摘要：針對智能家居系統(tǒng)的日益增長需求及嵌入式技術(shù)的廣泛應(yīng)用，分析了智能家居系統(tǒng)的組成和功能，并提出了智能家居控制系統(tǒng)的核心部分智能家居控制器的總體架構(gòu)，簡要介紹了藍牙技術(shù)以及藍牙通訊協(xié)議。給出了一種基于三星公司的S3C44B0X芯片和藍牙通信技術(shù)的智能家居控制器的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計方案。結(jié)果表明，該系統(tǒng)簡單可靠，易于擴展。

　　1 引言

　　智能家居是近幾年產(chǎn)生并迅速崛起的一種新型家居住宅，家居的智能化為住戶提供了一種更加安全、舒適、方便、快捷和開放的智能化、信息化的生活空間。它不僅已經(jīng)成為一個國家經(jīng)濟實力和科學技術(shù)的綜合標志之一，而且也是人類社會住宅發(fā)展的必然趨勢。

　　隨著EDA技術(shù)的高速發(fā)展，智能家居的實現(xiàn)也得到了更好的解決。本系統(tǒng)采用三星公司的S3C44B0X芯片，使用uC/OS-II實時操作系統(tǒng)以及先進的藍牙無線通信技術(shù)給出了智能家居的一種合理的、高性能的實現(xiàn)。

 　　2 總體方案設(shè)計

　　本控制系統(tǒng)采用分布式控制方式對智能家居的各部分進行統(tǒng)一的控制，主要包括信息家電部分、環(huán)境控制（包括室溫，照明，窗簾等）部分、安防報警部分、遠程操作部分。各部分又包含多個節(jié)點，每個節(jié)點即為通訊的一個終端。各節(jié)點之間相互獨立，某一個節(jié)點出現(xiàn)故障時不影響到其他節(jié)點的運行。智能家居系統(tǒng)總體架構(gòu)框圖如圖1所示。

　　從圖中1可以看到，遠程操作部分與主控制器以串口連接，家居中各節(jié)點與主控制器形成一個藍牙網(wǎng)絡(luò)相互通信，所以通過外部計算機或網(wǎng)絡(luò)就可以實現(xiàn)和主控制器的通訊從而實現(xiàn)對家居中各節(jié)點的控制。當然也可以由主控制器來直接控制各節(jié)點的運行，這樣更快捷。主控制器通過發(fā)送控制命令給節(jié)點，各節(jié)點收到命令后進行相應(yīng)分析并做出相應(yīng)動作，然后返回最終的狀態(tài)給主控制器，主控制器再通過串口將各節(jié)點的信息發(fā)送到遠程操作系統(tǒng)或直接顯示到自帶的顯示液晶上。系統(tǒng)中各部分都預留有擴展的節(jié)點，以備將來設(shè)備的增加。

　　3 硬件設(shè)計

　　3.1 藍牙技術(shù)

　　藍牙技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)與數(shù)字通信的開放性規(guī)范，用微波無線通信技術(shù)取代數(shù)據(jù)電纜來完成點對點或點對多點短距離通信。藍牙技術(shù)的主要優(yōu)點有：可以隨時隨地用無線接口來代替有線電纜連接；具有很強的移植性，可用于多種通信場合；功耗低，對人體危害??；藍牙集成電路應(yīng)用簡單，成本低廉，實現(xiàn)容易，易于推廣。藍牙技術(shù)應(yīng)用了全球統(tǒng)一的頻率（ISM頻段）設(shè)置，ISM頻段是對所有無線電系統(tǒng)都開放的頻段，使用其中的某個頻段都會遇到不可預測的干擾源。因此藍牙技術(shù)特別設(shè)計了快速確認和跳頻方案以確保鏈路穩(wěn)定。

　　藍牙協(xié)議棧如圖2所示。藍牙體系結(jié)構(gòu)中的協(xié)議可分為4層：核心協(xié)議、電纜替代協(xié)議、電話傳送控制協(xié)議和可選協(xié)議。除了這些協(xié)議層外，規(guī)范還定義了主機控制器接口（HCI），它為基帶控制器、鏈路管理器、硬件狀態(tài)和控制寄存器提供命令接口。藍牙核心協(xié)議包括基帶、LMP、L2CAP、SDP。

　　在藍牙協(xié)議棧中，HCI以上部分通常用軟件實現(xiàn)，包括邏輯鏈路控制和適配協(xié)議L2CAP、串行仿真RFCOMM、電話替代協(xié)議和選用協(xié)議；而HCI以下部分則用硬件實現(xiàn)，包括基帶協(xié)議和鏈路管理協(xié)議（LMP），這部分也叫藍牙協(xié)議體系結(jié)構(gòu)中的底層硬件模塊。

　　在家居控制器上使用藍牙技術(shù)主要是為了給家居控制器的各個功能模塊提供無線傳輸?shù)姆绞?，對藍牙的高層協(xié)議并沒有太大的需求，因此在家居中央控制器上可以采用藍牙模塊加開放藍牙協(xié)議的方式開發(fā)藍牙功能。綜合考慮成本、結(jié)構(gòu)等因素，信息家電可以采用藍牙模塊加單片機的方式實現(xiàn)藍牙功能。將整個藍牙核心協(xié)議棧移植到單片機中顯然不合實際。可以采用這樣的開發(fā)方案：在藍牙HCI層的基礎(chǔ)上，根據(jù)信息家電信息傳輸?shù)膶嶋H需求，建立相關(guān)協(xié)議，利用單片機直接和藍牙硬件模塊交換HCI指令，實現(xiàn)信息交互。單片機采集信息家電的相關(guān)信息通過藍牙模塊發(fā)送出去，藍牙模塊也可以將接收到的命令用HCI指令傳遞給單片機執(zhí)行。

　　摘要：針對智能家居系統(tǒng)的日益增長需求及嵌入式技術(shù)的廣泛應(yīng)用，分析了智能家居系統(tǒng)的組成和功能，并提出了智能家居控制系統(tǒng)的核心部分智能家居控制器的總體架構(gòu)，簡要介紹了藍牙技術(shù)以及藍牙通訊協(xié)議。給出了一種基于三星公司的S3C44B0X芯片和藍牙通信技術(shù)的智能家居控制器的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計方案。結(jié)果表明，該系統(tǒng)簡單可靠，易于擴展。

　　1 引言

　　智能家居是近幾年產(chǎn)生并迅速崛起的一種新型家居住宅，家居的智能化為住戶提供了一種更加安全、舒適、方便、快捷和開放的智能化、信息化的生活空間。它不僅已經(jīng)成為一個國家經(jīng)濟實力和科學技術(shù)的綜合標志之一，而且也是人類社會住宅發(fā)展的必然趨勢。

　　隨著EDA技術(shù)的高速發(fā)展，智能家居的實現(xiàn)也得到了更好的解決。本系統(tǒng)采用三星公司的S3C44B0X芯片，使用uC/OS-II實時操作系統(tǒng)以及先進的藍牙無線通信技術(shù)給出了智能家居的一種合理的、高性能的實現(xiàn)。

 　　2 總體方案設(shè)計

　　本控制系統(tǒng)采用分布式控制方式對智能家居的各部分進行統(tǒng)一的控制，主要包括信息家電部分、環(huán)境控制（包括室溫，照明，窗簾等）部分、安防報警部分、遠程操作部分。各部分又包含多個節(jié)點，每個節(jié)點即為通訊的一個終端。各節(jié)點之間相互獨立，某一個節(jié)點出現(xiàn)故障時不影響到其他節(jié)點的運行。智能家居系統(tǒng)總體架構(gòu)框圖如圖1所示。

　　從圖中1可以看到，遠程操作部分與主控制器以串口連接，家居中各節(jié)點與主控制器形成一個藍牙網(wǎng)絡(luò)相互通信，所以通過外部計算機或網(wǎng)絡(luò)就可以實現(xiàn)和主控制器的通訊從而實現(xiàn)對家居中各節(jié)點的控制。當然也可以由主控制器來直接控制各節(jié)點的運行，這樣更快捷。主控制器通過發(fā)送控制命令給節(jié)點，各節(jié)點收到命令后進行相應(yīng)分析并做出相應(yīng)動作，然后返回最終的狀態(tài)給主控制器，主控制器再通過串口將各節(jié)點的信息發(fā)送到遠程操作系統(tǒng)或直接顯示到自帶的顯示液晶上。系統(tǒng)中各部分都預留有擴展的節(jié)點，以備將來設(shè)備的增加。

　　3 硬件設(shè)計

　　3.1 藍牙技術(shù)

　　藍牙技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)與數(shù)字通信的開放性規(guī)范，用微波無線通信技術(shù)取代數(shù)據(jù)電纜來完成點對點或點對多點短距離通信。藍牙技術(shù)的主要優(yōu)點有：可以隨時隨地用無線接口來代替有線電纜連接；具有很強的移植性，可用于多種通信場合；功耗低，對人體危害??；藍牙集成電路應(yīng)用簡單，成本低廉，實現(xiàn)容易，易于推廣。藍牙技術(shù)應(yīng)用了全球統(tǒng)一的頻率（ISM頻段）設(shè)置，ISM頻段是對所有無線電系統(tǒng)都開放的頻段，使用其中的某個頻段都會遇到不可預測的干擾源。因此藍牙技術(shù)特別設(shè)計了快速確認和跳頻方案以確保鏈路穩(wěn)定。

　　藍牙協(xié)議棧如圖2所示。藍牙體系結(jié)構(gòu)中的協(xié)議可分為4層：核心協(xié)議、電纜替代協(xié)議、電話傳送控制協(xié)議和可選協(xié)議。除了這些協(xié)議層外，規(guī)范還定義了主機控制器接口（HCI），它為基帶控制器、鏈路管理器、硬件狀態(tài)和控制寄存器提供命令接口。藍牙核心協(xié)議包括基帶、LMP、L2CAP、SDP。

　　在藍牙協(xié)議棧中，HCI以上部分通常用軟件實現(xiàn)，包括邏輯鏈路控制和適配協(xié)議L2CAP、串行仿真RFCOMM、電話替代協(xié)議和選用協(xié)議；而HCI以下部分則用硬件實現(xiàn)，包括基帶協(xié)議和鏈路管理協(xié)議（LMP），這部分也叫藍牙協(xié)議體系結(jié)構(gòu)中的底層硬件模塊。

　　在家居控制器上使用藍牙技術(shù)主要是為了給家居控制器的各個功能模塊提供無線傳輸?shù)姆绞?，對藍牙的高層協(xié)議并沒有太大的需求，因此在家居中央控制器上可以采用藍牙模塊加開放藍牙協(xié)議的方式開發(fā)藍牙功能。綜合考慮成本、結(jié)構(gòu)等因素，信息家電可以采用藍牙模塊加單片機的方式實現(xiàn)藍牙功能。將整個藍牙核心協(xié)議棧移植到單片機中顯然不合實際?？梢圆捎眠@樣的開發(fā)方案：在藍牙HCI層的基礎(chǔ)上，根據(jù)信息家電信息傳輸?shù)膶嶋H需求，建立相關(guān)協(xié)議，利用單片機直接和藍牙硬件模塊交換HCI指令，實現(xiàn)信息交互。單片機采集信息家電的相關(guān)信息通過藍牙模塊發(fā)送出去，藍牙模塊也可以將接收到的命令用HCI指令傳遞給單片機執(zhí)行。

　　3.2 硬件平臺結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)的硬件平臺主要是在EV44B0II開發(fā)板上實現(xiàn)的，它采用三星公司生產(chǎn)的S3C44B0X32位高性能芯片，具有很高的性價比，且能很好的滿足本系統(tǒng)的需求。藍牙通信模塊采用愛立信公司的藍牙模塊ROK101007。該模塊是一款適合短距離無線通信的射頻/基帶模塊，集成度高、功耗小，完全兼容藍牙協(xié)議VersiON1 1，可嵌入任何需要藍牙功能的設(shè)備中。硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。 

　　其中，主CPUS3C44B0X與ROK101007模塊通過UART口連接，其連接電路如圖4所示。

　　從圖4中可以看到，主控制器連接到一個藍牙主模塊，通過它與各節(jié)點的藍牙從模塊進行通信來實現(xiàn)各種控制功能。同時主控制還帶有LCD以及鍵盤輸入的功能。即可在主控制器進行命令和數(shù)據(jù)的輸入然后通過藍牙主模塊發(fā)送到節(jié)點，從各節(jié)點返回的狀態(tài)信息也可即時的在LCD上顯示。

　　4 軟件設(shè)計

　　根據(jù)智能家居中各部分的劃分，軟件也相應(yīng)的對各部份進行了模塊化的設(shè)計。包括遠程控制模塊，安防報警模塊，環(huán)境控制模塊，信息家電模塊。而其中安防報警模塊的優(yōu)先級是最高的，其次是環(huán)境控制模塊（因為需要實時的環(huán)境狀態(tài)），然后才是遠程控制模塊和信息家電模塊。

　　本系統(tǒng)中采用的操作系統(tǒng)是uC/OS-II.它是一個嵌入式多任務(wù)實時操作系統(tǒng)，具有簡潔高效，易于移植，可裁剪等特點。它可以最多管理63個任務(wù)，且提供良好的任務(wù)控制API使得用戶可靈活簡便的控制各任務(wù)的運行。針對本系統(tǒng)各模塊我們設(shè)計了相應(yīng)的獨立任務(wù)完成所需的功能。主要包括主程序任務(wù)、安防報警任務(wù)、環(huán)境控制任務(wù)、遠程控制任務(wù)和信息家控制任務(wù)。主程序任務(wù)是其他各任務(wù)的創(chuàng)建者，由它來管理各個任務(wù)的創(chuàng)建及運行。故程序運行時首先創(chuàng)建主程序任務(wù)，它的顯示界面將提供其他各任務(wù)的進入菜單。當需要對某個節(jié)點進行控制或狀態(tài)查看時，就進入它所在的模塊菜單，主程序就創(chuàng)建此模塊任務(wù)進行對此節(jié)點的控制。主程序任務(wù)默認首先創(chuàng)建安防報警任務(wù)，因為它需要最高的優(yōu)先級。

　　整個程序運行過程如圖5所示。

　　從圖中可以看到，系統(tǒng)上電后，首先進行系統(tǒng)初始化（包括LCD，中斷，串口等的初始化），再進行藍牙網(wǎng)絡(luò)的硬件初始化，再進入操作系統(tǒng)uC/OS-II的載入及初始化，接下來uC/OS-II利用OSTaskCreat（）創(chuàng)建主程序任務(wù)。主程序任務(wù)默認又創(chuàng)建安防報警任務(wù)并進入運行狀態(tài)。當要進行其它模塊任務(wù)的創(chuàng)建時就需將安防報警任務(wù)掛起，等其他模塊任務(wù)退出后再恢復運行安防報警模塊。每一時刻在uC/OS-II最多只有兩個任務(wù)處于運行狀態(tài)，這樣做很好的保證了系統(tǒng)的實時性。

　　5 結(jié)語

　　本系統(tǒng)采用了藍牙技術(shù)和32位微控制器對終端控制進行了設(shè)計，使其控制系統(tǒng)性能優(yōu)越、結(jié)構(gòu)清晰、成本低并具有較好的擴展性。與有線家居網(wǎng)絡(luò)相比，本系統(tǒng)擺脫了布線系統(tǒng)的束縛，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。用戶在增加電器或其他設(shè)備時，只需要增加相應(yīng)的設(shè)備識別號，無須增加連線。隨著計算機、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，可以預見，不遠的將來智能家居市場必將迎來它的繁榮發(fā)展階段。