摘要：針對智能家居系統(tǒng)的日益增長需求及嵌入式技術的廣泛應用，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，簡要介紹了藍牙技術以及藍牙通訊協(xié)議。給出了一種基于三星公司的S3C44B0X芯片和藍牙通信技術的智能家居控制器的硬件設計和軟件設計方案。結果表明，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。它不僅已經成為一個國家經濟實力和科學技術的綜合標志之一，而且也是人類社會住宅發(fā)展的必然趨勢。
隨著EDA技術的高速發(fā)展，智能家居的實現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給出了智能家居的一種合理的、高性能的實現。
2 總體方案設計
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絡相互通信，所以通過外部計算機或網絡就可以實現和主控制器的通訊從而實現對家居中各節(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分析并做出相應動作，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，以備將來設備的增加。
3 硬件設計
3.1 藍牙技術
藍牙技術是一種無線數據與數字通信的開放性規(guī)范，用微波無線通信技術取代數據電纜來完成點對點或點對多點短距離通信。藍牙技術的主要優(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，對人體危害小；藍牙集成電路應用簡單，成本低廉，實現容易，易于推廣。藍牙技術應用了全球統(tǒng)一的頻率（ISM頻段）設置，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。因此藍牙技術特別設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。藍牙體系結構中的協(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，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，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)議體系結構中的底層硬件模塊。
在家居控制器上使用藍牙技術主要是為了給家居控制器的各個功能模塊提供無線傳輸的方式，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、結構等因素，信息家電可以采用藍牙模塊加單片機的方式實現藍牙功能。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層的基礎上，根據信息家電信息傳輸的實際需求，建立相關協(xié)議，利用單片機直接和藍牙硬件模塊交換HCI指令，實現信息交互。單片機采集信息家電的相關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 硬件平臺結構
本系統(tǒng)的硬件平臺主要是在EV44B0II開發(fā)板上實現的，它采用三星公司生產的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備中。硬件結構如圖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據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 軟件設計
根據智能家居中各部分的劃分，軟件也相應的對各部份進行了模塊化的設計。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，且提供良好的任務控制API使得用戶可靈活簡便的控制各任務的運行。針對本系統(tǒng)各模塊我們設計了相應的獨立任務完成所需的功能。主要包括主程序任務、安防報警任務、環(huán)境控制任務、遠程控制任務和信息家控制任務。主程序任務是其他各任務的創(chuàng)建者，由它來管理各個任務的創(chuàng)建及運行。故程序運行時首先創(chuàng)建主程序任務，它的顯示界面將提供其他各任務的進入菜單。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)建此模塊任務進行對此節(jié)點的控制。主程序任務默認首先創(chuàng)建安防報警任務，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），再進行藍牙網絡的硬件初始化，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。主程序任務默認又創(chuàng)建安防報警任務并進入運行狀態(tài)。當要進行其它模塊任務的創(chuàng)建時就需將安防報警任務掛起，等其他模塊任務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 結語
本系統(tǒng)采用了藍牙技術和32位微控制器對終端控制進行了設計，使其控制系統(tǒng)性能優(yōu)越、結構清晰、成本低并具有較好的擴展性。與有線家居網絡相比，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備時，只需要增加相應的設備識別號，無須增加連線。隨著計算機、通信和網絡技術的飛速發(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。