童世华

（重庆电子工程职业学院 计算机应用系，重庆 401331）

随着信息技术的发展，人们对生活质量的要求不断提高，不仅仅满足于在家庭内部实现网络化、自动化，而且希望能够在千里之外就可以对所有家庭网络上的电气设备和环境进行监测和控制，远程监控技术已经成为智能家居发展的一个重要环节[1]。

蓝牙技术作为无线传输技术的代表，是一种支持设备短距离通信的无线技术[2-3]。蓝牙工作在2.4 GHz频段（工业、科学和医疗频段），采用了蓝牙技术[4]的设备将能够提供高达720 kbit/s的数据交换速率。由于蓝牙技术的优点，使得蓝牙的用途很广泛，基本上各个领域都有涉及，就个人生活方面有居家、工作和娱乐。

1 智能家居系统的总体设计

系统总体的设计思路是结合Internet技术和自动控制技术，开发一套基于嵌入式Linux的智能家居系统[5]，即要实现独立的嵌入式智能终端设备及其与Internet的直接接入，从而可以在远程对家庭环境进行实时监测，并可对智能家电进行控制[6]；在嵌入式智能设备终端上要完成可视对讲、访客留影并存储图片、安防报警以及智能家电的控制等功能。主机还可以通过蓝牙将家庭环境信息传送给带有蓝牙的手持设备，如通过窗磁、门磁可以知道是否有陌生人闯入家中，通过烟雾传感器可以知道家中是否有火灾发生，通过温湿度可以实时了解家中的温度，室内终端都可以将这些信息传送给蓝牙手持设备实时显示。

智能家居网络的拓扑结构如图1所示。

图1 智能家居网络拓扑图

2 智能家居室内终端功能需求分析

智能家居室内终端功能需求包括以下4个方面：

1）可视对讲功能，通过网络接收门口机或是网络摄像头采集到的视频信息，实现对来访者或是环境的监控。

2）家居安防功能，包括窗磁门磁报警、红外报警、有毒有害气体报警和烟雾报警等。

3）家电控制功能，通过红外家电控制器将所有红外控制家电设备集合在一起，红外控制器将家电信息传递给智能家居室内终端，通过一个终端实现对所有家电的控制，也可实现远程控制。

4）生活资讯功能，智能家居室内终端通过互联网连接物管中心或设备运营商，实时发布生活资讯信息。

3 室内终端的硬件设计

室内终端硬件由微控制器ARM9 GM8120、SDRAM、Flash、LCD显示器、蓝牙通信模块、以太网接口、音视频模块和JTAG下载电路组成，具体硬件框图如图2所示。

图2 室内终端硬件框图

微处理器采用的是台湾升迈科技股份有限公司CPU芯片，具体型号为GM8120SF，此CPU采用FA526内核。FA526是32位的RISC体系结构，并且指令系统和ARM V4（ARM9）架构完成兼容，通过AMBA AHB接口和外部设备进行通信。该微处理器CPU内部含有丰富的片内资源，具体包括8 kbyte的i-cache和d-cache、通用I/O接口、调试接口JTAG、通用异步收发器UART、串行的I2C和I2S接口，在设计中，只需要连接少量的外围硬件就可以实现微处理器丰富的功能。这不仅降低了后期的开发难度，同时，也减少了硬件体积，方便集成度比较高、便携式的产品开发，这也是选择这款处理器的考虑因素之一。由于篇幅的限制，在这里主要对音视频电路模块和UART Zigbee模块做具体阐述，其余电路模块不在这里一一详述。

3.1 音视频电路模块

音频模块电路主要用来采集声音和播放声音。GM8120含有I2S接口，可以方便地接目前主流的音频解码器，本系统使用PHILIPS公司的UDA1345芯片。UDA1345在一块芯片上同时具有ADC和DAC的功能，并且功耗极低，工作所需要的电压仅为3.3 V，非常适合低功耗的要求。UDA1345支持I2S总线的数据格式，可以方便地跟CPU进行连接，电路简单。具体电路连接如图3所示。

图3 音频编解码电路

从图3可以看出UDA1345的主要信号有VINL，VINR，BCK，WS，DATAO，DATAI，VOUTR和VOUTL等。VINL和VINR为左右声道模拟信号的输入端；BCK，WS，DATAO和DATAI作为I2S总线的时钟信号和数据通道；BCK是同步时钟信号线；WS为左右声道选择线，WS为0表示选择左声道，WS为1表示选择右声道；DATAI和DATAO为数据通道，分别作为数据输入通道和数据输出通道。

GM8120留有数字视频输入接口，对于输出CCIR656/601的CCD/CMOS照相模块，可以直接与GM8120连接，不用其他处理；对于输出复合视频或者S-video的CCD/CMOS照相模块，需要1个外部的视频解码芯片，本方案使用了Philips的SAA7113芯片。图4所示为视频模块电路。

如图4所示，SAA7113的1、43、7和4号引脚为4路视频信号的输入端，根据需要只用到了其中1个管脚，但是为了以后的扩展方便把其他的3个引脚也留了出来。8位VPO数字信号IPD0～IPD7分别与CPU的V_DI0～V_DI7相连。23和24号引脚分别作为I2C总线的数据线和时钟线与CPU的I2C接口连接，I2C总线作为控制总线，CPU可以通过I2C总线来读写SAA7113的相关寄存器[7]。

3.2 蓝牙模块电路

在蓝牙的硬件电路设计方面，采用了南京国春电气设备有限公司生产的GC-01蓝牙模块来直接通过UART串口和CPU链接[8]。GC-01蓝牙模块设计采用了CSR公司的AUDIO-FLASH蓝牙芯片，附加Atmel公司T7024蓝牙专用前段芯片，扩展成标准的1级蓝牙模块，通讯距离达到100 m，电路接口有USB口、RS-232串行口（TTL电平）、Audio模拟语音接口（SPK，MIC）、SPI编程口、2路AIO模拟量接口、7路数字PIO接口。并且每只模块出厂时，都载入了标准HCI（1208版），并且通过各项检测。如图5所示，在本次设计中只使用到了UART串行口，其他的功能引脚没有用到。UART串行口由UART_TXD、UART_RXD、UART_CTS、UART_RTS组成，CTS和RTS是用于串行数据的硬件流控制，不用时要进行悬空处理，在这里没有采用。RESET引脚在不用的时候接2 kΩ的电阻进行拉地处理。LED发光二极管用来显示蓝牙模块的通信状态。

图4 视频模块电路图

图5 蓝牙模块硬件电路图

4 室内终端的软件设计

GM8120是ARM9+DSP的双核处理器架构，内部集成了MPEG-4的编解码模块。对于输出复合视频或者S-video的CCD/CMOS照相模块，需要一个外部的视频解码芯片，本设计中采用了SAA7113作为视频解码芯片。CPU上电后首先初始化DSP和I2C接口，使其能够正常工作。通过写I2C总线配置SAA7113的相关寄存器，使SAA7113处于查询状态，看是否有视频信号输入。然后SAA7113会在内部对所采集的视频信号进行自动编码，为8位VPO总线，为标准的ITU 656、YUV 4∶2∶2格式。DSP在收到8位的VPO信号后，对其进行MPEG-4格式的编码，将编解码的信息放到视频缓冲区中。判断缓冲区是否已满，如果已满则将视频信息通过以太网发送到网络上的目标地址。整个程序流程如图6所示。

图6 视频采集与编解码流程图

5 小结

依据对智能家居室内终端的发展要求，设计了无线终端的实现方案。采用了ARM9处理器GM8120为核心，利用其内部自带的MPEG-4的编解码器，实现对视频信号的MPEG-4编解码，能够使图像更加清晰，系统运行更加流畅，并且还极大地减轻了CPU的运行负担。另外还采用了低功耗的蓝牙模块CG-01通过串口与CPU连接，通过蓝牙模块室内终端可以将家庭环境信息传输给带有蓝牙的移动设备上显示。测试表明，系统简易可行，成本低，有较好的推广性和实用性。

[1]Bluetooth SIG—2001，Specification volume 1.specification of the bluetooth system core[S].2001.

[2]李磊，王安义，张瑞先.基于移动终端的蓝牙技术方案的实现[J].通信技术，2007，40（11）：177-178.

[3]陈良银，李志蜀，刘轶，等.智能家居系统的设计与实现[J].新疆电学学报：自然科学版，2005，22（1）：108-111.

[4]解放.蓝牙技术、接口技术和压缩技术的综述[J].电声技术，2003，27（1）：54-55.

[5]金纯.Zigbee与蓝牙的分析与比较[J].信息技术与标准化，2004（6）：17-20.

[6]张燕红.蓝牙技术在智能家居中的应用[D].北京：北京工业大学，2005.

[7]李静，耿卫东，赵东，等.HCI协议在嵌入式蓝牙系统中的应用[J].半导体技术，2002（8）：10-13.

[8]邹静娴，昌庆江，纪志成.基于蓝牙技术的MPEG-4视频流传输性能分析[J].电视技术，2005，29（S1）：103-105.