專利名稱：基于工業以太網的先進智能家居控制器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及智能控制設備技術領域，特別涉及一種基于工業以太網的先進智能家居控制器。
背景技術：
隨著以太網的應用與推廣，將以太網技術用于樓宇自動化和信息家電領域，也越來越受到人們的重視，對于基于以太網的智能家居設備的研究主要開始于上個世紀90年代的中后期，目前國內外的主要實現方式有一種為采用8位或16位的微控制器(MCU)，運行簡單的以太網通訊協議，實現單個家庭設備(如水表、電表、氣表等)的以太網接入，但由于8位或16位的微控制器的運算能力和存儲空間有限，該方式只能通過以太網完成少量數據的低速傳輸，對于較大量數據的傳輸(如室內的場境圖像)則無能為力，即在系統的聯網能力與系統的性能之間存在很大的矛盾。
另一種方式是微控制器+室內專用網絡+室內專用網關，采用室內專用網絡，如RS232、RS485，CANBus、BlueTooth等方式，將多個室內的微控制器連接在一起，然后將該室內專用網絡連接到一個室內的專用網關(一般采用桌面計算機實現)，該網關負責將室內專用網絡上的信息轉換為TCP/IP協議數據包，然后發到以太網上實現信息的傳輸，但這種方式網絡結構復雜，成本較高，適合于將一幢大樓、一個工廠內部的微控制器網絡接入以太網，不太適合于家庭使用。
實用新型內容本實用新型的目的是依據目前智能家居和信息家電的要求，針對以上兩種實現方式的缺點，結合目前先進的微控制器產品、圖像處理技術、控制技術和通信技術，實現一種高性能、低成本、低功耗、小體積的先進智能家居控制器，進而提供一種基于工業以太網的先進智能家居控制器。
為實現上述目的，本實用新型的技術解決方案是提供一種基于工業以太網的先進智能家居控制器，包括高速以太網接入和網絡服務電路、室內場景圖像采集與壓縮電路、室內測控點的數據采集與控制電路、圖像格式轉換電路、隔離單元、CMOS攝像頭、三表遠傳及報警電路以及信息家電接口電路，其高速以太網接入和網絡服務電路一端連接于入戶寬帶以太網，另一端連接于室內場景圖像采集與壓縮電路和室內測控點的數據采集與控制電路；室內場景圖像采集與壓縮電路連接于圖像格式轉換電路，圖像格式轉換電路另一端再連接于CMOS攝像頭；室內測控點的數據采集與控制電路連接于隔離單元，隔離單元另一端再連接于三表遠傳及報警電路和信息家電接口電路。
所述的基于工業以太網的先進智能家居控制器，其所述CMOS攝像頭為復數個。
所述的基于工業以太網的先進智能家居控制器，其裝有基于ARM核的32位硬件平臺，Flash和SDRAM存儲器，MJPEG壓縮電路和8位的高速嵌入式單片機。
所述的基于工業以太網的先進智能家居控制器，其所述三表遠傳及報警電路和信息家電接口電路與家電、設備之間，為多路無線的數據通訊線路。
所述的基于工業以太網的先進智能家居控制器，其預裝有以uCLinux作為基礎的ASOS及應用程序。
本實用新型的先進智能家居控制器采用多個高性能微控制器各自完成相對獨立的功能，又相互協同，從而高效、可靠的完成智能家居和信息家電的多項要求。
圖1是本實用新型的先進智能家居控制器的具體實現電路結構圖；圖2是本實用新型高速以太網接入和網絡服務電路結構圖；圖3是本實用新型室內場景圖像的采集與壓縮電路結構圖；圖4是本實用新型室內測控點的數據采集與控制電路結構圖。
具體實施方式
圖1中，包括高速以太網接入和網絡服務電路1、室內場景圖像采集與壓縮電路2、室內測控點的數據采集與控制電路3、圖像格式轉換電路4、隔離單元5、CMOS攝像頭6、三表遠傳及報警電路7以及信息家電接口電路8。
其中，高速以太網接入和網絡服務電路1一端連接于入戶寬帶以太網，另一端連接于室內場景圖像采集與壓縮電路2和室內測控點的數據采集與控制電路3，用于完成系統需要的各種協議和各種網絡服務功能，如Web Server、IP地址的配置等。
室內場景圖像采集與壓縮電路2連接于圖像格式轉換電路4，圖像格式轉換電路4另一端再連接于CMOS攝像頭6，主要完成室內外場景圖像的采集與壓縮，以及將圖像傳輸到高速以太網接入和網絡服務電路1，進而傳送到遠端。其中，CMOS攝像頭6可以為復數個。
圖像格式轉換電路4用于將由CMOS攝像頭采集到的數字圖像數據轉換成需要的格式。
室內測控點的數據采集與控制電路3連接于隔離單元5，隔離單元5另一端再連接于三表遠傳及報警電路7和信息家電接口電路8。該電路完成室內的多路模擬量和數字量的有線與無線傳輸，用于采集和控制室內的各個測控點的數據，另外，由于目前大多數的信息家電都提供標準的通訊接口，因此可方便的對家電進行數據采集和控制。
以下具體描述本實用新型的結構、實現方式。
(一)先進智能家居控制器的結構為便于在目前的各類高檔住宅內的安裝，使之與室內的環境協調統一，先進智能家居控制器在進行結構設計中嚴格控制設備的體積，在電路的設計中，采用多層布線，頂面和底面同時焊接元器件的方式，縮小電路板的體積，同時，將整個電路分為三個單元電路塊，分別完成室內場景圖像的采集與壓縮、室內各個測控點的信息采集與控制和各種數據的高速以太網接入，采用接插堆疊的方式，進一步縮小設備的體積。
(二)先進智能家居控制器的實現電路先進智能家居控制器的各個功能模塊的具體實現電路描述如下，主要包括數據的高速以太網接入和網絡服務電路1、室內場景圖像的采集與壓縮電路2、室內各個測控點的數據采集與控制電路3。
1、高速以太網接入和網絡服務電路高速以太網接入和網絡服務電路1如圖2所示。
其中，該模塊的微處理器采用一個基于ARM核的32位硬件平臺，該硬件平臺具有低功耗、低成本、小體積的特點，同時具有極強的運算能力和較大尋址能力，該32位的微處理器支持8位、16位和32位尋址方式，具有16M×32位的尋址能力，可方便的構建較大的存儲空間。系統的存儲器由Flash和SDRAM兩部分構成，根據系統的工作方式，程序代碼首先通過JTAG接口或串行口下載到系統Flash中存儲，系統啟動時，由專門的BOOT代碼將Flash中的程序搬運到SDRAM中，然后跳轉到SDRAM所對應的地址執行。
系統選用可在單3V電壓下在系統編程或擦除的Flash存儲器，用于在靜態時存儲程序代碼，每片Flash提供1M×16位的存儲空間，兩片并聯構成1M×32位的代碼存儲空間，可完全滿足本系統ASOS(ApplicationSpecific Operating System)的代碼長度要求。
系統中的SDRAM存儲器用于ASOS及各種應用程序的運行空間。與SRAM相比，SDRAM具有單位空間存儲容量大和價錢便宜的優點，有利于簡化系統設計和提高性價比。每片SDRAM提供4M×16位的存儲空間，兩片并聯構成4M×32位的代碼運行空間，相對較大的RAM空間有利于提高系統性能。
構建32位的FLASH及SDRAM系統，可充分發揮32位ARM微處理器的尋址及運算能力。
本實用新型智能家居控制器能否可靠工作的核心是網絡通信問題，通信的實時性和可靠性決定了該控制器是否可用，作為智能控制節點，首先應保證通信任務實時、可靠的執行，系統軟件采用基于特定應用的嵌入式實時操作系統ASOS(Application Specific Operating System)，其核心就是在保證合理的任務調度的同時，盡可能的減少其它不必要的部分以提高性能，而在硬件設計方面，則應考慮在選用高性能微控制器的同時，適當分散部分檢測、控制任務，鍵盤掃描與顯示任務等，采用另外的通用控制器來完成，以減輕節點的負擔，保證控制網絡通信的實時可靠。
與傳統的OS相比，ASOS就是在保證完成針對特定應用的任務的情況下，盡可能減少其它不必要的部分，以構建一個高效的、可靠的操作系統來運行特定的任務。為盡可能的縮短系統的開發時間，以性能優異、代碼開放的uCLinux作為基礎，參考已有的研究成果，編寫ASOS及應用程序。作為專門針對控制領域的嵌入式Linux操作系統，uCLinux繼承了Linux的大部分優點如具有很高的穩定性；同時，幾乎所有的網絡協議和接口都已被定制在其中，uCLinux內核在處理網絡協議方面比標準的Linux具有更高的執行效率，在每一個端口上有更高的數據吞吐量，因此，uCLinux可以稱作是一個針對嵌入式系統的優秀網絡操作系統，它的這些特點與32位的ARM處理器完美的結合，極大的保證了該智能家居控制器通信的實時性和可靠性。
2、室內場景圖像的采集與壓縮電路室內場景圖像的采集與壓縮電路2如圖3所示。
其中，CMOS攝像頭將CCD攝像機和相應的視頻A/D轉換及視頻輸出電路集成在一個較小體積的器件上，從而在實現高保真數字圖像的前提下顯著地降低了成本和體積，CCD陣列掃描輸出原始的R、G、B彩色圖像信號，經模擬處理電路進行曝光、校正、白電平調整等處理后，根據輸出要求轉換成YUV等多種信號輸出形式，其模擬視頻信號經過視頻A/D轉換后由視頻接口輸出16位的YUV或RGB4:2:2格式的標準數字視頻圖像信號。同時，CMOS攝像頭的視頻時序產生電路還產生行同步、場同步等多種同步信號及象素時鐘等多種內部時鐘信號，內嵌的I2C接口使外部的32位ARM處理器通過I2C總線控制CMOS攝像頭的各種工作狀態、工作方式、數據輸出格式和讀取內部狀態信息等。
MJPEG壓縮電路將將CMOS攝像頭輸出的YUV格式的數據進行MJPEG格式的壓縮。MJPEG由JPEG圖像連接組成，相對JPEG圖像每幅都有自己的量化表和Huffman碼表。MJPEG可以僅使用一張量化表和Huffman碼表對連續幾十幀甚至上百幀圖像進行壓縮，僅當數據發生丟失時才需要重新載入量化表和Huffman碼表。這一優點大大降低了系統視頻解碼時所需要的開銷。
按MJPEG格式壓縮后的圖象數據傳送到高速以太網接入和網絡服務電路1，同時在該電路實現一個Web Server，當遠端有瀏覽室內場景圖像的請求時，Web Server就將圖像數據高速傳輸到遠端，另外，一些必須的網絡配置功能也在此完成，如IP地址的配置等。
云臺運動控制用于調整CMOS攝像頭的視角。
3、室內測控點的數據采集與控制電路室內測控點的數據采集與控制電路3如圖4所示。
室內測控點的數據采集與控制電路3用于完成室內的其他模擬量和數字量的傳輸，微處理器采用一片8位的高速嵌入式單片機實現，主要完成三表的遠程抄送、室內煤氣濃度的檢測與報警、室內人員的按鍵報警、信息家電的控制等任務，并根據設備的位置，提供多路無線的數據通訊線路，從而減少室內的布線。該功能模塊需要傳輸的數據量相對較少，但實時性要求較高，因此在高速以太網接入和網絡服務電路1中實現對該模塊的數據進行傳輸時，要求具有較高的優先級和實時性。
權利要求1.一種基于工業以太網的先進智能家居控制器，包括高速以太網接入和網絡服務電路、室內場景圖像采集與壓縮電路、室內測控點的數據采集與控制電路、圖像格式轉換電路、隔離單元、CMOS攝像頭、三表遠傳及報警電路以及信息家電接口電路，其特征在于高速以太網接入和網絡服務電路一端連接于入戶寬帶以太網，另一端連接于室內場景圖像采集與壓縮電路和室內測控點的數據采集與控制電路；室內場景圖像采集與壓縮電路連接于圖像格式轉換電路，圖像格式轉換電路另一端再連接于CMOS攝像頭；室內測控點的數據采集與控制電路連接于隔離單元，隔離單元另一端再連接于三表遠傳及報警電路和信息家電接口電路。
2.如權利要求1所述的基于工業以太網的先進智能家居控制器，其特征在于所述CMOS攝像頭為復數個。
3.如權利要求1所述的基于工業以太網的先進智能家居控制器，其特征在于裝有基于ARM核的32位硬件平臺，Flash和SDRAM存儲器，MJPEG壓縮電路和8位的高速嵌入式單片機。
4.如權利要求1所述的基于工業以太網的先進智能家居控制器，其特征在于所述三表遠傳及報警電路和信息家電接口電路與家電、設備之間，為多路無線的數據通訊線路。
5.如權利要求1、2或3所述的基于工業以太網的先進智能家居控制器，其特征在于預裝有以uCLinux作為基礎的ASOS及應用程序。
專利摘要本實用新型涉及智能控制設備技術領域的基于工業以太網的先進智能家居控制器。其包括高速以太網接入和網絡服務電路，室內場景圖像采集與壓縮電路，室內測控點的數據采集與控制電路，圖像格式轉換電路，其中，高速以太網接入和網絡服務電路一端連接于入戶寬帶以太網，另一端連接于室內場景圖像采集與壓縮電路和室內測控點的數據采集與控制電路，室內場景圖像采集與壓縮電路連接于圖像格式轉換電路和CMOS攝像頭，室內測控點的數據采集與控制電路連接于隔離單元和三表遠傳及報警電路和信息家電接口電路。本實用新型的先進智能家居控制器，實現了高性能、低成本、低功耗、小體積。
文檔編號H04L12/28GK2652048SQ20032011677
公開日2004年10月27日 申請日期2003年12月1日 優先權日2003年12月1日
發明者李駒光, 聶雪媛, 劉國平, 郁文生 申請人:中國科學院自動化研究所