1 引言

數字家庭是一個融合了家庭控制網絡和多媒體信息網絡于一體的信息化平臺，通過有線或無線的方式在家庭范圍內實現PC、消費電子產品和通信設備的互聯和管理，對內實現各種信息的資源共享，對外實現信息的互換。數字家庭遙控器是數字家庭的控制終端，通過紅外、藍牙或Wi-Fi等無線介質連入數字家庭網絡，使用戶能夠隨時隨地獲取家庭控制、數字媒體等信息。

本文的目的是研究并開發一款數字家庭遙控器。普通的遙控器只能控制一個或一類設備，數字家庭遙控器能夠通過與家庭網絡的通訊，實現對掛接在家庭網絡上的所有家用電器的查詢與控制。用戶可以通過液晶顯示隨時監控設備的狀態和參數。除了家電控制功能以外，數字家庭遙控器還具有豐富的娛樂和多媒體功能，能夠實現無線上網、影音播放、視頻監控等數字家庭功能。

本文第2節描述數字家庭的系統結構，第3節介紹遙控器的系統設計，包括硬件平臺的設計和軟件平臺的設計，第4節給出結論和創新點。

2 數字家庭的系統結構

數字家庭主要由家庭網關、各種信息終端設備和智能家電設備、家庭智能聯網環境三部分組成，如圖1^[1]所示。其中家庭智能聯網環境包括家庭控制網絡和多媒體信息網絡。E-Home智能家居系統^[2]是由清華大學自動化系和清華同方公司合作開發的家庭控制網絡系統。本文設計的數字家庭遙控器能夠控制E-Home、Zigbee等家庭控制網絡系統，同時也能夠和多媒體信息網絡通信，實現無線上網、多媒體瀏覽等功能。

3 系統設計

3.1 遙控器硬件平臺

遙控器的硬件平臺以PXA255為核心，包括核心系統、電源系統、音視頻系統、以及Zigbee、紅外通信等其他功能擴展系統。遙控器硬件結構框圖如圖2所示。

3.1.1 核心系統設計

數字家庭遙控器的硬件平臺采用了Intel公司的Xscale系列CPU PXA255作為核心。PXA255處理器基于ARM V5TE指令集，最高運行頻率400MHz，內部集成了大量功能模塊，比如LCD控制器、USB Device控制器、PCMCIA卡接口等，功能強、體積小、功耗低。

除了PXA255，系統核心還包括了64MB的SDRAM、32MB的NOR Flash（主要用于存儲程序）、128MB的NAND Flash（主要用于存儲數據），為了調試方便設計了JTAG接口與RS232串口。嵌入式手持設備一般采用單鍵延時開關機設計，分為硬開關設計和軟開關設計兩種。由于PXA255在睡眠狀態下功耗很低，為了能夠實現快速開關機，設計中采用了單鍵軟開關設計的方法。當系統關機時CPU并未完全掉電，而是進入睡眠狀態。

圖1 數字家庭網絡結構圖

圖2 數字家庭遙控器硬件結構框圖

3.1.2 電源設計

使用單節鋰電池為系統供電。電源系統主要分為充電和電源管理兩個部分。

采用MAXIM公司的MAX1555芯片作為充電管理芯片，可以通過5V直流電源或者USB接口為鋰電池充電，并用一個LED指示充電狀態。采用紐扣型鋰電池作為備份電源，當主電源存在時為備份電池充電；當主電源無效時，備份電池接替主電源為實時時鐘（RTC）供電。

采用MAX1586芯片作為系統的電源管理芯片。MAX1586芯片針對Xscale系統CPU進行了優化，集成了7路高性能、低工作電流的電源，以及監測和管理功能。為了節約電能，需要根據CPU的運行頻率，通過PXA255的I2C接口動態調整內核電壓。當系統進入睡眠狀態時，可以完全切斷CPU的內核電源并將液晶屏、揚聲器等外設電源切斷。

3.1.3 音視頻設計

數字家庭遙控器需要具有較強的音視頻功能。選用了NEC的NL2432HC22-22B液晶模塊作為顯示屏,該模塊是3.5英寸、半反射型的TFT液晶屏，具有240x320的分辨率和18位色深，并帶有觸摸屏接口和矩陣鍵盤。

PXA255內部集成了AC’97(音頻多媒體數字信號編/解碼器)控制單元。遙控器采用PHILIPS公司的UCB1400芯片作為音頻編解碼芯片，實現了雙聲道音頻輸出、麥克風音頻輸入等功能。音頻輸出部分使用了LM4880功放芯片驅動2個8歐姆揚聲器。

3.1.4 其他擴展功能設計

利用PXA255的PCMCIA接口設計了CF擴展卡插槽。CF卡作為一種存儲卡接口標準在便攜式設備中應用廣泛，具有物理尺寸小、低功耗、靈活性強等特點。市面上有大量符合CF卡標準的存儲卡、無線網卡、GPS接收器、攝像頭等。插入這些符合CF卡標準的I/O卡可以為數字家庭遙控器擴展相應的功能。比如我們通過一個CF以太網卡為遙控器擴展了以太網通信的功能。

紅外通信模塊選用了安捷倫公司的HSDL-3020紅外收發器和TFMS5380紅外接收芯片。HSDL-3020具有2個紅外發射LED：波長為875nm的紅外LED用于IrDA快速數據傳輸，波長為940nm的LED用于家電紅外遙控。其中家電遙控的最遠距離為14米；IrDA數據傳輸的最遠距離為50厘米，速率介于9.6kbps和4Mbps（FIR）之間。TFMS5380芯片直接接收波長940nm，載波頻率為38kHz的紅外信號，并對紅外信號解調、放大、濾波、整形。通過軟件支持，數字家庭遙控器紅外模塊具有普通家用電器的萬能紅外遙控、E-Home系統的紅外控制、IrDA紅外通信三個功能。

ZigBee（IEEE802.15.4）技術是最近發展起來的一種短距離無線通信技術，被業界認為是最有可能應用在家庭自動化控制的無線方式，市場上已經出現了很多基于ZigBee的家庭控制系統。ZigBee使用2.4GHz波段，采用跳頻技術和擴頻技術。遙控器設計中選用了飛思卡爾的MC13192芯片作為ZigBee收發器。MC13192采用標準的4線SPI及7根GPIO與PXA255通信。

3.2 遙控器軟件平臺

數字家庭遙控器的軟件平臺自底向上分別是Redboot、Linux、MiniGUI和應用程序。其軟件平臺結構如圖3所示。

圖3 數字家庭遙控器軟件結構框圖

3.2.1 Redboot

Redboot是一個專門為嵌入式系統定制的開發工具，是嵌入式操作系統eCos的一個最小版本。Redboot集Bootloader、調試、Flash燒寫于一體，支持串口、網絡下載、執行嵌入式應用程序等功能。把編譯好的Redboot映像燒寫到物理地址為0x00的NOR Flash上，這樣Redboot就是系統上電后第一個運行的程序。然后利用Redboot來引導Linux操作系統。

Redboot建立在eCos的硬件抽象層（HAL）和設備驅動程序的基礎上。硬件抽象層對處理器結構和系統硬件平臺進行抽象，當需要將Redboot移植到一個新的平臺只需對底層的硬件抽象層（HAL）進行修改。移植Redboot到遙控器的步驟如圖4所示。

3.2.2 ARM-Linux

數字家庭遙控器要為用戶提供智能家庭控制、影音娛樂等功能。要實現這些功能，多任務、網絡協議、文件系統、出色的GUI都是不可缺少的。選用操作系統可以簡化系統的開發難度，并使開發具有更好的可擴展性和可移植性。數字家庭遙控器選用了Linux作為操作系統，ARM-Linux是打了ARM補丁的Linux操作系統。在設備驅動的支持下，Linux管理了系統硬件并向上層提供了一個統一的，硬件不可見的應用程序接口。

選用2.4.19版本的標準Linux內核并打上了針對PXA255處理器的補丁diff-2.4.19-rmk7-pxa2.gz。將Linux移植到遙控器平臺上的流程如圖5所示。移植的一個重要工作是為液晶屏、音頻模塊、CF卡插槽、Zigbee模塊、紅外模塊等外設編寫驅動。移植的最后要為Linux啟動建立初始化RAM盤映像（initrd），initrd里包含了必要的設備文件、鏈接庫、啟動腳本、busybox工具等。

圖4 Redboot移植流程圖

圖5 Linux板級移植流程圖

3.2.3 MiniGUI

遙控器采用MiniGUI作為圖形用戶界面系統。MiniGUI是我國國內自主開發、比較成熟的一個圖形用戶界面系統，面向基于Linux 的嵌入式系統，采用微客戶端/ 服務器模式來提供對多進程的支持，集成了多字體和多字符集。MiniGUI采用分層設計的層次結構，修改最底層的GAL（圖形抽象層）和IAL（輸入抽象層）將MiniGUI移植到遙控器平臺上。

基于MiniGUI編寫了服務器程序mginit和遙控器的主界面程序。按下主界面上的按鍵就可以調用相應的應用程序，如E-Home系統控制、視頻播放等。

3.2.4 應用程序

為遙控器編寫應用程序實現豐富的數字家庭功能。數字家庭遙控器具有以下功能：

1. 家庭控制網絡系統控制功能

為遙控器編寫了基于MiniGUI的E-Home家庭網絡控制程序，實現了遙控器對E-Home系統的即插即用控制^{[3] [4]}。當E-Home網絡上新添加設備或者刪除設備時，遙控器能夠自動更新配置文件并得到新設備的控制方法，用戶可以通過圖形液晶顯示方便的查詢和控制新設備。對于普通的電視、空調等非智能設備，數字家庭遙控器可以學習并保存他們的遙控碼，并利用HSDL-3020紅外收發器提供的940nm紅外發射端口對這些普通家電進行控制。此外遙控器還具有聯入并控制ZigBee網絡的能力。

2. 媒體娛樂功能

編寫了推箱子、掃雷等幾個基于MiniGUI的圖形游戲，證明了遙控器可以實現美觀的圖形界面。另外移植了開源的視頻播放軟件mplayer到遙控器上，實現了音視頻播放功能。通過實驗數字家庭遙控器可以很流暢的解碼并播放20幀/秒、240x320像素、MPGE4編碼的視頻文件和15幀/秒、240x320像素、H.264編碼的視頻，具有較強的多媒體功能。

3. 網絡通信功能

通過CF擴展卡為遙控器擴展了以太網功能，并利用Ftp服務實現了文件的上傳與下載。利用基于MiniGUI的mSpider嵌入式瀏覽器、FlashPlayer等開源軟件，還可以實現網頁瀏覽、Flash動畫播放等。除此之外，遙控器可以利用USB接口或者IrDA紅外通信端口與PC機通訊并交換數據。

4 結束語

數字家庭具有廣泛的發展前景，現在市面上還沒有成熟的數字家庭遙控器產品。本文提出的數字家庭遙控器功能豐富，能實現對E-Home家庭網絡、ZigBee家庭網絡、普通家用電器的控制。同時該遙控器具有較強的媒體娛樂功能和網絡通信功能，可以給家庭用戶帶來全新的感受。經過系統運行實驗，數字家庭遙控器非常適合未來數字家庭的應用。

本文作者創新點: 現有的家庭網絡遙控器只能實現對某一種特定家庭控制網絡的控制，功能單一，而且不具備未來數字家庭必需的多媒體能力。本文提出的數字家庭遙控器能同時實現對E-Home、ZigBee兩種流行的家庭控制網絡的控制，而且能夠控制沒有聯入家庭網絡的普通家電，還可以實現媒體娛樂、互聯網通信等功能。本文給出了該遙控器的具體軟硬件實現方法，對今后數字家庭遙控器的研究與開發具有很好的指導意義。

參考文獻

[1] “數字家庭”產業發展研究報告. 北京：諾達咨詢，2005

[2] 楊士元. E-Home在中國. 工程設計CAD與智能建筑，2000，（11）：80~84

[3] 林麗華，楊士元，葉朝輝，徐海. 即插即用家庭網絡遙控器的研究與開發[J]. 微計算機信息，2006, 12-1: 1-4.

[4] Zhaohui Ye，Yindong Ji， Shiyuan Yang. Home Automation Network Supporting Plug-and-Play [J]. IEEE Transaction on Consumer Electronics, Feb. 2004, 50(2): 173-179.