基于S3C2410的WLAN智能住宅控制终端的设计

    作者：柯建伟  周嘉农

    摘要：信息技术在建筑行业的高速发展使得智能住宅和智能小区迅速崛起并成长为巨大的新兴产业。文章提出了一个基于S3C2410的高性能、低价格的ＷＬＡＮ智能住宅控制终端的设计方案。

    该方案依托成熟的无线局域网技术，可实现智能小区建设所需的安全防范、治理自动化和信息自动化的功能。

    要害词：WLAN；S3C2410；智能小区；智能住宅

    １ 前言

    信息技术在建筑行业的逐步渗透，带动了智能大厦、智能住宅以至于智能小区的高速发展。这一新兴产业集现代建筑技术、电子技术、通讯技术与控制技术为一体，正在迅速崛起并成长壮大。

    智能住宅小区须具备以下的基本特征和功能：

    ●安全自动化（ＳｅｃｕｒｉｔｙＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＳＡ）：

    防盗监控、消防监控、环境监控、紧急求助、出入口监控等。

    ●治理自动化（ＭａｎａｇｅｍｅｎｔＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＭＡ）：

    设备治理、收费治理、事务治理等。

    ●信息自动化（ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＩＡ）：

    话音、图像、数据通讯、家庭电子商务等。

    基于ＷＬＡＮ的智能小区治理系统示意图如图１所示，可以采用“智能住宅控制终端＋中心控制器”的方式来构建智能小区。其基本设计思想是采用集中分散的多级控制治理。通过每个住户安装的智能住宅控制终端，有效监控住户设定的各种防范监控要求，并自动为物业治理公司抄写各种量表（水、电、气等），提供紧急求助功能，还可以和门口机实现可视对讲。中心控制器则实时询问各个控制终端的信息，为物业公司提供小区中各住户的安防情况，减轻物业治理公司的工作量。同时，这种实现方式提供住户和物业治理公司之间的交互途径，可以在这一平台上发展家庭电子商务。

    不难看出，这种实现方式需要一个布线难度低、业务扩展性好的通信平台。而随着无线局域网（ＷＬＡＮ）技术的成熟和价格的下降，ＷＬＡＮ将成为智能小区中最重要的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ接入方式。

    基于ＷＬＡＮ的智能住宅控制终端依托成熟的无线局域网技术，可实现智能小区建设所需要的安全防范、治理自动化和信息自动化的功能。同时，无线局域网的高速数据率和开放性，使我们很轻易实现产品的功能升级和业务创新。

    ２ 系统设计

    根据智能住宅控制终端的功能需求及市场上的成熟技术，我们采用“硬件＋嵌入式操作系统＋应用层软件”的系统架构来设计智能住宅控制终端。

    控制终端的硬件平台以Ｓａｍｓｕｎｇ的Ｓ３Ｃ２４１０为核心，并辅以必要的外围设备。这款芯片基于ＡＲＭ９２０Ｔ核，带有丰富的接口，是一款性价比很高的ＡＲＭ核ＳＯＣ芯片。控制终端的软件部分有两层：嵌入式操作系统和应用层软件。这里采用ＡＴＩ的Ｎｕｃｌｅｕｓ做为嵌入式操作系统。Ｎｕｃｌｅｕｓ是开放源代码的实时操作系统，采用模块化的设计，开发平台友好。根据功能需求，应用层软件包含如下模块：安防模块、三表的读写模块、可视对讲模块、家庭电子商务模块、无线遥控模块和人机交互模块。

    ２．１硬件系统设计

    图２是硬件系统的总体设计和模块划分框图，下面对各个模块分别进行介绍。

    （１）主机模块：Ｓ３Ｃ２４１０和外围功能接口

    主机模块是系统的核心，控制着系统内其他模块的正常工作。本设计采用Ｓ３Ｃ２４１０芯片来实现，它基于ＡＲＭ９２０Ｔ内核，自带１６ｋＢ指令缓存和１６ｋＢ数据缓存以及ＭＭＵ单元，工作时钟最高可达２０３ＭＨｚ，拥有丰富的片内外设，如ＵＳＢ（一个Ｈｏｓｔ，一个Ｄｅ-ｖｉｃｅ）、ＳＤＲＡＭ控制器、ＬＣＤ和触摸屏控制器、ＵＡＲＴ（三个）、ＤＭＡ、Ｔｉｍｅｒ、ＲＴＣ、ＩＩＳ、ＩＩＣ、ＳＰＩ等等，同时还有丰富的ＩＯ端口资源，是一款性价比很高的ＡＲＭ核ＳＯＣ芯片。以下为Ｓ３Ｃ２４１０的接口类型及其在系统中的应用：

    ●ＬＣＤ控制器：外接３２０×２４０的ＴＦＴ液晶屏；

    ●ＡＤ和触摸屏接口：触摸屏；

    ●ＧＰＩＯ口外接相应驱动电路：１６个输入、４个输出、ＬＥＤ显示、键盘；

    ●ＵＳＢ接口（Ｈｏｓｔ）：无线通信模块，支持８０２．１１ｘ系列标准；

    ●存储器接口：３２ＭＦＬＡＳＨ和６４ＭＳＤＲＡＭ；

    ●ＵＡＲＴ接口：接ＴＩ７５１７６，ＲＳ４８５总线接口，连接ＲＩＵ模块；

    ●ＵＡＲＴ接口：接无线遥控模块；

    ●ＩＩＳ接口：接ＵＤＡ１３４１Ｓ音频接口，语音提示。

    （２）电源治理模块

    电源治理模块提供系统工作要求的电源。系统的工作电压要求如下：输入１２Ｖ电压，输出１．８Ｖ、３．３Ｖ、５Ｖ、１２Ｖ和２４Ｖ电压。

    可以采用７８０５实现１２Ｖ至５Ｖ的电压转化，采用ＴＰＳ７６７Ｄ３１８实现５Ｖ至３．３Ｖ和１．８Ｖ的转换，采用ＭＡＸ６２９实现３．３Ｖ至２４Ｖ的升压。

    （３）无线通信模块

    由于智能小区的实现方案是基于无线局域网的，因此无线通信模块在系统中显得尤为重要。为了降低开发难度，可以采用市场上成熟的ＵＳＢ接口无线网卡。Ｓ３Ｃ２４１０提供了一个ＵＳＢ（Ｈｏｓｔ）接口，正好用于连接无线通信模块。

    （４）人机接口模块

    人机接口模块提供了良好的人机交互界面，包括：ＬＣＤ和触摸屏、ＬＥＤ、键盘、麦克和扬声器。

    （５）无线遥控模块

    无线遥控模块是一种方便用户操作的智能化终端，提供远程布防、求助等功能。可采用市场上现有的产品模块，这些模块一般为ＵＡＲＴ接口。

    （６）输入输出口模块

    系统的ＧＰＩＯ口可提供１６个输入输出口，４个输出口。输入口提供光耦隔离功能；输出口有１２Ｖ，４００ｍＡ的驱动能力。

    （７）ＲＩＵ总线模块

    智能住宅控制终端提供ＲＳ４８５接口，作为家庭网络控制总线接口。系统采用ＴＩ７５１７６实现了Ｓ３Ｃ２４１０的ＵＡＲＴ接口向ＲＳ４８５总线接口的转化。

    ２．２软件系统设计

    图３是软件系统的总体框图，下面对各个层次和模块分别进行介绍。

    （１）嵌入式操作系统和驱动程序设计

    Ｎｕｃｌｅｕｓ包含ＮｕｃｌｅｕｓＰｌｕｓ、Ｆｉｌｅ模块、ＭＭＵ模块，Ｇｒａｆｉｘ模块、ＮＥＴ模块和其它应用层的协议模块等。ＮｕｃｌｅｕｓＰｌｕｓ是专为强实时性嵌入式产品而开发设计的实时、抢占式、多任务内核。Ｇｒａｆｉｘ是一个图形治理模块，支持ＬＣＤ和触摸屏，用于开发人机界面。Ｆｉｌｅ模块是文件系统治理模块。ＭＭＵ是一个内存治理单元，支持系统高效地使用有限的内存空间。ＮＥＴ模块即网络模块，用于实现ＴＣＰ／ＩＰ协议栈。此外，Ｎｕｃｌｅｕｓ也提供很多应用层的协议模块包括ＨＴＴＰ、ＴＦＴＰ、ＳＮＭＰ等。

    Ｎｕｃｌｅｕｓ的开发平台以ＭｉｃｒｏＳｏｆｔ的ＶｉｓｕａｌＳｔｕｄｉｏＣ＋＋为基础，提供了仿真平台ＭＮＴ和多任务调试工具ＭＴＤ，方便用户使用，可以大大加快用户的开发时间。

    根据硬件平台的要求，还需要开发适应硬件平台的驱动程序，包括音频接口驱动程序、ＬＣＤ／触摸屏驱动程序、ＵＳＢ驱动程序、ＲＳ４８５总线驱动程序、键盘驱动程序、ＬＥＤ驱动程序以及无线遥控模块驱动程序。

    （２）应用层软件模块

    应用层软件由系统应用层协议（ＨＩＭＭＰ：ＨＩＭＭａｎａｇｅＰｒｏｔｏｃｏｌ）和各个功能模块组成。系统应用层协议规定了中心控制器以及门口机和智能住宅控制终端之间的通信协议，是系统应用层软件的基础，应用层软件模块就是在这个协议的基础上进行的。

    应用层软件模块包括安防模块、可视对讲模块、家庭电子商务模块、三表读写和治理模块以及人机接口模块。

    安防模块用于监测用户设定的安防措施，包括防火、煤气泄漏、门窗被撬等，实时发出警报并报告物业治理中心；可视对讲模块负责住户和门口机的可视对讲并控制大门的开关；家庭电子商务模块实现家庭电子商务功能，可以浏览各种日常生活用品的供给情况（这些数据来自物业治理公司），并下订单购物；三表读写和治理模块负责抄写住户的水电气表，汇总到中心服务器，并支持用户的实时查询。