酒店客房智能管理与控制终端设计*

刘利方，罗亚辉，李旭

(湖南农业大学 工学院，长沙 410128)

酒店客房智能管理与控制终端设计*

刘利方，罗亚辉，李旭

(湖南农业大学 工学院，长沙 410128)

设计了一种酒店客房智能控制终端(RCU)。以ARM Cortex-M3微处理器(LM3S6911)和嵌入式实时操作系统RT-Thread作为系统控制核心平台，详细介绍了系统软硬件架构，讨论了酒店客房智能控制终端的硬件设计和软件实现流程。测试和实际应用结果表明，该酒店客房智能控制终端实现了低功耗、 高效率、 高稳定性、 自动化和智能化功能，且便于维护和管理。

客房智能控制； ARM Cortex-M3 ；以太网通信

引 言

酒店客房智能管理控制系统是利用计算机控制、通信、网络等技术，基于客房内的RCU(客房智能控制器)构成的专用网络，对酒店客房的安防系统、门禁系统、中央空调系统、智能灯光系统、服务系统等进行智能化管理与控制，实时监测客房状态、宾客需求、服务状况以及设备情况等，协助酒店对客房设备及内部资源进行实时控制分析的综合服务管理控制系统。 其自动化水平是酒店现代化和智能化程度的重要标志，体现了酒店对客人的人性化、个性化服务，不仅能够极大地提高酒店的服务管理水平，而且能够使客房环境更舒适、安全、便利和节能。

目前市面上主流的RCU终端多基于8位单片机或32位ARM9系列 MCU开发，如参考文献[1]设计了基于AT89C55 的酒店客房控制系统下位机，参考文献[2]实现了一种基于S3C2410A(ARM920T)的智能酒店客房管理系统。此外，RCU组网方式多采用RS-485或CAN总线。 由于 RS-485 总线具有带负载能力差、布线复杂等缺点， 所以系统稳定性、可靠性和扩展性相对较差， 维护成本也较高。而CAN 总线不能与 Internet 互连实现远程信息共享， 且需要价格昂贵的 CAN 接口卡，通信距离和速率远不如以太网[1-3]。

随着高性价比的ARM Cortex-M3内核在嵌入式处理器中得到广泛的应用，针对现有RCU终端存在的缺陷， 本文设计了一种基于ARM Cortex-M3微控制器和以太网通信技术的酒店客房智能管理与控制终端， 实现对酒店客房的状态信息及客房内电气设备的智能监控 。

1 总体设计

酒店客房智能管理与控制系统主要由中心、传输、前端三部分组成，系统架构如图1所示。其中心部分由管理电脑及系统软件组成，实现对前端各客房灯光、电器等设备的监测及控制；传输部分主要由网络交换机及传输线缆组成，实现前端与中心设备之间通信；前端部分主要由 RCU和相应的传感器、控制开关和继电器等设备组成。

图1 酒店客房智能管理与控制系统架构图

RCU是整个智能控制系统的核心，其实现的主要功能包括：

① 房间设备远程监控。通过与酒店客房智能管理系统的联网实现远程监控和管理，实现对客房灯光、 电动窗帘、 温度运行状态实现远程监控及状态设定与改变。

② 灯光控制。终端以弱电方式实现对客房强电灯具、受控电源插座的控制。采用插卡取电的方式 ，尽可能地节省电能。客人进入房间插卡取电后,能自动打开指定的灯光。当客人离开房间后， 延时(时间可调)关闭上述灯具，其余灯具立即关闭。客人晚上休息时，按下床头总控开关， 除夜灯外的所有灯具关闭。

③ 空调风机控制。空调是电器中的耗能大户，控制终端对空调的合理控制能够极大地降低能源的浪费。当客人在前台登记时，客房的空调能通过前台管理系统启动“欢迎模式 ”，自动调整房间温度到客人舒适温度，使客人进房间有一种温馨感觉。客人入住插卡后，空调完全由客人控 制。客人离开后，房间进入保温模式,空调自动运行于网络设定温度。客人退房后，空调自动关闭。

④ 卫生间红外开关联动控制。卫生间顶部的红外探测器探测到人移动信号，自动开启浴室灯和排气扇；如没有探测到人移动信号，则延时15分钟关闭浴室灯、镜前灯、排气扇。

⑤ 其他控制功能。包括请勿打扰、请即清理、请稍候、请求退房和SOS紧急呼救显示灯和开关控制。

本文所设计的RCU硬件平台由主控板和接口板两个单元组成。采用模块化设计，一方面将强电和弱电电路分离，另一方面将接口电路和主控单元从物理上分割开来，从而保证系统的稳定性、可靠性和可扩展性。RCU终端硬件框图如图2所示。

主控板包含微控制器、电源、以太网通信接口、RS-485通信接口以及开关量输入接口电路。选用TI公司的LM3S6911作为主控制器。该微控制器是基于ARM Cortex-M3的控制器，为成本尤其敏感的嵌入式微控制器应用方案带来了高性能的32位运算能力。接口板是一块强电板，主要包含多路继电器驱动电路和晶闸管驱动电路。RCU除以太网和RS-485接口外，所有输入均采用开关量输入。输出主要通过继电器来控制客房内的电器设备，通过采用弱电控制强电的方式，用继电器控制220 V交流电，保证用电的安全。

软件平台基于嵌入式实时操作系统进行开发，由于RCU应用程序比较复杂，特别是上行采用TCP/IP协议与酒店客房控制系统进行交互，因此软件平台选择嵌入式实时操作系统RT-Thread。RT-Thread是一款开源实时操作系统，由国内专业开发人员开发、维护。它不仅仅是一款高效、稳定的实时核心，也是一套面向嵌入式系统的软件平台，覆盖了全抢占式的实时操作系统内核，具有小巧且与底层具体实现无关的文件系统、轻型的TCP/IP协议栈以及轻型的多窗口多线程图形用户界面。RT-Thread本身已经很好地支持ARM Cortex-M3平台和TI的LM3S系列微控制器，移植到本文所设计的RCU硬件平台相对容易。由于RT-Thread操作系统平台提供了丰富的API接口资源，大大降低了应用程序开发难度，缩短了产品开发周期[4-5]。

2 RCU硬件设计

图2 RCU硬件框图

RCU终端选用LM3S6911作为主控制器。该芯片针对工业控制应用方案而设计，具有丰富的内部资源和外设接口。芯片内部Flash和SRAM大小分别为256 KB和64 KB。其中Flash可由用户自定义和管理，即应用程序可使用内部Flash单元存储数据或运行参数，从而无需另外扩展专门的数据存储器。

LM3S6911还提供一个10/100M自适应全双工以太网接口，内部集成了MAC和PHY控制器，特别适合于嵌入式以太网的应用场合。此外，该芯片还提供3个UART、2个I2C和最多46个GPIO接口，为RCU的设计提供了较大的灵活性。

2.1 输入接口电路设计

为实现高达56路开关量输入的监测，使用了多路并行转串行技术，如图3所示。

图3 RCU终端输入接口电路(部分)

2.2 输出接口电路设计

同输入接口类似，输出电路使用SN74HC595实现多路并行转串行，实现了多达24路继电器控制逻辑，原理与输入接口电路相似，不再赘述。

3 RCU软件设计

终端软件采用分层、模块化设计思想。软件自顶向下分为3层，即应用层、内核层和BSP层，如图4所示。

3.1 应用层

应用层由uplink_task、rs485_task、event_poll_task和relay_ctrl_task等4个关键任务组成。软件主流程如图5所示。

① uplink_task通过socket套接字处理与上位机智能客房管理系统的交互。系统采用C/S架构设计，在本系统中RCU终端为服务器端(Server)。uplink_task首先绑定(bind)一个服务端口，然后监听是否有客户端(Client)尝试建立连接，接着处理客户端发过来的交互信息或控制命令。

② rs485_task通过RS-485总线处理与门口显示器、空调控制器和插卡取电单元的信息交互。由于终端需要立即响应插卡取电信息，默认每200 ms轮询一次，而门口显示器和空调控制器任务实时性要求不高，其轮询周期分别设置为1 s和3 s。如此设计能最大程度地兼顾实时性，又不至于使系统负荷过高。

图4 RCU软件系统框图

③ event_poll_task监控开关量输入事件，并调用相应的事件处理函数。本文所设计的RCU终端最多支持56路开关量输入和24路继电器输出，各开关量和继电器的功能可以由用户自定义，开关和继电器的对应关系也可以自由配置，体现了较大的灵活性。event_poll_task任务周期性地扫描所有的开关量输入，经过软件防抖算法处理后，找出变化的开关量(表示开关按下或者释放)，调用相应的处理函数，执行相关的处理逻辑(如驱动对应的继电器)。

图5 RCU软件主流程图

④ relay_ctrl_task为后台守护线程，监控远程控制命令并在后台执行。若上行任务接收到远程控制命令后直接执行，可能会造成线程堵塞，导致后续指令无法及时响应，送给relay_ctrl_task执行实际的继电器操作。

3.2 内核层

内核层即RT-Thread RTOS核心层和TCP/IP层。RT-Thread Kernel内核部分包括了RT-Thread的核心代码，以及对象管理器、线程管理及调度、线程间通信等的微小内核实现。内核库是为了保证内核能够独立运作的一套小型类似C库实现，LwIP 是瑞士计算机科学院( Swedish Institute of Computer Science)的Adam Dunkels等开发的一套用于嵌入式系统的开放源代码TCP/IP协议栈，它在包含完整的TCP协议基础上实现了小型的资源占用，因此它十分适合于使用到嵌入式设备中，占用的体积大概在几十KB RAM和40 KB ROM代码。由于LwIP 资源占用小，且功能也相对完善，用户群比较广泛， RT-Thread采用LwIP作为默认的TCP/IP协议栈，同时根据小型设备的特点对其进行再优化，体积相对进一步减小， RAM占用缩小到5 KB左右。

3.3 BSP层

BSP层介于硬件和操作系统内核层之间，包含CPU体系代码和驱动层代码两部分。RT-Thread官方源码中包含了IM3S8962平台的移植，并整合了TI官方发布的器件驱动库。但RT-Thread并不包含LM3S6911的支持代码，需要根据实际硬件平台进行BSP移植。对于本文设计的RCU终端，BSP移植的重要工作包括修改UART驱动以支持RS-485总线通信，修改Ethernet驱动以支持MAC地址设置，以及修改MCU时钟频率设置和时钟参数配置等。

结 语

[1] 邓淳,张德源. 基于AT89C55 的酒店客房控制系统下位机设计方案[D]. 成都:电子科技大学,2006．

[2] 付珊珊, 郭家虎, 胡兴杰.基于ARM920T 的智能酒店客房管理系统设计[J].现代建筑电气,2014, 5(4):59-63.

[3] 李鹏,刘旭东,宁福斌. 基于无线数据传输的嵌人式智能酒店客房控制系统[J]. 潍坊学院学报,2014, 14(2): 29-31.

[4] 徐小玲, 刘美, 李绪政. 基于STM32 的无线智能家居终端设计[J]. 电子设计工程,2016,24(3)：176-180.

[5] 陈俊彦,何燕.RT-Thread 和 Qt的可视化印花机控制系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2014(7):46-49.

刘利方(工程师)，主要研究方向为单片机与嵌入式系统应用；罗亚辉(副教授)，主要研究方向为农业电气化与自动化；李旭(教师)，主要研究方向为自动控制。

Design of Intelligent Control Terminal for Hotel Rooms

Liu Lifang,Luo Yahui,Li Xu

(College of Engineering ,Hunan Agricultural University,Changsha 410128,China)

In the paper,a hotel room intelligent control terminal (RCU) is designed,which is based on the ARM Cortex-M3 microprocessor (LM3S6911) and the embedded real-time operating system (RT-Thread).The hardware design and software implementation flow of the intelligent control terminal are discussed.The test and practical application results show that the intelligent control terminal realizes the low-power consumption,high efficiency,high stability,automation and intelligence.The design saves the investment,and is easy to maintain and manage.

guest room intelligent control;ARM Cortex-M3;Ethernet communication

湖南农业大学青年基金项目(项目编号：15QN06)。

TP368

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�迪娜

2017-03-02)