利用無線傳感器節點技術，結合FPGA 嵌入式平臺，本文設計一種智能家居控制器。該系統可以根據需要進行現場編程，利用硬件描述語言實現。完成數據驗證、分析、處理、發送和保存，并通過接口傳送至終端處理設備或通過INTERNET 查看現場信息，從而提高家居控制器的覆蓋面和靈活性。在某小區經試用系統工作正常，完全能夠達到用戶需要，具有較好的應用價值。

1 引言

智能家居通常定義為利用嵌入式技術、網絡技術和綜合布線技術， 通過家居控制器將與生活有關的各種子系統有機結合的系統。智能家居一般要求有三大功能單元： 兼容性強的智能家居控制器; 家庭布線系統設計; 家居網絡構建; 在智能家居控制器的控制下，具有網絡信息終端主動發布、獲取和處理信息等功能， 通過相應的控制單元和執行機構， 實現對家居網絡上家庭設備的控制和監測， 實現家居系統的網絡化、智能化和遠程控制。

智能家居控制器可以運行于服務器， 也可以運行在基于FPGA 的嵌入式系統上。基于當前發達的網絡資源、覆蓋范圍大的無線信號及終端設備功能的拓展，可以迅速的根據終端設備反饋的信息作出判斷， 同時通過控制器分析數據， 并根據預設條件執行報警、記錄、分析等動作。本文構建了一種實時并行的嵌入式智能家居控制器， 該系統可以根據需要進行現場編程，利用硬件描述語言實現。完成數據驗證、分析、處理、發送和保存， 并通過接口傳送至終端處理設備或通過INTERNET 查看現場信息，從而提高家居控制器的覆蓋面和靈活性。

2 嵌入式智能家居控制器系統原理

嵌入式智能家居控制器主要由Spartan-3A DSPFPGA 處理器、TMS320DM365 數字媒體處理器、無線傳感器節點、檢測傳感器、接口模塊、終端設備以及客戶端構成。由傳感器采集并檢測區域內數據信息，交由AC ／ DC 進行數據轉換;控制器負責傳感器節點的總體操作， 處理本身采集的數據以及由其他節點發來的數據或控制信息; 射頻模塊負責該節點與其他節點之間的無線通信， 相互交換由匯聚節點或其他上層發來的控制信息和收發所采集的數據; 外掛電源模塊供電。客戶端包括固定監控端、移動監控端，可提供Web 服務和手機短信提示模式。

圖1 智能家居控制器系統結構框圖

3 硬件電路設計

3.1 視頻信號采集電路設計

采用Spartan-3A DSP FPGA處理器、TMS320DM365數字媒體處理器配合構建可以同時進行4 路H.264 編碼的嵌入式設計。Spartan-3A DSP FPGA作為主處理器，除負責完成音頻編碼、遠程控制以及用戶交互控制等一些基本的管理與控制外，還負責嵌入式操作系統的運行， 可以完成安防、人體行為、等多項智能視頻分析。TMS320DM365 數字媒體處理器作為協處理器負責視頻編碼算法， 兩個處理器之間通過高速同步串行接口通訊， 視頻信號首先進入數字媒體處理器， 采集編碼后的碼流發送到Spartan-3A DSP FPGA 處理器，然后通過軟體處理器分析和解碼后送至客戶端， 并提供可編程的， 更為復雜的符合客戶需要的實時報警處理邏輯。通過節點的動態選擇數據發送節點， 并在數據發送節點間合理分配數據， 實現高質量的媒體數據傳輸。

3.2 接口電路設計

EXP 是專門針對FPGA 平臺而開發的開放接口，主要使用High-Speed DAC EXP接口和High-Speed ADC EXP接口，Spartan-3A DSP 中的增強型DSP48A Slice使其成為實現數字化前端處理的理想方案。數字上變頻器（DUC）由兩個多相插值FIR 濾波器、一個CIC濾波器和一個峰均比衰減塊組成，可以在Spartan-3A DSP FPGA中實現。輸出側驅動EXP 模塊上的高速內插 DAC，進而驅動RF 功率放大器進行傳輸。在接收側， 可用500 MSPS 的ADC 對IF 信號直接取樣，并將該信號傳送到FPGA 進行數字下變頻（DDC）支持千兆速率的數據傳輸， 在本次設計中結合控制器需要器接口電路設計主要是：

⑴ 提供84 個用戶I/O，接收來自紅外入侵探測器、門磁窗磁、門鈴門禁和多種檢測傳感器的安防警示系統的信號， 為系統報警提供依據; 輸出控制信號， 實現聲光控制和報警控制;也可接受DVI、VGA、S-Video、組合視頻、數碼相機攝像頭和音頻輸入， 并產生D V I 、VGA、LCD 面板和音頻輸出。

⑵ 通過RS232 總線接口接入多功能集中/ 遠傳自動抄表系統， 可直接與數據采集器相連接， 實現對4 路基表輸出的脈沖信號實時采集、自動處理和數據保存。

⑶ 通過USB 接口接入優盤， 提供數據存儲功能、功能擴展預留;以ISPll61A1 為核心，提供2 路下行端口，1 路上行端口，遵循USBv2.O 規范。

⑷ 設置面板20 鍵鍵盤接口，用戶通過鍵盤或遙控器操作選擇相應功能;

⑸ 市話接口： 串接在外線和普通電話之間， 接入市話網， 接收電話控制指令， 可自動撥打預設電話報警， 亦可直接與110 聯網報警。

3.3 無線傳感器節點Imote2

Imote2 是一款先進的無線傳感器節點平臺。它集成低功耗的PXA271 XScale CPU 和兼容IEEE 802.15.4 的射頻芯片。該處理器可工作于低電壓（0.85V）低頻率（13MHz）模式，可進行低功耗操作。Imote2 使用動態電壓調節技術，頻率范圍可從13MHz 達到416MHz。處理器支持幾種不同的低功耗模式， 如睡眠和深度睡眠模式。提供多種I/O，能夠靈活的支持不同種類的傳感器、A/Ds、射頻器等。I/O 設備包括：I2C，2 個同步串口（SPI）其中一個連至射頻器，3 個高速UARTs，GPIOs，SDIO，USB Client 和USB Host，AC97 和I2S 音頻編碼接口，1 個紅外接口，PWM，1 個攝像頭接口和1 個高速總線（Mobile Scaleable Link）。處理器還包括多個定時器和1 個時鐘。PXA271 包括1 個幫助提高處理多媒體能力的無線MMX 協處理器。此外，Imote2 還增加了30條新（DSP）媒體處理器指令，支持隊列及視頻操作，并兼容Intel MMX 和SSE integer 指令。

3.4 客戶端組成

家庭客戶端分為有線模塊和無線模塊， 無線模塊可以通過不同傳感器檢測信號的變化， 有線傳感器輸人可與TTL、集電極開路、開關型電路的前端探測器相連，與CPU 通過光耦隔離，增加抗干擾性和保護FPGA 輸入端口。探測感應信號通過Imote2 I/O 端口送至無線傳感器節點平臺。收發出的編碼信號經無線接收模塊解碼后傳送給Spartan-3A DSP FPGA 軟體處理器核心，信息處理后報送數據， 可通過有線接口電路輸出到固定監控端，與PC 機連接，提供Web 服務，并可觸發室內報警電路; 或通過接口將數據傳送到移動監控端提供手機監控播放模式。

3.5 節點程序設計

圖2 節點為主程序框圖。它描述了通用模塊設計的基本流程， 根據讀入跳線的狀態和讀入存儲器中設定的狀態， 決定本模塊的作用及本模塊的工作方式。選定了工作方式以后，重新進行各自的初始化，主要包括I/O端口的配置、RS232 中斷的設置、驗收濾波器的設置、總線工作方式設置、定時器方式設置、波特率設置以及相關設置。在完成初始化設置后， 就可以回到工作狀態， 進入各自的主循環。

圖2 節點主程序框圖

利用底層覆蓋網提供的拓撲維護、資源定位等通信服務的基礎上， 動態選擇數據發送節點， 并在數據發送節點間合理分配數據， 實現高質量數據傳輸。

3.6 系統總體框圖設計

圖3 智能家居控制系統總圖

4 軟件系統設計

4.1 程序結構圖

家庭控制器終端軟件采用面向對象的多進程、多線程的程序結構以及并行設計模式。本系統對智能家居的控制、監測可通過遠程或本地兩種操作方式， 在遠程控制方式中， 不需使用本地操作界面， 為了提高系統運行效率， 將程序分為用戶應用程序和系統應用程序。

圖4 家具控制器程序結構圖

4.2 設計方法

采用自頂向下的設計流程， 從系統級設計開始， 劃分為若干個二級單元， 然后再把各個二級單元劃分為下一層次的基本單元， 一直下去， 直到能夠使用基本模塊或者IP 核［4］直接實現為止，如圖5 所示。可以有效地梳理設計層次， 方便地查看某一層次模塊的源代碼以修改錯誤。

圖5 自頂向下的FPGA 設計開發流程

4.3 軟件流程

從數據節點采集的數據通過EXP 接口送至Spartan-3A DSP FPGA 軟體處理器分析、處理、分離和發送數據， 實現數據的及時轉換與存儲， 建立高速數據轉換模式， 其主控流程圖和數據線程處理分別為圖6和圖7 ：

圖6 主線程控制流程圖

5 結束語

利用FPGA 的并行結構，結合無線傳感器節點的空間構建，建立基于Spartan-3A DSP 的智能家居控制器系統可以高速實時處理、分析、顯示監控對象， 設備結構簡單、節點動態分布、傳輸信號穩定。通過EXP端口和無線傳感器節點平臺定義可以設置不同的IO 點滿足最大范圍的家居控制要求。在某小區經試用系統工作正常， 完全能夠達到用戶需要。

圖7 數據線程處理流程圖