[ 導讀 ] 20世紀90年代以后，網絡化智能家居的出現，實現了在家庭范圍內信息設備、通信設備、娛樂設備、家用電器、照明設備、家庭求助報警、家庭安防及水電氣熱表(四表三防)等家居設備的遠、近程網絡互連，為用戶提供了服務和自主管理能力。

       20世紀90年代以后，網絡化智能家居的出現，實現了在家庭范圍內信息設備、通信設備、娛樂設備、家用電器、照明設備、家庭求助報警、家庭安防及水電氣熱表(四表三防)等家居設備的遠、近程網絡互連，為用戶提供了服務和自主管理能力。本文采用多媒體處理器Virgine G2(簡稱“VG2”)作為主控芯片設計了一款智能家居控制器，以家庭人居習慣的音視設備為中心，以電視與遙控器為人機交互界面，實現家庭住宅的自主管理和智能化服務。
　　1 智能家居控制器設計
　　1.1 智能家居控制器總體結構
　　智能家居控制器采用家庭電視顯示，由遙控器、面板自帶鍵盤控制，將信息設備、通信設備、家用電器、安防系統、門禁系統、四表自動抄表系統等獨立單元的家居設施跨平臺地有機結合，利用網絡和電話實現遠、近程操作控制智能化。圖1是智能家居控制器系統基本結構圖。

　　1.2 智能家居控制器功能
　　智能家居控制器的沒計原則以人居習慣為出發點，最大限度地方便用戶使用;以控制器為核心，接口電路易于安裝和擴展。
　　控制器提供4路音視頻輸入切換接口，在主控制芯片VG2的控制下，對輸入信號進行切換，并可對視頻輸入信號進行圖文疊加處理輸出到電視顯示器上。家居控制器以設置的紅外入侵、門磁窗磁、門鈴門禁和氣體傳感器動作信號為依據，為用戶提供家庭安全防范。用戶可手動設定，或遠程管理家庭聲光設備和控制家用電器的運行。
　　根據網絡接入的不同，家居控制器可運行在3種模式(家庭自主系統、小區服務器網絡系統和TCP/IP寬帶網絡系統)下，為用戶提供以下功能。
　　①家庭理財：家庭水費、電費、煤氣費和供熱費的記錄顯示和傳輸;家庭日常支出的錄入和顯示;家庭月、季、年支出累計。
　　②家政服務：家庭對小區物業公司的鐘點工(清潔、保姆、護理等)，醫護人員，水電氣維修工，送飯、送貨人員的預約、召喚和呼救。
　　③家庭安防：門禁(可視對講)控制操作;家庭安防系統(紅外入侵報警、窗玻璃碎報警等)預警設置和聲光/遠程報警。
　　④家庭電子保姆：可預置(或通過電話遠程控制)電飯煲、微波爐、洗衣機、熱水器等家電的開關時間。
　　⑤家庭信息平臺：直接收看電視節目;轉接播放VCD、DVD;完成數字電視接收、轉換和高清晰電視處理播放;實現網絡接入等。
　　⑥物業管理：小區發布公共信息;各戶信息通告等。
　　1.3 接口設計: 2; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px">　　根據系統功能設計，家[FS:PAGE]居控制器提供了豐富的功能接口。
　　音視頻輸入接口：接入有線電視、DVD/VCD、攝像頭等信號。在模擬電子開關的控制下可根據需要進行切換控制。
　　音視頻輸出接口：通過視頻利用放大器MAX4310實現4路復合視頻信號的驅動功能，為電視機提供聲音和視頻圖像信號。
　　網絡輸入/輸出接口：接入網絡，提供網絡數據服務，采用芯片RTL8019AS，全雙工，收發速率可達10 Mbps。
　　鍵盤接口：外接面板20鍵鍵盤，用戶通過鍵盤或遙控器操作選擇相應功能。
　　USB接口：接入優盤，提供數據存儲功能、功能擴展預留;以ISPll61A1為核心，提供2路下行端口，1路上行端口，遵循USBv2.O規范。
　　RS485接口：接入多功能集中/遠傳自動抄表系統，可直接與數據采集器相連接，實現對4路基表輸出的脈沖信號實時采集、自動處理和數據保存。
　　I/O接口：提供8路輸入和8路輸出，接收來自紅外入侵探測器、門磁窗磁、門鈴門禁和多種傳感器的安防警示系統的信號，為系統報警提供依據;輸出控制信號，實現家電控制、聲光控制和報警控制。
　　市話接口：串接在外線和普通電話之間，接入市話網，接收電話控制指令，可自動撥打預設電話報警，亦可直接與110聯網報警。采用MT8888負責DTMF信號的收發，使用ISD1420錄入用戶的地址信息。
　　2 關鍵技術及其實現方案
　　VG2是ADChips公司推出的一款內嵌32位微處理器的多媒體處理器，集數據、視頻、音頻處理為一身。內部包括1個基于3維圖形算法的2維圖形加速器VR0_2D，還嵌有1個32通道的8/16位音頻引擎，以及視頻DAC、DRAM控制器、DMA、定時器、雙串口等多種外設。
　　家居控制器的主要功能單元包括：視頻疊加、數據傳輸與存儲、市活控制和抄表系統。其中，抄表系統采用“多用途集中遠傳抄表系統”，通過R8485網絡與主控模塊相連接，硬件上無需另行設計。
　　2.1 視頻疊加單元
　　視頻疊加單元實現圖形文字與視頻信號的疊加(如操作提示信息與電視信號的疊加等)。主控芯片VG2對圖像數據進行處理，將圖像數據轉換成RGB信號輸出;同時帶有行、場等各種同步信號，為視頻疊加電路提供圖像RGB信號，以實現與外部視頻信號的疊加。
　　視頻疊加單元采用東芝公司的視頻疊加芯片TBl238和三星公司的視頻編碼芯片KA2198實現視頻疊加和編碼。TBl238是基于I2C總線的彩色電視信號處理芯片，可以實現外部視頻信號解碼、同步提取、三基色信號疊加等功能;片內含有視頻與色度信號處理以及掃描小信號產生電路，集成基帶延遲線，以及音、視頻開關電路，可單片實現PAL/N[FS:PAGE]TSC制信號的解碼，輸出R、G、B三基色信號。視頻系統的RGB編碼采用KA2198單片電路，支持PAL制式和NTSC制式。KA2198包含了R-Y/B-Y矩陣、調節器、脈沖產生器、標準儀、內嵌的色度BPF(帶通濾波器)和亮度延遲線、使用S-VHS系統的Y/X輸出。
　　視頻疊加采用復合視頻信號彩色解碼后疊加法。外部視頻信號由TBl238解碼為RGB三基色信號，與VG2輸出的RGB信號分別疊加;得到疊加后的RGB信號，再由KA2198進行視頻編碼，輸出含有疊加圖形的復合視頻信號。電路組成如圖2所示。

BORDER-TOP-WIDTH: 0px; BORDER-LEFT-WIDTH: 0px; BORDER-BOTTOM-WIDTH: 0px; MAX-WIDTH: 560px; WIDTH: 500px; HEIGHT: 277px; BORDER-RIGHT-WIDTH: 0px; border-image: initial" alt=視頻疊加結構框圖 src="/uploadfile/mndz/uploadfile/201205/20120511031625486.jpg">
　　2.2 市話控制單元
　　市話控制單元利用住宅電話資源，串接在外線和用戶的普通電話機中間，平時不影響電話正常使用。它由外圍摘掛機控制電路、振鈴檢測電路、DTMF收發電路、語音錄放電路等構成。
　　采用MT8888為核心，接收和發送DTMF全部16個信號。MT8888發送部分采用信號失真小、頻率穩定性高的開關電容式D/A變換器，接收部分用于完成DTMF信號的接收、分離和譯碼，并以4位并行二進制碼的方式輸出;可調整雙音頻模式的占空比，能自動抑制撥號音和調整信號增益，帶有標準的數據總線，與TTL電平兼容。采用VG2微控制器進行編程控制，可實現通過DTMF收發電路撥出電話號碼進行電話通告和報警，以及接收遠端的用戶指令對家庭設備進行相應的操作。
　　選用的數字語音芯片為ISDl420，具有先進的模擬/數字語音存儲技術，音質好，無需A/D轉換，可錄制20 s的語音信息，可分段存儲信息，地址總線與單片機接口;零功率信息存儲方式，斷電情況下，信息可保留10年以上;易于使用，可隨意改變錄音內容，錄放次數達10萬以上。
　　在本系統中，ISD1420用于存儲用戶的地址語音信息(住宅的地理位置)，以便與110聯網。電話在模擬摘機后的系統提示語音和各種警情語音信息由VG2的音頻引擎輸出直接耦合到通話線路中。當接收到報警信號時，系統查詢系統參數，決定是否報警，采用何種方式報警(可以自動撥出用戶設置的報警電話，向用戶提供語音報警和現場聲響;也可通過電話指令啟動警號和其他執行機構)，并決定主機進入布防還是撤防狀態。
　　摘掛機電路通過控制一個電流源的通斷來實現。在掛機狀態下，電路上的電流可以忽略不計;摘機時的電流約[FS:PAGE]為30 mA，同時可以保證電路具有較小的直流阻抗(<300Ω)和較大的交流阻抗(>600Ω)。振鈴時線路上為(90±15)V、(25±3)Hz、ls送、4s斷的蜂音(GB3380-1982)，將線路上的電壓與參考電壓比較，以檢測出振鈴信號。
　　當有電話呼入時，在響鈴達到毆定次數后，家居控制器接管電話，給出語音提示，提供留言或輸入密碼進入家電控制(若3次輸入密碼不正確，則家居控制器將自動掛斷電話)。電話線路上的撥號音、回鈴音、忙音等信號是頻率為(450土25)Hz的交流電源，電平為(-10±3)dBm。置MT8888為呼叫進程處理模式.根據不同信號的計數值不同進行區分，可實現撥號音、忙音、回鈴音的檢測。市話控制單元結構如同圖3所示。

2.3 數據傳輸及數據存儲單元

　　采用Realtek公司的以太網接口芯片RTL80l9AS和Philips公司的USB主從控制芯片ISP1161A1，為用戶提供網絡接入和數據存儲功能。
　　ISPll6lAl是Philips公司生產的一種單片通用串行總線(USB)控制器，遵循USBv2.0規范，為USB HC提供了2個下行端口，為USB DC提供1個上行端口。每一個下行端口都有自己的過流(OC)檢測輸入端和電源轉換控制輸出端;上行端口有自己的VBUS檢測輸入端。內建4 KB的FIFO緩存RAM供HC使用，2 462字節的FIFO緩存RAM供DC使用。在ISP116lAl作為USB主機時，根據硬件資源的分配，其數據地址是0x015000000，命令地址為0x01500002。HC的編程接口時序最小值不超過300ns，在VG2接14.318 MHz晶振、ISP1161外接12 MHz晶振時，可以滿足VG2和ISP1161協調工作的時序要求。

體, arial; TEXT-TRANSFORM: none; COLOR: rgb(0,0,0); TEXT-INDENT: 3em; PADDING-TOP: 0px; WHITE-SPACE: normal; LETTER-SPACING: normal; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); orphans: 2; widows: 2; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px">　　RTL8019AS網絡接口芯片具有16位數據總線和24位地址總線，具有曼徹斯特編碼、沖突檢測和重發的功能;可以與很少的外圍電路一起完成數據的發送和接收，全雙工，收發速率可同時達到10Mbps;內置16KB的SRAM用于數據收發的緩沖，支持跳線和免跳線，即插即用的上作模式。圖4是數據傳輸及數據存儲結構圖。RTL8019AS工作在跳線方式下，IOS3～IOSO為低電平，設置其I/O基地址為Ox300，RTL8019AS只對地址為0x300～0x31F的信號產生響應;IRQS2～IRQS0為低電平，INT0被選中作為中斷請求的輸出，PLl、PLO為低電平.設置具有自動檢測接口類型的功能。
　　3 軟件設計[FS:PAGE]
　　本文采用μC/OS-II(v2.51)嵌入式操作系統作為家居控制器的軟件平臺。μC/OS-II是一個占先式多任務操作系統，可固化、可裁剪，易于移植，具有良好的可靠性和穩定性;支持多達64個任務，以及信號量、消息郵箱、消息隊列等多種進程問通信機制。由于沒有TCP/IP和USB協議棧，因此移植了1wIP和USB HOST協議來實現網絡通信和USR數據傳輸。
　　3.1 μC/OS-II在VG2上的移植
　　采用Cygwin作為編譯平臺的EISC STUDIO集成開發環境，用戶可以在C程序中插入匯編語言(可擴展指令集)，在移植過程中修改了OS_CPU.H和OS_CPU_C.C，4個與處理器相關的函數在OS_CPU_C.C中實現。堆棧的增長方向為向下，入口寬度為32位。初始化后數據結構依次為opt，ptos，pdata，0x0，task，0x3000，0xe，0x7，0x6，Ox5，0x4，0x3，0x2，0xl，0x0。OSStartHighRdy()在OS_CPU_C.C中的實現實例如下(限于篇幅，其他函數不再一一列出)：

　　3.2 1wIP協議在μC/OS-II上的移植
　　1wIP是一個比較完備的嵌入式TCP/IP協議棧，有與操作系統接口的封裝層。1wIP的移植主要包括4個方面的工作：
　　◇處理與編譯器和硬件相關的include文件;
　　◇實現與操作系統相關的結構和函數;
　　◇實現lib_arch中的庫函數;
　　◇實現RTL8019As驅動程序。
　　RTL8019AS與Ne2k芯片兼容，可參照ethernetif.c網絡驅動模板實現網絡設備的驅動。
　　3.3 USB主機系統的實現
　　USB主機系統的實現主要是核心驅動程序(USBD)和主控制器驅動程序(HCD)的實現。HCD是協議棧最底層對主機控制器硬件和數據傳輸的抽象，向上為USBD提供一個軟件接口(HCDI)，向下管理和檢測主機控制器硬件的行為。USBD是USB體系的中樞，用于檢測和管理USB系統的所有活動，向上接收USB設備驅動程序和用戶程序的各種命令和數據，向下把處理好的各種數據發送給HCD，并最終與設備進行通信。主機要支持設備類，就要建立特定的設備類協議，本設計實現了USB Mass Storage類，移植了ZLG/FS文件系統。
　　3.4 智能家居控制器的軟件設計
　　軟件設計采用模塊化、與內核相分離的原則，可保證程序具有良好的可移植性和可重用性，主要有網絡模塊、USB模塊、市話控制模塊、顯示模塊、鍵盤模塊和抄表模塊等。每個模塊都有相應的功能.其中一些模塊還包含一些子模塊，各個模塊相互獨立又相互聯系，它們的有機組合為用戶提供相應的功能。按照軟件所屬層次可劃分為3層：內層是實時操作系統內核;中間件層主要是芯片的驅動和通信協議的移植;外層是應用層，為用戶提供具[FS:PAGE]體的功能應用。系統復位后，主程序首先對進行系統進行初始化，獲取系統狀態信息。VG2自帶看門狗設置，在程序正常執行過程中每隔一段時間觸發看門狗電路，進行喂狗。
　　4 小結
　　本文采用ADChips公司的多媒體處理器VG2作為主控芯片，網絡的接入和USB技術的應用保證了大數據量傳輸和存儲的穩定性以及功能的可擴展性，兼顧了傳統電話網絡遠程控制方式。智能家居控制器操作簡單，使用方便，達到了預期的設計目的。

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