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摘要：闡述了基于M2M 技術(shù)的智能家居系統(tǒng)和數(shù)字顯示終端的設(shè)計(jì)原理與方案，介紹了數(shù)字顯示終端的硬件實(shí)現(xiàn)和軟件實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)解決了數(shù)字顯示模塊的組網(wǎng)問題。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、嵌入式處理技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無線控制技術(shù)的發(fā)展， 給智能家居領(lǐng)域的發(fā)展帶來了實(shí)際可行的應(yīng)用成果。同時(shí)， M2M 技術(shù)的應(yīng)用使智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加人性化。
目前， 國(guó)內(nèi)外很多公司的智能家居系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的室內(nèi)電氣設(shè)備的控制和各種計(jì)量設(shè)備（煤氣、水和電） 的無線抄表， 但許多公司的智能家居系統(tǒng)還缺乏一種可以迅捷地進(jìn)行室內(nèi)電氣設(shè)備工作狀態(tài)檢測(cè)和控制以及可供用戶隨時(shí)查詢、記錄抄表數(shù)據(jù)的手持智能顯示終端。筆者設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)數(shù)字顯示終端是一個(gè)基于ZigBee 技術(shù)和USB OTG 技術(shù)的用戶和智能家居系統(tǒng)互動(dòng)的媒介，可有效地幫助用戶實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和抄表數(shù)據(jù)查詢。
1 數(shù)字顯示終端
數(shù)字顯示終端是基于M2M 技術(shù)的智能家居系統(tǒng)唯一最終面向用戶的部分。采用ZigBee 技術(shù)和USB OTG 技術(shù)完成對(duì)無線設(shè)備的監(jiān)控和抄表數(shù)據(jù)的查詢、記錄。
1.1 基于M2M 技術(shù)的智能家居系統(tǒng)
基于M2M 技術(shù)的智能家居系統(tǒng)主要通過Zig-Bee 技術(shù)與相關(guān)的無線設(shè)備組建無線局域網(wǎng)， 采集無線傳感器的數(shù)據(jù)和輸出控制信號(hào)， 并由塢站將采集到得數(shù)據(jù)匯總封裝后通過M2M網(wǎng)關(guān)和Internet傳送到提供相關(guān)家居服務(wù)的公司的服務(wù)器上。它主要由5部分組成： 低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)匯總傳輸系統(tǒng)（又稱塢站）， 數(shù)字顯示終端， M2M網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器， 并主要使用在居家能源管理和居家自動(dòng)化兩個(gè)方面。
1） 居家能源管理。塢站將管理安裝在家庭中的幾個(gè)低功耗無線傳感器（煤氣、水和電）。所有塢站從無線傳感器采集到的信息在對(duì)接模式時(shí)被傳送給數(shù)字顯示終端。數(shù)字顯示終端將使用文字、圖形、圖標(biāo)和圖片把這些信息顯示出來。
2） 居家自動(dòng)化。這種情況類似于居家能源管理， 只是其使用的無線傳感器可以管理輸入輸出信號(hào)以控制室內(nèi)電氣設(shè)備， 如門窗、室內(nèi)照明等設(shè)備。
本套智能家居系統(tǒng)主要將M2M 技術(shù)融合在網(wǎng)關(guān)， 而最終面向用戶的只是數(shù)字顯示終端（見圖1）。
1.2 數(shù)字顯示終端的設(shè)計(jì)原理與方案
數(shù)字顯示終端是智能家居系統(tǒng)與用戶互動(dòng)的關(guān)鍵部分， 通過ZigBee 技術(shù)與安裝在室內(nèi)的低功耗無線設(shè)備建立無線局域網(wǎng)， 監(jiān)控?zé)o線設(shè)備的工作狀態(tài)， 并通過USB OTG 高速數(shù)據(jù)傳輸接口與塢站連接， 將塢站采集到的抄表數(shù)據(jù)以圖、表或文字的形式顯示出來， 同時(shí)將檢測(cè)到的室內(nèi)低功耗無線設(shè)備的工作狀態(tài)發(fā)送到服務(wù)器， 供用戶遠(yuǎn)程登錄服務(wù)器監(jiān)測(cè)和控制低功耗無線設(shè)備。數(shù)字顯示終端工作在兩種模式下， 一種是對(duì)接模式進(jìn)行， 即通過USBOTG 高速數(shù)據(jù)傳輸接口和塢站連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；另一種是移動(dòng)模式， 即不與塢站連接的工作狀態(tài)，這時(shí)它只能檢測(cè)和控制相關(guān)低功耗無線設(shè)備。USBOTG 接口不僅可以傳輸數(shù)據(jù)， 當(dāng)數(shù)字顯示終端與塢站對(duì)接時(shí)， 可以通過USB OTG 接口給數(shù)字顯示終端的蓄電池充電。
數(shù)字顯示終端主要由無線模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)傳輸接口、電源部分和用戶導(dǎo)航鍵6 部分組成（見圖2）。
2 數(shù)字顯示終端的實(shí)現(xiàn)
數(shù)字顯示終端處理器選用LPC1758.LPC1758是一款基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核的處理器， 集成了USB2.0 功能， 包括USB 主機(jī)、USB 從機(jī)和USBOTG， 擁有512 KB 的Flash 和64 KB 的SRAM.無線模塊選用的是ZICM2410P0-1 模塊。顯示模塊選用DMT32240T035_01WN 模塊。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊選用4 GB 的FLASH 存儲(chǔ)器， 也可升級(jí)為16 GB 的存儲(chǔ)空間。因處理器已集成OTG 功能， 所以由處理器和USB 收發(fā)器芯片ISP1302 共同組成數(shù)據(jù)傳輸結(jié)論。
導(dǎo)航鍵具有上下左右導(dǎo)航和選擇鍵。電源部分選用可通過USB 接口充電的蓄電池（5 V~500 mA）， 電池容量最小為600 mA/h， 全功能模式供電24 h，休眠模式供電240 h.數(shù)字顯示終端的軟件部分是由μCOS-II 實(shí)現(xiàn)。
2.1 數(shù)字顯示終端的硬件實(shí)現(xiàn)
數(shù)字顯示終端（見圖2） 由6 部分組成， 其中主要是無線模塊和數(shù)據(jù)傳輸接口的實(shí)現(xiàn)。
1） 無線模塊的實(shí)現(xiàn)。無線模塊是基于ZiGBee技術(shù)的， 該技術(shù)是一種在900 MHz 及2.4 GHz 頻段， 近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)。它由ZICM2410P0-1 芯片和外圍電路組成（包括上電復(fù)位電路和工作指示電路）。
ZICM2410 芯片包括多個(gè)通用I/O 引腳、定時(shí)器、UART 和SPI 等， 而且還有硬件語(yǔ)音編解碼器，獨(dú)有的IIS/SPI/UART 音頻輸入輸出接口， 擴(kuò)展出500 KB/s 或1 MB/s 的無線傳輸速率， 通過PCB 走線構(gòu)成天線， 103 dB 的射頻鏈路預(yù)算， 1.5 V 時(shí)RX靈敏度為-97 dB/m， 1.5 V 時(shí)射頻TX 功率為+6 dB/m.在外圍電路的設(shè)計(jì)中， 通過ZICM2410 的UART與LPC1758 處理器連接， 為了保證程序的穩(wěn)定性和射頻性能， 采用了復(fù)位芯片CAT809E， 無線模塊采用F 型天線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 支持全向輻射模式。為了保證天線的性能發(fā)揮， 數(shù)字顯示終端的主板上要有足夠多的接地面， 并且不要在模塊的天線下方布線，確保PCB 走線和其他元件遠(yuǎn)離天線。
2） 數(shù)據(jù)傳輸接口的實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)傳輸接口的電路主要是由處理器芯片LPC1758 和USB 收發(fā)器芯片ISP1302 組成， 接口插頭選用Mini-A 插頭。處理器LPC1758 集成了USB2.0 功能， 支持OT 模式， 數(shù)據(jù)傳輸接口電路。
LPC1758在設(shè)計(jì)USB OTG接口電路， 需要外接1個(gè)USB收發(fā)器ISP1302，LPC1758和ISP1302通過I2C總線連接通信，LPC1758內(nèi)部的收發(fā)器負(fù)責(zé)控制USB信號(hào)切換， 而ISP1302 負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)OTG 功能。此時(shí)，LPC1758內(nèi)部的收發(fā)器在VP/VM模式下工作。
3） 其他部分的硬件實(shí)現(xiàn)。數(shù)字顯示終端其他部分還包括顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、電源部分和用戶導(dǎo)航鍵。DMT32240T035_01WN 顯示模塊集成的功能非常齊全， 它通過RS232 直接和處理器LPC1758 連接， 但在電源的處理上要確保最終接到顯示模塊上的電壓不低于5 V.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊選用KFW4G16Q2M-DEB6 NAND FLASH.用戶導(dǎo)航鍵采用普通薄膜式按鍵。電源部分選型比較重要， 作為數(shù)字顯示終端的能量來源， 不僅要滿足顯示模塊的電壓5~6 V， 電流不低于130 mA， 而且能接受USB接口充電， 電池容量不低于600 mA/h.
2.2 數(shù)字顯示終端的軟件實(shí)現(xiàn)
數(shù)字顯示終端的操作系統(tǒng)選用μCOS-II 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它是一種簡(jiǎn)單高效、源代碼公開的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)， 具有良好的擴(kuò)展性和可移植性， 被廣泛應(yīng)用到各種嵌入式處理器上。
μC/OSII 的核心源代碼不用修改， 移植中需要修改的是涉及處理器的OS_CPU_C.C， OS_CPU_A.
ASM， OS_CPU.H 三個(gè)文件。
1） OS_CPU.H 文件包含μC/OSII 所需要的常量、宏和自定義類型等。
OS_CPU.H 定義的數(shù)據(jù)類型。在這次移植中μC/OSII 重新定義了數(shù)據(jù)類型。
typedef unsigned char BOOLEAN;
typedef unsigned char INT8U;
typedef signed char INT8S;
typedef unsigned short INT16U;
typedef signed short INT16S;
typedef unsigned int INT32U;
typedef signed int INT32S;
typedef float FP32;
typedef double FP64;
typedef unsigned int OS_STK;
typedef unsigned int OS_CPU_SR.
不同處理器的堆棧增長(zhǎng)方向是不一樣的，LPC1758 的堆棧是從高地址往低地址增長(zhǎng)的，OS_STK_GROWTH設(shè)為1， 程序?yàn)椋?/p>
#define OS_STK_GROWTH 1.
2） OS_CPU_C.C文件。在OS_CPU_C.C定義的C函數(shù)中，OSTaskStkInit（）函數(shù)與處理器相關(guān)，所以移植代碼需要修改該函數(shù)。其程序?yàn)椋ǔ跏蓟蝿?wù)時(shí)調(diào)用此函數(shù)初始化任務(wù)使用的堆棧）。
OS_STK * OSTaskStkInit （void （*task） （void
*p_arg），void *p_arg，OS_STK *ptos，INT16U opt）
{
OS_STK *stk;
?。╲oid） opt; //防止編譯警告
stk=ptos; //裝載棧頂指針， 即堆棧數(shù)組最后的地址模擬中斷發(fā)生的堆棧情況
*（stk）=（INT32U）0x01000000L; //xPSR
*（stk）=（INT32U）task; //PC， 任務(wù)入口
*（stk）=（INT32U）0xFFFFFFFEL; //R14（LR）
*（stk）=（INT32U）0x12121212L; //R12
*（stk）=（INT32U）0x03030303L; //R3
*（stk）=（INT32U）0x02020202L; //R2
*（stk）=（INT32U）0x01010101L; //R1
* （stk） =（INT32U）p_arg; //R0， 輸入參數(shù)p_arg 模擬任務(wù)進(jìn)程， 保存其他寄存器到堆棧
*（stk）=（INT32U）0x11111111L; //R11
*（stk）=（INT32U）0x10101010L; //R10
*（stk）=（INT32U）0x09090909L; //R9
*（stk）=（INT32U）0x08080808L; //R8
*（stk）=（INT32U）0x07070707L; //R7
*（stk）=（INT32U）0x06060606L; //R6
*（stk）=（INT32U）0x05050505L; //R5
*（stk）=（INT32U）0x04040404L; /R4
return（stk）；
}
3） OS_CPU_A.ASM 文件。μC/OSII 的移植需要編寫5 個(gè)簡(jiǎn)單的匯編語(yǔ)言函數(shù)。
OS_ENTER _CRITICAL （）： 關(guān)閉中斷源；
OS_EXIT_CRITICAL （）： 重開中斷源；
OSStartHighRdy （）： 運(yùn)行當(dāng)前優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)；
OSCtxSw （）： 一個(gè)任務(wù)放棄CPU 使用權(quán)時(shí)調(diào)用；
OSIntCtxSw （）： 在退出中斷服務(wù)函數(shù)OSIntExit（） 中被調(diào)用， 實(shí)現(xiàn)中斷級(jí)任務(wù)切換。
LPC1758使用OSPendSV（）函數(shù)快捷地進(jìn)行上下文切換。OSPendSV（）的C語(yǔ)言表述程序?yàn)镺SPendSV： 關(guān)中斷；
if （PSP ！ =NULL）
{
//保存R4~R11 到任務(wù)堆棧SP_process;
OSTCBCur》OSTCBStkPtr = SP_process;
}
OSTaskSwHook （）；
OSPrioCur = OSPrioHighRdy;
OSTCBCur = OSTCBHighRdy;
PSP = OSTCBHighRdy》OSTCBStkPtr;
//從新任務(wù)堆棧中恢復(fù)R4~R11;
/恢復(fù)中斷；
//異常返回；
完成上述工作后， 只要再根據(jù)目標(biāo)板的實(shí)際情況編寫Target 目錄中的3 個(gè)文件， μC/OSII 就可以運(yùn)行在處理器上了。
3 重點(diǎn)解決數(shù)字顯示模塊的組網(wǎng)問題
1） 角色介紹。ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)定義了3 種角色， 分別是協(xié)作員、路由和端節(jié)點(diǎn)。
協(xié)作員（coordinator） 負(fù)責(zé)啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)， 它是網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)設(shè)備， 協(xié)作員選擇一個(gè)信道和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)ID， 隨后就可以啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。
路由（router） 的功能是允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)， 協(xié)助網(wǎng)絡(luò)中其他終端設(shè)備通信。
端節(jié)點(diǎn)（end device） 沒有特定的維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的責(zé)任， 它可以選擇睡眠或喚醒兩種工作狀態(tài)， 功耗小， 可使用電池供電。
2） 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)有星型網(wǎng)、簇型網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)3 種組網(wǎng)方式（見圖3）。如果直接使用IEEE 802.15.4 底層的還有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)模式兩種組網(wǎng)方式（見圖4）。
智能家居系統(tǒng)綜合運(yùn)用了星型網(wǎng)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)模式的組網(wǎng)方式。由塢站作為路由， 負(fù)責(zé)管理整個(gè)家居系統(tǒng)構(gòu)建的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)， 其他低功耗無線傳感器、無線控制設(shè)備和數(shù)字顯示終端作為端節(jié)點(diǎn)。其中低功耗無線傳感器、數(shù)字顯示終端與塢站采用星型網(wǎng)組網(wǎng)方式， 數(shù)字顯示終端和無線控制設(shè)備采用點(diǎn)對(duì)多模式（見圖5）。
4 結(jié)束語(yǔ)
數(shù)字顯示終端通過采用ZigBee 技術(shù)和USB OTG技術(shù)， 實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)低功耗無線設(shè)備的穩(wěn)定監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)， 并以友好的用戶界面和便攜性能改進(jìn)了智能家居系統(tǒng)和用戶的交流方式， 使用戶能更加方便地監(jiān)控到家用低功耗無線設(shè)備的工作狀態(tài)和查詢抄表數(shù)據(jù)。
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論