引言

隨著人類社會的進步和科學技術的迅猛發展，特別是4C技術（Computer，Communication， Control和CRT Technology）的發展，人類開始邁入數字化和網絡化為平臺的智能化社會。信息化社會在改變我們生活方式與工作習慣的同時，也向傳統的住宅提出了挑戰。智能家居網絡系統以4C技術為基礎，采用先進、成熟的設備和產品以及先進的管理軟件，對整個家居的信息通信、安全防范、報警求助集中于統一的平臺上進行管理。它不僅已經成為一個國家經濟實力和科學技術的綜合標志之一，而且也是人類社會住宅發展的必然趨勢。

CAN總線是目前流行的現場總線技術之一，依靠可靠性高、價格低廉的優勢，已得到了廣泛的應用［1］。CAN總線采取了許多新技術及獨特的設計，與一般的通信總線相比，它的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。CAN總線上的節點數主要取決于總線驅動電路，目前可達110個。這個特點正好解決了家庭領域中家用電器種類繁多，分布零散的問題。CAN總線采用節點ID標示每個節點，而不需要專門為每個節點設置地址，這就可以任意添加或刪除節點而不用對總線上的其他節點進行任何修改。

1 系統總體設計

本系統在CAN網絡的基礎上添加智能控制器與Internet的網絡接口，從而實現智能家居的遠程監控。智能家電遠程監控系統如圖1所示。

由圖1可知系統由三部分組成：CAN網絡，智能控制器和Internet。CAN網絡就是通過CAN總線把家庭安防、遠程抄表、環境調節、娛樂功能和家電控制等節點模塊組成家庭局域網，以實現數據和控制信息的快速傳輸，各個節點模塊是由8位MCU+CAN控制器+CAN收發器+相應的傳感器/控制器組成，我們把各個節點模塊稱之為智能節點；智能控制器選用的是Philips公司的內部集成CAN控制器的32位微處理器LPC2294，只需連接CAN收發器即可成為CAN網絡的一個節點，這樣再通過擴展網絡接口就實現了CAN網絡與Internet的信息交換，達到遠程監控的目的；Internet的發展極大的加快了信息的傳遞，任何接入互聯網的電腦都可以用來監控我們的系統，當然安全性也是我們必須考慮的。

1.1 監控系統的主要功能

監控系統主要完成以下功能：

（1）家庭安防：安全是居民對日常生活的首要要求，安防因此成為遠程家庭信息監控系統的首要組成部分，例如：紅外報警、門窗磁報警、緊急求助報警、燃氣泄漏報警、火災報警等。當紅外報警裝置工作時，如果家中有人走動，系統就會自動通過蜂鳴器和語音實現本地報警；同時，報警信息會被及時地傳到物業中心或110報警中心，還可以自動撥號到指定的手機或電話上。

（2）遠程抄表：水、電、氣表的遠程自動抄收計費是物業管理的重要部分，實現三表的自動抄表計費，解決了入戶抄表的低效率、不安全和對住戶造成干擾等因素。

（3）家電控制：通過統一的家電聯網接口，將網絡家電和遠程家庭信息監控系統相連，組成網絡家電系統，實現家用電器的遠程監控和故障診斷等功能。

（4）環境調節：室內的環境是人們居住首先考慮的因素。環境調節是智能家居的主要組成部分，例如：溫度設定，用戶可任意設定并寫該室內的溫度；溫度控制，監測當前室內溫度值。該值被送給空調機組，其與設定值的差值送給自己的空調末端設備控制節點。

（5）娛樂功能：包括視聽娛樂和游戲等，視聽娛樂包括州V播放、家庭影院、投影機、電視自動錄像等。

2 智能控制器的硬件設計

系統選用功能強大的帶有CAN接口的32 位微處理器LPC2294，運行基于特定應用的嵌入式實時操作系統，實現合理的任務調度，滿足控制系統對實時性和可靠性的要求。

LPC2294是一款功能強大、超低功耗的具有ARM7TDMI-S 內核的32 bit微處理器［2］。具有2個32bit定時器、4路CAN通道、2個UART、高速IIC接口以及9個外部中斷，內部嵌入256KB 高速Flash存儲器和16 KB靜態RAM， 112個通用I/O口。其內部集成的4路CAN控制器， 符合CAN 規范CAN2. 0B， ISO 1189821標準。

2.1外擴ROM和RAM

１）Flash ROM：雖然LPC2294內部嵌入256KB 高速Flash存儲器和16 KB靜態RAM，可以滿足一般的控制要求。但是我們需要外擴一個容量相對大的FlashROM來保存監測到的歷史數據，以便查看和打印。為了滿足操作系統及其文件系統的存儲要求，系統選用了2M Flash ROM器件SST39V160作為存儲介質。

2）EEPROM：LPC2294內部沒有集成EEPROM，要將家電設備編號保存下來， 故外擴了容量為1024 Byte的顯存。

3）SDRAM：嵌入式操作系統的運行需要動態ARM，而芯片LPC2294內部提供的16K靜態RAM主要用來為7種工作模式分配堆棧和臨時變量分配空間，需要在外部總線上擴充SDRAM（HY57v641620H）芯片，解壓縮后的操作系統將駐留在其內。

2.2鍵盤和液晶顯示

為便于控制新掛接在CAN總線上的家電設備，實時顯示家電設備的運行情況，設計了鍵盤輸入與LED顯示。為了充分利用LPC2294的I2 C接口，以及減少電路的復雜性，采用了ZLG7290 I2C接口鍵盤及LED驅動器。ZLG7290的I2 C接口傳輸速率可達32 kb / s，易與處理器接口，并提供鍵盤中斷信號，提高主處理器工作效率。

按鍵使用了數字鍵（ 0～9） ，用于輸入和修改數字，可連擊實現快速輸入和修改數字；移位鍵在修改模式下，用于選擇要修改的位；加1鍵在修改模式下將當前要修改的位進行加1操作（在0～9之間循環） ；模式鍵實現進入/退出修改模式，不允許連擊；確認鍵在修改模式下將修改好的數據寫入EEPROM中。

2.3網絡接口

RTL8019AS與以太網的連接由PM34 – 1006M濾波器芯片和RJ45完成［1］。其連接如圖2所示。這里采用PM34- 1006M是為了提高網絡通信能力。圖中TPIN+、TPIN-、TPOUT+和TPOUT-是RTL8019AS芯片輸入/輸出信號的4個引腳，濾波器右邊是以太網RJ45接口，通過標準帶RJ45插頭的雙絞線接入以太網。

3 智能控制器的軟件設計

為了便于系統的擴展和升級，同時更好地協調控制系統的穩定性及實時性，系統采用了嵌入式操作系統uClinux進行設計開發。

3.1 嵌入式操作系統uClinux

uClinux是Linux2.0的一個分支，它被設計用于沒有MMU的微控制器領域。uClinux的最大特征就是沒有MMU（內存管理單元模塊），它很適合那些沒有MMU的處理器，如ARM7TDMI。uClinux具有完全的TCP/IP協議棧，同時對其他許多的網絡協議都提供支持。這些網絡協議都在uClinux上得到了很好的實現。

通過使用嵌入式uClinux，它既保存了原先Linux操作系統穩定性、功能強大等優點，又對內核的代碼重新編寫，減少了內核容量，提高了效率［4］。實時性方面，可以使用進程間通信如管道、消息隊列、共享內存等方法將CAN總線的接收中斷與應用程序直接關聯，加快系統對CAN總線事件的響應速度。進一步可以通過RTLinux和RTAI（Real Time Application Interface）這兩種方案增強uClinux的實時性。主要包括：下載uClinux源代碼，實現在LPC2294上的移植、編寫驅動程序、在uClinux系統下編寫應用軟件。

3.2 系統軟件設計

為了充分利用LPC2294有限的內存資源，應盡量減少任務個數及任務之間的頻繁切換，可以將優先級相近且運行周期相近的功能整合到同一任務中。通過實時性分析，結合各功能運行周期的要求，系統分為以下3個任務：

（1）系統監控與報警。此任務保證控制器與CAN總線上的智能家電設備進行實時通信，及時了解總線上家電的運行情況并作相應處理。此任務運行周期為100ms，優先級最高。確保系統運行的可靠性和響應的及時性。

（2）遠程通信任務。主要是實現系統信息與TCP/IP數據的轉換，以實現家電的遠程檢測和控制。任務的實時性較高，把其優先級設為次級高。

（3）LED顯示任務。主要是顯示實時的溫度，濕度等室內環境參數和電器設備狀態。無實時要求，優先級最低。

4 結論

本系統通過擴展LPC2294芯片，組成了智能控制器，實現了家用電器的集中監測和控制。通過移植嵌入式系統使得系統更加穩定和靈活，與互聯網的連接則實現了家庭安防和家電的遠程監控。系統達到了集中控制與遠程控制的目的。