基于ARM的智能家庭网关

【中心议题】

• 给出了一种基于ARM的智能家庭网关的实现方法
• 通过本智能家庭网关可以实现对各种家电设备的远程监控,同时也可以在本地实现同样的操作

【解决方案】

• 硬件采用高速低功耗的32位微控制器ARM
• 软件系统采用在嵌入式实时操作系统uC/OS-Ⅱ平台上开发

0　引言

随着信息社会的发展,网络和信息家电越来越多地出现在人们的生活中。人们普通要求将家庭内的所有家用电器与Internet连接起来,实现主人在远方用计算机或电话通过Internet对家电设施进行监控。家用电器制造商可以通过网络对其生产的设备进行售后跟踪服务;家用电器在故障时能自动按预设的邮件地址来发送电子邮件进行报警。

这就需要有一个“家庭网络中央控制器”——智能家庭网关。它对外与Internet连接,对内通过家庭内部无线局域网将所有家用电器连接成一体,从而确保信息家电安全地接入Internet。当前,多数研究单位推出的智能家庭网关,均以PC或准PC作为硬件平台,由于价位高而均未被市场容纳。

嵌入式Internet是近几年发展起来的一项新兴技术。以32位ARM嵌入式微处理器为硬件平台,通过移植嵌入式操作系统uC/OSⅡ内核,开发相应的硬件驱动、微型GUI和上层应用软件,最终实现产品化的嵌入式智能家庭网关。该系统具有体积小、功耗低、价格便宜的特点。

1　概　述

1.1　设计目标

本智能家庭网关的设计目标:设计一个高性能,低成本,低功耗的嵌入式智能家庭网关。通过本网关可以实现对家电设备的监控,并且可以远程通过互联网Internet实现监控功能。用户可以选择本地和远程两种方式来进行控制。

1.在本地可以直接通过LCD屏幕查看设备状态,并且可以通过红外遥控器输入命令,来控制设备。

2.可以在远程通过互联网Internet登陆智能家庭网关管理系统的Web页面来实现对家电设备的监控与控制。

1.2　硬件平台的选择

要设计一个嵌入式设备,第一个需要选择的就是系统的核心———微控制器的种类。根据本智能家庭网关对微控制器处理速度以及外围接口电路的要求,通过对比多种类型的微控制器,最终选定了菲利普公司新出的基于ARM7TDMI-S内核的微控制器LPC2210。LPC2210采用ARM7架构,具有低功耗,高速度以及带有硬件调试功能,而且价格非常便宜,价格跟一个增强型的8位51系列微控制器相当。

1.3　软件平台的选择

考虑到系统的复杂性以及系统可靠性的需要,我们决定使用一个嵌入式的操作系统。嵌入式的操作系统有很多,经过对比,最终选用了稳定性好,开发源代码,运行资源需求少的嵌入式操作系统uC/OSⅡ。

因为要实现网络功能,那就必须要实现TCP/IP协议栈。有硬件TCP/IP协议栈和软件TCP/IP协议栈可供选择。考虑到成本的问题,最终我们选用了周立功单片机公司开发的软件TCP/IP协议栈———ZLG/IP。

2　硬件系统的设计

智能家庭网关硬件结构如图1所示。

家庭网关硬件由以下几部分组成:

①电源:直流5V (外围芯片使用), 3. 3V(LPC2210的IO口),1.8V(LPC2210内核使用);

②MCU内核: ARM7TDMI-S微控制器LPC2210;

③存储器:512KB SRAM,2MB FLASH程序存储器;

④人机接口:240×160黑白液晶屏(HHT8802液晶控制器),红外遥控器;

⑤网络接口: RTL8019AS以太网控制器,nRF905无线数据收发模块,RS232转485总线转换器。

3　软件系统的设计

在软件设计过程中,软件的分层设计是很重要的。层次的划分就是软件的架构设计,设计过程中尽量使得层次与层次之间只有一次耦合的关系,并且每层的功能要单一化。由于各个层次功能单一化,并且各个层次之间的耦合又尽量的少,这样有利于多人分工合作开发,加快开发的进度。

我们在设计智能家庭网关软件系统时,也采用了分层的思想。整个软件系统分为4个部分:应用软件,应用程序接口(API),操作系统,设备驱动。

每部分实现特定的功能,并且各个层次之间只有少量的接口。

3.1　软件分层体系结构

·应用层软件:用户菜单窗口处理,CGI-WebServer,设备数据库管理

·应用程序接口:GUI,TCP/IP协议栈,文件系统,设备抽象层

·操心系统:嵌入式实时多任务操作系统uC/OS-Ⅱ

·设备驱动:LCD,红外,以太网,RF射频(或485总线)

图2为软件分层体系结构图。

3.2　功能模块逻辑关系

图3为各个功能模块之间的逻辑关系图。

3.3　任务的划分以及任务间的关系

在软件系统的设计过程中,我们把系统分为六大任务和两个中断。详见下面的任务的划分以及任务间的关系图(图4)。

4　功能展示

4.1　智能家庭网关控制网络

图5为智能家庭网关的控制网络框图。

4.2　远程网络控制展示

本文所设计的基于ARM的智能家庭网关实现对家电设备的远程网络管理和本地管理功能。并且具有体积小,能耗小,价格便宜等特点,是嵌入式家庭网关一个非常好的设计方案。本文基于嵌入式Linux系统,采用帧差法对运动图像识别,利用阈值对图像二值化处理,实验效果良好,实现了对静态环境的自动监控。系统运行成本低廉,可用于安全监控、远程操作等应用。实验表明嵌入式系统在图像采集及处理方面简洁高效,在机器人监控系统、视频电话、远程教学等应用中有广阔的发展空间。