摘要：闡述了基于M2M 技術的智能家居系統(tǒng)和數(shù)字顯示終端的設計原理與方案，介紹了數(shù)字顯示終端的硬件實現(xiàn)和軟件實現(xiàn)，重點解決了數(shù)字顯示模塊的組網(wǎng)問題。

　　無線傳感器網(wǎng)絡、嵌入式處理技術、無線網(wǎng)絡技術和無線控制技術的發(fā)展， 給智能家居領域的發(fā)展帶來了實際可行的應用成果。同時， M2M 技術的應用使智能家居系統(tǒng)的設計更加人性化。

　　目前， 國內(nèi)外很多公司的智能家居系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的室內(nèi)電氣設備的控制和各種計量設備（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進行室內(nèi)電氣設備工作狀態(tài)檢測和控制以及可供用戶隨時查詢、記錄抄表數(shù)據(jù)的手持智能顯示終端。筆者設計的智能家居系統(tǒng)數(shù)字顯示終端是一個基于ZigBee 技術和USB OTG 技術的用戶和智能家居系統(tǒng)互動的媒介，可有效地幫助用戶實現(xiàn)對智能家居系統(tǒng)的監(jiān)測和抄表數(shù)據(jù)查詢。

　　1 數(shù)字顯示終端

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

　　1.1 基于M2M 技術的智能家居系統(tǒng)

　　基于M2M 技術的智能家居系統(tǒng)主要通過Zig-Bee 技術與相關的無線設備組建無線局域網(wǎng)， 采集無線傳感器的數(shù)據(jù)和輸出控制信號， 并由塢站將采集到得數(shù)據(jù)匯總封裝后通過M2M網(wǎng)關和Internet傳送到提供相關家居服務的公司的服務器上。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)關和服務器， 并主要使用在居家能源管理和居家自動化兩個方面。

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

　　2） 居家自動化。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以控制室內(nèi)電氣設備， 如門窗、室內(nèi)照明等設備。

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

　　1.2 數(shù)字顯示終端的設計原理與方案

　　數(shù)字顯示終端是智能家居系統(tǒng)與用戶互動的關鍵部分， 通過ZigBee 技術與安裝在室內(nèi)的低功耗無線設備建立無線局域網(wǎng)， 監(jiān)控無線設備的工作狀態(tài)， 并通過USB OTG 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， 同時將檢測到的室內(nèi)低功耗無線設備的工作狀態(tài)發(fā)送到服務器， 供用戶遠程登錄服務器監(jiān)測和控制低功耗無線設備。數(shù)字顯示終端工作在兩種模式下， 一種是對接模式進行， 即通過USBOTG 高速數(shù)據(jù)傳輸接口和塢站連接進行數(shù)據(jù)交換；另一種是移動模式， 即不與塢站連接的工作狀態(tài)，這時它只能檢測和控制相關低功耗無線設備。USBOTG 接口不僅可以傳輸數(shù)據(jù)， 當數(shù)字顯示終端與塢站對接時， 可以通過USB OTG 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)存儲模塊、數(shù)據(jù)傳輸接口、電源部分和用戶導航鍵6 部分組成（見圖2）。

　　2 數(shù)字顯示終端的實現(xiàn)

　　數(shù)字顯示終端處理器選用LPC1758.LPC1758是一款基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核的處理器， 集成了USB2.0 功能， 包括USB 主機、USB 從機和USBOTG, 擁有512 KB 的Flash 和64 KB 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)存儲模塊選用4 GB 的Flash 存儲器， 也可升級為16 GB 的存儲空間。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)傳輸結論。

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

　　2.1 數(shù)字顯示終端的硬件實現(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)傳輸接口的實現(xiàn)。

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

　　ZICM2410 芯片包括多個通用I/O 引腳、定時器、UART 和SPI 等， 而且還有硬件語音編解碼器，獨有的IIS/SPI/UART 音頻輸入輸出接口， 擴展出500 KB/s 或1 MB/s 的無線傳輸速率， 通過PCB 走線構成天線， 103 dB 的射頻鏈路預算， 1.5 V 時RX靈敏度為-97 dB/m, 1.5 V 時射頻TX 功率為+6 dB/m.在外圍電路的設計中， 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， 采用了復位芯片CAT809E, 無線模塊采用F 型天線拓撲結構， 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 走線和其他元件遠離天線。

　　2） 數(shù)據(jù)傳輸接口的實現(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在設計USB OTG接口電路， 需要外接1個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)器負責控制USB信號切換， 而ISP1302 負責實現(xiàn)OTG 功能。此時，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)存儲模塊、電源部分和用戶導航鍵。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5 V.數(shù)據(jù)存儲模塊選用KFW4G16Q2M-DEB6 NAND FLASH.用戶導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)字顯示終端的能量來源， 不僅要滿足顯示模塊的電壓5~6 V, 電流不低于130 mA, 而且能接受USB接口充電， 電池容量不低于600 mA/h.

　　2.2 數(shù)字顯示終端的軟件實現(xiàn)

　　數(shù)字顯示終端的操作系統(tǒng)選用μCOS-II 實時操作系統(tǒng)。它是一種簡單高效、源代碼公開的實時嵌入式操作系統(tǒng)， 具有良好的擴展性和可移植性， 被廣泛應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。

　　typedef unsigned char BOOLEAN;

　　typedef unsigned char INT8U;

　　typedef signed char INT8S;

　　typedef unsigned short INT16U;

　　typedef signed short INT16S;

　　typedef unsigned int INT32U;

　　typedef signed int INT32S;

　　typedef float FP32;

　　typedef double FP64;

　　typedef unsigned int OS_STK;

　　typedef unsigned int OS_CPU_SR.

　　不同處理器的堆棧增長方向是不一樣的，LPC1758 的堆棧是從高地址往低地址增長的，OS_STK_GROWTH設為1, 程序為：

　　#define OS_STK_GROWTH 1.

　　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，所以移植代碼需要修改該函數(shù)。其程序為（初始化任務時調用此函數(shù)初始化任務使用的堆棧）。

　　OS_STK * OSTaskStkInit （void （*task） （void

　　*p_arg），void *p_arg,OS_STK *ptos,INT16U opt）

　　{

　　OS_STK *stk;

　?。╲oid） 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, 任務入口

　　*（stk）=（INT32U）0xFFFFFFFEL; //R14（LR）

　　*（stk）=（INT32U）0x12121212L; //R12

　　*（stk）=（INT32U）0x03030303L; //R3

　　*（stk）=（INT32U）0x02020202L; //R2

　　*（stk）=（INT32U）0x01010101L; //R1

　　* （stk） =（INT32U）p_arg; //R0, 輸入?yún)?shù)p_arg 模擬任務進程， 保存其他寄存器到堆棧

　　*（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 個簡單的匯編語言函數(shù)。

　　OS_ENTER _CRITICAL （）： 關閉中斷源；

　　OS_EXIT_CRITICAL （）： 重開中斷源；

　　OSStartHighRdy （）： 運行當前優(yōu)先級的任務；

　　OSCtxSw （）： 一個任務放棄CPU 使用權時調用；

　　OSIntCtxSw （）： 在退出中斷服務函數(shù)OSIntExit（） 中被調用， 實現(xiàn)中斷級任務切換。

　　LPC1758使用OSPendSV（）函數(shù)快捷地進行上下文切換。OSPendSV（）的C語言表述程序為OSPendSV: 關中斷；

　　if （PSP ! =NULL）

　　{

　　//保存R4~R11 到任務堆棧SP_process;

　　OSTCBCur>OSTCBStkPtr = SP_process;

　　}

　　OSTaskSwHook （）；

　　OSPrioCur = OSPrioHighRdy;

　　OSTCBCur = OSTCBHighRdy;

　　PSP = OSTCBHighRdy>OSTCBStkPtr;

　　//從新任務堆棧中恢復R4~R11;

　　/恢復中斷；

　　//異常返回；

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

　　3 重點解決數(shù)字顯示模塊的組網(wǎng)問題

　　1） 角色介紹。ZigBee 標準網(wǎng)絡定義了3 種角色， 分別是協(xié)作員、路由和端節(jié)點。

　　協(xié)作員（coordinator） 負責啟動整個網(wǎng)絡， 它是網(wǎng)絡的個設備， 協(xié)作員選擇一個信道和一個網(wǎng)絡ID, 隨后就可以啟動網(wǎng)絡。

　　路由（router） 的功能是允許其他設備加入網(wǎng)絡， 協(xié)助網(wǎng)絡中其他終端設備通信。

　　端節(jié)點（end device） 沒有特定的維持網(wǎng)絡結構的責任， 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)絡拓撲。ZigBee 網(wǎng)絡有星型網(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IEEE 802.15.4 底層的還有點對點模式和點對多點模式兩種組網(wǎng)方式（見圖4）。

　　智能家居系統(tǒng)綜合運用了星型網(wǎng)和點對多點模式的組網(wǎng)方式。由塢站作為路由， 負責管理整個家居系統(tǒng)構建的ZigBee 網(wǎng)絡， 其他低功耗無線傳感器、無線控制設備和數(shù)字顯示終端作為端節(jié)點。其中低功耗無線傳感器、數(shù)字顯示終端與塢站采用星型網(wǎng)組網(wǎng)方式， 數(shù)字顯示終端和無線控制設備采用點對多模式（見圖5）。

　　4 結束語

　　數(shù)字顯示終端通過采用ZigBee 技術和USB OTG技術， 實現(xiàn)了室內(nèi)低功耗無線設備的穩(wěn)定監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集及存儲， 并以友好的用戶界面和便攜性能改進了智能家居系統(tǒng)和用戶的交流方式， 使用戶能更加方便地監(jiān)控到家用低功耗無線設備的工作狀態(tài)和查詢抄表數(shù)據(jù)。