基于Cortex—A9的智能家居控制系统的硬件设计与实现

左海成++刘丰++杨睿毅++叶晶晶++温永彪

摘 要本文介绍了基于Cortex-A9的智能家居控制系统的设计方案，该控制系统以ARM平台Cortex-A9系列Hi3798C芯片为控制核心，集成了音视频模块、Wi-Fi模块、ZigBee模块、3G/4G模块、智能配电管理和本地存储等功能模块，具有智能家居网关、无线路由器、机顶盒和家庭服务器等功能。通过此控制系统可以实现智能家居的面板化控制操作和手机APP的远程控制，在家庭有线网络通信异常时，仍可以实现智能家居的远程状态监控和家居控制，具有较高的安全性和实用性。

【关键词】智能家居 Cortex-A9 Hi3798C 家居控制

1 引言

随着互联网技术和智能家电设备的发展，智能家居系统越来越引起国家和企业的重视和关注。通过家庭智能控制系统可以实现对家庭用电设备的智能化控制和监控，智能家居控制系统作为智能家居系统的核心部分，其功能和安全可靠性直接影响智能家居的推广和发展。随着人们节能意识和信息安全意识的提高，人们对智能家居控制系统的安全可靠性和功能多样性也越来越关注。

本文介绍了基于Cortex-A9的智能家居控制系统的设计方案。基于ARM平台Cortex-A9系列Hi3798C芯片的智能家居控制系统与传统的智能家居网关相比具有高性能的数据处理能力、高清音视频编解码功能、千兆网络接口和本地存储接口等特点。用户通过此智能家居控制系统可以实现家庭监控视频实时查看和本地存储、视频点播、智能家庭用电管理，Wi-Fi无线覆盖和家电智能化控制。同时，家庭有线网络异常后，智能家居控制系统由有线通信切换为3G/4G通信模式，提高了智能家居系统的安全可靠性和实用性。

2 系统设计方案

基于Cortex-A9处理器的智能家居控制系统主要包括电源模块、通信控制模块、视频监控模块、本地存储模块、音视频模块、触摸屏显示控制模块、红外控制模块、ZigBee模块、智能配电管理模块、红外控制模块和通用外部扩展接口（如USB、UART、以太网口）等。以控制系统为核心实现了智能家居系统的配电系统管理、环境监测、家用电器和照明控制、安防监控管理、音视频播放、家庭无线覆盖等功能。

电源模块为控制系统和外部智能接口提供电源，家居控制系统通过通信控制模块的WLAN口网线接入Internet和云服务器，通信控制模块的Wi-Fi模块满足用户无线上网覆盖的需求，在有线网络通信异常时，通信控制模块切换到通过3G/4G模式与internet和云服务器进行数据传输和交换。视频监控模块实现门禁及家庭重要场所的视频安全监控，监控信息可以实时查看或进行本地存储；音视频模块实现智能家居媒体播放的输入输出控制，触摸屏显示控制模块实现家庭智能家居的触摸控制和操作；红外控制模块用来控制电视机和空调等红外电器的开关；ZigBee模块实现家庭智能灯控系统的管理和利用ZigBee智能插座实现对传统电器的智能化改造。智能家庭配电系统安全和能效管理作为智能家居的重要组成部分，系统通过智能配电管理模块中RS485通信控制接口实现家庭配电系统的智能化控制和门窗窗帘的电机控制功能。智能家居控制系统设计框图如图1所示。

3 系统硬件设计

3.1 微处理器

微处理选用ARM平台Cortex-A9系列Hi3798CV100芯片，微处理Hi3798CV100芯片作为智能家居控制系统的控制核心，CPU具有四核ARM Cortex A9和硬件JAVA加速，具有八核高性能GPU。微处理Hi3798CV100芯片存储器控制接口DDR3/3L支持最大2GB容量，支持SPI FLASH、NAND Flash和EMMC Flash多种存储方式，具有较强的编解码能力和数据处理能力。同时，处理器具有IR接收处理器、UART接口、USB3.0 Host和USB2.0 Host、GPIO等丰富的外围接口。Hi3798CV100芯片结构功能框图如图2所示。

3.2 配电控制模块

配电控制模块主要通过Hi3798CV100芯片的UART接口转化为RS485接口协议与智能配电箱控制单元、智能窗帘电机控制终端进行通信。RS485接口通过ADM2582E实现TTL与RS485的电平转换，接口采用TVS管和气体放电管防雷保护接地，增加系统接口的可靠性。系统具有4路RS485控制接口，1路与智能配电箱进行通信控制，其它3路分别作为门窗电机控制接口。

3.3 通信控制模块

通信控制模块主要分三部分进行功能设计，千兆以太网络接口通过Hi3798CV100芯片的GE接口经过PHY芯片RTL8211E和千兆网络变压器H5007NL，与Internet网络进行高速率上行通信。为提高系统的可靠性，防止家庭網络出现异常，控制系统采用双备份的通信方式，利用处理器的USB接口与3G/4G模块进行数据上行通信，同时可以支持在有线网络异常时本地无线上网的需要。为了满足本地上网的需求，替代家庭传统路由器，系统通过以太网口与Wi-Fi无线路由器模块进行通信，Wi-Fi无线路由器模块以AR9331无线处理器为核心控制单元，支持802.11b/g/n无线标准，可满足家庭无线Wi-Fi覆盖的需求和智能手机APP接入控制管理的需求。

3.4 视频监控模块

Hi3798CV100处理器通过USB3.0接口与视频监控模块进行通信处理，通过GL3521芯片对USB3.0接口进行HUB扩展，支持4路USB3.0接口通信，其中2路用于家庭视频监控的信息的处理和控制。

3.5 音视频和存储模块

系统支持1路高清和1路标清同源或非同源输出，最大支持4K*2K@30Hz输出；具有1路HDMI接口和1路CVBS接口，支持左右声道模拟输出。存储模块接口通过HUB芯片扩展的USB3.0接口进行通信控制，USB3.0接口通过GL3321芯片转化为SATA接口，可以外接SATA接口大容量移动硬盘，便于监控视频存储和本地化音视频播放，同时，Hi3798CV100处理器支持TF卡存储接口，可以对TF卡进行存储读写控制。

3.6 ZigBee控制模块

鉴于ZigBee无线通信技术具有低功耗、低成本、易组网的的优势，智能家居照明系统和智能插座及相关智能电源管理单品采用了ZigBee无线通信技术进行组网。控制系统采用市场上主流的CC2430芯片进行网络节点设计，Hi3798CV100处理器通过UART串口与CC2430进行通信控制转化，实现对家用照明系统和家用电器的智能化控制。

3.7 其它接口功能

基于Cortex-A9处理器的智能家居控制系统除上述硬件设计功能接口外，还具有对外USB接口，支持USB程序升级和系统功能扩展。通过ADM3202芯片设计具有RS232接口两路，可以支持在线调试和对外扩展支持RS232协议的功能模块。系统具有常用的指示灯和复位电路按钮，便于系统安装调试和故障定位，系统同时具有红外遥控接口设计功能和一些常用的电源接口和外部扩展接口。

4 系统应用设计

系统应用设计采用功能模块化方式，嵌入式底层软件基于Linux操作系统和平台，主要包括主程序和各部分功能模块程序，主程序主要完成上电初始化配置、看门狗复位管理、内部程序的运行管理、外围通信接口的初始化化等功能。基于Cortex-A9处理器的智能家居控制系统软件设计的应用的主要模块功能有电源管理模块、通信控制模块、红外控制模块、视频功能模块、配电管理模块、本地存储模块和传感器模块。系统应用软件设计基于服务器的大数据处理和学习功能，智能实现用户日常行为的分析和故障告警信息的传递和处理。

5 结论

目前智能家居控制系统依然存在集成化程度不高、智能单品控制系统兼容性差不易擴展等影响使用等问题。基于ARM平台Cortex-A9系列Hi3798C芯片的智能家居控制系统具有智能家居网关、无线路由器、机顶盒和家庭服务器等功能，便于多种智能设备的集中管理和通信控制，降低智能家居综合解决方案成本。随着物联网和智能家居技术的发展，具有多功能集成化的智能家居控制系统的应用场景将更加广泛。

参考文献

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