O 引言
    智能家居是以住宅為平臺，兼備建筑設備、網絡通信、信息家電和設備自動化，集系統、結構、服務、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環保的居住環境。它利用先進的計算機技術、網絡通信技術和綜合布線技術，將與家居生活有關的各種系統有機地結合在一起，通過統籌管理，讓家居生活更加舒適、安全。家庭自動化、家庭網絡、網絡家電、信息家電等產品都屬于智能家居系統產品。
    數據的采集、處理以及傳輸是實現智能小區控制作用的核心。在此設計了利用嵌入式系統作為開發平臺，利用TCP／IP協議作為信息傳輸方式的業主基本信息數據采集的方案。
    由于Internet的發展和普及，采用TCP／IP協議簡單、方便、成本低，開放性好，標準化程度高。物業管理中心一方面通過互聯網獲得最新的消息(天氣預報、重大新聞等)，向外發布。另一方面，利用采集各節點的數據進行控制、決策和協調，并向外發布信息。

1 數據采集系統設計
1．1 基本要求
    各個業主將自己的基本信息(主要包括電度表、水度表、氣壓表等的讀數)、室內情況(主要包括溫度、含天燃氣濃度等)通過信息采集、處理與分析，完成單個業主的控制，并傳輸到物業管理中心，提供給物業管理人員使用以及供廣大業主參考。必須滿足的基本要求如下：
    能對業主家各類傳感設備兼容，即能實現多路模擬和數字信號的采集。采集的時間間隔在30 s～2 min。
    具有業主控制功能，能實現數據傳輸、處理和控制。當通信網絡一旦出現故障，各節點能依據歷史數據和當前采集的信息，實現報警功能。
    實時接收由管理中心發來的信息，并能做出相應的顯示，提醒業主自己當前的情況。通信接口豐富(具有TCP／IP通信接口、RS 232／USB接口等)，內存空間較大。數據采集系統的組成原理如圖1所示。

1．2 系統設計
1．2．1 節點的硬件組成
    考慮到各業主間的完全獨立的特殊性，前端設備采用嵌入的設計方法，其硬件組成結構如圖2所示。

    節點作為控制的一部分，要完成對各業主的控制功能?？刂频膶崿F利用采集的各種數據和中心發布的協調控制指令，通過節點處理后完成。所以，一個節點由數據采集、傳輸、控制三個功能單元組成。這些功能的實現通過嵌入式系統來完成。

 

    按其功能要求其數據流有：一是從各個傳感器采集的數據，通過中間處理過程進行處理后，顯示在業主面前；二是從信息采集系統中取來的數據，通過中間處理過程進行處理后，上傳到物業管理中心，存儲在數據庫中；三是管理中心發布系統協調控制的命令或處理的結果在業主家顯示。
1．2．2 數據的采集
    物業管理數據的采集主要功能是將各業主的水表、電表、媒氣表等原始數據通過各類檢測器送到節點進行預處理。
    常用傳感器技術包括干簧管傳感器、霍爾傳感器、紅外線傳感器、IC卡控制器和電子傳感器等。本系統采用電子傳感器，在普通水表、氣表的計數機構中對應于刻度盤的下面安裝電子傳感器，使傳感器與計數齒輪同步轉動，電子傳感器得到的電子信息與機械讀數完全同步，形成一定的函數關系，經A／D轉換后，分別得到水表、媒氣表讀數的數字信息，電表的讀數則可以采用電子式智能電表得到。通過RS 232接口傳送到微處理器中。
    攝像頭數據通過USB接口與處理器通信。主要用于業主外出(特別是在外出度假)時，開啟攝像設備?？梢詫蛷d或其他重要地方進行監控。
1．2．3 數據的預處理
    節點數據的預處理，其主要功能將各類檢測器采集的異樣數據進行過濾，去掉非法、無效的數據，對故障數據進行恢復，將有效、合法的數據按照標準進行格式化處理，并將其封裝、利用TCP／IP協議，通過通信網絡發送到測控中心指定的數據通道或數據庫。提供給物業管理中心。采集得到的數據經預處理后的實時檢測交通數據效果更好，更符合實際情況的需要，并有效地節省了計算機存儲的工作量。
1．2．4 數據的顯示、存儲及傳輸
    節點控制機將各種檢測器采集的交通流信息用來控制該節點的交通，同時又要經處理機進行預處理，一方面利用LCD液晶顯示，使各業主很方便知道自已各種費用；另一方面，利用通信接口，通過TCP／IP協議，保證采集到的數據安全性、可靠性、有效性傳輸到控制中心，用于整個系統協調控制和管理。

 

2 系統實現
2．1 硬件結構
    節點處理機要執行繁重的通信和算法處理，對處理器的通信和運算速度有很高的要求，傳統的單片機處理器性能有限無法滿足節點的要求。因此采用SAMSUNG公司的處理器S3C2410平臺，它具有靈活的特性和強大的性能，在嵌入式系統中得到了廣泛的應用。該處理器內部集成了ARM公司ARM920T處理器核的32位微控制器，資源豐富，帶獨立的16 KB的指令CACHE和16 KB數據CACHE，LCD控制器、RAM控制器、NAND閃存控制器、三路UART、四路DMA、四路帶PWM的Timer、并行I／O口、八路10位ADC、TouchScreen接口、I2C接口、I2S接口、兩個USB接口控制器、兩路SPI，主頻最高可達203 MHz。在處理器豐富資源的基礎上，還進行了相關的配置和擴展，平臺配置了16 MB 16位的FLASH和64 MB 32位的SDRAM。通過以太網控制器芯片DM9161擴展了一個網口，另外引出了一個HOST USB接口。硬件平臺如圖3所示。主要包括數據采集、數據顯示、數據存儲以及數據傳輸(網絡控制)。這里主要介紹數據顯示和數據傳輸的實現。

 

2．1．1 顯示接口的實現
    在該顯示系統的硬件電路中，S3C2410與LCD模塊的連接是關鍵。S3C2410內部自帶一個LCD驅動控制器(STN&TFT)，可以支持規格為每像素2位(4級灰度)或每像素4位(16級灰度)的黑白LCD。也可以支持每像素8位(256級顏色)的彩色LCD屏。通過編程可以支持不同LCD屏的要求。本系統除了顯示用戶水、電、媒氣的用量．還要顯示時間和室內攝像的圖像。因此，選用夏普公司生產的圖形點陣256色STN液晶模塊LM057QCl-T0l，它的分辨率為320×240，由于它具有接口簡單、工作穩定和便于操作等特點，在嵌入式系統有比較廣泛的應用。LM057QClT01要求其電源電壓VDD為5 V，并且LCD數據和控制信號的高電平輸入電壓V1H在3．8～5．25 V范圍內，低電平輸入電壓價則在O～1．5 V范圍內，故可以直接與S3C44BOX0相連，而液晶顯示所需的偏轉電壓(27 V)可由外電路接入到VEE(第7管腳)，其電路圖如圖4所示。

 

2．1．2 網絡通信接口的實現
    對于以太網接口，S3C24lO內嵌了兩個以太網控制器，在全雙工模式下支持IEEE 802．3．MAC控制層協議，但未提供物理層接口，需外接一片物理層芯片以提供以太網的接人通道。本系統中選用DM9161作為物理層芯片，由于信號定義很明確，連接比較簡單。信號的發送和接收應通過網絡隔離變壓器和網絡水晶接頭RJ45接口接入以太網。DM9161是高集成度、低功耗的100Base-TX和10Base-T物理層收發芯片，只需要連接很少外圍元件就可以實現以太網數據的物理層收發，提供完全IEEE 802．3u中定義的100Base-TX所有的物理層功能。使用非屏蔽雙絞線(UTP5／UTP3)作為傳輸媒質，為MAC層設備提供MII。MII是IEEE 802．3u標準(Clause22)中定義的接口規范。其目的是提供一個簡單的、易于實現的MAC子層和物理層的接口。MII接口使得不同的傳輸媒質和物理層接口模塊可以通過統一的接口與MAC子層進行數據交互。

2．2 系統軟件
    系統操作系統采用Linux操作系統，Linux內核是一種源碼開放的操作系統，采用模塊化的設計。在此只保留了必需的功能模塊，刪除了冗余的功能模塊，并對內核重新編譯，從而使系統運行所需的硬件資源顯著減少。最重要的一點是，Linux自誕生之日起就與網絡密不可分。Linux系統內核集成了大量的網絡應用程序，支持全部的標準因特網協議和幾乎所有的聯網技術，這使Linux很適合基于網絡的應用開發，用戶編寫的程序代碼可以直接建立在這些網絡應用程序的基礎之上，從而大大縮短開發周期。因此將其應用于智能家居控制器的設計，具有代碼量小、運行消耗系統資源少、可靠性高、開發周期短等優點，適應智能家庭數據采集控制器對于操作系統的要求。

 

2．1．1 顯示接口的實現
    在該顯示系統的硬件電路中，S3C2410與LCD模塊的連接是關鍵。S3C2410內部自帶一個LCD驅動控制器(STN&TFT)，可以支持規格為每像素2位(4級灰度)或每像素4位(16級灰度)的黑白LCD。也可以支持每像素8位(256級顏色)的彩色LCD屏。通過編程可以支持不同LCD屏的要求。本系統除了顯示用戶水、電、媒氣的用量．還要顯示時間和室內攝像的圖像。因此，選用夏普公司生產的圖形點陣256色STN液晶模塊LM057QCl-T0l，它的分辨率為320×240，由于它具有接口簡單、工作穩定和便于操作等特點，在嵌入式系統有比較廣泛的應用。LM057QClT01要求其電源電壓VDD為5 V，并且LCD數據和控制信號的高電平輸入電壓V1H在3．8～5．25 V范圍內，低電平輸入電壓價則在O～1．5 V范圍內，故可以直接與S3C44BOX0相連，而液晶顯示所需的偏轉電壓(27 V)可由外電路接入到VEE(第7管腳)，其電路圖如圖4所示。

 

2．1．2 網絡通信接口的實現
    對于以太網接口，S3C24lO內嵌了兩個以太網控制器，在全雙工模式下支持IEEE 802．3．MAC控制層協議，但未提供物理層接口，需外接一片物理層芯片以提供以太網的接人通道。本系統中選用DM9161作為物理層芯片，由于信號定義很明確，連接比較簡單。信號的發送和接收應通過網絡隔離變壓器和網絡水晶接頭RJ45接口接入以太網。DM9161是高集成度、低功耗的100Base-TX和10Base-T物理層收發芯片，只需要連接很少外圍元件就可以實現以太網數據的物理層收發，提供完全IEEE 802．3u中定義的100Base-TX所有的物理層功能。使用非屏蔽雙絞線(UTP5／UTP3)作為傳輸媒質，為MAC層設備提供MII。MII是IEEE 802．3u標準(Clause22)中定義的接口規范。其目的是提供一個簡單的、易于實現的MAC子層和物理層的接口。MII接口使得不同的傳輸媒質和物理層接口模塊可以通過統一的接口與MAC子層進行數據交互。

2．2 系統軟件
    系統操作系統采用Linux操作系統，Linux內核是一種源碼開放的操作系統，采用模塊化的設計。在此只保留了必需的功能模塊，刪除了冗余的功能模塊，并對內核重新編譯，從而使系統運行所需的硬件資源顯著減少。最重要的一點是，Linux自誕生之日起就與網絡密不可分。Linux系統內核集成了大量的網絡應用程序，支持全部的標準因特網協議和幾乎所有的聯網技術，這使Linux很適合基于網絡的應用開發，用戶編寫的程序代碼可以直接建立在這些網絡應用程序的基礎之上，從而大大縮短開發周期。因此將其應用于智能家居控制器的設計，具有代碼量小、運行消耗系統資源少、可靠性高、開發周期短等優點，適應智能家庭數據采集控制器對于操作系統的要求。