基于ARM7的遠程智能住宅控制裝置的研制

摘要：隨著網絡技術和通信技術的不斷發展以及人們對生活要求的不斷提高，實現家庭智能的遠程控制已經成為必然的趨勢。本文采用嵌入式系統、GPRS通訊技術和RS485總線技術相結合的方式，研制了一種操作簡單且成本較低的遠程智能家電控制系統。通過該系統，可以將家中的電器、防盜系統、水電系統有機的結合起來，實現對家用電器和各個子系統的智能管理。同時能通過短信等方式，實現對家庭系統的遠程監控。
關鍵詞：家庭控制裝置；ARM7；89C52

1 總體方案設計
　　如圖l所示。智能家電控制系統由家庭智能控制模塊、家庭內部網絡系統、以及GPRS模塊等幾部分構成。

　　(1)家庭智能控制器：該部分是系統的核心。采用嵌入式系統設計，能夠自動運行、處理數據，通過RS485總線管理和控制家庭系統。并且控制器通過GPRS模塊，實現家庭系統與外部網絡的通訊，使用戶可以通過短信和互聯網等方式實現家庭系統的遠程控制，同時，控制器還通過鍵盤和顯示屏為用戶提供人機界面，方便用戶實現本地控制。
　　(2)家庭系統：家庭系統通過單片機組成若干小的控制系統控制各家用設備，并通過統一的控制總線將這些小的控制系統組成網絡，連接到家庭智能控制器，受家庭智能控制器控制。
　　家庭智能控制器系統的具體功能包括：
　　(1)家用設備的數據采集：采集家用設備包括室內溫度、燈具家電、防盜門等設備的狀態數據，經控制器處理后反饋給用戶。
　　(2)本地控制：用戶通過控制器上的鍵盤和顯示屏，對家用設備進行監控。
　　(3)遠程控制：遠程用戶可以通過發送手機短信或通過互聯網對家庭系統進行控制和查詢。
　　(4)自動報警：當控制器檢測到非法闖入或溫度超高等報警信號時，及時觸發室內報警裝置，并通過發送報警短信等方式及時通知用戶。
　　(5)溫度查詢：用戶可以通過控制器查詢室內溫度。
　　(6)紅外家電控制：接收用戶命令，通過紅外發射電路控制電視、空調等紅外可控的家電設備。

2 系統硬件設計
2．1 硬件系統結構
　　本文選用三星公司S3C4480芯片作為控制器的中心控制模塊，負責和GPRS通信模塊、家庭系統模塊、數據存儲、鍵盤、顯示屏等模塊進行通訊以及系統的數據采集和處理。主要分為家庭智能控制器和家庭系統兩部分。
2．2 智能住宅家庭控制裝置的硬件設計
　　控制器的電路設計部分主要分為如下幾個模塊：
　　(1)ARM處理器S3C44B0的外圍電路模塊：包括電源管理、鍵盤、顯示屏以及SDRAM、Flash等數據及程序存儲設備。
　　(2)GPRS通信模塊及其外圍電路設計：GPRS模塊用于實現遠程用戶與控制終端的數據傳送，本文選用了西門子公司的MC35I模塊。其外圍電路設計主要完成了MC35模塊的供電部分，數據傳送、模塊啟動和關閉及工作模式指示等部分的電路設計。
　　(3)串口擴展：GPRS modem撥號上網需要處理器為其提供完整的9線串口，而S3C4480只提供了3線串口。因此本文通過外接雙通道的通用異步收發器ST16C2550擴展了完整的9線串口擴展。
　　(4)RS485轉換器：通過TI公司的RS485接口芯片75LBCl84，實現了S3C4480(單片機)串行口的TTL電平與RS485電平之間的轉換，該芯片的輸入阻抗為RS485標準輸入阻抗的2倍(≥24kΩ)，故可以在總線上連接64個節點。
2．2．1 ARM處理器的外圍電路設計
2．2．1．1 開發板資源的使用
　　開發板提供了豐富的外部資源，下面對除了電源、時鐘源、復位電路等必要配置外，系統使用到的部分資源作簡要介紹：
　　外部存儲器配置：2MB Flash、8MB SDRAM，為系統數據、程序和操作系統內核的存儲和運行提供存儲空間。
　　擴展網口：10M網口，RTL8019AS，該部分用于從PC機上下載操作系統內核和應用程序。
??? LCD接口(帶LCD顯示屏)：320×240，STN，16級灰度，最大可接640×480256色。
??? 鍵盤：鍵盤和LCD接口用于為用戶提供本地控制的人機交互界面。
??? 串口：兩個標準RS232接口。用于和PC機連接，通過超級終端進行系統調試。
??? JTAG接口：利用JTAG仿真器可以通過JTAG邊界掃描口進行在線仿真。目前JTAG有兩種標準，即14針接口和20針接口，開發板采用的是標準14針JTAG接口，支持ARM7全系列處理器，支持STD，并口連接，支持網絡調試功能。

??? 蜂鳴器：作為室內的報警信裝置。
2．2．1．2 系統存儲器的分配
??? S3C44B0支持數據存儲的大／小端選擇(通過外部引腳進行選擇)；具有8個存儲體，每個存儲體可達32MB，總共可達256MB；對所有存儲體的訪問大小均可以改變(8位／16位／32位)；8個存儲體中，Bank0～Bank5可以支持ROM、SDRAM；Bank6、Bank7可支持ROM、SRAM和SDRAM等；7個存儲體的起始地址固定，1個存儲體的起始地址可變。
??? 開發板中Flash選用SST39VFl60，lM×16位，作為程序存儲器主要用于替代ROM，必要時也可以存儲部分重要數據。開發板中SDRAM芯片選用HY57V641620，4M×16bit，存儲容量為8MB。用SDRAM當作系統內存。
2．2．2 GPRS模塊NC35及其外圍電路設計
2．2．2．1 MC35模塊
??? MC35是Siemens公司推出的新一代無線通信GPRs模塊，主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊(ASIC)、閃存、ZIF連接器、天線接口六部分組成。
2．2．2 MC35外圍電路設計
??? (1)MC35I電源電路
??? 模塊要求單一電源供電，提供3．3～4．8V的電壓(標準輸入為4．2v)、2A的電流。本文選用LM2576ADJ為模塊提供電源，該芯片為降壓式開關電壓調整器，電壓的輸入范圍為：lO～40V，選用12V(通過220V轉12V變壓器得到)輸入，輸出為4．5V。供電部分電路設計如圖2所示。

??? (2)啟動和關機電路
??? 啟動電路由開漏極三極管和上電復位電路組成。本文用程控方式實現，其電路圖如圖3所示，其簡化電路如圖4所示。
??? 第一種方式為手動控制方式，電路如圖3所示，主要用于MC35I模塊的單獨調試，當S1被按下時Q3基極為高電平，Q3導通，使IGT腳電壓被拉低，啟動模塊。

??? 關機電路通過三極管給該腳一個大于3．5s的低電平，可以關閉GPRS模塊。電路圖設計與圖3類似。
2．2．2．3 數據通信電路
??? 電氣特性方面MC35模塊的串口采用的是ITU—TV．24協議，和RS232電平并不兼容。因此需要進行電平轉換。
??? 本系統中我們使用TI公司的MAX3238電平轉換芯片。數據通信電路設計如圖5所示。

2．2．2．4 SlM卡電路
??? MC35I還提供了6個SIM卡電路接口，SIM卡讀卡器的電路連接圖如圖6所示：

2．2．3 串口擴展模塊
??? 為了實現家庭智能控制器的網絡遠程控制，需要通過GPRS modem MC35實現撥號上網。本設計選用過AT公司的ST16C2550完成串口擴展，ST16C2550與ARM處理器的電路連接圖如圖7所示。

??? 此外，ST16C2550的串口輸出為TTL電平，這里使用MAX3238將電平轉化為串口的RS232電平。
2．2．4 RS485接口電路
??? 本系統設計的家庭智能控制器，家庭內部網絡布線采用RS485總線。由于ARM處理器44B0和單片機(文中選用的Atmel公司的AT89C52)都沒有提供現成的RS485總線接口，因此需要選擇轉換芯片實現接口的轉換。本系統選用了TI公司生產的一種RS485接口芯片75LBC184。
2．2．4．1 RS485接口電路設計
??? 44B0和單片機的串口輸出都為TTL電平，因此44B0和單片機與75LBC184的連接電路一致，其電路圖如圖8所示。

2．3 家庭系統模塊
??? 家庭智能系統集家電控制、安全防范、娛樂休閑等多功能于一體。本文在家庭系統模塊實現了紅外家電控制、溫度報警模塊，每個模塊都由單片機作為控制器構成，并通過單片機連接RS485總線組成家庭網絡，并最終受家庭智能控制器控制。
2．3．1 紅外家電控制模塊
??? 紅外家電控制模塊主要用于控制一些設備內含有紅外接收芯片的家用電器。
2．3．1．1 紅外發射電路設計
??? 紅外發射電路中采用的紅外發射器件是塑封的TSAL6200紅外發射二極管，紅外脈沖串的寬度和間隔由單片機通過I／O口輸出的高低電平的時間間隔來控制，調制電路是74LS123的兩個單穩態觸發器U2A和U2B級聯構成的可控振蕩器。其電路圖如圖9所示。

2．3．1．2 紅外接收電路設計
紅外接收采用HS0038B紅外接收器，電路設計如圖10所示。

2．3．2 溫度報警器模塊
??? 溫度測試和報警裝置在家用設備中是非常必要的。很多家用設備可以通過智能控制器讀取溫度信號進行自主調節，當室內發生火情等緊急情況，可以通過溫度測試及時地向用戶發出報警信號，做出處理。
??? 溫度傳感器選擇Dallas公司的單線數字溫度傳感器芯片DS18B20。電路設計如圖ll所示。

3 系統軟件設計
??? 系統的軟件設計主要的分為三個部分：家庭系統模塊的軟件設計、RS485通訊協議設計及家庭智能控制器與家庭系統通訊的軟件設計、家庭智能控制器的軟件設計。其中，家庭智能控制器的軟件設計是系統軟件設計的核心，該部分的軟件設計以嵌入式u Clinux操作系統為開發平臺，負責家庭系統的數據采集、數據處理，并且能夠和遠程用戶通訊，實現遠程控制，是實現對家庭系統的智能化管理的關鍵。系統的軟件結構框圖如圖12所示。

4 結論
??? 利用本裝置可以控制住宅溫度等參數，滿足智能住宅規定標準(溫度控制在18～28℃)；可以將家中的電器、防盜系統、水電系統有機地結合起來，實現對家用電器和各個子系統的智能管理。同時能通過短信等方式，實現對家庭系統的遠程監控。