基于S3C2410的智能家居数据采集系统设计

摘要：提出一种智能家居数据采集系统的设计。以S3C24lO处理器为核心搭建硬件平台，利用TCP／IP协议实现数据传输以及数据共享，采用嵌入式操作系统Linux，缩短开发周期，系统可以很方便地对家居环境状态进行智能化管理和有效监控，使居住更加方便、安全、舒适。
关键词：智能家居；数据采集；TCP／IP；Linux

O 引言
    智能家居是以住宅为平台，兼备建筑设备、网络通信、信息家电和设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。它利用先进的计算机技术、网络通信技术和综合布线技术，将与家居生活有关的各种系统有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全。家庭自动化、家庭网络、网络家电、信息家电等产品都属于智能家居系统产品。
    数据的采集、处理以及传输是实现智能小区控制作用的核心。在此设计了利用嵌入式系统作为开发平台，利用TCP／IP协议作为信息传输方式的业主基本信息数据采集的方案。
    由于Internet的发展和普及，采用TCP／IP协议简单、方便、成本低，开放性好，标准化程度高。物业管理中心一方面通过互联网获得最新的消息(天气预报、重大新闻等)，向外发布。另一方面，利用采集各节点的数据进行控制、决策和协调，并向外发布信息。

1 数据采集系统设计
1．1 基本要求
    各个业主将自己的基本信息(主要包括电度表、水度表、气压表等的读数)、室内情况(主要包括温度、含天燃气浓度等)通过信息采集、处理与分析，完成单个业主的控制，并传输到物业管理中心，提供给物业管理人员使用以及供广大业主参考。必须满足的基本要求如下：
    能对业主家各类传感设备兼容，即能实现多路模拟和数字信号的采集。采集的时间间隔在30 s～2 min。
    具有业主控制功能，能实现数据传输、处理和控制。当通信网络一旦出现故障，各节点能依据历史数据和当前采集的信息，实现报警功能。
    实时接收由管理中心发来的信息，并能做出相应的显示，提醒业主自己当前的情况。通信接口丰富(具有TCP／IP通信接口、RS 232／USB接口等)，内存空间较大。数据采集系统的组成原理如图1所示。

1．2 系统设计
1．2．1 节点的硬件组成
    考虑到各业主间的完全独立的特殊性，前端设备采用嵌入的设计方法，其硬件组成结构如图2所示。

    节点作为控制的一部分，要完成对各业主的控制功能。控制的实现利用采集的各种数据和中心发布的协调控制指令，通过节点处理后完成。所以，一个节点由数据采集、传输、控制三个功能单元组成。这些功能的实现通过嵌入式系统来完成。
    按其功能要求其数据流有：一是从各个传感器采集的数据，通过中间处理过程进行处理后，显示在业主面前；二是从信息采集系统中取来的数据，通过中间处理过程进行处理后，上传到物业管理中心，存储在数据库中；三是管理中心发布系统协调控制的命令或处理的结果在业主家显示。
1．2．2 数据的采集
    物业管理数据的采集主要功能是将各业主的水表、电表、媒气表等原始数据通过各类检测器送到节点进行预处理。
    常用传感器技术包括干簧管传感器、霍尔传感器、红外线传感器、IC卡控制器和电子传感器等。本系统采用电子传感器，在普通水表、气表的计数机构中对应于刻度盘的下面安装电子传感器，使传感器与计数齿轮同步转动，电子传感器得到的电子信息与机械读数完全同步，形成一定的函数关系，经A／D转换后，分别得到水表、媒气表读数的数字信息，电表的读数则可以采用电子式智能电表得到。通过RS 232接口传送到微处理器中。
    摄像头数据通过USB接口与处理器通信。主要用于业主外出(特别是在外出度假)时，开启摄像设备。可以对客厅或其他重要地方进行监控。
1．2．3 数据的预处理
    节点数据的预处理，其主要功能将各类检测器采集的异样数据进行过滤，去掉非法、无效的数据，对故障数据进行恢复，将有效、合法的数据按照标准进行格式化处理，并将其封装、利用TCP／IP协议，通过通信网络发送到测控中心指定的数据通道或数据库。提供给物业管理中心。采集得到的数据经预处理后的实时检测交通数据效果更好，更符合实际情况的需要，并有效地节省了计算机存储的工作量。
1．2．4 数据的显示、存储及传输
    节点控制机将各种检测器采集的交通流信息用来控制该节点的交通，同时又要经处理机进行预处理，一方面利用LCD液晶显示，使各业主很方便知道自已各种费用；另一方面，利用通信接口，通过TCP／IP协议，保证采集到的数据安全性、可靠性、有效性传输到控制中心，用于整个系统协调控制和管理。

2 系统实现
2．1 硬件结构
    节点处理机要执行繁重的通信和算法处理，对处理器的通信和运算速度有很高的要求，传统的单片机处理器性能有限无法满足节点的要求。因此采用SAMSUNG公司的处理器S3C2410平台，它具有灵活的特性和强大的性能，在嵌入式系统中得到了广泛的应用。该处理器内部集成了ARM公司ARM920T处理器核的32位微控制器，资源丰富，带独立的16 KB的指令CACHE和16 KB数据CACHE，LCD控制器、RAM控制器、NAND闪存控制器、三路UART、四路DMA、四路带PWM的Timer、并行I／O口、八路10位ADC、TouchScreen接口、I2C接口、I2S接口、两个USB接口控制器、两路SPI，主频最高可达203 MHz。在处理器丰富资源的基础上，还进行了相关的配置和扩展，平台配置了16 MB 16位的FLASH和64 MB 32位的SDRAM。通过以太网控制器芯片DM9161扩展了一个网口，另外引出了一个HOST USB接口。硬件平台如图3所示。主要包括数据采集、数据显示、数据存储以及数据传输(网络控制)。这里主要介绍数据显示和数据传输的实现。

2．1．1 显示接口的实现
    在该显示系统的硬件电路中，S3C2410与LCD模块的连接是关键。S3C2410内部自带一个LCD驱动控制器(STN&TFT)，可以支持规格为每像素2位(4级灰度)或每像素4位(16级灰度)的黑白LCD。也可以支持每像素8位(256级颜色)的彩色LCD屏。通过编程可以支持不同LCD屏的要求。本系统除了显示用户水、电、媒气的用量．还要显示时间和室内摄像的图像。因此，选用夏普公司生产的图形点阵256色STN液晶模块LM057QCl-T0l，它的分辨率为320×240，由于它具有接口简单、工作稳定和便于操作等特点，在嵌入式系统有比较广泛的应用。LM057QClT01要求其电源电压VDD为5 V，并且LCD数据和控制信号的高电平输入电压V1H在3．8～5．25 V范围内，低电平输入电压价则在O～1．5 V范围内，故可以直接与S3C44BOX0相连，而液晶显示所需的偏转电压(27 V)可由外电路接入到VEE(第7管脚)，其电路图如图4所示。

2．1．2 网络通信接口的实现
    对于以太网接口，S3C24lO内嵌了两个以太网控制器，在全双工模式下支持IEEE 802．3．MAC控制层协议，但未提供物理层接口，需外接一片物理层芯片以提供以太网的接人通道。本系统中选用DM9161作为物理层芯片，由于信号定义很明确，连接比较简单。信号的发送和接收应通过网络隔离变压器和网络水晶接头RJ45接口接入以太网。DM9161是高集成度、低功耗的100Base-TX和10Base-T物理层收发芯片，只需要连接很少外围元件就可以实现以太网数据的物理层收发，提供完全IEEE 802．3u中定义的100Base-TX所有的物理层功能。使用非屏蔽双绞线(UTP5／UTP3)作为传输媒质，为MAC层设备提供MII。MII是IEEE 802．3u标准(Clause22)中定义的接口规范。其目的是提供一个简单的、易于实现的MAC子层和物理层的接口。MII接口使得不同的传输媒质和物理层接口模块可以通过统一的接口与MAC子层进行数据交互。

2．2 系统软件
    系统操作系统采用Linux操作系统，Linux内核是一种源码开放的操作系统，采用模块化的设计。在此只保留了必需的功能模块，删除了冗余的功能模块，并对内核重新编译，从而使系统运行所需的硬件资源显著减少。最重要的一点是，Linux自诞生之日起就与网络密不可分。Linux系统内核集成了大量的网络应用程序，支持全部的标准因特网协议和几乎所有的联网技术，这使Linux很适合基于网络的应用开发，用户编写的程序代码可以直接建立在这些网络应用程序的基础之上，从而大大缩短开发周期。因此将其应用于智能家居控制器的设计，具有代码量小、运行消耗系统资源少、可靠性高、开发周期短等优点，适应智能家庭数据采集控制器对于操作系统的要求。
2．3 应用软件
    应用软件主要有协议软件、数据采集模块、通信处理模块、用户接口管理等。这里主要介绍数据显示模块和通信处理模块的实现。
2．3．1 数据显示
    LCD的显示包括LCD初始化、LCD显示和LCD清屏三个模块。采用S3C2410的PORTC和PPORTD作为LCD驱动接口，因此需设置它们的工作在第3功能状态，设置I／O口控制寄存器的语句如下：

    部分显示程序如下：

2．3．2 通信软件模块
    本系统采用TCP／IP协议，信过程采用客户-服务器模式，其具体流程图如图6所示。

3 结语
    本文提出一种基于S3C22410处理器的智能家居数据采集系统的设计。系统包括数据采集、数据显示、数据存储以及数据传输(网络控制)四部分。实现水、电、气三表一体的智能管理，利用TCP／IP协议实现数据传输，实现对家居环境状态进行有效监控，既有效地节约了小区务业管理的人力资源，又有效地降低了事故的发生率，保证居住方便、安全、舒适，很适合智能家居的应用与推广。