【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】智能家居系統(tǒng)數(shù)字顯示終端設(shè)計(jì)方案無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、嵌入式處理技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無線控制技術(shù)的發(fā)展，給智能家居領(lǐng)域的發(fā)展帶來了實(shí)際可行的應(yīng)用成果。同時(shí)，M2M技術(shù)的應(yīng)用使智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加人性化。

目前，國(guó)內(nèi)外很多公司的智能家居系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的室內(nèi)電氣設(shè)備的控制和各種計(jì)量設(shè)備（煤氣、水和電）的無線抄表，但許多公司的智能家居系統(tǒng)還缺乏一種可以迅捷地開展室內(nèi)電氣設(shè)備工作狀態(tài)檢測(cè)和控制以及可供用戶隨時(shí)查詢、記錄抄表數(shù)據(jù)的手持智能顯示終端。筆者設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)數(shù)字顯示終端是一個(gè)基于ZigBee技術(shù)和USBOTG技術(shù)的用戶和智能家居系統(tǒng)互動(dòng)的媒介，可有效地幫助用戶實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和抄表數(shù)據(jù)查詢。

1數(shù)字顯示終端

數(shù)字顯示終端是基于M2M技術(shù)的智能家居系統(tǒng)終面向用戶的部分。采用ZigBee技術(shù)和USBOTG技術(shù)完成對(duì)無線設(shè)備的監(jiān)控和抄表數(shù)據(jù)的查詢、記錄。

1.1基于M2M技術(shù)的智能家居系統(tǒng)

基于M2M技術(shù)的智能家居系統(tǒng)主要通過Zig-Bee技術(shù)與相關(guān)的無線設(shè)備組建無線局域網(wǎng)，采集無線傳感器的數(shù)據(jù)和輸出控制信號(hào)，并由塢站將采集到得數(shù)據(jù)匯總封裝后通過M2M網(wǎng)關(guān)和Internet傳送到提供相關(guān)家居服務(wù)的公司的服務(wù)器上。它主要由5部分組成：低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)匯總傳輸系統(tǒng)（又稱塢站），數(shù)字顯示終端，M2M網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器，并主要使用在居家能源管理和居家自動(dòng)化兩個(gè)方面。

1）居家能源管理。塢站將管理安裝在家庭中的幾個(gè)低功耗無線傳感器（煤氣、水和電）。所有塢站從無線傳感器采集到的信息在對(duì)接模式時(shí)被傳送給數(shù)字顯示終端。數(shù)字顯示終端將使用文字、圖形、圖標(biāo)和圖片把這些信息顯示出來。

2）居家自動(dòng)化。這種情況類似于居家能源管理，只是其使用的無線傳感器可以管理輸入輸出信號(hào)以控制室內(nèi)電氣設(shè)備，如門窗、室內(nèi)照明等設(shè)備。

本套智能家居系統(tǒng)主要將M2M技術(shù)融合在網(wǎng)關(guān)，而終面向用戶的只是數(shù)字顯示終端（見圖1）。

1.2數(shù)字顯示終端的設(shè)計(jì)原理與方案

數(shù)字顯示終端是智能家居系統(tǒng)與用戶互動(dòng)的關(guān)鍵部分，通過ZigBee技術(shù)與安裝在室內(nèi)的低功耗無線設(shè)備建立無線局域網(wǎng)，監(jiān)控?zé)o線設(shè)備的工作狀態(tài)，并通過USBOTG高速數(shù)據(jù)傳輸接口與塢站連接，將塢站采集到的抄表數(shù)據(jù)以圖、表或文字的形式顯示出來，同時(shí)將檢測(cè)到的室內(nèi)低功耗無線設(shè)備的工作狀態(tài)發(fā)送到服務(wù)器，供用戶遠(yuǎn)程登錄服務(wù)器監(jiān)測(cè)和控制低功耗無線設(shè)備。數(shù)字顯示終端工作在兩種模式下，一種是對(duì)接模式開展，即通過USBOTG高速數(shù)據(jù)傳輸接口和塢站連接開展數(shù)據(jù)交換；另一種是移動(dòng)模式，即不與塢站連接的工作狀態(tài)，這時(shí)它只能檢測(cè)和控制相關(guān)低功耗無線設(shè)備。USBOTG接口不僅可以傳輸數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)字顯示終端與塢站對(duì)接時(shí)，可以通過USBOTG接口給數(shù)字顯示終端的蓄電池充電。

數(shù)字顯示終端主要由無線模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)傳輸接口、電源部分和用戶導(dǎo)航鍵6部分組成（見圖2）。

2數(shù)字顯示終端的實(shí)現(xiàn)

數(shù)字顯示終端處理器選用LPC1758.LPC1758是一款基于ARMCortex-M3內(nèi)核的處理器，集成了USB2.0功能，包括USB主機(jī)、USB從機(jī)和USBOTG,擁有512KB的Flash和64KB的SRAM.無線模塊選用的是ZICM2410P0-1模塊。顯示模塊選用DMT32240T035_01WN模塊。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊選用4GB的Flash存儲(chǔ)器，也可升級(jí)為16GB的存儲(chǔ)空間。因處理器已集成OTG功能，所以由處理器和USB收發(fā)器芯片ISP1302共同組成數(shù)據(jù)傳輸結(jié)論。

導(dǎo)航鍵具有上下左右導(dǎo)航和選擇鍵。電源部分選用可通過USB接口充電的蓄電池（5V~500mA），電池容量為600mA/h,全功能模式供電24h,休眠模式供電240h.數(shù)字顯示終端的軟件部分是由μCOS-II實(shí)現(xiàn)。

2.1數(shù)字顯示終端的硬件實(shí)現(xiàn)

數(shù)字顯示終端（見圖2）由6部分組成，其中主要是無線模塊和數(shù)據(jù)傳輸接口的實(shí)現(xiàn)。

1）無線模塊的實(shí)現(xiàn)。無線模塊是基于ZiGBee技術(shù)的，該技術(shù)是一種在900MHz及2.4GHz頻段，近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)。它由ZICM2410P0-1芯片和外圍電路組成（包括上電復(fù)位電路和工作指示電路）。

ZICM2410芯片包括多個(gè)通用I/O引腳、定時(shí)器、UART和SPI等，而且還有硬件語(yǔ)音編解碼器，獨(dú)有的IIS/SPI/UART音頻輸入輸出接口，擴(kuò)展出500KB/s或1MB/s的無線傳輸速率，通過PCB走線構(gòu)成天線，103dB的射頻鏈路預(yù)算，1.5V時(shí)RX靈敏度為-97dB/m,1.5V時(shí)射頻TX功率為+6dB/m.在外圍電路的設(shè)計(jì)中，通過ZICM2410的UART與LPC1758處理器連接，為了保證程序的穩(wěn)定性和射頻性能，采用了復(fù)位芯片CAT809E,無線模塊采用F型天線拓?fù)錁?gòu)造，支持全向輻射模式。為了保證天線的性能發(fā)揮，數(shù)字顯示終端的主板上要有足夠多的接地面，并且不要在模塊的天線下方布線，確保PCB走線和其他元件遠(yuǎn)離天線。

2）數(shù)據(jù)傳輸接口的實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)傳輸接口的電路主要是由處理器芯片LPC1758和USB收發(fā)器芯片ISP1302組成，接口插頭選用Mini-A插頭。處理器LPC1758集成了USB2.0功能，支持OT模式，數(shù)據(jù)傳輸接口電路。

LPC1758在設(shè)計(jì)USBOTG接口電路，需要外接1個(gè)USB收發(fā)器ISP1302,LPC1758和ISP1302通過I2C總線連接通信，LPC1758內(nèi)部的收發(fā)器負(fù)責(zé)控制USB信號(hào)切換，而ISP1302負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)OTG功能。此時(shí)，LPC1758內(nèi)部的收發(fā)器在VP/VM模式下工作。

3）其他部分的硬件實(shí)現(xiàn)。數(shù)字顯示終端其他部分還包括顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、電源部分和用戶導(dǎo)航鍵。DMT32240T035_01WN顯示模塊集成的功能非常齊全，它通過RS232直接和處理器LPC1758連接，但在電源的處理上要確保終接到顯示模塊上的電壓不低于5V.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊選用KFW4G16Q2M-DEB6NANDFLASH.用戶導(dǎo)航鍵采用普通薄膜式按鍵。電源部分選型比較重要，作為數(shù)字顯示終端的能量，不僅要滿足顯示模塊的電壓5~6V,電流不低于130mA,而且能承受USB接口充電，電池容量不低于600mA/h.

2.2數(shù)字顯示終端的軟件實(shí)現(xiàn)

數(shù)字顯示終端的操作系統(tǒng)選用μCOS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它是一種簡(jiǎn)單高效、源代碼公開的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，具有良好的擴(kuò)展性和可移植性，被廣泛應(yīng)用到各種嵌入式處理器上。

μC/OSII的源代碼不用修改，移植中需要修改的是涉及處理器的OS_CPU_C.C,OS_CPU_A.

ASM,OS_CPU.H三個(gè)文件。

1）OS_CPU.H文件包含μC/OSII所需要的常量、宏和自定義類型等。

OS_CPU.H定義的數(shù)據(jù)類型。在這次移植中μC/OSII重新定義了數(shù)據(jù)類型。

typedefunsignedcharBOOLEAN;

typedefunsignedcharINT8U;

typedefsignedcharINT8S;

typedefunsignedshortINT16U;

typedefsignedshortINT16S;

typedefunsignedintINT32U;

typedefsignedintINT32S;

typedeffloatFP32;

typedefdoubleFP64;

typedefunsignedintOS_STK;

typedefunsignedintOS_CPU_SR.

不同處理器的堆棧增長(zhǎng)方向是不一樣的，LPC1758的堆棧是從高地址往低地址增長(zhǎng)的，OS_STK_GROWTH設(shè)為1,程序?yàn)椋?/p>

#defineOS_STK_GROWTH1.

2）OS_CPU_C.C文件。在OS_CPU_C.C定義的C函數(shù)中，OSTaskStkInit（）函數(shù)與處理器相關(guān)，所以移植代碼需要修改該函數(shù)。其程序?yàn)椋ǔ跏蓟蝿?wù)時(shí)調(diào)用此函數(shù)初始化任務(wù)使用的堆棧）。

OS_STK*OSTaskStkInit（void（*task）（void

*p_arg），void*p_arg,OS_STK*ptos,INT16Uopt）

{

OS_STK*stk;

（void）opt;//防止編譯警告

stk=ptos;//裝載棧頂指針，即堆棧數(shù)組的地址模擬中斷發(fā)生的堆棧情況

*（stk）=（INT32U）0x01000000L;//xPSR

*（stk）=（INT32U）task;//PC,任務(wù)入口

*（stk）=（INT32U）0xFFFFFFFEL;//R14（LR）

*（stk）=（INT32U）0x12121212L;//R12

*（stk）=（INT32U）0x03030303L;//R3

*（stk）=（INT32U）0x020**202L;//R2

*（stk）=（INT32U）0x01010101L;//R1

*（stk）=（INT32U）p_arg;//R0,輸入?yún)?shù)p_arg模擬任務(wù)進(jìn)程，保存其他存放器到堆棧

*（stk）=（INT32U）0x11111111L;//R11

*（stk）=（INT32U）0x10101010L;//R10

*（stk）=（INT32U）0x09090909L;//R9

*（stk）=（INT32U）0x08080808L;//R8

*（stk）=（INT32U）0x07070707L;//R7

*（stk）=（INT32U）0x06060606L;//R6

*（stk）=（INT32U）0x05050505L;//R5

*（stk）=（INT32U）0x04040404L;/R4

return（stk）；

}

3）OS_CPU_A.ASM文件。μC/OSII的移植需要編寫5個(gè)簡(jiǎn)單的匯編語(yǔ)言函數(shù)。

OS_ENTER_CRITICAL（）：關(guān)閉中斷源；

OS_EXIT_CRITICAL（）：重開中斷源；

OSStartHighRdy（）：運(yùn)行當(dāng)前優(yōu)先級(jí)的任務(wù)；

OSCtxSw（）：一個(gè)任務(wù)放棄CPU使用權(quán)時(shí)調(diào)用；

OSIntCtxSw（）：在退出中斷服務(wù)函數(shù)OSIntExit（）中被調(diào)用，實(shí)現(xiàn)中斷級(jí)任務(wù)切換。

LPC1758使用OSPendSV（）函數(shù)快捷地開展上下文切換。OSPendSV（）的C語(yǔ)言表述程序?yàn)镺SPendSV:關(guān)中斷；

if（PSP!=NULL）

{

//保存R4~R11到任務(wù)堆棧SP_process;

OSTCBCur>OSTCBStkPtr=SP_process;

}

OSTaskSwHook（）；

OSPrioCur=OSPrioHighRdy;

OSTCBCur=OSTCBHighRdy;

PSP=OSTCBHighRdy>OSTCBStkPtr;

//從新任務(wù)堆棧中恢復(fù)R4~R11;

/恢復(fù)中斷；

//異常返回；

完成上述工作后，只要再根據(jù)目標(biāo)板的實(shí)際情況編寫Target目錄中的3個(gè)文件，μC/OSII就可以運(yùn)行在處理器上了。

3重點(diǎn)解決數(shù)字顯示模塊的組網(wǎng)問題

1）角色介紹。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)定義了3種角色，分別是協(xié)作員、路由和端節(jié)點(diǎn)。

協(xié)作員（coordinator）負(fù)責(zé)啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，它是網(wǎng)絡(luò)的個(gè)設(shè)備，協(xié)作員選擇一個(gè)信道和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)ID,隨后就可以啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。

路由（router）的功能是允許其他設(shè)備參加網(wǎng)絡(luò)，協(xié)助網(wǎng)絡(luò)中其他終端設(shè)備通信。

端節(jié)點(diǎn)（enddevice）沒有特定的維持網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造的責(zé)任，它可以選擇睡眠或喚醒兩種工作狀態(tài)，功耗小，可使用電池供電。

2）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。ZigBee網(wǎng)絡(luò)有星型網(wǎng)、簇型網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)3種組網(wǎng)方式（見圖3）。如果直接使用IEEE802.15.4底層的還有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)模式兩種組網(wǎng)方式（見圖4）。