作者：柯建偉  周嘉農(nóng)

    摘要：信息技術(shù)在建筑行業(yè)的高速發(fā)展使得智能住宅和智能小區(qū)迅速崛起并成長為巨大的新興產(chǎn)業(yè)。文章提出了一個基于S3C2410的高性能、低價格的ＷＬＡＮ智能住宅控制終端的設(shè)計方案。

    該方案依托成熟的無線局域網(wǎng)技術(shù)，可實現(xiàn)智能小區(qū)建設(shè)所需的安全防范、治理自動化和信息自動化的功能。

    要害詞：WLAN；S3C2410；智能小區(qū)；智能住宅

    １ 前言

    信息技術(shù)在建筑行業(yè)的逐步滲透，帶動了智能大廈、智能住宅以至于智能小區(qū)的高速發(fā)展。這一新興產(chǎn)業(yè)集現(xiàn)代建筑技術(shù)、電子技術(shù)、通訊技術(shù)與控制技術(shù)為一體，正在迅速崛起并成長壯大。

    智能住宅小區(qū)須具備以下的基本特征和功能：

    ●安全自動化（ＳｅｃｕｒｉｔｙＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＳＡ）：

    防盜監(jiān)控、消防監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控、緊急求助、出入口監(jiān)控等。

    ●治理自動化（ＭａｎａｇｅｍｅｎｔＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＭＡ）：

    設(shè)備治理、收費治理、事務(wù)治理等。

    ●信息自動化（ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＩＡ）：

    話音、圖像、數(shù)據(jù)通訊、家庭電子商務(wù)等。

    基于ＷＬＡＮ的智能小區(qū)治理系統(tǒng)示意圖如圖１所示，可以采用“智能住宅控制終端＋中心控制器”的方式來構(gòu)建智能小區(qū)。其基本設(shè)計思想是采用集中分散的多級控制治理。通過每個住戶安裝的智能住宅控制終端，有效監(jiān)控住戶設(shè)定的各種防范監(jiān)控要求，并自動為物業(yè)治理公司抄寫各種量表（水、電、氣等），提供緊急求助功能，還可以和門口機實現(xiàn)可視對講。中心控制器則實時詢問各個控制終端的信息，為物業(yè)公司提供小區(qū)中各住戶的安防情況，減輕物業(yè)治理公司的工作量。同時，這種實現(xiàn)方式提供住戶和物業(yè)治理公司之間的交互途徑，可以在這一平臺上發(fā)展家庭電子商務(wù)。

    不難看出，這種實現(xiàn)方式需要一個布線難度低、業(yè)務(wù)擴展性好的通信平臺。而隨著無線局域網(wǎng)（ＷＬＡＮ）技術(shù)的成熟和價格的下降，ＷＬＡＮ將成為智能小區(qū)中最重要的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ接入方式。

    基于ＷＬＡＮ的智能住宅控制終端依托成熟的無線局域網(wǎng)技術(shù)，可實現(xiàn)智能小區(qū)建設(shè)所需要的安全防范、治理自動化和信息自動化的功能。同時，無線局域網(wǎng)的高速數(shù)據(jù)率和開放性，使我們很輕易實現(xiàn)產(chǎn)品的功能升級和業(yè)務(wù)創(chuàng)新。

    ２ 系統(tǒng)設(shè)計

    根據(jù)智能住宅控制終端的功能需求及市場上的成熟技術(shù)，我們采用“硬件＋嵌入式操作系統(tǒng)＋應(yīng)用層軟件”的系統(tǒng)架構(gòu)來設(shè)計智能住宅控制終端。

    控制終端的硬件平臺以Ｓａｍｓｕｎｇ的Ｓ３Ｃ２４１０為核心，并輔以必要的外圍設(shè)備。這款芯片基于ＡＲＭ９２０Ｔ核，帶有豐富的接口，是一款性價比很高的ＡＲＭ核ＳＯＣ芯片。控制終端的軟件部分有兩層：嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用層軟件。這里采用ＡＴＩ的Ｎｕｃｌｅｕｓ做為嵌入式操作系統(tǒng)。Ｎｕｃｌｅｕｓ是開放源代碼的實時操作系統(tǒng)，采用模塊化的設(shè)計，開發(fā)平臺友好。根據(jù)功能需求，應(yīng)用層軟件包含如下模塊：安防模塊、三表的讀寫模塊、可視對講模塊、家庭電子商務(wù)模塊、無線遙控模塊和人機交互模塊。

    ２．１硬件系統(tǒng)設(shè)計

    圖２是硬件系統(tǒng)的總體設(shè)計和模塊劃分框圖，下面對各個模塊分別進(jìn)行介紹。

    （１）主機模塊：Ｓ３Ｃ２４１０和外圍功能接口

    主機模塊是系統(tǒng)的核心，控制著系統(tǒng)內(nèi)其他模塊的正常工作。本設(shè)計采用Ｓ３Ｃ２４１０芯片來實現(xiàn)，它基于ＡＲＭ９２０Ｔ內(nèi)核，自帶１６ｋＢ指令緩存和１６ｋＢ數(shù)據(jù)緩存以及ＭＭＵ單元，工作時鐘最高可達(dá)２０３ＭＨｚ，擁有豐富的片內(nèi)外設(shè)，如ＵＳＢ（一個Ｈｏｓｔ，一個Ｄｅ-ｖｉｃｅ）、ＳＤＲＡＭ控制器、ＬＣＤ和觸摸屏控制器、ＵＡＲＴ（三個）、ＤＭＡ、Ｔｉｍｅｒ、ＲＴＣ、ＩＩＳ、ＩＩＣ、ＳＰＩ等等，同時還有豐富的ＩＯ端口資源，是一款性價比很高的ＡＲＭ核ＳＯＣ芯片。以下為Ｓ３Ｃ２４１０的接口類型及其在系統(tǒng)中的應(yīng)用：

    ●ＬＣＤ控制器：外接３２０×２４０的ＴＦＴ液晶屏；

    ●ＡＤ和觸摸屏接口：觸摸屏；

    ●ＧＰＩＯ口外接相應(yīng)驅(qū)動電路：１６個輸入、４個輸出、ＬＥＤ顯示、鍵盤；

    ●ＵＳＢ接口（Ｈｏｓｔ）：無線通信模塊，支持８０２．１１ｘ系列標(biāo)準(zhǔn)；

    ●存儲器接口：３２ＭＦＬＡＳＨ和６４ＭＳＤＲＡＭ；

    ●ＵＡＲＴ接口：接ＴＩ７５１７６，ＲＳ４８５總線接口，連接ＲＩＵ模塊；

    ●ＵＡＲＴ接口：接無線遙控模塊；

    ●ＩＩＳ接口：接ＵＤＡ１３４１Ｓ音頻接口，語音提示。

    （２）電源治理模塊

    電源治理模塊提供系統(tǒng)工作要求的電源。系統(tǒng)的工作電壓要求如下：輸入１２Ｖ電壓，輸出１．８Ｖ、３．３Ｖ、５Ｖ、１２Ｖ和２４Ｖ電壓。

    可以采用７８０５實現(xiàn)１２Ｖ至５Ｖ的電壓轉(zhuǎn)化，采用ＴＰＳ７６７Ｄ３１８實現(xiàn)５Ｖ至３．３Ｖ和１．８Ｖ的轉(zhuǎn)換，采用ＭＡＸ６２９實現(xiàn)３．３Ｖ至２４Ｖ的升壓。

    （３）無線通信模塊

    由于智能小區(qū)的實現(xiàn)方案是基于無線局域網(wǎng)的，因此無線通信模塊在系統(tǒng)中顯得尤為重要。為了降低開發(fā)難度，可以采用市場上成熟的ＵＳＢ接口無線網(wǎng)卡。Ｓ３Ｃ２４１０提供了一個ＵＳＢ（Ｈｏｓｔ）接口，正好用于連接無線通信模塊。

    （４）人機接口模塊

    人機接口模塊提供了良好的人機交互界面，包括：ＬＣＤ和觸摸屏、ＬＥＤ、鍵盤、麥克和揚聲器。

    （５）無線遙控模塊

    無線遙控模塊是一種方便用戶操作的智能化終端，提供遠(yuǎn)程布防、求助等功能。可采用市場上現(xiàn)有的產(chǎn)品模塊，這些模塊一般為ＵＡＲＴ接口。

    （６）輸入輸出口模塊

    系統(tǒng)的ＧＰＩＯ口可提供１６個輸入輸出口，４個輸出口。輸入口提供光耦隔離功能；輸出口有１２Ｖ，４００ｍＡ的驅(qū)動能力。

    （７）ＲＩＵ總線模塊

    智能住宅控制終端提供ＲＳ４８５接口，作為家庭網(wǎng)絡(luò)控制總線接口。系統(tǒng)采用ＴＩ７５１７６實現(xiàn)了Ｓ３Ｃ２４１０的ＵＡＲＴ接口向ＲＳ４８５總線接口的轉(zhuǎn)化。

    ２．２軟件系統(tǒng)設(shè)計

    圖３是軟件系統(tǒng)的總體框圖，下面對各個層次和模塊分別進(jìn)行介紹。

    （１）嵌入式操作系統(tǒng)和驅(qū)動程序設(shè)計

    Ｎｕｃｌｅｕｓ包含ＮｕｃｌｅｕｓＰｌｕｓ、Ｆｉｌｅ模塊、ＭＭＵ模塊，Ｇｒａｆｉｘ模塊、ＮＥＴ模塊和其它應(yīng)用層的協(xié)議模塊等。ＮｕｃｌｅｕｓＰｌｕｓ是專為強實時性嵌入式產(chǎn)品而開發(fā)設(shè)計的實時、搶占式、多任務(wù)內(nèi)核。Ｇｒａｆｉｘ是一個圖形治理模塊，支持ＬＣＤ和觸摸屏，用于開發(fā)人機界面。Ｆｉｌｅ模塊是文件系統(tǒng)治理模塊。ＭＭＵ是一個內(nèi)存治理單元，支持系統(tǒng)高效地使用有限的內(nèi)存空間。ＮＥＴ模塊即網(wǎng)絡(luò)模塊，用于實現(xiàn)ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議棧。此外，Ｎｕｃｌｅｕｓ也提供很多應(yīng)用層的協(xié)議模塊包括ＨＴＴＰ、ＴＦＴＰ、ＳＮＭＰ等。

    Ｎｕｃｌｅｕｓ的開發(fā)平臺以ＭｉｃｒｏＳｏｆｔ的ＶｉｓｕａｌＳｔｕｄｉｏＣ＋＋為基礎(chǔ)，提供了仿真平臺ＭＮＴ和多任務(wù)調(diào)試工具ＭＴＤ，方便用戶使用，可以大大加快用戶的開發(fā)時間。

    根據(jù)硬件平臺的要求，還需要開發(fā)適應(yīng)硬件平臺的驅(qū)動程序，包括音頻接口驅(qū)動程序、ＬＣＤ／觸摸屏驅(qū)動程序、ＵＳＢ驅(qū)動程序、ＲＳ４８５總線驅(qū)動程序、鍵盤驅(qū)動程序、ＬＥＤ驅(qū)動程序以及無線遙控模塊驅(qū)動程序。

    （２）應(yīng)用層軟件模塊

    應(yīng)用層軟件由系統(tǒng)應(yīng)用層協(xié)議（ＨＩＭＭＰ：ＨＩＭＭａｎａｇｅＰｒｏｔｏｃｏｌ）和各個功能模塊組成。系統(tǒng)應(yīng)用層協(xié)議規(guī)定了中心控制器以及門口機和智能住宅控制終端之間的通信協(xié)議，是系統(tǒng)應(yīng)用層軟件的基礎(chǔ)，應(yīng)用層軟件模塊就是在這個協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

    應(yīng)用層軟件模塊包括安防模塊、可視對講模塊、家庭電子商務(wù)模塊、三表讀寫和治理模塊以及人機接口模塊。

    安防模塊用于監(jiān)測用戶設(shè)定的安防措施，包括防火、煤氣泄漏、門窗被撬等，實時發(fā)出警報并報告物業(yè)治理中心；可視對講模塊負(fù)責(zé)住戶和門口機的可視對講并控制大門的開關(guān)；家庭電子商務(wù)模塊實現(xiàn)家庭電子商務(wù)功能，可以瀏覽各種日常生活用品的供給情況（這些數(shù)據(jù)來自物業(yè)治理公司），并下訂單購物；三表讀寫和治理模塊負(fù)責(zé)抄寫住戶的水電氣表，匯總到中心服務(wù)器，并支持用戶的實時查詢。