智能家居基于Cortex- M3/M0的感知与控制子网设计

何铮，周娜

（1.海南政法职业学院，海口570203；2.海口经济学院）

引 言

在感知/测控网中，按媒体连接型式则有RS-485总线网、CAN总线网、ZigBee总线网、WiFi总线网等。

图1 物联网智能家居系统

在真正的物联网智能家居系统中，不应当再按功能划分为各个独立的抄表网、环境网、电控网、安防网等，而只是按传输接口形式和信息流的走向，融合为感知/控制子网。对于具有多主竞争总线接口的模块（如CAN、ZigBee等），融合为感知/控制子网；而对众多仅具单主总线的RS-485模块，则按信息流的流向，融合成循环检测的感知子网和点控的控制子网。NXP Cortex-M3/M0系列ARM微处理器的优异性能，低廉的价格为这样的设计开发提供了良好的条件。

1 系统体系结构

物联网智能家居系统如图1所示，它实际上是一个分布式测控系统。

它的上层管理网是以太网，用于在广阔的互联网范围内信息共享，其上连接有各种管理、存储及远程控制设备。

它的下层，不再以功能（环境、抄表、安防、电控等）切割分块，而是按信息流走向整合形成感知/控制网。感知网以多主或轮询的方式向上传送信息，而控制网则可采用一主多从方式向下传送控制命令。

连接上、下层的是多个嵌入式通信服务器。通信服务器是智能家居中的核心模块，它在整个智能家居系统中不仅起到了上下信息传递的作用，而且进行数据融合、分类以及安全管理，是感知网的管理主机。

2 嵌入式通信服务器

嵌入式通信服务器是智能家居中的核心模块，选用的是NXP公司Cortex-M3系列中的LPC1768处理器。LPC1768处理器是一个低功耗，具有强大功能的32位ARM芯片。

LPC1768单片机内部包含有一个功能齐全的10/100 Mbps以太网RMII接口控制器，它可以通过RMII接口（通常简化为媒体独立接口MII）外接一个物理接口收发器（PHY），再接上网络变压器和RJ-45接口，就组成了一个完整的以太网通信接口，如图2所示。

图2 以太网接口电路

PHY芯片选用美国国家半导体公司的DP83848，这是10/100 Mbps单路物理层器件功能，用于为LPC1768芯片提供物理层接口。

以太网MAC，通过RMII接口与片外PHY相连。如图2所示，LPC1768的以太网模块使用RMII（简化MII的媒体独立接口）来连接外部PHY芯片（DP83848）。其中有8根RMII的串行数据总线，还有2根MIIM（媒体独立接口管理）接口管理控制线，从而实现与片外以太网PHY之间的连接。DP83848的复位信号可以共用LPC1768的复位信号。

以太网RMII的引脚信号如下：

①ENET＿TX＿EN为输出发送数据使能；

②ENET＿TXD[1：0]为输出发送数据，2位；

③ENET＿RXD[1：0]为输入接收数据，2位；

④ENET＿RX＿ER为输入接收错误；

⑤ENET＿CRS为输入载波侦听/数据有效；

⑥ENET＿REF＿CLK/ENET＿RX＿CLK为输入参考时钟用于外部PHY的媒体独立接口管理（MIIM）的信号；

⑦ENET＿MDC为输出MIIM时钟；

⑧ENET＿MDIO为输入/输出MI数据输入和输出。

DB83848通过TD＋、TD-、RD＋、RD-经隔离变压器、RJ-45口输出，L-、R-驱动LED，指示输入、输出状态。

3 CAN接口及CAN感知网

在智能家居中采用CAN感知/控制子网，这里面有CAN-以太网关、CAN路由器、CAN感知/控制模块。由于CAN-以太网关和CAN路由器需要以太网控制器（MAC）和2个CAN控制器，所以CAN-以太网关、CAN路由器均由Cortex-M3的LPC1768来承担，而CAN感知/控制模块则由Cortex-M0的LPC11C12/24来承担。

3.1 CAN-以太网关、CAN路由器

如图3所示，LPC1768内部集成有CAN控制器，外接CAN收发器就构成了嵌入式通信服务器的CAN通信接口，所以能很方便地构成以太-CAN网关。又由于LPC1768内部集成有2个CAN控制器，因而它支持2个CAN子网，能很方便地构成CAN路由器。

图3 LPC1768的CAN控制器

LPC1768的CAN控制器支持控制局域网（CAN），提供了一个完整的CAN协议（遵循CAN规范V2.0B）实现方案，因而它能很方便地兼容/混用过去的SJA1000 CAN系统。

3.2 CAN总线感知/控制模块

CAN感知/控制模块均选用基于Cortex-M0的LPC11C14/24。LPC11C14内部集成有一个CAN控制器，而LPC11C24是在LPC11C14的基础上集成了一个CAN收发器TJF1051。采用LPC11C14/24比过去采用51单片机＋TJF1050＋SJA1000方式，不仅性能大大提高，而且占用PCB板面积大大减小，芯片材料成本减少了40%。

新旧系统混用最好都采用同样的CAN收发器。由于原CAN系统中CAN收发器芯片采用的是TJF1050，而TJF1051是与TJF1050高度兼容，因而以LPC11C14/24构成的CAN模块和采用51单片机＋TJF1050＋SJA1000的CAN模块高度兼容/混用。

4 RS-485接口及RS-485感知网

在原智能家居系统中有不少的感知网采用RS-485总线，而且采用的是80C51系列的9位多机通信方式。在新系统中选用Cortex-M0/M3后，也完全可兼容/混用原系统。LPC11C14的CAN接口如图4所示。

图4 LPC11C14的CAN接口

4.1 LPC812M101FDH20的感知/控制网从机模块

LPC812M101FDH20是NXP Cortex-M0系列中的20引脚廉价芯片，它有16K闪存、4K SRAM和3个串口。如图5所示，LPC812M101FDH20通过开关矩阵分配引脚充当 U0/U2/U3＿TXD、U1/U2/U3＿RXD、U1/U2/U3＿RTS，连接MAX485即构成了RS-485通信接口。在软件中，通过CFG配置寄存器的第3、2位设置成10（9位通信模式），这就成了兼容于MCS-51的多机通信方式（即可进行软件地址检测和收发器方向控制的RS-485通信）。

图5 LPC812M101FDH20的RS-485接口

由于LPC800系列微处理器串口的9位通信方式中的第9位仅能进行奇偶校验设置，不能人为设置1/0（地址/数据），所以它只能在RS-485感知/控制网中充当从机。

在充当从机使用中，先要将USART CTRL寄存器第2位（ADDRDET使能地址检测模式）设置为1，这时仅对主机发来的地址数据，产生一个接收数据中断。软件随后便检查接收地址数据，判断是否是本机地址。如果是，则软件会清零ADDRDET位，所有后续输入数据均会被正常接收处理。在一次轮询应答响应完后，再将USART CTRL寄存器第2位（ADDRDET使能地址检测模式）设置为1，等待下次轮询本机。

LPC800的串口由于在设置波特率时，还可使用小数分频器，使其在各种晶振下均能获得精准波特率；同时，它采用3次采样接收，接收数据是3个样本“投票”中的2个，当有1个样本与其他不同时，会将USART状态寄存器第“15”位设置状态标志（接收噪声中断标志），从而大大降低了误码率。

4.2 LPC1768的感知/控制网主机模块

RS-485感知/控制网中的主机通常都是嵌入式通信服务器，所以选用Cortex-M3系列中的LPC1768作为感知/控制网中的主机。LPC1768虽有4个串口，但只有UART1具有RS-485模式。在这个模式中有3个专门用于RS-485通信的寄存器（控制寄存器、地址匹配寄存器、延时值寄存器）。

作为主机在轮询发送时，首先要将LPC1768的U1LCR线控制寄存器的1、0位设置成11（8位字符长度，相当于MCS-51的9位数据长度含TB8/RB8的通信）；再视所发送的是轮询从机的地址还是数据，将U1LCR线控制寄存器第5、4位设成10（将第9奇偶校验位强制为1地址），或设成11（将第9奇偶校验位强制为0数据）。

作为主机在接收时，不再需要对自身地址匹配，所有的数据都必须接收。

通过U1RS485DLY延时值寄存器，可设置发送完最后一个停止位（移出TXFIFO）和DTR转为接收信号之间的延时（0～255个波特率时钟周期）。

5 ZigBee及WiFi接口

通过SPI接口，接入CC2530就构成了ZigBee接口。通过SPI接口，接入WiSmart EC32L12模块就构成了WiFi接口。

结 语

采用NXP Cortex-M3/M0系列微处理器开发物联网智能家居系统，有以下几大优点：

①新系统的感知/控制网是32位系统，性能得到了极大地提高；

②Cortex-M3/M0系列ARM微处理器中都有一定的ROM API库，加块了开发速度，也减少了开发成本。

③集成度高，并有开关矩阵定义引脚，从而大大提高了硬件的适应性。

④智能家居24小时工作不断电，Cortex-M3/M0微处理器超低功耗设计，使新系统的待机功耗仅为旧系统的20%。

[1]广州周立功单片机发展有限公司.LPC1700系列微控制器用户手册，2010.

[2]广州周立功单片机发展有限公司.LPC11X/LPC11CX User manual，2012.

[3]广州周立功单片机发展有限公司.LPC800系列微控制器用户手册，2013.