段。
智能家电远程控制系统可以定义为一个利用先进的计算机、网络通信、自动控制等技术,将与家庭生活有关的各种应用子系统有机地结合在一起,通过综合的家庭范围内的本地管理与控制以及来自家庭之外的远程管理与控制,特别是基于互联网的远程管理与控制,让家庭生活更舒适、有效和便捷。
与普通家电相比,智能家电不仅具有传统功能,还能提供舒适、高效、便捷、具有高度人性化的控制方式;将一批原来死板的家居设备结合在一起转变为具有“智慧”的工具,提供全方位的信息交换功能,实现家电控制的实时畅通,优化人们的生活方式,帮助人们有效地安排时间,增强家庭生活的高效性,并为家庭节省能源费用等。
1.2智能家电的主要功能
智能家电并不是单指某一个家电,而应是一个技术系统,随着人类应用需求和家电智能化的不断发展,其内容将会更加丰富,根据实际应用环境的不同智能家电的功能也会有所差异,但一般应具备以下基本功能:
⑴通信功能—包括电话、网络、远程控制/报警等。
⑵消费电子产品的智能控制—例如可以自动控制加热时间、加热温度的微波炉,可以自动调节温度、湿度的智能空调,可以根据指令自动搜索电视节目并摄录的电视机/录像机等。
⑶交互式智能控制—可以通过语音识别技术实现智能家电的声控功能;通过各种主动式传感器(如温度、声音、动作等)实现智能家电的主动性动作响应。
用户还可以自己定义不同场景不同智能家电的不同响应。
例如你可以在电话里告诉智能家居控制器:
“晚上5点把花园的灯打开,并把空调设定到25度。
”
⑷安防控制功能—包括门禁系统、火灾自动报警、煤气泄漏、漏电、漏水等。
⑸三表(四表)远程抄收系统。
⑹健康与医疗功能—包括健康设备监控、远程诊疗、老人/病人异常监护等。
1.3智能家电的特点
与传统的家用电器产品相比,智能家电具有如下特点:
⑴网络化功能:
各种智能家电可以通过家庭局域网连接到一起,还可以通过家庭网关接口同制造商的服务站点相连,甚至可以同Internet相连,实现信息共享。
⑵智能化:
智能家电可以根据周围环境的不同自动做出响应,不需要人为干预。
例如,智能空调可以根据不同的季节、气候及用户所在地域,自动调整其工作状态以达到最佳效果。
⑶开放性、兼容性:
由于用户家庭的智能家电可能来自不同的厂商,智能家电平台必须具有开发性和兼容性。
⑷节能化:
智能家电可以根据周围环境自动调整工作时间、工作状态,从而实现节能。
⑸易用性:
由于复杂的控制操作流程已由内嵌在智能家电中的控制器解决,因此用户只需了解非常简单的操作。
1.4智能家电的发展现状
1994年一家新加坡公司在国内销售的名为“万智能”的多媒体电脑可算是国内第一个提及的智能家电的雏形,它通过电视卡,将电脑和电视结合起来,也算是一种不错的创意。
其后很长的一段时间内,智能家电的产品都没有太多的概念突破和产品突破,直到1998年,微软公司推出了“维纳斯”计划,才掀起了新一轮的高潮。
“维纳斯”是一种集成软硬件的机顶盒装置,它通过廉价的费用,使电视成为电脑的显示器,从而实现电脑的互联网应用功能。
但是由于机顶盒并不能适应国内市场的应用需要,虽然在微软的强大影响下,电脑厂商也拿出了积极配合的姿态,但在机顶盒装置热闹一阵之后,就趋于势微,并没有形成微软期望的市场规模。
但是在这一连串的市场运作之后,直接地影响了家用电脑的大规模普及。
而随着家用电脑的开始普及,家用电脑的应用迫切需要扩展。
在这个时候,长期观察IT行业的家电企业开始介入电脑制造业,海信、TCL、厦华等企业开始大规模地进入IT行业,在家电领域重量级厂商的影响下,智能家电的概念逐步清晰起来,智能家电的研究和开发出现了新的高潮。
而从事家庭网络研究的组织有很多,影响比较大的有ITU-T、IEEE、ETSI、OSGI、OMA、DSLForum、DLNA、ECHONET等国际或国外标准化组织,国内有中国通信标准化协会(CCSA)、闪联联盟、e家佳联盟等。
每个组织都有一系列企业作为其技术支持队伍,每个组织制定的家庭网络的标准侧重点不同,它们既重合又交叉,既互补又竞争。
所有的标准都是从其成员的利益出发,规范技术的一般要求、性能指标,并不涉及具体的实现技术。
其中的e家佳所提出的标准涵盖了家庭网络主干网通信协议规范、家庭网络系统体系结构及参考模型、家庭网络控制子网通讯协议规范、家庭网络控制子网一致性测试规范等一系列共六项标准。
国内外的公开相关论文、报告文献也不少,如有基于UC/OS的嵌入式系统,基于UCLINUX的嵌入式家庭网关等,其特点是功能较单一,价格较低廉,不能适应新的业务需要,目前投入使用相关产品主要如下:
(1)NEYWELL公司的智能家庭产品:
它可以通过设在家庭内的控制面板、电话或连网的计算机来监控智能家居的报警系统、照明系统、智能家电和智能调温设备。
(2)STARGATE的家居自动化系统:
它可集中控制照明、报警、室温调节、家庭影院、视频/音频、语音邮件、监控、灌溉等系统,还允许通过网络更新控制程序,无需通过更换EPROM就可完成软件的升级。
(3)NI智能家居系统:
主要有三类产品,OMNILT,OMNI,OMNIPRO,分别适用于普通家庭、办公室及高级住宅。
可用于协调控制这些地方的照明、调温、保安等系统。
所有OMNI产品都配有内置的串口,可用来与Internet连接。
用户可借助于公司的软件Web-Link,通过网络对控制器进行设置。
(4)ALDELUXE智能家居系统:
它在PC机上集成了家居系统的所有控制,包括电灯、设备、空调系统、电话、保安系统、家庭影院和互联网系统等。
用户可以在任意地点通过声控实现对这些系统的控制。
由于公司是通过房间里现有的电源线从PC机上传送命令,用户不需要对房间进行重新布线。
(5)Vantage家居自动化系统:
用户可以控制照明、保安、音频/视频、制冷/保暖、窗帘、水泵、喷泉和汽车等系统。
1.5智能家电远程控制系统的设计目标
随着网络技术和智能家用电器设备的飞速发展,越来越多的家庭对于家居生活已经不满足于简单的豪华装饰,而转向更加便捷的智能家电体系,要求建立能实现所有电器设备互连互通的家庭网络,并通过家庭网关将所有家电设备连接到Internet的服务,从而实现随时随地的远程控制。
其中家庭网关是整个家庭网络的核心,它主要实现Internet接入、远程控制,以及连接家庭内部异构子网的功能,是当前网络技术研究的热点之一,而智能家电是电子行业正在重点研究、积极推广的、面向即将到来的巨大市场的新一代家用电器产品。
本设计正是立足于两者的结合,是面向最新热点技术的、有着巨大市场潜力的实用型应用开发课题。
1.6论文的组织结构
第1章主要介绍远程智能家电控制系统研究与设计的含义、功能、特点及发展状况。
第2章主要是比较传输控制方案之后,对基于IP电话的远程智能家电控制系统的整体构思。
第3章是完成基于S3C2410ARM芯片的整体硬件设计。
第4章是实现嵌入式系统的软件设计,包括以LINUX操作系统对S3C2410ARM芯片驱动程序的开发,和用WINCE操作系统对IP电话软件设计和服务器软件设计程序的开发,其后是结论、文献等。
1.7本章小结
本章的作用是对智能家电的诠释,使读者对智能家电有一定的了解,对智能家电的未来有自己的看法。
通过此章,并希望读者对智能家电的发展给予关注和支持。
第2章系统总体设计
目前传输控制家电的方式有很多,比如:
红外手遥控传输、GSM传输控制等。
其主流的数据传输技术有:
2.1基于电力载波PLC通迅技术
所谓PLC,即电力线通信,是指利用电力线传输数据和语音信号的一种通信方式。
该技术是把载有信息的高频信号加载于电流,然后用电线传输,接受信息的调制解调器再把高频从电流中分离出来,并传送到计算机或电话,以实现信息传递。
该技术在不需要重新布线的基础上,在现有电线上实现数据、语音和视频等多业务的承载但是,这种方案对于主要是针对北美电网设计的,由于我国电力网,环境恶劣,PLC通信对电网产生干扰,我国一些地方电力部门禁止使用PLc通信。
2.2基于蓝牙通讯技术
蓝牙通讯是一种低功率短距离的无线连接技术,其设计初衷就是将智能移动电话与笔记本电脑、掌上电脑以及各种数字化的信息设备都能不再用电缆,而是用一种小型的、低成本的无线通信设备连接起来,进而形成一种个人身边的网络,使得在其范围之内各种信息化的移动便携设备都能无缝地实现资源共享。
现在国外有学者把它引入到智能家电控制中。
蓝牙通讯最大传输距离为10米,传输距离有很大的限制,而且不能在多房间进行传输。
使用蓝牙技术进行通信的设备,分为“主叫方”和“受取方”。
主叫方只能同时与7台受取方通信,在家电数量众多的现代家庭中,这一限制影响了家庭控制网络的构建。
2.3基于internet技术的智能家电控制
Internet技术的成熟,使得很多研究者致力于将该技术引入到智能家电遥操作领域。
但因特网不是实时通信网,它采用的分组交换方式存在“时延”问题。
“时延”是从信息发出到信息收取经过的时间。
因特网传输的为数字编码信号,要把数字化的信号分组、打包,还要用存储—转发的路由方式传送;在接收端还要解码、复原等,因此增加了很多如编码、解码、缓存等时延。
如果遇到网路拥挤的情况,等待转发可能导致随机时延,甚至还会造成数据分组丢失。
传统的控制系统中,监督命令和反馈信号都是基于时问变量的。
而基于因特网的智能家电遥操作系统的控制端和被控制端很难在时间上保持同步,这样会引起整个系统的不稳定,如果不加改进地引入到智能家电控制领域,将存在一定的安全隐患。
2.4基于IP电话
IP电话,就是在internet网上通过TCP/IP协议或UDP协议传送语音信息的电话系统。
最初的IP电话技术,只是计算机对计算机的语音传输技术。
双方用户都通过internet联网,这种方法同时要具备IP电话软件、音频卡、麦克风和扬声器等设备。
比如我们常用的有:
微软公司的MSN、腾讯公司的QQ等。
虽然能通话,但PC机体积大、价格高,因此使用范围很单一,还算不上是真正的IP电话。
近年来,美国一些大公司推出了用因特网传送国际长途电话的业务,实现了从普通电话机到普通电话机的IP电话。
IP电话已经通过网关把因特网与传统电话网联系起来,用户可以和普通电话用户一样,只要有电话机就能打IP电话,而通话费用远比普通电话的低。
以一种以嵌入式IP电话为控制中心的智能家电网络接入因特网的方案,采用串口对各智能家电进行网络互联,这样能通过IP电话对控制节点进行远程控制。
同时各智能家电能通过IP电话这个控制中实现协同工作。
对智能家居来说,其意义在于采用电话就可以随时随地监控家电的运行情况。
虽然家庭子网串口通信的方式增加了少量布线,但增强了其隐定性,避免了大量无线设备的使用,从而降低了成本,而且也便于智能家电使用统一的硬件接口方案,对各种不同的家电只要修改相应的控制软件就可以满足实际需求。
尽管我国智能家居在有关核心技术、独立产品等多方面落后于发达国家,但由于国内外都处于探索阶段,尚未形成垄断,同时国内又有潜在的庞大的消费群体。
因此,通过计算机网络技术和嵌入式技术把IP电话与智能家电有机结合,在后PC时代IT产业发展中有广阔的发展前景。
基于以上各方案的优缺点中,本论文以基于IP电话传输控制的方向深入。
以ARMS3C2410芯片IP电话硬件设计的原因是:
S3C2410是16/32位RISC处理器,面向高性价比、低功耗的手持设备。
S3C2410有S3C2410X和S3C2410A两个型号,A型是X型的改进型,具有更好的性能和更低的功耗。
传统的CISC复杂指令集计算机结构处理器设计复杂,指令集使用率不高。
而RISC精简指令集计算机优先选取使用频率最高的简单指令,避免复杂指令,将指令长度固定,指令格式和寻地方式种类减少。
ARM处理器是基于RISC技术的,它共有37个32位寄存器,被分为若干个组,这些寄存器包括:
31个通用寄存器,包括程序计数器。
6个32位状态寄存器,用以标识CPU的工作状态及程序的运行状态。
同时,ARM处理器又有7种不同的处理器模式,在每一种处理器模式下均有一组相应的寄存器与之对应。
在所有的寄存器中,有些是在7种处理器模式下共用同一个物理寄存器,而有些寄存器则是在不同的处理器模式下有不同的物理寄存器。
在任意一种处理器模式下,可访问的寄存器包括15个通用寄存器(R0~R14)、一至两个状态寄存器和程序计数器。
S3C2410芯片是三星公司推出的32位RISC处理器,适用于手持设备,数字多媒体播放设备等具有低价、低功耗和高性能等特点。
采用ARM920T内核,具有以下特点:
5级整数流水线,提供1.1MIPs/MHz的哈佛结构,支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集,支持32位的高速AMBA总线接口,全性能的MMU,支持windowsCE、Linux等多种主流嵌入式操作系统,支持数据cache和指令Cache。
基于ARM920T内核的优点是,支持ARM和Thumb指令集,芯片内集成丰富外设。
ARM920T采用了MMU,AMBA总线和Harvard高速缓存体系结构,该结构具有独立的16KB指令Cache和16KB数据Cache,每个Cache都是由8字长的行组成的。
S3C2410A提供一组完整的系统外围设备接口,从而大大减少了整个系统的成本,省去了为系统配置额外器件的开销。
S3C2410A集成的片上功能包括:
(1)内核电压1.8V/2.0V,存储器电压3.3V,外部I/O电压3.3V;
(2)具有16KB的I-Cache和16KB的D-Cache以及MMU;
(3)外部存储器控制器(SDRAM控制和片选逻辑);
(4)LCD控制器(最大支持4K彩色STN和256K彩色TFT)提供1通道LCD专用DMA;
(5)4通道DMA并有外部请求引脚端;
(6)3通道UART(IrDAl.0,16字节TxFIFO和16字节RxFIFO)/2通道SPI;
(7)1通道多主设I2C总线和1通道I2S总线控制器;
(8)版本1.0SD主接口和2.11兼容版MMC卡协议;
(9)2个USB主设接口/1个USB从设接口(版本1.1);
(10)4通道PWM定时器和1通道内部定时器;
(11)看门狗定时器;
(12)117位通用I/O口和24通道外部中断源;
(13)电源控制模式有正常、慢速、空闲和电源关断4种模式;
(14)8通道10位ADC和触摸屏接口;
(15)具有日历功能的RTC;
(16)使用PLL的片上时钟发生器。
下面是S3C2410内核的ARM920T的内部原理图:
ARM920T原理图
S3C2410ARM内部结构图:
S3C2410ARM结构图
下面是系统电路与外围接口电路总体设计框图:
.
2.5本章小结
该章结意在选出最佳的远程数据传输控制方式。
比较几种传输控制方式的优缺点,综合考虑再三,最终决定以S3C2410ARM芯片设计的IP电话做为远程控制方式,实现了低成本、多功能、安全便捷的远程智能家电。
第3章电路硬件设计
在运行操作系统之前,需要对系统的软硬件资源进行合理的配置与管理。
这个功能是由BootLoader来完成的。
在嵌入式系统中,BootLoader的作用与Pc机上的BIOS类似,通过BootlLoader可以完成对系统板上的主要部件如CPU、FLASH、SDRAM、串行口等进行初始化,从而为操作系统的运行创造良好的环境。
同时也可以下载文件到系统板、对FLASH进行擦除与编程。
B00tLoader作为系统复位或上电后首先运行的代码,存放在起始物理地址为oX0开始的FLASH存储器中。
本系统采用SST公司的SST39VFl60l型线性NORFLASH存储BootLoader,由并NGcCSO片选信号用于启动引导。
这样当系统启动时Ox0地址程序开始运行。
由于IP电话中运行的操作系统为WINCE,整个系统镜像文件大约30M,因此采用三星公司K9F1208非线性NANDFLAsH芯片存储,由ARM的NANDFLASH控制器对它进行读写操作。
系统时钟采用外部12MHz晶振,RTC采用32768Hz晶振。
3.1电源电路
由于ARM2410需要1.8V和3.3V两组电源,所以采用sPXlll7M3.1.8型LDO芯片产生稳压电源。
核心板需要扩展板提供一组3.3V电源,1.8V内核电源则由核心板上的LDO芯片产生,电路如图:
3.2复位电路
在核心板的复位电路中使用了MAX809TD作为电源监控复位芯片,以提高系统的可靠性,电路原理如图:
3.3时钟模块
采用MPLL产生最大266MHz操作MCU所需的时钟,UPLL产生操作USBHOST和USBDEVIEE的时钟,本设计中选择外接12MHz无源晶振,作为系统MPLL和USBUPLL的基准输入时钟总线时钟,再经内部PLL最终产生MCU的工作时钟。
RTC通过外接的32.768KHz晶振工作,用于计时或者与时间相关的功能,在没安装外接电池的情况下,断电再上电后需要对时间进行重新设置。
原理如图所示:
3.4网卡接口模块
硬件上要完成DM9000与ARM芯片S3C2410三大总线连接,以及DM9000与网络变压器YL18-2050S(或YL37-1107S)+以太网水晶接头RJ45的连接。
基于ARM嵌入式系统和以太网的接口如图:
DM9000与S3C2410连接:
实现DM9000与S3C2410连接,必须对两者间的数据、
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