智能電網(wǎng)中智能家居終端的設(shè)計(jì)

焦 騰，戚銀城，孫 卓，彭 超

(華北電力大學(xué)電子與通信工程系，河北保定 071003)

所謂智能電網(wǎng)，就是指通過新技術(shù)能形成業(yè)務(wù)流、信息流、能量流之間雙向互動的未來電網(wǎng)，也叫“聰明電網(wǎng)”。與傳統(tǒng)電網(wǎng)比，智能電網(wǎng)孕育著更大的市場空間。智能電網(wǎng)是技術(shù)密集、資金密集集合體，將會帶動新能源、信息、傳感器等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展，具有很強(qiáng)的技術(shù)輻射性和經(jīng)濟(jì)帶動性。而智能家居系統(tǒng)就是其中顯著的一個(gè)方面，智能家居系統(tǒng)的核心設(shè)備是智能家居終端，通過它實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息的采集、信息輸出、集中控制、遠(yuǎn)程控制、聯(lián)動控制等功能。

1 智能家居平臺系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

智能家庭網(wǎng)絡(luò)隨著集成技術(shù)、通信技術(shù)、互操作能力和布線標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)而不斷改進(jìn)，它涉及到對家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有的智能和非智能電器、設(shè)備和系統(tǒng)的操作、管理以及集成技術(shù)的應(yīng)用。

(1)家居智能平臺系統(tǒng)的組成。

通過智能家庭網(wǎng)關(guān)、智能家居終端、具有采集電量和功率功能的插座及其系統(tǒng)軟件建立家居智能平臺系統(tǒng)。智能家庭網(wǎng)關(guān)是智能家庭局域網(wǎng)的核心部分，主要完成家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)各種不同通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換和發(fā)送。

用計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)，智能家居終端將家庭智能化的幾乎所有功能集成起來，使智能家居建立在一個(gè)統(tǒng)一的平臺上。首先，實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換，其次還要保證能夠識別通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹噶钍欠窈戏ǎ虼酥悄芗揖咏K端既是家庭信息的交通樞紐，又是信息化家庭的保護(hù)神。

(2)通過通信模塊和通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)與家電的互聯(lián)。

為實(shí)現(xiàn)家電的控制和相關(guān)信息的采集，系統(tǒng)平臺通過通信模塊并按照特定的通訊協(xié)議借助串口發(fā)送和接收碼流，從而實(shí)現(xiàn)家電的控制和信息采集。

(3)硬件中嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用。

隨著功能的不斷增加、性能的不斷提升，對處理能力和速度提出了更高的要求，所以具有高性能的嵌入式芯片系統(tǒng)將應(yīng)用到智能家居終端中去。

2 智能家居平臺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

智能家居平臺系統(tǒng)的物理框圖如圖1所示。

3 智能家居終端的功能

智能家居終端的功能包括如下幾個(gè)方面:

(1)家電控制。家電控制是智能家居終端的主要功能，代表著家庭智能化的發(fā)展方向，通過無線通信方式對家庭的用電設(shè)備進(jìn)行控制。

圖1 智能家居平臺系統(tǒng)的物理框圖

(2)用電信息采集和分析。采集家電的用電量、功率、電壓和電流等一些用電數(shù)據(jù)，并以表格或者圖表的形式展示出來，為用戶分析家庭的用電情況，從而指導(dǎo)用戶進(jìn)行合理用電。

(3)家庭安防。安全是居民對智能家居的首要要求，所以家庭安防成為智能家居的重要組成部分。包括家庭安防報(bào)警、門窗磁報(bào)警、燃?xì)庑孤秷?bào)警、火災(zāi)煙霧報(bào)警、緊急求助報(bào)警等。當(dāng)智能家居終端處于布防狀態(tài)時(shí)，一但紅外探頭探測到家中有人走動，就會自動報(bào)警，同時(shí)將報(bào)警信息報(bào)到物業(yè)管理中心，還可以將報(bào)警信息發(fā)到主人的手機(jī)或其他移動終端上。

(4)視頻通話。智能家居終端上集成了可視對講功能，可實(shí)現(xiàn)終端之間的視頻通話功能。

(5)便民信息服務(wù)。物業(yè)管理中心與智能家居終端聯(lián)網(wǎng)，對住戶發(fā)布一些小區(qū)信息和小區(qū)周邊的一些便民服務(wù)信息，從而為住戶提供生活方便。

(6)增值服務(wù)。通過智能家居終端可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上購物，視頻點(diǎn)播等增值服務(wù)［4］。

4 智能家居終端的硬件設(shè)計(jì)

智能家居終端的微處理器采用S3C2440A，是三星公司推出的16/32位RISC微處理器，它為手持設(shè)備和一般類型應(yīng)用提供了低價(jià)格、低功耗、高性能小型微控制器的解決方案。S3C2440A采用了ARM920t的內(nèi)核，0.13 μm的CMOS標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲器單元。它采用 AMBA的總線架構(gòu)。ARM920t實(shí)現(xiàn)了 MMU，AMBA BUS和Harvard高速緩沖體系結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)具有獨(dú)立的16 kB指令Cache和16 kB數(shù)據(jù)Cache［2］。

作為智能家居的控制中心，智能家居終端除了具有網(wǎng)絡(luò)RJ－45接口、PSTN接口、RS－485接口、無線傳輸模塊接口外，還應(yīng)該提供音頻視頻接口、報(bào)警傳感器接口、HUB接口、RS－232接口等。這些接口可以實(shí)現(xiàn)音視頻的編解碼轉(zhuǎn)換，指令的傳輸接收以及與PC機(jī)的結(jié)合等功能。

智能家居終端的硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能家居終端硬件結(jié)構(gòu)圖

其中電話控制部分，當(dāng)用戶在遠(yuǎn)程話機(jī)鍵盤上按下控制按鈕后，這些信息采用雙音頻方式通過電話線發(fā)出，MT8870是一款雙音多頻解碼芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)雙音多頻信號(DTMF)的發(fā)送和接收。

以太網(wǎng)控制芯片采用CS8900A，它是Cirrus Logic公司生產(chǎn)的低功耗、性能優(yōu)越的16位以太網(wǎng)控制器。該芯片的突出特點(diǎn)是使用靈活，其物理層接口、數(shù)據(jù)傳輸模式和工作模式等都能根據(jù)需要而動態(tài)調(diào)整，通過內(nèi)部寄存器的設(shè)置來適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境。

此外，硬件部分還對SRAM進(jìn)行了擴(kuò)展以滿足更大的需求。另外由于智能家居終端上的一些重要參數(shù)，需要在系統(tǒng)掉電的情況下保留，所以在終端上還進(jìn)行了EEPROM擴(kuò)展。

5 智能家居終端的軟件設(shè)計(jì)

5.1 程序設(shè)計(jì)

在硬件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，軟件系統(tǒng)采用了Linux嵌入式操作系統(tǒng)，內(nèi)核版本為2.6.28。鑒于所選ARM芯片的性能，從總體需求出發(fā)，軟件部分采用多進(jìn)程+進(jìn)程中多線程的編程方案。程序總體分為兩個(gè)進(jìn)程:主進(jìn)程、Web－Service進(jìn)程。主進(jìn)程包括3個(gè)線程:主線程、輔線程和次線程［1］。

其中，Web－Service進(jìn)程為發(fā)送命令碼流。此處需要說明的是家庭網(wǎng)關(guān)也采用Web－Service的方法，智能家居終端作為客戶端，而家庭網(wǎng)關(guān)作為服務(wù)器端。

主控制進(jìn)程實(shí)現(xiàn)了大部分功能，是控制中心的主體。由于實(shí)時(shí)性、信息回復(fù)的不確定性，它開機(jī)啟動并一直處于運(yùn)行狀態(tài)。主線程在程序啟動時(shí)首先進(jìn)行初始化，包括硬件各部分的驅(qū)動初始化，各個(gè)功能模塊界面及其基本功能的初始化，還有數(shù)據(jù)存儲部分?jǐn)?shù)據(jù)庫的初始化。初始化完畢后將進(jìn)入一個(gè)while(1)循環(huán)，不停地重復(fù)遍歷命令結(jié)構(gòu)體鏈表和返回碼流結(jié)構(gòu)體鏈表，并進(jìn)行相應(yīng)處理。輔線程完成命令碼流的轉(zhuǎn)換和處理。次線程監(jiān)聽返回到終端的命令碼流，并進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換和處理。

軟件部分的總體框圖如圖3所示。

圖3 智能家居終端軟件框圖

5.2 進(jìn)程間通信

程序中設(shè)計(jì)了兩個(gè)進(jìn)程，它們之間要進(jìn)行通信。兩個(gè)并行進(jìn)程可以通過互相發(fā)送消息進(jìn)行合作，消息是通過消息緩沖在進(jìn)程之間相互傳遞。進(jìn)程間通信方式采用的是命名管道(FIFO)，F(xiàn)IFO是一種先進(jìn)先出的隊(duì)列。它類似于一個(gè)管道，只允許數(shù)據(jù)的單向流動。每個(gè)FIFO都有一個(gè)名字，允許不相關(guān)的進(jìn)程訪問同一個(gè)FIFO。本程序在/tmp文件系統(tǒng)中定義命名管道，這樣當(dāng)系統(tǒng)重新啟動或更新時(shí)，管道將被清除，不會占用過多存儲空間［1］。

此外，為避免兩個(gè)進(jìn)程間同時(shí)要求訪問同一共享資源而引起訪問和操作的混亂，在進(jìn)程對共享資源進(jìn)行訪問前必須對其進(jìn)行鎖定，該進(jìn)程訪問完后再釋放。還有在主進(jìn)程的3個(gè)線程內(nèi)，為保證兩個(gè)或多個(gè)關(guān)鍵代碼段不被并發(fā)調(diào)用，線程內(nèi)還使用了信號量，在進(jìn)入一個(gè)關(guān)鍵代碼段之前，線程必須獲取一個(gè)信號量，一旦該關(guān)鍵代碼段完成，那么該線程必須釋放信號量，其他想進(jìn)入該關(guān)鍵代碼段的線程必須等待，直到第一個(gè)線程釋放信號量。

6 結(jié)束語

智能家居終端及其配套設(shè)備將會得到不斷的發(fā)展和完善，為人們提供更為安全、舒適、便利的生活環(huán)境。系統(tǒng)的使用也會更加方便、價(jià)格低廉、性能可靠。本文給出了基于ARM芯片的智能家居終端的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了一種可行的硬件和軟件模型，在理論上解決了智能家居終端的一些設(shè)計(jì)問題。

［1］史蒂文斯，拉戈.UNIX環(huán)境高級編程:英文版［M］.2版.北京:人民郵電出版社，2006.

［2］周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

［3］管耀武.ARM嵌入式無線通信系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例精講［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［4］韓江洪.智能家居系統(tǒng)與技術(shù)［M］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2005.

［5］程璞，李奇，倪超.基于嵌入式系統(tǒng)的家庭智能網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)計(jì)［J］.微型電腦應(yīng)用，2005，21(10):50－52.