為了與其他網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信和信息共享，利用Internet實(shí)現(xiàn)對(duì)樓宇自控系統(tǒng)的管理，本系統(tǒng)采用了BACnet中的隧道技術(shù)(圖3)。當(dāng)AmIAdapter從AmIBox接收到控制命令時(shí)，將控制命令封裝為BACnet協(xié)議包，并將該協(xié)議包封裝在IP協(xié)議包中，通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)傳輸給DDC——網(wǎng)絡(luò)中的B/IP PAD(BACnet/Internet協(xié)議包封裝/拆裝設(shè)備)節(jié)點(diǎn);DDC將IP協(xié)議包進(jìn)行拆包，分離出其中的BACnet協(xié)議包并實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的控制。
在系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)中，命令數(shù)據(jù)報(bào)字段除了要有相應(yīng)協(xié)議的報(bào)頭外，還包含了命令種類(lèi)標(biāo)志､家電類(lèi)別號(hào)､家電設(shè)備編號(hào)､控制命令及相應(yīng)參數(shù)。命令標(biāo)志用于區(qū)分該數(shù)據(jù)報(bào)是命令還是狀態(tài)反饋;家電類(lèi)別號(hào)用于區(qū)分不同種類(lèi)的家電;家電設(shè)備編號(hào)用于識(shí)別同類(lèi)家電的不同設(shè)備;控制命令為用戶下達(dá)的控制命令，如設(shè)定冰箱冷藏室溫度等。反饋數(shù)據(jù)報(bào)中除了包含命令種類(lèi)標(biāo)志､家電種類(lèi)標(biāo)志､家電設(shè)備編號(hào)､索取狀態(tài)命令外，還包含了家電設(shè)備的狀態(tài)信息。
2.3高速電路設(shè)計(jì)技術(shù)
AmIBox和AmIAdapter是系統(tǒng)的重要組成模塊。為了滿足用戶對(duì)系統(tǒng)物理尺寸的需求，實(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)備體積小､功耗低的特點(diǎn)，需要對(duì)這兩個(gè)模塊進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟脺p，去掉系統(tǒng)中不需要的功能。本系統(tǒng)采用Cadence設(shè)計(jì)工具進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)。該軟件中包含了原理圖設(shè)計(jì)､PCB布局與布線､約束設(shè)置､原理圖仿真､PCB模型仿真､布線前后信號(hào)完整性分析等工具，從而保證了設(shè)計(jì)的正確，縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了設(shè)計(jì)成本。裁減過(guò)程中要注意原理圖和PCB設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮高速信號(hào)的設(shè)計(jì)及模/數(shù)混合信號(hào)的設(shè)計(jì)。
2.3.1高速信號(hào)的設(shè)計(jì)
在FPGA與內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳輸部分，傳輸頻率為200 MHz，屬于高速信號(hào)傳輸。高速信號(hào)的部分包括FPGA與DDR之間的時(shí)鐘線､數(shù)據(jù)線､地址線和控制線。其中:時(shí)鐘線采用差分信號(hào)走線，并確定了走線時(shí)的最小線間距､最小線寬､非耦合帶的最大長(zhǎng)度等參數(shù)。對(duì)于DDR數(shù)據(jù)線，采用蛇形走線的方式實(shí)現(xiàn)等長(zhǎng)布線，并保證始終在同一層走線，減少回流延遲，通過(guò)設(shè)置約束管理器中最大走線長(zhǎng)度將數(shù)據(jù)線與時(shí)鐘線的線長(zhǎng)差控制在50 mil內(nèi)。對(duì)于地址､片選及其他控制線，在約束管理器中，將其拓?fù)浞绞皆O(shè)置為菊花鏈狀，并且比時(shí)鐘線長(zhǎng)1 000~2 500 mil，保證時(shí)鐘穩(wěn)定后讀取地址信息和控制信息。布線過(guò)程中利用約束管理器有助于控制走線，還能縮短布線時(shí)間。
高速布線完成后，利用仿真工具SigXplorer､波形顯示工具Sigwave，分析數(shù)據(jù)線､地址線的波形圖，確保信號(hào)的建立時(shí)間､保持時(shí)間､傳輸延遲滿足DDR芯片的要求。
2.3.2模/數(shù)混合信號(hào)的設(shè)計(jì)
在網(wǎng)口部分的設(shè)計(jì)中涉及到模/數(shù)混合信號(hào)PCB的設(shè)計(jì)，為了減小數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)的相互干擾，保證信號(hào)的完整性，需要解決數(shù)字地和模擬地劃分的問(wèn)題。
常用的解決方法是將數(shù)字地與模擬地分割開(kāi)，但是在這種情況下進(jìn)行跨分割間隙布線就會(huì)出現(xiàn)電磁干擾增加，影響信號(hào)完整性。本設(shè)計(jì)中采取的措施是:將PCB分區(qū)為獨(dú)立的模擬部分和數(shù)字部分，進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑骷季�，將網(wǎng)口控制器跨分區(qū)放置。在模擬部分和數(shù)字部分下面分別敷設(shè)地，并在網(wǎng)絡(luò)控制器下敷設(shè)等寬的地作為地連接橋，以連接模擬地和數(shù)字地。在電路板的所有層中數(shù)字信號(hào)只在電路的數(shù)字部分布線，同時(shí)所有模擬信號(hào)只在電路板的模擬部分布線。具體的劃分如圖4所示。
3測(cè)試
整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)后，為了保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和兼容性，進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如下:
a)用戶的識(shí)別率。藍(lán)牙自動(dòng)感知部分采用CSR公司提供的BlueLab 2.8.2進(jìn)行開(kāi)發(fā)。其中:套件BlueSuite提供了燒寫(xiě)工具､配置工具以及測(cè)試工具。使用其中的測(cè)試工具對(duì)連接信號(hào)的強(qiáng)弱進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明，在10 m之內(nèi)隔著障礙物仍能準(zhǔn)確通信。在本系統(tǒng)中用戶數(shù)量有限，當(dāng)多個(gè)用戶佩戴藍(lán)牙感知器在不同時(shí)間進(jìn)入､離開(kāi)時(shí)，藍(lán)牙適配器能夠即時(shí)地查詢新設(shè)備､斷開(kāi)離開(kāi)設(shè)備，保證用戶的正確識(shí)別。
b)控制信號(hào)識(shí)別率。本系統(tǒng)制定了規(guī)則集，對(duì)每個(gè)用戶的操作制定了相應(yīng)規(guī)則。向同一種家電先后發(fā)送多種控制命令，系統(tǒng)能夠根據(jù)規(guī)則集確定正確的執(zhí)行順序和操作指令。例如，使用PDA設(shè)置微波爐中火5 min，但是3 min后又改變主意設(shè)定微波爐為微火。根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)則集，AmIAdapter控制微波爐轉(zhuǎn)為微火，并設(shè)定時(shí)間3 min。
c)高速電路板的穩(wěn)定性､完整性。對(duì)于焊接完成的PCB，接入大于12 V的電壓，測(cè)試電路是否會(huì)被燒毀。電源部分采用自動(dòng)恢復(fù)保險(xiǎn)絲進(jìn)行電路保護(hù)，因此在過(guò)壓狀態(tài)下仍能保持電路的安全。在布線階段，采用Allegro中的PCB SI對(duì)DDR進(jìn)行仿真測(cè)試，檢測(cè)數(shù)據(jù)線的延遲誤差;PCB制板完成后，使用邏輯分析儀在設(shè)定的多個(gè)測(cè)試點(diǎn)上測(cè)試數(shù)據(jù)的完整性。結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠保證傳輸延遲､信號(hào)強(qiáng)度等的誤差在允許范圍內(nèi)。
4結(jié)束語(yǔ)
AmI是一個(gè)全新的概念，它綜合了多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)成果，目的是使人們的生活､工作變得更方便､快捷。本文闡述了基于FPGA開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用PowerPC和MicroBlaze處理器，改善人們生活質(zhì)量的環(huán)繞智能家居子系統(tǒng)中相關(guān)技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)靈活運(yùn)用了藍(lán)牙自動(dòng)感知､異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信､高速電路設(shè)計(jì)等技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了人機(jī)自然交互，展現(xiàn)了人們未來(lái)生活的美好前景。文中實(shí)現(xiàn)的AmI智能家居控制系統(tǒng)作為“211”項(xiàng)目，評(píng)審專(zhuān)家的嚴(yán)格審核在一定程度上為環(huán)繞智能概念在我國(guó)的推廣起到了促進(jìn)作用。
目前，該系統(tǒng)所采用的BACnet轉(zhuǎn)換技術(shù)還不具備普遍性，如采用的DDC模塊價(jià)格較高，不能被大部分人接受;另外缺乏靈活性，可擴(kuò)展的設(shè)備有限且擴(kuò)展過(guò)程比較復(fù)雜。采用這種技術(shù)只是實(shí)現(xiàn)的一個(gè)過(guò)渡階段，還需要進(jìn)一步改進(jìn)。AmI是一個(gè)嶄新的研究方向，還有許多類(lèi)似的概念需要人們?nèi)ネ诰?#65380;探索。
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“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文”
摘要:智能家居控制系統(tǒng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難點(diǎn)是如何進(jìn)行自然的人機(jī)交互，完成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)傳輸和滿足用戶在特定環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)物理尺寸的要求。研究了以Virtex－4TM和SpartanⅢ兩種FPGA芯片作為核心控制器件，采用藍(lán)牙自動(dòng)感知､數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換等先進(jìn)技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)，成功地解決了上述難題，充分體現(xiàn)了環(huán)繞智能的概念。
關(guān)鍵詞:環(huán)繞智能; 智能家居; 自動(dòng)感知; BACnet協(xié)議
中圖分類(lèi)號(hào):TP273.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1001－3695(2008)02－0613－03
AmI是2001年由歐洲信息社會(huì)咨詢組(Information Society Technologies Advisory Group，ISTAG)提出的新概念，它是一種具有智能特性，可對(duì)用戶行為作出類(lèi)似人類(lèi)知覺(jué)反應(yīng)的電子環(huán)境。同時(shí)，ISTAG還闡述了環(huán)繞智能信息社會(huì)的構(gòu)想[1]。環(huán)繞智能的本質(zhì)是無(wú)所不在的IT､計(jì)算和通信。環(huán)繞智能這一全新的概念對(duì)未來(lái)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和協(xié)議提出了全新的技術(shù)需求，而達(dá)到這些功能目標(biāo)的前提是需要一套復(fù)雜的､先進(jìn)的､多功能的智能感知系統(tǒng)[2，3]。
環(huán)繞智能系統(tǒng)按照嵌入的位置及交互方式可以劃分為三類(lèi):a)交互空間。利用嵌入到周?chē)h(huán)境中的計(jì)算､感知設(shè)備，解除空間對(duì)人的限制，擺脫計(jì)算機(jī)､鼠標(biāo)､桌面､圖標(biāo)，甚至無(wú)須人們對(duì)計(jì)算設(shè)備進(jìn)行模式的轉(zhuǎn)換，使環(huán)境自動(dòng)感知人們的信息，如Korea Electronics Technology Institute的Context－Aware Home[4]。該系統(tǒng)能夠很好地將多媒體､保健､智能控制､管理集成到一起，但建立的感知網(wǎng)絡(luò)還存在一定缺陷，不能得到很好的推廣。b)可穿戴計(jì)算。將控制､計(jì)算､感知設(shè)備嵌入到人們的衣物當(dāng)中，從而可以使人機(jī)交互直接進(jìn)行。INSA將智能穿戴應(yīng)用在社會(huì)醫(yī)療､家庭保健､疾病預(yù)防上[5]，充分體現(xiàn)了普適計(jì)算的優(yōu)越性。但是類(lèi)似系統(tǒng)需要大量感知器獲取數(shù)據(jù)，限制了應(yīng)用的范圍。c)信息設(shè)備。主要是將計(jì)算､感知設(shè)備嵌入到日常生活物品､辦公場(chǎng)所､交通設(shè)施等場(chǎng)所中，使其充當(dāng)人機(jī)交互的接口，人們能夠在使用這些物品､置身這些場(chǎng)所時(shí)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。
本文所做的環(huán)繞智能家居控制系統(tǒng)(AmI家居控制系統(tǒng))就是屬于信息設(shè)備這一類(lèi)。系統(tǒng)在感知網(wǎng)絡(luò)的建立和實(shí)用性方面有了更大改進(jìn)。在該系統(tǒng)中用戶可使用PDA､手機(jī)等手持設(shè)備或計(jì)算機(jī)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)､有線網(wǎng)絡(luò)在任何時(shí)間､任何地點(diǎn)直接控制任何家用電器的各項(xiàng)功能，同時(shí)查看家用電器的相關(guān)信息。該系統(tǒng)使人們的生活變得更加方便､快捷。
1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案
AmI家居控制系統(tǒng)是AmI中的一個(gè)重要支撐子系統(tǒng)，面向人們的主要生活場(chǎng)所。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用樹(shù)型結(jié)構(gòu)，如圖1所示，以AmI控制盒(即AmIBox模塊)為中心與外界進(jìn)行通信，中心與每個(gè)分支的通信遵循IPv6通信協(xié)議。每個(gè)模塊均有自己的IP地址，這樣模擬了未來(lái)家庭環(huán)境中每個(gè)家電均有一個(gè)自己的IP地址的情況(DDC(direct digital controller)模塊除外，對(duì)于DDC模塊控制的家電共用一個(gè)IP地址)。
AmIBox模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，它包含兩個(gè)嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)，即用戶信息和家電信息。一方面，AmIBox通過(guò)藍(lán)牙感知模塊獲得用戶的ID，將數(shù)據(jù)庫(kù)切換到該用戶的相關(guān)信息;另一方面，AmIBox模塊從PDA､PC機(jī)獲取用戶的控制命令，解析､確定控制對(duì)象后，再將控制命令和相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)信息打包發(fā)送給相應(yīng)家電的AmI適配器模塊，即AmIAdapter模塊。AmIAdapter模塊對(duì)命令進(jìn)行相應(yīng)的格式轉(zhuǎn)換后發(fā)送給DDC或家電進(jìn)行相應(yīng)的控制，同時(shí)將獲得的家電信息和數(shù)據(jù)庫(kù)信息反饋給AmIBox模塊，進(jìn)而反饋給用戶。
為了實(shí)現(xiàn)上述功能，要求系統(tǒng)能夠自動(dòng)識(shí)別用戶身份，實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸，適應(yīng)嵌入式環(huán)境的物理要求。因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了以下幾種技術(shù):
a)自動(dòng)感知技術(shù)。通過(guò)藍(lán)牙感知器和藍(lán)牙適配器為AmIBox模塊提供用戶信息。
b)樓宇自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)(building automation and control network，BACnet)與Internet網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸。
c)高速電路設(shè)計(jì)技術(shù)。通過(guò)裁減開(kāi)發(fā)板，降低系統(tǒng)成本，滿足用戶對(duì)系統(tǒng)的物理要求。
2相關(guān)技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2.1自動(dòng)感知技術(shù)
在AmI智能家居控制系統(tǒng)中，如何讓系統(tǒng)能夠主動(dòng)感知用戶的進(jìn)入､離開(kāi)及進(jìn)行身份識(shí)別，并且能夠無(wú)縫地感知用戶的跨區(qū)域，使用戶感覺(jué)不到系統(tǒng)的存在，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的透明性，還能夠根據(jù)用戶的身份提供個(gè)性化服務(wù)，這一點(diǎn)非常重要。在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，這些功能采用的主要是藍(lán)牙技術(shù)[6]。藍(lán)牙是一種發(fā)展中的短距離無(wú)線通信技術(shù)，工作在2.4 GHz的ISM頻段，采用跳頻機(jī)制。它的突出優(yōu)點(diǎn)是具有移動(dòng)性好､抗干擾､功耗低､成本低､體積小等特點(diǎn)。另外，藍(lán)牙設(shè)備還具有快速發(fā)現(xiàn)設(shè)備，并與之建立連接､傳輸數(shù)據(jù)的能力。
藍(lán)牙感知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。它由藍(lán)牙感知器､藍(lán)牙適配器和主機(jī)三部分組成。藍(lán)牙適配器與主機(jī)合稱(chēng)藍(lán)牙接入點(diǎn)。藍(lán)牙接入點(diǎn)由AmIBox與藍(lán)牙適配器共同構(gòu)成。AmIBox一方面要控制各種家電;另一方面要管理數(shù)據(jù)庫(kù)，控制有線､無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的通信，任務(wù)復(fù)雜。本系統(tǒng)采用Xilinx公司的低功耗FPGA Virtex－4TM作為主控制芯片。該芯片處理器帶有PowerPC硬核，主頻達(dá)到了100 MHz，保證了用戶請(qǐng)求的實(shí)時(shí)處理和數(shù)據(jù)的有效處理。同時(shí)考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及移植的復(fù)雜性等因素，選擇Linux作為AmIBox的操作系統(tǒng)，保證AmIBox與藍(lán)牙適配器的正確通信。
藍(lán)牙感知器和藍(lán)牙適配器均采用CSR的BlueCore04－External的單芯片結(jié)構(gòu)。該芯片內(nèi)有16位RISC處理器，48 KB的RAM，可以運(yùn)行整個(gè)藍(lán)牙協(xié)議棧和應(yīng)用程序，提供SPI､UART/USB､PIO､PCM接口。系統(tǒng)中使用Casira開(kāi)發(fā)板通過(guò)SPI接口將程序下載到處理器中，同時(shí)接入8 Mbit的flash用來(lái)存儲(chǔ)協(xié)議棧和應(yīng)用程序。
藍(lán)牙感知器安裝在工作證或用戶的手表上，方便､靈活。當(dāng)佩戴藍(lán)牙感知器的用戶進(jìn)入環(huán)繞智能系統(tǒng)的感知區(qū)域時(shí)，藍(lán)牙適配器能夠快速查詢到該設(shè)備，建立連接，接收來(lái)自藍(lán)牙感知器的身份信息。藍(lán)牙適配器再通過(guò)USB接口將用戶標(biāo)志和身份數(shù)據(jù)信息發(fā)送給AmIBox，從而獲得用戶的身份信息。
當(dāng)用戶離開(kāi)時(shí)，藍(lán)牙感知器和藍(lán)牙適配器無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，藍(lán)牙鏈路斷開(kāi)，使藍(lán)牙適配器感知用戶的離開(kāi)，從而通知系統(tǒng)用戶已經(jīng)離開(kāi)。
2.2BACnet與Internet網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)
目前，在國(guó)內(nèi)還無(wú)法實(shí)現(xiàn)每個(gè)家電均能聯(lián)網(wǎng)，因此不能實(shí)現(xiàn)AmIAdapter模塊通過(guò)網(wǎng)絡(luò)直接控制冰箱､微波爐等家電，需要中間設(shè)備進(jìn)行控制轉(zhuǎn)換。上述家電遵循BACnet智能樓宇控制協(xié)議，因此需要采用DDC這種基于BACnet協(xié)議控制方式的設(shè)備進(jìn)行控制。
BACnet通信協(xié)議是以O(shè)SI－RM標(biāo)準(zhǔn)(OSI－RM是為異構(gòu)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)互聯(lián)提供的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)框架和基礎(chǔ))為基本原則制定的樓宇自控網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信協(xié)議[7]。根據(jù)自身的應(yīng)用環(huán)境，BACnet協(xié)議對(duì)OSI－RM標(biāo)準(zhǔn)作了精簡(jiǎn)，將原來(lái)的七層協(xié)議簡(jiǎn)化為四層結(jié)構(gòu)，即應(yīng)用層､網(wǎng)絡(luò)層､數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，可以輕松地實(shí)現(xiàn)與TCP/IP協(xié)議的轉(zhuǎn)換。
在系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)中，命令數(shù)據(jù)報(bào)字段除了要有相應(yīng)協(xié)議的報(bào)頭外，還包含了命令種類(lèi)標(biāo)志､家電類(lèi)別號(hào)､家電設(shè)備編號(hào)､控制命令及相應(yīng)參數(shù)。命令標(biāo)志用于區(qū)分該數(shù)據(jù)報(bào)是命令還是狀態(tài)反饋;家電類(lèi)別號(hào)用于區(qū)分不同種類(lèi)的家電;家電設(shè)備編號(hào)用于識(shí)別同類(lèi)家電的不同設(shè)備;控制命令為用戶下達(dá)的控制命令，如設(shè)定冰箱冷藏室溫度等。反饋數(shù)據(jù)報(bào)中除了包含命令種類(lèi)標(biāo)志､家電種類(lèi)標(biāo)志､家電設(shè)備編號(hào)､索取狀態(tài)命令外，還包含了家電設(shè)備的狀態(tài)信息。
2.3高速電路設(shè)計(jì)技術(shù)
AmIBox和AmIAdapter是系統(tǒng)的重要組成模塊。為了滿足用戶對(duì)系統(tǒng)物理尺寸的需求，實(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)備體積小､功耗低的特點(diǎn)，需要對(duì)這兩個(gè)模塊進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟脺p，去掉系統(tǒng)中不需要的功能。本系統(tǒng)采用Cadence設(shè)計(jì)工具進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)。該軟件中包含了原理圖設(shè)計(jì)､PCB布局與布線､約束設(shè)置､原理圖仿真､PCB模型仿真､布線前后信號(hào)完整性分析等工具，從而保證了設(shè)計(jì)的正確，縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了設(shè)計(jì)成本。裁減過(guò)程中要注意原理圖和PCB設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮高速信號(hào)的設(shè)計(jì)及模/數(shù)混合信號(hào)的設(shè)計(jì)。
2.3.1高速信號(hào)的設(shè)計(jì)
在FPGA與內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳輸部分，傳輸頻率為200 MHz，屬于高速信號(hào)傳輸。高速信號(hào)的部分包括FPGA與DDR之間的時(shí)鐘線､數(shù)據(jù)線､地址線和控制線。其中:時(shí)鐘線采用差分信號(hào)走線，并確定了走線時(shí)的最小線間距､最小線寬､非耦合帶的最大長(zhǎng)度等參數(shù)。對(duì)于DDR數(shù)據(jù)線，采用蛇形走線的方式實(shí)現(xiàn)等長(zhǎng)布線，并保證始終在同一層走線，減少回流延遲，通過(guò)設(shè)置約束管理器中最大走線長(zhǎng)度將數(shù)據(jù)線與時(shí)鐘線的線長(zhǎng)差控制在50 mil內(nèi)。對(duì)于地址､片選及其他控制線，在約束管理器中，將其拓?fù)浞绞皆O(shè)置為菊花鏈狀，并且比時(shí)鐘線長(zhǎng)1 000~2 500 mil，保證時(shí)鐘穩(wěn)定后讀取地址信息和控制信息。布線過(guò)程中利用約束管理器有助于控制走線，還能縮短布線時(shí)間。
高速布線完成后，利用仿真工具SigXplorer､波形顯示工具Sigwave，分析數(shù)據(jù)線､地址線的波形圖，確保信號(hào)的建立時(shí)間､保持時(shí)間､傳輸延遲滿足DDR芯片的要求。
2.3.2模/數(shù)混合信號(hào)的設(shè)計(jì)
在網(wǎng)口部分的設(shè)計(jì)中涉及到模/數(shù)混合信號(hào)PCB的設(shè)計(jì)，為了減小數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)的相互干擾，保證信號(hào)的完整性，需要解決數(shù)字地和模擬地劃分的問(wèn)題。
常用的解決方法是將數(shù)字地與模擬地分割開(kāi)，但是在這種情況下進(jìn)行跨分割間隙布線就會(huì)出現(xiàn)電磁干擾增加，影響信號(hào)完整性。本設(shè)計(jì)中采取的措施是:將PCB分區(qū)為獨(dú)立的模擬部分和數(shù)字部分，進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑骷季�，將網(wǎng)口控制器跨分區(qū)放置。在模擬部分和數(shù)字部分下面分別敷設(shè)地，并在網(wǎng)絡(luò)控制器下敷設(shè)等寬的地作為地連接橋，以連接模擬地和數(shù)字地。在電路板的所有層中數(shù)字信號(hào)只在電路的數(shù)字部分布線，同時(shí)所有模擬信號(hào)只在電路板的模擬部分布線。具體的劃分如圖4所示。
3測(cè)試
整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)后，為了保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和兼容性，進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如下:
a)用戶的識(shí)別率。藍(lán)牙自動(dòng)感知部分采用CSR公司提供的BlueLab 2.8.2進(jìn)行開(kāi)發(fā)。其中:套件BlueSuite提供了燒寫(xiě)工具､配置工具以及測(cè)試工具。使用其中的測(cè)試工具對(duì)連接信號(hào)的強(qiáng)弱進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明，在10 m之內(nèi)隔著障礙物仍能準(zhǔn)確通信。在本系統(tǒng)中用戶數(shù)量有限，當(dāng)多個(gè)用戶佩戴藍(lán)牙感知器在不同時(shí)間進(jìn)入､離開(kāi)時(shí)，藍(lán)牙適配器能夠即時(shí)地查詢新設(shè)備､斷開(kāi)離開(kāi)設(shè)備，保證用戶的正確識(shí)別。
b)控制信號(hào)識(shí)別率。本系統(tǒng)制定了規(guī)則集，對(duì)每個(gè)用戶的操作制定了相應(yīng)規(guī)則。向同一種家電先后發(fā)送多種控制命令，系統(tǒng)能夠根據(jù)規(guī)則集確定正確的執(zhí)行順序和操作指令。例如，使用PDA設(shè)置微波爐中火5 min，但是3 min后又改變主意設(shè)定微波爐為微火。根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)則集，AmIAdapter控制微波爐轉(zhuǎn)為微火，并設(shè)定時(shí)間3 min。
c)高速電路板的穩(wěn)定性､完整性。對(duì)于焊接完成的PCB，接入大于12 V的電壓，測(cè)試電路是否會(huì)被燒毀。電源部分采用自動(dòng)恢復(fù)保險(xiǎn)絲進(jìn)行電路保護(hù)，因此在過(guò)壓狀態(tài)下仍能保持電路的安全。在布線階段，采用Allegro中的PCB SI對(duì)DDR進(jìn)行仿真測(cè)試，檢測(cè)數(shù)據(jù)線的延遲誤差;PCB制板完成后，使用邏輯分析儀在設(shè)定的多個(gè)測(cè)試點(diǎn)上測(cè)試數(shù)據(jù)的完整性。結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠保證傳輸延遲､信號(hào)強(qiáng)度等的誤差在允許范圍內(nèi)。
4結(jié)束語(yǔ)
AmI是一個(gè)全新的概念，它綜合了多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)成果，目的是使人們的生活､工作變得更方便､快捷。本文闡述了基于FPGA開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用PowerPC和MicroBlaze處理器，改善人們生活質(zhì)量的環(huán)繞智能家居子系統(tǒng)中相關(guān)技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)靈活運(yùn)用了藍(lán)牙自動(dòng)感知､異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信､高速電路設(shè)計(jì)等技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了人機(jī)自然交互，展現(xiàn)了人們未來(lái)生活的美好前景。文中實(shí)現(xiàn)的AmI智能家居控制系統(tǒng)作為“211”項(xiàng)目，評(píng)審專(zhuān)家的嚴(yán)格審核在一定程度上為環(huán)繞智能概念在我國(guó)的推廣起到了促進(jìn)作用。
目前，該系統(tǒng)所采用的BACnet轉(zhuǎn)換技術(shù)還不具備普遍性，如采用的DDC模塊價(jià)格較高，不能被大部分人接受;另外缺乏靈活性，可擴(kuò)展的設(shè)備有限且擴(kuò)展過(guò)程比較復(fù)雜。采用這種技術(shù)只是實(shí)現(xiàn)的一個(gè)過(guò)渡階段，還需要進(jìn)一步改進(jìn)。AmI是一個(gè)嶄新的研究方向，還有許多類(lèi)似的概念需要人們?nèi)ネ诰?#65380;探索。
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摘要:智能家居控制系統(tǒng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難點(diǎn)是如何進(jìn)行自然的人機(jī)交互，完成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)傳輸和滿足用戶在特定環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)物理尺寸的要求。研究了以Virtex－4TM和SpartanⅢ兩種FPGA芯片作為核心控制器件，采用藍(lán)牙自動(dòng)感知､數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換等先進(jìn)技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)，成功地解決了上述難題，充分體現(xiàn)了環(huán)繞智能的概念。
關(guān)鍵詞:環(huán)繞智能; 智能家居; 自動(dòng)感知; BACnet協(xié)議
中圖分類(lèi)號(hào):TP273.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1001－3695(2008)02－0613－03
AmI是2001年由歐洲信息社會(huì)咨詢組(Information Society Technologies Advisory Group，ISTAG)提出的新概念，它是一種具有智能特性，可對(duì)用戶行為作出類(lèi)似人類(lèi)知覺(jué)反應(yīng)的電子環(huán)境。同時(shí)，ISTAG還闡述了環(huán)繞智能信息社會(huì)的構(gòu)想[1]。環(huán)繞智能的本質(zhì)是無(wú)所不在的IT､計(jì)算和通信。環(huán)繞智能這一全新的概念對(duì)未來(lái)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和協(xié)議提出了全新的技術(shù)需求，而達(dá)到這些功能目標(biāo)的前提是需要一套復(fù)雜的､先進(jìn)的､多功能的智能感知系統(tǒng)[2，3]。
環(huán)繞智能系統(tǒng)按照嵌入的位置及交互方式可以劃分為三類(lèi):a)交互空間。利用嵌入到周?chē)h(huán)境中的計(jì)算､感知設(shè)備，解除空間對(duì)人的限制，擺脫計(jì)算機(jī)､鼠標(biāo)､桌面､圖標(biāo)，甚至無(wú)須人們對(duì)計(jì)算設(shè)備進(jìn)行模式的轉(zhuǎn)換，使環(huán)境自動(dòng)感知人們的信息，如Korea Electronics Technology Institute的Context－Aware Home[4]。該系統(tǒng)能夠很好地將多媒體､保健､智能控制､管理集成到一起，但建立的感知網(wǎng)絡(luò)還存在一定缺陷，不能得到很好的推廣。b)可穿戴計(jì)算。將控制､計(jì)算､感知設(shè)備嵌入到人們的衣物當(dāng)中，從而可以使人機(jī)交互直接進(jìn)行。INSA將智能穿戴應(yīng)用在社會(huì)醫(yī)療､家庭保健､疾病預(yù)防上[5]，充分體現(xiàn)了普適計(jì)算的優(yōu)越性。但是類(lèi)似系統(tǒng)需要大量感知器獲取數(shù)據(jù)，限制了應(yīng)用的范圍。c)信息設(shè)備。主要是將計(jì)算､感知設(shè)備嵌入到日常生活物品､辦公場(chǎng)所､交通設(shè)施等場(chǎng)所中，使其充當(dāng)人機(jī)交互的接口，人們能夠在使用這些物品､置身這些場(chǎng)所時(shí)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。
本文所做的環(huán)繞智能家居控制系統(tǒng)(AmI家居控制系統(tǒng))就是屬于信息設(shè)備這一類(lèi)。系統(tǒng)在感知網(wǎng)絡(luò)的建立和實(shí)用性方面有了更大改進(jìn)。在該系統(tǒng)中用戶可使用PDA､手機(jī)等手持設(shè)備或計(jì)算機(jī)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)､有線網(wǎng)絡(luò)在任何時(shí)間､任何地點(diǎn)直接控制任何家用電器的各項(xiàng)功能，同時(shí)查看家用電器的相關(guān)信息。該系統(tǒng)使人們的生活變得更加方便､快捷。
1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案
AmI家居控制系統(tǒng)是AmI中的一個(gè)重要支撐子系統(tǒng)，面向人們的主要生活場(chǎng)所。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用樹(shù)型結(jié)構(gòu)，如圖1所示，以AmI控制盒(即AmIBox模塊)為中心與外界進(jìn)行通信，中心與每個(gè)分支的通信遵循IPv6通信協(xié)議。每個(gè)模塊均有自己的IP地址，這樣模擬了未來(lái)家庭環(huán)境中每個(gè)家電均有一個(gè)自己的IP地址的情況(DDC(direct digital controller)模塊除外，對(duì)于DDC模塊控制的家電共用一個(gè)IP地址)。
AmIBox模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，它包含兩個(gè)嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)，即用戶信息和家電信息。一方面，AmIBox通過(guò)藍(lán)牙感知模塊獲得用戶的ID，將數(shù)據(jù)庫(kù)切換到該用戶的相關(guān)信息;另一方面，AmIBox模塊從PDA､PC機(jī)獲取用戶的控制命令，解析､確定控制對(duì)象后，再將控制命令和相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)信息打包發(fā)送給相應(yīng)家電的AmI適配器模塊，即AmIAdapter模塊。AmIAdapter模塊對(duì)命令進(jìn)行相應(yīng)的格式轉(zhuǎn)換后發(fā)送給DDC或家電進(jìn)行相應(yīng)的控制，同時(shí)將獲得的家電信息和數(shù)據(jù)庫(kù)信息反饋給AmIBox模塊，進(jìn)而反饋給用戶。
為了實(shí)現(xiàn)上述功能，要求系統(tǒng)能夠自動(dòng)識(shí)別用戶身份，實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸，適應(yīng)嵌入式環(huán)境的物理要求。因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了以下幾種技術(shù):
a)自動(dòng)感知技術(shù)。通過(guò)藍(lán)牙感知器和藍(lán)牙適配器為AmIBox模塊提供用戶信息。
b)樓宇自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)(building automation and control network，BACnet)與Internet網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸。
c)高速電路設(shè)計(jì)技術(shù)。通過(guò)裁減開(kāi)發(fā)板，降低系統(tǒng)成本，滿足用戶對(duì)系統(tǒng)的物理要求。
2相關(guān)技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2.1自動(dòng)感知技術(shù)
在AmI智能家居控制系統(tǒng)中，如何讓系統(tǒng)能夠主動(dòng)感知用戶的進(jìn)入､離開(kāi)及進(jìn)行身份識(shí)別，并且能夠無(wú)縫地感知用戶的跨區(qū)域，使用戶感覺(jué)不到系統(tǒng)的存在，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的透明性，還能夠根據(jù)用戶的身份提供個(gè)性化服務(wù)，這一點(diǎn)非常重要。在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，這些功能采用的主要是藍(lán)牙技術(shù)[6]。藍(lán)牙是一種發(fā)展中的短距離無(wú)線通信技術(shù)，工作在2.4 GHz的ISM頻段，采用跳頻機(jī)制。它的突出優(yōu)點(diǎn)是具有移動(dòng)性好､抗干擾､功耗低､成本低､體積小等特點(diǎn)。另外，藍(lán)牙設(shè)備還具有快速發(fā)現(xiàn)設(shè)備，并與之建立連接､傳輸數(shù)據(jù)的能力。
藍(lán)牙感知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。它由藍(lán)牙感知器､藍(lán)牙適配器和主機(jī)三部分組成。藍(lán)牙適配器與主機(jī)合稱(chēng)藍(lán)牙接入點(diǎn)。藍(lán)牙接入點(diǎn)由AmIBox與藍(lán)牙適配器共同構(gòu)成。AmIBox一方面要控制各種家電;另一方面要管理數(shù)據(jù)庫(kù)，控制有線､無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的通信，任務(wù)復(fù)雜。本系統(tǒng)采用Xilinx公司的低功耗FPGA Virtex－4TM作為主控制芯片。該芯片處理器帶有PowerPC硬核，主頻達(dá)到了100 MHz，保證了用戶請(qǐng)求的實(shí)時(shí)處理和數(shù)據(jù)的有效處理。同時(shí)考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及移植的復(fù)雜性等因素，選擇Linux作為AmIBox的操作系統(tǒng)，保證AmIBox與藍(lán)牙適配器的正確通信。
藍(lán)牙感知器和藍(lán)牙適配器均采用CSR的BlueCore04－External的單芯片結(jié)構(gòu)。該芯片內(nèi)有16位RISC處理器，48 KB的RAM，可以運(yùn)行整個(gè)藍(lán)牙協(xié)議棧和應(yīng)用程序，提供SPI､UART/USB､PIO､PCM接口。系統(tǒng)中使用Casira開(kāi)發(fā)板通過(guò)SPI接口將程序下載到處理器中，同時(shí)接入8 Mbit的flash用來(lái)存儲(chǔ)協(xié)議棧和應(yīng)用程序。
藍(lán)牙感知器安裝在工作證或用戶的手表上，方便､靈活。當(dāng)佩戴藍(lán)牙感知器的用戶進(jìn)入環(huán)繞智能系統(tǒng)的感知區(qū)域時(shí)，藍(lán)牙適配器能夠快速查詢到該設(shè)備，建立連接，接收來(lái)自藍(lán)牙感知器的身份信息。藍(lán)牙適配器再通過(guò)USB接口將用戶標(biāo)志和身份數(shù)據(jù)信息發(fā)送給AmIBox，從而獲得用戶的身份信息。
當(dāng)用戶離開(kāi)時(shí)，藍(lán)牙感知器和藍(lán)牙適配器無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，藍(lán)牙鏈路斷開(kāi)，使藍(lán)牙適配器感知用戶的離開(kāi)，從而通知系統(tǒng)用戶已經(jīng)離開(kāi)。
2.2BACnet與Internet網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)
目前，在國(guó)內(nèi)還無(wú)法實(shí)現(xiàn)每個(gè)家電均能聯(lián)網(wǎng)，因此不能實(shí)現(xiàn)AmIAdapter模塊通過(guò)網(wǎng)絡(luò)直接控制冰箱､微波爐等家電，需要中間設(shè)備進(jìn)行控制轉(zhuǎn)換。上述家電遵循BACnet智能樓宇控制協(xié)議，因此需要采用DDC這種基于BACnet協(xié)議控制方式的設(shè)備進(jìn)行控制。
BACnet通信協(xié)議是以O(shè)SI－RM標(biāo)準(zhǔn)(OSI－RM是為異構(gòu)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)互聯(lián)提供的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)框架和基礎(chǔ))為基本原則制定的樓宇自控網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信協(xié)議[7]。根據(jù)自身的應(yīng)用環(huán)境，BACnet協(xié)議對(duì)OSI－RM標(biāo)準(zhǔn)作了精簡(jiǎn)，將原來(lái)的七層協(xié)議簡(jiǎn)化為四層結(jié)構(gòu)，即應(yīng)用層､網(wǎng)絡(luò)層､數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，可以輕松地實(shí)現(xiàn)與TCP/IP協(xié)議的轉(zhuǎn)換。
