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模块家庭系统基于ARM7的远程智能住宅控制装置的研制


摘要:随着网络技术和通信技术的不断发展以及人们对生活要求的不断提高,实现家庭智能的远程控制已经成为必然的趋势。本文采用嵌入式系统、GPRS通讯技术和RS485总线技术相结合的方式,研制了一种操作简单且成本较低的远程智能家电控制系统。通过该系统,可以将家中的电器、防盗系统、水电系统有机的结合起来,实现对家用电器和各个子系统的智能管理。同时能通过短信等方式,实现对家庭系统的远程监控。
关键词:家庭控制装置;ARM7;89C52

1 总体方案设计
  如图l所示。智能家电控制系统由家庭智能控制模块、家庭内部网络系统、以及GPRS模块等几部分构成。


  (1)家庭智能控制器:该部分是系统的核心。采用嵌入式系统设计,能够自动运行、处理数据,通过RS485总线管理和控制家庭系统。并且控制器通过GPRS模块,实现家庭系统与外部网络的通讯,使用户可以通过短信和互联网等方式实现家庭系统的远程控制,同时,控制器还通过键盘和显示屏为用户提供人机界面,方便用户实现本地控制。
  (2)家庭系统:家庭系统通过单片机组成若干小的控制系统控制各家用设备,并通过统一的控制总线将这些小的控制系统组成网络,连接到家庭智能控制器,受家庭智能控制器控制。
  家庭智能控制器系统的具体功能包括:
  (1)家用设备的数据采集:采集家用设备包括室内温度、灯具家电、防盗门等设备的状态数据,经控制器处理后反馈给用户。
  (2)本地控制:用户通过控制器上的键盘和显示屏,对家用设备进行监控。
  (3)远程控制:远程用户可以通过发送手机短信或通过互联网对家庭系统进行控制和查询。
  (4)自动报警:当控制器检测到非法闯入或温度超高等报警信号时,及时触发室内报警装置,并通过发送报警短信等方式及时通知用户。
  (5)温度查询:用户可以通过控制器查询室内温度。
  (6)红外家电控制:接收用户命令,通过红外发射电路控制电视、空调等红外可控的家电设备。

2 系统硬件设计
2.1 硬件系统结构
  本文选用三星公司S3C4480芯片作为控制器的中心控制模块,负责和GPRS通信模块、家庭系统模块、数据存储、键盘、显示屏等模块进行通讯以及系统的数据采集和处理。主要分为家庭智能控制器和家庭系统两部分。
2.2 智能住宅家庭控制装置的硬件设计
  控制器的电路设计部分主要分为如下几个模块:
  (1)ARM处理器S3C44B0的外围电路模块:包括电源管理、键盘、显示屏以及SDRAM、Flash等数据及程序存储设备。
  (2)GPRS通信模块及其外围电路设计:GPRS模块用于实现远程用户与控制终端的数据传送,本文选用了西门子公司的MC35I模块。其外围电路设计主要完成了MC35模块的供电部分,数据传送、模块启动和关闭及工作模式指示等部分的电路设计。
  (3)串口扩展:GPRS modem拨号上网需要处理器为其提供完整的9线串口,而S3C4480只提供了3线串口。因此本文通过外接双通道的通用异步收发器ST16C2550扩展了完整的9线串口扩展。
  (4)RS485转换器:通过TI公司的RS485接口芯片75LBCl84,实现了S3C4480(单片机)串行口的TTL电平与RS485电平之间的转换,该芯片的输入阻抗为RS485标准输入阻抗的2倍(≥24kΩ),故可以在总线上连接64个节点。
2.2.1 ARM处理器的外围电路设计
2.2.1.1 开发板资源的使用
  开发板提供了丰富的外部资源,下面对除了电源、时钟源、复位电路等必要配置外,系统使用到的部分资源作简要介绍:
  外部存储器配置:2MB Flash、8MB SDRAM,为系统数据、程序和操作系统内核的存储和运行提供存储空间。
  扩展网口:10M网口,RTL8019AS,该部分用于从PC机上下载操作系统内核和应用程序。
LCD接口(带LCD显示屏):320×240,STN,16级灰度,最大可接640×480256色。
键盘:键盘和LCD接口用于为用户提供本地控制的人机交互界面。
串口:两个标准RS232接口。用于和PC机连接,通过超级终端进行系统调试。
JTAG接口:利用JTAG仿真器可以通过JTAG边界扫描口进行在线仿真。目前JTAG有两种标准,即14针接口和20针接口,开发板采用的是标准14针JTAG接口,支持ARM7全系列处理器,支持STD,并口连接,支持网络调试功能。


蜂鸣器:作为室内的报警信装置。
2.2.1.2 系统存储器的分配
S3C44B0支持数据存储的大/小端选择(通过外部引脚进行选择);具有8个存储体,每个存储体可达32MB,总共可达256MB;对所有存储体的访问大小均可以改变(8位/16位/32位);8个存储体中,Bank0~Bank5可以支持ROM、SDRAM;Bank6、Bank7可支持ROM、SRAM和SDRAM等;7个存储体的起始地址固定,1个存储体的起始地址可变。
开发板中Flash选用SST39VFl60,lM×16位,作为程序存储器主要用于替代ROM,必要时也可以存储部分重要数据。开发板中SDRAM芯片选用HY57V641620,4M×16bit,存储容量为8MB。用SDRAM当作系统内存。
2.2.2 GPRS模块NC35及其外围电路设计
2.2.2.1 MC35模块
MC35是Siemens公司推出的新一代无线通信GPRs模块,主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块(ASIC)、闪存、ZIF连接器、天线接口六部分组成。
2.2.2 MC35外围电路设计
(1)MC35I电源电路
模块要求单一电源供电,提供3.3~4.8V的电压(标准输入为4.2v)、2A的电流。本文选用LM2576ADJ为模块提供电源,该芯片为降压式开关电压调整器,电压的输入范围为:lO~40V,选用12V(通过220V转12V变压器得到)输入,输出为4.5V。供电部分电路设计如图2所示。


(2)启动和关机电路
启动电路由开漏极三极管和上电复位电路组成。本文用程控方式实现,其电路图如图3所示,其简化电路如图4所示。
第一种方式为手动控制方式,电路如图3所示,主要用于MC35I模块的单独调试,当S1被按下时Q3基极为高电平,Q3导通,使IGT脚电压被拉低,启动模块。


关机电路通过三极管给该脚一个大于3.5s的低电平,可以关闭GPRS模块。电路图设计与图3类似。
2.2.2.3 数据通信电路
电气特性方面MC35模块的串口采用的是ITU—TV.24协议,和RS232电平并不兼容。因此需要进行电平转换。
本系统中我们使用TI公司的MAX3238电平转换芯片。数据通信电路设计如图5所示。


2.2.2.4 SlM卡电路
MC35I还提供了6个SIM卡电路接口,SIM卡读卡器的电路连接图如图6所示:


2.2.3 串口扩展模块
为了实现家庭智能控制器的网络远程控制,需要通过GPRS modem MC35实现拨号上网。本设计选用过AT公司的ST16C2550完成串口扩展,ST16C2550与ARM处理器的电路连接图如图7所示。


此外,ST16C2550的串口输出为TTL电平,这里使用MAX3238将电平转化为串口的RS232电平。
2.2.4 RS485接口电路
本系统设计的家庭智能控制器,家庭内部网络布线采用RS485总线。由于ARM处理器44B0和单片机(文中选用的Atmel公司的AT89C52)都没有提供现成的RS485总线接口,因此需要选择转换芯片实现接口的转换。本系统选用了TI公司生产的一种RS485接口芯片75LBC184。
2.2.4.1 RS485接口电路设计
44B0和单片机的串口输出都为TTL电平,因此44B0和单片机与75LBC184的连接电路一致,其电路图如图8所示。


2.3 家庭系统模块
家庭智能系统集家电控制、安全防范、娱乐休闲等多功能于一体。本文在家庭系统模块实现了红外家电控制、温度报警模块,每个模块都由单片机作为控制器构成,并通过单片机连接RS485总线组成家庭网络,并最终受家庭智能控制器控制。
2.3.1 红外家电控制模块
红外家电控制模块主要用于控制一些设备内含有红外接收芯片的家用电器。
2.3.1.1 红外发射电路设计
红外发射电路中采用的红外发射器件是塑封的TSAL6200红外发射二极管,红外脉冲串的宽度和间隔由单片机通过I/O口输出的高低电平的时间间隔来控制,调制电路是74LS123的两个单稳态触发器U2A和U2B级联构成的可控振荡器。其电路图如图9所示。


2.3.1.2 红外接收电路设计
红外接收采用HS0038B红外接收器,电路设计如图10所示。


2.3.2 温度报警器模块
温度测试和报警装置在家用设备中是非常必要的。很多家用设备可以通过智能控制器读取温度信号进行自主调节,当室内发生火情等紧急情况,可以通过温度测试及时地向用户发出报警信号,做出处理。
温度传感器选择Dallas公司的单线数字温度传感器芯片DS18B20。电路设计如图ll所示。


3 系统软件设计
系统的软件设计主要的分为三个部分:家庭系统模块的软件设计、RS485通讯协议设计及家庭智能控制器与家庭系统通讯的软件设计、家庭智能控制器的软件设计。其中,家庭智能控制器的软件设计是系统软件设计的核心,该部分的软件设计以嵌入式u Clinux操作系统为开发平台,负责家庭系统的数据采集、数据处理,并且能够和远程用户通讯,实现远程控制,是实现对家庭系统的智能化管理的关键。系统的软件结构框图如图12所示。


4 结论
利用本装置可以控制住宅温度等参数,满足智能住宅规定标准(温度控制在18~28℃);可以将家中的电器、防盗系统、水电系统有机地结合起来,实现对家用电器和各个子系统的智能管理。同时能通过短信等方式,实现对家庭系统的远程监控。

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