《自动化技术与应用》２０ｌ０年第２９卷第１０期 通信与ｔ－ｇ息处理 Ｃｏｒｎｍｕ ｒｌｌｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎ 基于Ｆ Ｐ Ｇ Ａ的嵌入式智能家居控制器设计 郭凤鸣，冉成科．余 波．鲁波涌 （湖南机电职业技术学院，湖南长沙４１０１５１） 摘 要：利用无线传感器节点技术，结合ＦＰＧＡ嵌人式平台，本文设计一种智能家居控制器。该系统可以根据需要进行现场编程，利用 硬件描述沿者实 。宽 数据验 、分忻、处理、发送和保存，并通过接口传送至终端处理设备或通过ＩＮＴＥＲＮＥＴ查看现 场信息，从而提高家唇控制器的覆盖而和灵活性。住某小区经试＿｝＿｝ｊ系统工作正常，完全能够达到用户需要，具有较好的应用价 值。 关键词：ＦＰＧＡ处理器；＿厂亡线他感器节点； ＸＩ 接［１；嵌入式技术 中圈分类弓 ： Ｆｔ ２９ 文献标识码：Ｂ 文章编号：ｌ００３ ７２４１ｆ２０１０）１０ ００７２—０４ Ａｎ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｈｏｕｓｅｈｏｌｄ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ ＧＵＯ Ｆｅｎｇ－ｍｉｎｇ，ＲＡＮ Ｃｈｅｎｇ－ｋｅ，ＹＵ Ｂｏ，ＬＵ Ｂｏ－ｙｏｎｇ （Ｈｕｎａｎ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｖｏｃａｔｉｏｎｄ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１０１５１ Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ＦＰＧＡ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｐｌａｔｆｏｒｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｏｄｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｈｏｕｓｅｈｏｌｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｉｔ ｉｓ ｃａｐａｂｌｅ ｏｆ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｉｎ ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｌａｎｇｕａｇｅ． Ｔｈｅ ｓｉｔｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃａｎ ｂｅ ｇｅｔ ｂｙ ｃｏｍｐｌｅｔｉｎｇ ｔｅｓｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｓｅｎｄｉｎｇ ａｎｄ ｓａｖｉｎｇ ｄａｔａ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｔｒａｎｓ— ｆｅｒｒｅｄ ｔｏ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｈａｎｄｌｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｏｒ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎｅｔ．ａｎｄ ｔｈｕｓ ｔｈｅ ｃｏｖｅｒａｇｅ ａｎｄ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｈｏｕｓｅｈｏｌｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｃａｎ ｂｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｏｒｋｓ ｎｏｒｍａｌｌｙ ｉｎ ａ ｄｉｓｔｒｉｃｔ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｔｒｉａｌ ｐｅｒｉｏｄ ａｎｄ ｆｕｌｌｙ ｓａｔｉｓｆｉｅｓ ｃｕｓｔｏｍｅｒｓ’ｎｅｅｄｓ．Ｉｔ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄ：ＦＰＧＡ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｏｄｅ；ＥＸＰ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ；ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ １ 引言 基于ＦＰＧＡ的嵌入式系统上。基于当前发达的网络资 智能家居通常定义为利用嵌入式技术、网络技术 源、覆盖范围大的无线信号及终端设备功能的拓展， 和综合布线技术，通过家居控制器将与生活有关的各 可以迅速的根据终端设备反馈的信息作出判断，同时 种子系统有机结合的系统。智能家居一般要求有三大 通过控制器分析数据，并根据预设条件执行报警、记 功能单元：兼容性强的智能家居控制器；家庭布线系统 录、分析等动作。本文构建了一种实时并行的嵌入式 设计；家居网络构建；在智能家居控制器的控制下，具有 智能家居控制器，该系统可以根据需要进行现场编程， 网络信息终端主动发布、获取和处理信息等功能，通 利用硬件描述语言实现。完成数据验证、分析、处理、 过相应的控制单元和执行机构，实现对家居网络上家 发送和保存，并通过接口传送至终端处理设备或通过 庭设备的控制和监测，实现家居系统的网络化、智能 ＩＮＴＥＲＮＥＴ查看现场信息，从而提高家居控制器的覆 化和远程控制。 盖面和灵活性。 智能家居控制器可以运行于服务器，也可以运行在 ２ 嵌入式智能家居控制器系统原理 收稿日期：２ ０１ ０—０４—２ ８ 嵌入式智能家居控制器主要由Ｓｐａｒｔａｎ一３Ａ ＤＳＰ 通信与信息处理 Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｐ ｒｏｃｅｓｓｉｎ 《自动化技术与应用 ２０１０年第２９卷第１０期 ＦＰＧＡ处理器…、ＴＭＳ３２０ＤＭ３６５数字媒体处理器、无 线传感器节点、检测传感器、接口模块、终端设备以及 客户端构成。由传感器采集并检测区域内数据信息，交 由ＡＣ／ＤＣ进行数据转换；控制器负责传感器节点的总 体操作，处理本身采集的数据以及由其他节点发来的数 使其成为实现数字化前端处理的理想方案。数字上变频 器（Ｄｕｃ）由两个多相插值ＦＩＲ滤波器、一个ＣＩＣ滤波器和 一个峰均比衰减块组成，可以在Ｓｐａｒｔａｎ－３Ａ ＤＳＰ ＦＰＧＡ 中实现。输出侧驱动ＥＸＰ模块上的高速内插ＤＡＣ， 进而驱动Ｒ Ｆ功率放大器进行传输。在接收侧，可用 ５００ ＭＳＰＳ的ＡＤＣ对ＩＦ信号直接取样，并将该信号传 据或控制信息；射频模块负责该节点与其他节点之间的 无线通信，相互交换由汇聚节点或其他上层发来的控制 信息和收发所采集的数据；外挂电源模块供电。客户端 包括固定监控端、移动监控端，可提供Ｗｅｂ服务和手机 短信提示模式。 送到ＦＰＧＡ进行数字下变频（ＤＤＣ）支持千兆速率的数 据传输，在本次设计中结合控制器需要器接口电路设 计主要是： （１）提供８４个用户Ｉ／Ｏ，接收来自红外入侵探测器、 门磁窗磁、门铃门禁和多种检测传感器的安防警示系 统的信号，为系统报警提供依据；输出控制信号，实现声 光控制和报警控制；也可接受ＤＶＩ、ＶＧＡ、Ｓ—Ｖｉｄｅｏ、组 合视频、数码相机摄像头和音频输入，并产生Ｄ Ｖ Ｉ、 ＶＧＡ、ＬＣＤ面板和音频输出。 图１ 智能家居控制器系统结构框图 （２）通过ＲＳ２３２总线接口接人多功能集中／远传自 动抄表系统，可直接与数据采集器相连接，实现对４路 基表输出的脉冲信号实时采集、自动处理和数据保存。 ３ 硬件电路设计 ３．１视频信号采集电路设计 采用Ｓｐａｒｔａｎ－３Ａ ＤＳＰ ＦＰＧＡ处理器、 以Ｓ３２０ＤＭ３６５ （３）通过ＵＳＢ接口接人优盘，提供数据存储功能、 功能扩展预留；以ＩＳＰｌｌ６１Ａ１为核心，提供２路下行端口， １路上行端口，遵循ＵＳＢｖ２．Ｏ规范。 数字媒体处理器配合构建可以同时进行４路Ｈ．２６４编码 （４）设置面板２０键键盘接口，用户通过键盘或遥控 器操作选择相应功能； （５）市话接口：串接在外线和普通电话之间，接人市 话网，接收电话控制指令，可自动拨打预设电话报警，亦 可直接与１ １ ０联网报警。 的嵌入式设计。Ｓｐａｒｔａｎ－３Ａ ＤＳＰ ＦＰＧＡ作为主处理器， 除负责完成音频编码、远程控制以及用户交互控制等 一些基本的管理与控制外，还负责嵌入式操作系统的运 行，可以完成安防、人体行为、等多项智能视频分析。 ＴＭＳ３２０ＤＭ３６５数字媒体处理器作为协处理器负责视频 编码算法，两个处理器之间通过高速同步串行接口通 讯，视频信号首先进人数字媒体处理器，采集编码后的 码流发送到Ｓｐａｒｔａｎ－３Ａ ＤＳＰ ＦＰＧＡ处理器，然后通过 ３．３无线传感器节点Ｅ２］ｌｍｏｔｅ２ Ｉｍｏｔｅ２是一款先进的无线传感器节点平台。它集 成低功耗的ＰＸＡ２７１ ＸＳｃａｌｅ ＣＰＵ和兼容ＩＥＥＥ ８０２． １５．４的射频芯片。该处理器可工作于低电压（０．８５Ｖ）低 软体处理器分析和解码后送至客户端，并提供可编程 的，更为复杂的符合客户需要的实时报警处理逻辑。通 频率（１ ３ＭＨｚ）模式，可进行低功耗操作。Ｉｍｏｔｅ２使用动 态电压调节技术，频率范围可从ｌ３ＭＨｚ达到４１６ＭＨｚ。 处理器支持几种不同的低功耗模式，如睡眠和深度睡眠 模式。提供多种Ｉ／Ｏ，能够灵活的支持不同种类的传感 过节点的动态选择数据发送节点，并在数据发送节点间 合理分配数据，实现高质量的媒体数据传输。 ３．２接口电路［１］设计 ＥＸＰ是专门针对ＦＰＧＡ平台而开发的开放接口，主 要使用Ｈｉｇｈ—Ｓｐｅｅｄ ＤＡＣ ＥＸＰ接口和Ｈｉｇｈ－Ｓｐｅｅｄ ＡＤＣ ＥＸＰ接口，Ｓｐａｒｔａｎ－３Ａ ＤＳＰ中的增强型ＤＳＰ４８Ａ Ｓｌｉｃｅ 器、Ａ／Ｄｓ、射频器等。Ｉ／Ｏ设备包括：１２Ｃ，２个同步串 口（ＳＰＩ）其中一个连至射频器，３个高速ＵＡＲＴｓ，ＧＰＩＯｓ， ＳＤＩＯ，ＵＳＢ Ｃｌｉｅｎｔ和ＵＳＢ Ｈｏｓｔ，ＡＣ９７和Ｉ２Ｓ音频编码 接口，１个红外接口，ＰＷＭ，１个摄像头接口和１个高速 总线（Ｍｏｂｉｌｅ Ｓｃａｌｅａｂｌｅ Ｌｉｎｋ）。处理器还包括多个定时 自动化技术与应用 ２０１ ０年第２９卷第１ ０期 ｋＳ＿信与１言息处理 器和１个时钟。ＰＸＡ２７１包括１个帮助提高处理多媒体 能力的无线ＭＭＸ协处理器。此外，Ｉｍｏｔｅ２还增加了３０ 条新（ＤＳＰ）媒体处理器指令，支持队列及视频操作，并兼 容Ｉｎｔｅｌ ＭＭＸ和ＳＳＥ ｉｎｔｅｇｅｒ指令。 ３．４客户端组成 家庭客户端分为有线模块和无线模块，无线模块可 以通过不同传感器检测信号的变化，有线传感器输人可 与ＴＴＬ、集电极开路、开关型电路的前端探测器相连， 图３ 智能家居控制系统总图 与ＣＰＵ通过光耦隔离，增加抗干扰性和保护ＦＰＧＡ输入 端口。探测感应信号通过Ｉｍｏｔｅ２ Ｉ／Ｏ端口送至无线传 感器节点平台。收发出的编码信号经无线接收模块解 码后传送给Ｓｐａｒｔａｎ一３Ａ ＤＳＰ ＦＰＧＡ软体处理器核心， 信息处理后报送数据，可通过有线接口电路输出到固定 ４ 软件系统设计 ４．１程序结构图［３］ 家庭控制器终端软件采用面向对象的多进程、多 线程的程序结构以及并行设计模式。本系统对智能家 居的控制、监测可通过远程或本地两种操作方式，在远 程控制方式中，不需使用本地操作界面，为了提高系统 监控端，与ＰＣ机连接，提供Ｗｅｂ服务，并可触发室内报 警电路；或通过接口将数据传送到移动监控端提供手机 监控播放模式。 运行效率，将程序分为用户应用程序和系统应用程序。 ３。５节点程序设计 图２节点为主程序框图。它描述了通用模块设计的 基本流程，根据读人跳线的状态和读入存储器中设定的 状态，决定本模块的作用及本模块的工作方式＿５１。选定 用户应用程序 了工作方式以后，重新进行各自的初始化，主要包括Ｉ／Ｏ 端口的配置、ＲＳ２３２中断的设置、验收滤波器的设置、 总线工作方式设置、定时器方式设置、波特率设置以及 相关设置。在完成初始化设置后，就可以回到工作状 态，进入各自的主循环。 系统应用程序 开机 ＩＩ 上 图４ 家具控制器程序结构图 上 系统服务与 警理最鲁 Ｉ累 翟 ｌ 亲值Ｊ盎上 上 上 上 数字蛾体 拙理嚣 恃感嚣节点 客户终柏设备 ４．２设计方法 上 扩屡终蝻 厦外设 采用自顶向下的设计流程，从系统级设计开始，划 分为若干个二级单元，然后再把各个二级单元划分为 下一层次的基本单元，一直下去，直到能够使用基本模 Ｉ遮工作方式Ｉｌ 韧始化 Ｉ 谚工作方式Ｉ扔始化 Ｉ 谨磊名在式ｌ 落ｚ作方式Ｉ机始化 Ｉ 谈Ｉ作方式韧始化 １Ｌ Ｊｒ 土 ｝谈工作方式ｌｌ 谚工作方式ｌ 壤工作方式Ｉ 璃工作方式Ｉ 谈工怍方式 主循环 ｌ 主循环 ｌ 主循环 ｌ 主循环 Ｉ 主循环 块或者ＩＰ核［ ］直接实现为止，如图５所示。可以有效地 梳理设计层次，方便地查看某一层次模块的源代码以 修改错误。 图２ 节点主程序框图 利用底层覆盖网提供的拓扑维护、资源定位等通 信服务的基础上，动态选择数据发送节点，并在数据发 送节点间合理分配数据，实现高质量数据传输。 ３ ６系统总体框图设计 图５ 自顶向下的ＦＰＧＡ设计开发流程 通信与ｔ－ｇ息处理 Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｐ ｒｏｃｅｓｓｉｎｇ 自动化技术与应用》２０１ ０年第２９卷第１０期 ４．３软件流程 从数据节点采集的数据通过ＥＸＰ接口送至Ｓｐａｒ－ ｔａｎ一３Ａ ＤＳＰ ＦＰＧＡ软体处理器分析、处理、分离和 发送数据，实现数据的及时转换与存储，建立高速数据 口和无线传感器节点平台定义可以设置不同的ＩＯ点满 足最大范围的家居控制要求。在某小区经试用系统工 作正常，完全能够达到用户需要。 转换模式，其主控流程图和数据线程处理分别为图６ 和图７： Ｉ糸坑｛９口始化Ｉ 贼斓ｒ ｊ孵 —— 卮勋ＥＸ碍蚤口 传送数据 ｌ 雁ｌ周擞据殳哩缝圣 启动发送ＵＤ瑚噍绒程 图７ 数据线程处理流程图 设Ｉ数据处璎耋薏槿甲断 设重发送ＵＤ癌℃据线程中断 参考文献： ’Ｌ ［１］用Ｓｐａｒｔａｎ－３Ａ ＤＳＰ入门套件开发应用原型，Ｊｉｍ 数据压嬉停止 Ｂｅｎｅｋｅ．赛灵思中国通讯，２００７，（２７）：６－７． ［２】李洋，谢慧才．智能传感器Ｉｍｏｔｅ２运行环境的安装解析 ［Ｊ】．山西建筑，２００８（１９）：卜２． 图６ 主线程控制流程图 ［３】韩德强．嵌入式家庭控制器系统的设计与实现Ⅲ．电子 技术应用，２００８（３）：２３－２５． ［４］鲁波涌，戴瑜兴．数字化社区网络型视频监控系统工程 ５ 结束语 设计术…，低压电器，２００８（１２）：３５－３８． ［５张海军，５】智能综合安防监控系统的设计与实现［Ｊ］．电子 利用ＦＰＧＡ的并行结构，结合无线传感器节点的空 技术应用，２００９（８）：１３３－１３５． 间构建，建立基于Ｓｐａｒｔａｎ一３Ａ ＤＳＰ的智能家居控制器 系统可以高速实时处理、分析、显示监控对象，设备结 作者简介：郭风鸣（１ ９ ７ ７一），男，讲师，研究方向：Ｄ Ｓ Ｐ控制 构简单、节点动态分布、传输信号稳定。通过ＥＸＰ端 与应用，数字信息处理。 （上接第６８页） Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｖｅｈｉｃｕｌａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９４，４３（３）：７３８—７４２． 【５】ＳＨＥＮ ＤＯＮＧＹＡ，ＲＯＮＧ ＪＩＡＮ，ＹＡＮＧ ＹＩＨＵＡＩ ｅｔａ１． ［８】陈伟．移动衰落信道ｆＭ】．北京：电子工业出版社，２００９． Ｔｈｅ ｓｉｘ－ｓｔａｔｅ ｍａｒｋｏｖ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｌａｎｄ ｍｏｂｉｌｅ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｃｈａｎｎｅｌｓ ［９］Ｃｈｕｎ Ｌｏｏ．Ａ Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ Ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ａ Ｌａｎｄ Ｍｏｂｉｌｅ 【Ｃ】．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ，Ａｎｔｅｎｎａ，Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ａｎｄ ＥＭＣ Ｔｅｃｈｎｏｌｏ— Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｌｉｎｋ４Ｊ】．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｖｅｈｉｃｕｌａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ｇｉｅｓ ｆｏｒ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ＭＡＰＥ ２００５［Ｃ】．ＩＥＥＥ １９８５，３４（３）：１２２—１２７． ＩｎｔｅｒｎａｔｉＯｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｎ ｏｎ。Ｋｕｎｍｉｎｇ：Ｓｃｈ．ｏｆ Ｉｎｆ．Ｓｃｉ．＆ Ｅｎｇ．，Ｙｕｎｎａｎ Ｕｎｉｖ．，２００５． 【６胡君．６】卫星移动通信信道研究及ｌ生能仿真【Ｄ】．成都：电子 科技大学，２００５． ［７】Ｇｉｏｖａｎｎｉ Ｅ．Ｃｏｒａｚｚａ，Ｆｒａｎｃｅｓｃｏ Ｖａｔａｌａｒｏ．Ａ Ｓｔａｔｉｓ－ ｔｉｃａｌ Ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ Ｌａｎｄ Ｍｏｂｉｌｅ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｃｈａｎｎｅｌｓ ａｎｄ Ｉｔｓ 作者简介：李敬军（１ ９ ８ ２一），男，助理工程师，硕士研究生，研 Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ Ｎ０ｎｇｅ０ｓｔａｔｉ０ｎａｒｙ Ｏｒｂｉｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ】．ＩＥＥＥ 究方向：衰落信道建模。