基于ZigBee和USBOTG技術(shù)的智能家居系統(tǒng)數(shù)字顯示終端

1、 PAGE13 / NUMPAGES13基于ZigBee和USB OTG技術(shù)的智能家居系統(tǒng)數(shù)字顯示終端：tech.yktchina./2013-06/f0722eb7bda6438eb3a1a8f487ba7a65.html無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)、嵌入式處理技術(shù)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無(wú)線(xiàn)控制技術(shù)的發(fā)展， 給智能家居領(lǐng)域的發(fā)展帶來(lái)了實(shí)際可行的應(yīng)用成果。同時(shí)， M2M 技術(shù)的應(yīng)用使智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加人性化。 目前， 國(guó)外很多公司的智能家居系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的室電氣設(shè)備的控制和各種計(jì)量設(shè)備（煤氣、水和電）的無(wú)線(xiàn)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(jìn)行室電氣設(shè)備工作狀態(tài)檢測(cè)和控制以與可供用戶(hù)隨

2、時(shí)查詢(xún)、記錄抄表數(shù)據(jù)的手持智能顯示終端。筆者設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)數(shù)字顯示終端是一個(gè)基于ZigBee 技術(shù)和USB OTG 技術(shù)的用戶(hù)和智能家居系統(tǒng)互動(dòng)的媒介，可有效地幫助用戶(hù)實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和抄表數(shù)據(jù)查詢(xún)。 1 數(shù)字顯示終端 數(shù)字顯示終端是基于M2M 技術(shù)的智能家居系統(tǒng)唯一最終面向用戶(hù)的部分。采用ZigBee 技術(shù)和USB OTG 技術(shù)完成對(duì)無(wú)線(xiàn)設(shè)備的監(jiān)控和抄表數(shù)據(jù)的查詢(xún)、記錄。 1.1 基于M2M 技術(shù)的智能家居系統(tǒng) 基于M2M 技術(shù)的智能家居系統(tǒng)主要通過(guò)Zig-Bee 技術(shù)與相關(guān)的無(wú)線(xiàn)設(shè)備組建無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)， 采集無(wú)線(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)和輸出控制信號(hào)， 并由塢站將采集到得數(shù)據(jù)匯總封裝后通過(guò)M2

3、M網(wǎng)關(guān)和Internet傳送到提供相關(guān)家居服務(wù)的公司的服務(wù)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(chēng)塢站）， 數(shù)字顯示終端， M2M網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器， 并主要使用在居家能源管理和居家自動(dòng)化兩個(gè)方面。 1）居家能源管理。塢站將管理安裝在家庭中的幾個(gè)低功耗無(wú)線(xiàn)傳感器（煤氣、水和電）。所有塢站從無(wú)線(xiàn)傳感器采集到的信息在對(duì)接模式時(shí)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(biāo)和圖片把這些信息顯示出來(lái)。 2）居家自動(dòng)化。這種情況類(lèi)似于居家能源管理， 只是其使用的無(wú)線(xiàn)傳感器可以管理輸入輸出信號(hào)以控制室電氣設(shè)備， 如門(mén)窗、室照明等設(shè)備。 本套智能家居系統(tǒng)主要將M2M 技術(shù)融

4、合在網(wǎng)關(guān)， 而最終面向用戶(hù)的只是數(shù)字顯示終端（見(jiàn)圖1）。1.2 數(shù)字顯示終端的設(shè)計(jì)原理與方案 數(shù)字顯示終端是智能家居系統(tǒng)與用戶(hù)互動(dòng)的關(guān)鍵部分， 通過(guò)ZigBee 技術(shù)與安裝在室的低功耗無(wú)線(xiàn)設(shè)備建立無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)， 監(jiān)控?zé)o線(xiàn)設(shè)備的工作狀態(tài)， 并通過(guò)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(lái)， 同時(shí)將檢測(cè)到的室低功耗無(wú)線(xiàn)設(shè)備的工作狀態(tài)發(fā)送到服務(wù)器， 供用戶(hù)遠(yuǎn)程登錄服務(wù)器監(jiān)測(cè)和控制低功耗無(wú)線(xiàn)設(shè)備。數(shù)字顯示終端工作在兩種模式下， 一種是對(duì)接模式進(jìn)行， 即通過(guò)USBOTG 高速數(shù)據(jù)傳輸接口和塢站連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；另一種是移動(dòng)模式， 即不與塢站連接的工作狀

5、態(tài)，這時(shí)它只能檢測(cè)和控制相關(guān)低功耗無(wú)線(xiàn)設(shè)備。USBOTG 接口不僅可以傳輸數(shù)據(jù)， 當(dāng)數(shù)字顯示終端與塢站對(duì)接時(shí)， 可以通過(guò)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(wú)線(xiàn)模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)傳輸接口、電源部分和用戶(hù)導(dǎo)航鍵6 部分組成（見(jiàn)圖2）。2 數(shù)字顯示終端的實(shí)現(xiàn) 數(shù)字顯示終端處理器選用LPC1758.LPC1758是一款基于ARM Cortex-M3 核的處理器， 集成了USB2.0 功能， 包括USB 主機(jī)、USB 從機(jī)和USBOTG, 擁有512 KB 的Flash 和64 KB 的SRAM.無(wú)線(xiàn)模塊選用的是ZICM2410P0-1 模塊。顯示模塊選

6、用DMT32240T035_01WN 模塊。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊選用4 GB 的FLASH 存儲(chǔ)器， 也可升級(jí)為16 GB 的存儲(chǔ)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(jié)論。 導(dǎo)航鍵具有上下左右導(dǎo)航和選擇鍵。電源部分選用可通過(guò)USB 接口充電的蓄電池（5 V500 mA）， 電池容量最小為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COS-II 實(shí)現(xiàn)。 2.1 數(shù)字顯示終端的硬件實(shí)現(xiàn) 數(shù)字顯示終端（見(jiàn)圖2）由6 部分組成， 其中主要是無(wú)線(xiàn)模塊和數(shù)據(jù)傳輸接口的實(shí)現(xiàn)。 1）無(wú)線(xiàn)模塊的實(shí)現(xiàn)。無(wú)線(xiàn)模

7、塊是基于ZiGBee技術(shù)的， 該技術(shù)是一種在900 MHz 與2.4 GHz 頻段， 近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。它由ZICM2410P0-1 芯片和外圍電路組成（包括上電復(fù)位電路和工作指示電路）。 ZICM2410 芯片包括多個(gè)通用I/O 引腳、定時(shí)器、UART 和SPI 等， 而且還有硬件語(yǔ)音編解碼器，獨(dú)有的IIS/SPI/UART 音頻輸入輸出接口， 擴(kuò)展出500 KB/s 或1 MB/s 的無(wú)線(xiàn)傳輸速率， 通過(guò)PCB 走線(xiàn)構(gòu)成天線(xiàn)， 103 dB 的射頻鏈路預(yù)算， 1.5 V 時(shí)RX靈敏度為-97 dB/m, 1.5 V 時(shí)射頻TX 功率為+6 dB

8、/m.在外圍電路的設(shè)計(jì)中， 通過(guò)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(fù)位芯片CAT809E, 無(wú)線(xiàn)模塊采用F 型天線(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 支持全向輻射模式。為了保證天線(xiàn)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(xiàn)下方布線(xiàn)，確保PCB 走線(xiàn)和其他元件遠(yuǎn)離天線(xiàn)。 2）數(shù)據(jù)傳輸接口的實(shí)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

9、在設(shè)計(jì)USB OTG接口電路， 需要外接1個(gè)USB收發(fā)器ISP1302,LPC1758和ISP1302通過(guò)I2C總線(xiàn)連接通信，LPC1758部的收發(fā)器負(fù)責(zé)控制USB信號(hào)切換， 而ISP1302 負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)OTG 功能。此時(shí)，LPC1758部的收發(fā)器在VP/VM模式下工作。 3）其他部分的硬件實(shí)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(chǔ)模塊、電源部分和用戶(hù)導(dǎo)航鍵。DMT32240T035_01WN 顯示模塊集成的功能非常齊全， 它通過(guò)RS232 直接和處理器LPC1758 連接， 但在電源的處理上要確保最終接到顯示模塊上的電壓不低于5 V.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊選用KFW4G16Q2M-DEB6 NA

10、ND FLASH.用戶(hù)導(dǎo)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(lái)源， 不僅要滿(mǎn)足顯示模塊的電壓56 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(shí)現(xiàn) 數(shù)字顯示終端的操作系統(tǒng)選用COS-II 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它是一種簡(jiǎn)單高效、源代碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)， 具有良好的擴(kuò)展性和可移植性， 被廣泛應(yīng)用到各種嵌入式處理器上。 C/OSII 的核心源代碼不用修改， 移植中需要修改的是涉與處理器的OS_CPU_C.C, OS_CPU_A. ASM, OS_CPU.H 三個(gè)文件。 1）OS_CPU.H

11、 文件包含C/OSII 所需要的常量、宏和自定義類(lèi)型等。 OS_CPU.H 定義的數(shù)據(jù)類(lèi)型。在這次移植中C/OSII 重新定義了數(shù)據(jù)類(lèi)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

12、 double FP64; typedef unsigned int OS_STK; typedef unsigned int OS_CPU_SR. 不同處理器的堆棧增長(zhǎng)方向是不一樣的，LPC1758 的堆棧是從高地址往低地址增長(zhǎng)的，OS_STK_GROWTH設(shè)為1, 程序?yàn)椋?#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(guān)，所以移植代碼需要修改該函數(shù)。其程序?yàn)椋ǔ跏蓟蝿?wù)時(shí)調(diào)用此函數(shù)初始化任務(wù)使用的堆棧）。 OS_STK * OSTaskStkInit （void （*tas

13、k）（void *p_arg），void *p_arg,OS_STK *ptos,INT16U opt） OS_STK *stk; （void）opt; /防止編譯警告 stk=ptos; /裝載棧頂指針， 即堆棧數(shù)組最后的地址模擬中斷發(fā)生的堆棧情況 *（stk）=（INT32U）0 x01000000L; /xPSR *（stk）=（INT32U）task; /PC, 任務(wù)入口 *（stk）=（INT32U）0 xFFFFFFFEL; /R14（LR） *（stk）=（INT32U）0 x12121212L; /R12 *（stk）=（INT32U）0 x03030303L; /R3 *（s

14、tk）=（INT32U）0 x02020202L; /R2 *（stk）=（INT32U）0 x01010101L; /R1 * （stk）=（INT32U）p_arg; /R0, 輸入?yún)?shù)p_arg 模擬任務(wù)進(jìn)程， 保存其他寄存器到堆棧 *（stk）=（INT32U）0 x11111111L; /R11 *（stk）=（INT32U）0 x10101010L; /R10 *（stk）=（INT32U）0 x09090909L; /R9 *（stk）=（INT32U）0 x08080808L; /R8 *（stk）=（INT32U）0 x07070707L; /R7 *（stk）=（INT32

15、U）0 x06060606L; /R6 *（stk）=（INT32U）0 x05050505L; /R5 *（stk）=（INT32U）0 x04040404L; /R4 return（stk）； 3）OS_CPU_A.ASM 文件。C/OSII 的移植需要編寫(xiě)5 個(gè)簡(jiǎn)單的匯編語(yǔ)言函數(shù)。 OS_ENTER _CRITICAL ： 關(guān)閉中斷源； OS_EXIT_CRITICAL ： 重開(kāi)中斷源； OSStartHighRdy ： 運(yùn)行當(dāng)前優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)； OSCtxSw ： 一個(gè)任務(wù)放棄CPU 使用權(quán)時(shí)調(diào)用； OSIntCtxSw ： 在退出中斷服務(wù)函數(shù)OSIntExit（）中被調(diào)用， 實(shí)現(xiàn)中

16、斷級(jí)任務(wù)切換。 LPC1758使用OSPendSV（）函數(shù)快捷地進(jìn)行上下文切換。OSPendSV（）的C語(yǔ)言表述程序?yàn)镺SPendSV: 關(guān)中斷； if （PSP ! =NULL） /保存R4R11 到任務(wù)堆棧SP_process; OSTCBCurOSTCBStkPtr = SP_process; OSTaskSwHook ； OSPrioCur = OSPrioHighRdy; OSTCBCur = OSTCBHighRdy; PSP = OSTCBHighRdyOSTCBStkPtr; /從新任務(wù)堆棧中恢復(fù)R4R11; /恢復(fù)中斷； /異常返回； 完成上述工作后， 只要再根據(jù)目標(biāo)板的實(shí)際

17、情況編寫(xiě)Target 目錄中的3 個(gè)文件， C/OSII 就可以運(yùn)行在處理器上了。 3 重點(diǎn)解決數(shù)字顯示模塊的組網(wǎng)問(wèn)題1）角色介紹。ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)定義了3 種角色， 分別是協(xié)作員、路由和端節(jié)點(diǎn)。 協(xié)作員（coordinator）負(fù)責(zé)啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)， 它是網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)設(shè)備， 協(xié)作員選擇一個(gè)信道和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)ID, 隨后就可以啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。 路由（router）的功能是允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)， 協(xié)助網(wǎng)絡(luò)中其他終端設(shè)備通信。 端節(jié)點(diǎn)（end device）沒(méi)有特定的維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的責(zé)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(luò)拓?fù)?。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)有星型網(wǎng)、簇型網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)3 種組網(wǎng)方式（見(jiàn)圖3）。如果直接使用IEEE 802.15.4 底層的還有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)模式兩種組網(wǎng)方式（見(jiàn)圖4）。智能家居系