引言

在真正的物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)中，不應當再按功能劃分為各個獨立的抄表網(wǎng)、環(huán)境網(wǎng)、電控網(wǎng)、安防網(wǎng)等，而只是按傳輸接口形式和信息流的走向，融合為感知/控制子網(wǎng)。對于具有多主競爭總線接口的模塊(如CAN、ZigBee等)，融合為感知/控制子網(wǎng);而對眾多僅具單主總線的RS-485模塊，則按信息流的流向，融合成循環(huán)檢測的感知子網(wǎng)和點控的控制子網(wǎng)。NXP Cortex-M3/M0系列ARM微處理器的優(yōu)異性能，低廉的價格為這樣的設計開發(fā)提供了良好的條件。

1 系統(tǒng)體系結構

物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)如圖1所示，它實際上是一個分布式測控系統(tǒng)。

它的上層管理網(wǎng)是以太網(wǎng)，用于在廣闊的互聯(lián)網(wǎng)范圍內信息共享，其上連接有各種管理、存儲及遠程控制設備。

它的下層，不再以功能(環(huán)境、抄表、安防、電控等)切割分塊，而是按信息流走向整合形成感知/控制網(wǎng)。感知網(wǎng)以多主或輪詢的方式向上傳送信息，而控制網(wǎng)則可采用一主多從方式向下傳送控制命令。

在感知/測控網(wǎng)中，按媒體連接型式則有RS-485總線網(wǎng)、CAN總線網(wǎng)、ZigBee總線網(wǎng)、WiFi總線網(wǎng)等。

連接上、下層的是多個嵌入式通信服務器。通信服務器是智能家居中的核心模塊，它在整個智能家居系統(tǒng)中不僅起到了上下信息傳遞的作用，而且進行數(shù)據(jù)融合、分類以及安全管理，是感知網(wǎng)的管理主機。

2 嵌入式通信服務器

嵌入式通信服務器是智能家居中的核心模塊，選用的是NXP公司Cortex-M3系列中的LPC1768處理器。LPC1768處理器是一個低功耗，具有強大功能的32位ARM芯片。

LPC1768單片機內部包含有一個功能齊全的10/100Mbps以太網(wǎng)RMII接口控制器，它可以通過RMII接口(通常簡化為媒體獨立接口MID外接一個物理接口收發(fā)器(PHY)，再接上網(wǎng)絡變壓器和RJ-45接口，就組成了一個完整的以太網(wǎng)通信接口，如圖2所示。

PHY芯片選用美國國家半導體公司的DP83848，這是10/100 Mbps單路物理層器件功能，用于為LPC1768芯片提供物理層接口。

以太網(wǎng)MAC，通過RMII接口與片外PHY相連。如圖2所示，LPC1768的以太網(wǎng)模塊使用RMII(簡化MII的媒體獨立接口)來連接外部PHY芯片(DP83848)。其中有8根RMII的串行數(shù)據(jù)總線，還有2根MIIM(媒體獨立接口管理)接口管理控制線，從而實現(xiàn)與片外以太網(wǎng)PHY之間的連接。DP83848的復位信號可以共用LPC1708的復位信號。

以太網(wǎng)RMII的引腳信號如下：

①ENET_TX_EN為輸出發(fā)送數(shù)據(jù)使能;

②ENET_TXD[1：0]為輸出發(fā)送數(shù)據(jù)，2位;

③ENET_RXD[1：0]為輸入接收數(shù)據(jù)，2位;

④ENET_RX_ER為輸入接收錯誤;

⑤ENET_CRS為輸入載波偵聽/數(shù)據(jù)有效;

⑥ENET_REF_CLK/ENET_RX_CLK為輸入?yún)⒖紩r鐘用于外部PHY的媒體獨立接口管理(MIIM)的信號;

⑦ENET_MDC為輸出MIIM時鐘;

⑧ENET MDIO為輸入/輸出MI數(shù)據(jù)輸入和輸出。

DB83848通過TD+、TD-、RD+、RD-經(jīng)隔離變壓器、RJ-45口輸出，L-、R-驅動LED，指示輸入、輸出狀態(tài)。

3 CAN接口及CAN感知網(wǎng)

在智能家居中采用CAN感知/控制子網(wǎng)，這里面有CAN-以太網(wǎng)關、CAN路由器、CAN感知/控制模塊。由于CAN-以太網(wǎng)關和CAN路由器需要以太網(wǎng)控制器(MAC)和2個CAN控制器，所以CAN-以太網(wǎng)關、CAN路由器均由Cortex—M3的LPC1768來承擔，而CAN感知/控制模塊則由Cortex—M0的LPC11C12/24來承擔。

3.1 CAN-以太網(wǎng)關、CAN路由器

如圖3所示，LPC1768內部集成有CAN控制器，外接CAN收發(fā)器就構成了嵌入式通信服務器的CAN通信接口，所以能很方便地構成以太-CAN網(wǎng)關。又由于LPC1768內部集成有2個CAN控制器，因而它支持2個CAN子網(wǎng)，能很方便地構成CAN路由器。

LPC1768的CAN控制器支持控制局域網(wǎng)(CAN)，提供了一個完整的CAN協(xié)議(遵循CAN規(guī)范V2.0B)實現(xiàn)方案，因而它能很方便地兼容/混用過去的SJA1000 CAN系統(tǒng)。

3.2 CAN總線感知/控制模塊

CAN感知/控制模塊均選用基于Cortex—M0的LPC11C14/24。LPC11C14內部集成有一個CAN控制器，而LPC11C24是在LPC11C14的基礎上集成了一個CAN收發(fā)器TJF1051。采用LPC11C14/24比過去采用51單片機+TJF1050+SJA1000方式，不僅性能大大提高，而且占用PCB板面積大大減小，芯片材料成本減少了40%。

新舊系統(tǒng)混用最好都采用同樣的CAN收發(fā)器。由于原CAN系統(tǒng)中CAN收發(fā)器芯片采用的是TJF1050，而TJF1051是與TJF1050高度兼容，因而以LPC11C14/24構成的CAN模塊和采用51單片機+TJF1050+SJA1000的CAN模塊高度兼容/混用。

4 RS-485接口及RS-485感知網(wǎng)

在原智能家居系統(tǒng)中有不少的感知網(wǎng)采用RS-485總線，而且采用的是80C51系列的9位多機通信方式。在新系統(tǒng)中選用Cortex—M0/M3后，也完全可兼容/混用原系統(tǒng)。LPC 11C14的CAN接口如圖4所示。

4.1 LPC812M101FDH20的感知/控制網(wǎng)從機模塊

LPC812M101FDH20是NXP Cortex—M0系列中的20引腳廉價芯片，它有16K閃存、4K SRAM和3個串口。如圖5所示，LPC812M101FDH20通過開關矩陣分配引腳充當U0/U2/U3_TX D、U1/U2/U3_RXD、U1/U2/U3_RTS，連接MAX485即構成了RS-485通信接口。在軟件中，通過CFG配置寄存器的第3、2位設置成10(9位通信模式)，這就成了兼容于MCS-51的多機通信方式(即可進行軟件地址檢測和收發(fā)器方向控制的RS-485通信)。

由于LPC800系列微處理器串口的9位通信方式中的第9位僅能進行奇偶校驗設置，不能人為設置1/0(地址/數(shù)據(jù))，所以它只能在RS-485感知/控制網(wǎng)中充當從機。

在充當從機使用中，先要將USART CTRL寄存器第2位(ADDRDET使能地址檢測模式)設置為1，這時僅對主機發(fā)來的地址數(shù)據(jù)，產(chǎn)生一個接收數(shù)據(jù)中斷。軟件隨后便檢查接收地址數(shù)據(jù)，判斷是否是本機地址。如果是，則軟件會清零ADDRDET位，所有后續(xù)輸入數(shù)據(jù)均會被正常接收處理。在一次輪詢應答響應完后，再將USARTCTRL寄存器第2位(ADDRDET使能地址檢測模式)設置為1，等待下次輪詢本機。

LPC800的串口由于在設置波特率時，還可使用小數(shù)分頻器，使其在各種晶振下均能獲得精準波特率;同時，它采用3次采樣接收，接收數(shù)據(jù)是3個樣本“投票”中的2個，當有1個樣本與其他不同時，會將USART狀態(tài)寄存器第“15”位設置狀態(tài)標志(接收噪聲中斷標志)，從而大大降低了誤碼率。

4.2 LPC1768的感知/控制網(wǎng)主機模塊

RS-485感知/控制網(wǎng)中的主機通常都是嵌入式通信服務器，所以選用Cortex—M3系列中的LPC1768作為感知/控制網(wǎng)中的主機。LPC1768雖有4個串口，但只有UART1具有RS-485模式。在這個模式中有3個專門用于RS-485通信的寄存器(控制寄存器、地址匹配寄存器、延時值寄存器)。

作為主機在輪詢發(fā)送時，首先要將LPC1768的U1LCR線控制寄存器的1、0位設置成11(8位字符長度，相當于MCS-51的9位數(shù)據(jù)長度含TB8/RB8的通信);再視所發(fā)送的是輪詢從機的地址還是數(shù)據(jù)，將U1LCR線控制寄存器第5、4位設成10(將第9奇偶校驗位強制為1地址)，或設成11(將第9奇偶校驗位強制為0數(shù)據(jù))。

作為主機在接收時，不再需要對自身地址匹配，所有的數(shù)據(jù)都必須接收。

通過U1RS485DLY延時值寄存器，可設置發(fā)送完最后一個停止位(移出TXFIFO)和DTR轉為接收信號之間的延時(0～255個波特率時鐘周期)。

5 ZigBee及WiFi接口

通過SPI接口，接入CC2530就構成了ZigBee接口。通過SPI接口，接入WiSmart EC32L12模塊就構成了WiFi接口。

結語

采用NXP Cortex—M3/M0系列微處理器開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)，有以下幾大優(yōu)點：

①新系統(tǒng)的感知/控制網(wǎng)是32位系統(tǒng)，性能得到了極大地提高;

②Cortex—M3/M0系列ARM微處理器中都有一定的ROM API庫，加塊了開發(fā)速度，也減少了開發(fā)成本。

③集成度高，并有開關矩陣定義引腳，從而大大提高了硬件的適應性。

④智能家居24小時工作不斷電，Cortex—M3/M0微處理器超低功耗設計，使新系統(tǒng)的待機功耗僅為舊系統(tǒng)的20%。