基于物联网的智慧家居中控系统设计.pdf

Applications创新应用392 集成电路应用 第 40 卷 第 10 期（总第 361 期）2023 年 10 月1.2GHz，集成了H.264/H.265视频编码器；内置128MB DDR3，无须增加额外内存；内置双MAC，内置一个PHY，双以太网接口；内置codec芯片，且支持2路模拟mic，支持4路数字mic接口，可用于支持离在线语音识别，支持TTL/mipi屏显示驱动接口，最大分辨率1 080P；支持USB2.0 Host，支持外挂Wi-Fi/BLE芯片；本系统中Wi-Fi/BLE模块采用的是RTL8723DU模块，该模块是由BT4.2蓝牙和Wi-Fi组成的二合一模块，模块接口为USB接口。SSD202D采用QFN128封装形式，芯片集成度高，可采用二层PCB布线。（2）Zigbee协调器/可扩展CAN总线协调器的设计。Zigbee协调器负责管理Zigbee网络，与网络下的子设备通信。协调器的硬件采用的EFR32MG21A020F768，该单片机包含80MHz的ARM Cortex-M33内核，内置768kB闪存、64kB RAM，凭借高达+10dBm的最大输出功率和-104dBm的卓越接0 引言由于市场上没有统一的家电标准协议，家电厂家根据自己的技术特点、行业要求提供不同的控制协议，例如灯光系统厂家会提供Zigbee/蓝牙BLE控制协议、传统中央空调厂家提供RS485控制协议。要集成这些不同协议的设备需使用相应的网关来进行数据中转，调试难度增加，且伴随着成本上升。此外，近几年的语音识别技术是发展较快，已逐渐成熟，已经可以为用户提供较好的用户体验。本文的目的就是设计一个同时兼容多种通信协议的智能家居系统，同时在无须增加太多额外成本的基础上，引入语音的软算法，可实现中控系统的语音控制。1 研究背景物联网是万物连接的互联网，但是在智能家居系统，并不需要每个设备直接连接互联网。家庭里面的无论是RS485设备，蓝牙BLE设备，Zigbee设备，CAN设备都可以通过智慧家居中控系统，在互联网上产生一个设备模型，即可实现设备远程控制，远程升级等功能要求。2 智慧家居中控系统的整体硬件设计 系统的硬件框架如图1所示。（1）核心控制模块的设计。本系统的核心处理器使用的是SSD202D，SSD202D是SigmaStar推出的高度集成嵌入式SoC，基于ARM Cortex-A7双核作者简介：张松水，厦门狄耐克智能科技股份有限公司；研究方向：物联网技术应用。收稿日期：2023-08-18；修回日期：2023-09-22。摘要：阐述物联网在智能家居系统中的应用，探讨智能家居的中控系统兼容多种设备通信协议，包话蓝牙BLE、Zigbee、CAN、RS485，实现多种不同协议的子设备间联动，同时在该中控系统中引入离在线语音的支持，从而提升用户体验。关键词：物联网，通信协议，智能家居系统。中图分类号：TN929.5，TP368.1，TP391.44 文章编号：1674-2583(2023)10-0392-02DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.10.180文献引用格式：张松水.基于物联网的智慧家居中控系统设计J.集成电路应用,2023,40(10):392-393.基于物联网的智慧家居中控系统设计张松水（厦门狄耐克智能科技股份有限公司，福建 361000）Abstract This paper describes the application of the Internet of Things in smart home systems,and explores the compatibility of the central control system of smart home with multiple device communication protocols,including Bluetooth BLE,Zigbee,CAN,RS485,to achieve linkage between various sub devices with different protocols.At the same time,the support of offline voice is introduced in the central control system to improve user experience.Index Terms Internet of Things,communication protocols,smart home systems.Design of Smart Home Central Control System Based on the Internet of ThingsZHANG Songshui(Dnake(Xiamen)Intelligent Technology Co.,Ltd.,Fujian 361000,China.)图1 系统的硬件框架Applications 创新应用集成电路应用 第 40 卷 第 10 期（总第 361 期）2023 年 10 月 393收灵敏度，可提供强大且稳定的RF链路。CAN总线协调器采用STM32F072CBT6，该芯片属于32位MCU微控制器，集成了Cortex-M0 32位RISC核心，工作频率高达48MHz，128kB的闪存和16kB的SRAM，以及广泛的增强外设和I/O。如图2所示。（3）音频电路的设计。如图3所示，本系统除了采集2路数字mic，还增加了一个模拟音频回采电路。上半部分为音频播放电路，LN4990是差分输入音频功率放大电路，它能够为4负载提供2W功率的稳定输出，PA_SHDN可控制该芯片是否处理静音状态；下半部分为音频回采电路通过一个低通滤波接入到处理器的模拟音频输入口。3 智慧家居中控系统的整体软件设计该系统的软件设计框架如图4所示（1）系统的软件设计框架。本系统中的软件框架，由下至上，由linux内核层、设备适配层、功能服务层、应用层。Linux内核层包括内存管理、进程管理、安全管理、网络协议栈、驱动程序模型和电源管理等，上层用户空间程序可通过系统调用来访问系统中的硬件资源。设备适配层，分成两成两部分，一个是ALSA标准音频，SigmaStar的最新Linux内核已支持标准ALSA标准音频驱动，使用ALSA方便适配各个音频软件算法的SDK厂家；另一部分是DIOT Bus总线适配层，该层实现接入BLE蓝牙、Zigbee、CAN协调器、RS485，并为上层的DIOT Server设备服务层提供通用的总线调用协议，该协议会屏蔽物理总线上的差异，提供统一标准的服务协议。功能服务层分为DIOT Server设备服务层和语音识别服务层，语音识别服务层会调用ALSA标准音频驱动，接入软件算法SDK，并向语音识别应用提供语音识别服务；DIOT Server设备服务层会把挂载在不同的总线上的设备模拟成一个IOT设备模型，并提供IOT设备控制协议，方便上层的DIOT Client设备应用调用或者服务器也可通过MQTT连接方式对IOT设备进行控制。应用层分成DIOT Client设备应用、语音识别应用、LVGL UI显示应用，分别负责设备控制、语音识别及UI显示。（2）DIOT设备框架的软件设计。DIOT设备框架是由DIOT Bus总线适配层，设备服务层、设备应用层构成。下层为上层提供服务，层与层之间通过Socket通信。该设备框架不止局限于本机中。该系统可实现局域网扩展多台中控设备，DIOT Bus总线适配层可为非本机的，同个局域网已鉴权的设备提供服务，可实现单主机、多分机的中控系统。（3）语音识别框架的设计。语音识别框架是由ALSA标准音频、语音识别服务层、语音识别应用构成，语音识别服务层用来对接不同软件算法公司的SDK，为语音识别应用提供服务。通过增加语音识别服务层，可在使用不同软件算法公司的SDK的前提下，保证语音识别应用一致性。（4）LVGL UI显示框架的设计。UI显示系统使用的是开源LVGL图形库进行，该图形库提供功能强大的控件，且可定制自定义控件，库资源占用小(64kB Flash，16kB RAM)，移植方便，可提供较好的用户体验。4 结语本文通过结合语音识别技术和兼容多种物联网协议，实现一个功能较丰富的智慧家居中控系统。该智慧家居中控系统具有较好的裁减性和扩展性。可满足不同的智能家居客户定制的需求，也可裁减该系统硬件模块衍生出不同的硬件产品。软件上通过分层的方法可实现单主机多分机的中控系统，可提供大型别墅安装智能家居的解决方案。参考文献1 何强.基于Qt的嵌入式智能家居组态软件设计D.江西：南昌大学,2021.2 肖无病.基于ARM的语音家居控制系统设计与实现D.安徽：安徽大学,2020.图2 通信电路的设计图3 音频电路的设计图4 系统的软件设计