酒店客房智能管理與控制終端設(shè)計*

劉利方，羅亞輝，李旭

(湖南農(nóng)業(yè)大學 工學院，長沙 410128)

酒店客房智能管理與控制終端設(shè)計*

劉利方，羅亞輝，李旭

(湖南農(nóng)業(yè)大學 工學院，長沙 410128)

設(shè)計了一種酒店客房智能控制終端(RCU)。以ARM Cortex-M3微處理器(LM3S6911)和嵌入式實時操作系統(tǒng)RT-Thread作為系統(tǒng)控制核心平臺，詳細介紹了系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)，討論了酒店客房智能控制終端的硬件設(shè)計和軟件實現(xiàn)流程。測試和實際應(yīng)用結(jié)果表明，該酒店客房智能控制終端實現(xiàn)了低功耗、 高效率、 高穩(wěn)定性、 自動化和智能化功能，且便于維護和管理。

客房智能控制； ARM Cortex-M3 ；以太網(wǎng)通信

引 言

酒店客房智能管理控制系統(tǒng)是利用計算機控制、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，基于客房內(nèi)的RCU(客房智能控制器)構(gòu)成的專用網(wǎng)絡(luò)，對酒店客房的安防系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、中央空調(diào)系統(tǒng)、智能燈光系統(tǒng)、服務(wù)系統(tǒng)等進行智能化管理與控制，實時監(jiān)測客房狀態(tài)、賓客需求、服務(wù)狀況以及設(shè)備情況等，協(xié)助酒店對客房設(shè)備及內(nèi)部資源進行實時控制分析的綜合服務(wù)管理控制系統(tǒng)。 其自動化水平是酒店現(xiàn)代化和智能化程度的重要標志，體現(xiàn)了酒店對客人的人性化、個性化服務(wù)，不僅能夠極大地提高酒店的服務(wù)管理水平，而且能夠使客房環(huán)境更舒適、安全、便利和節(jié)能。

目前市面上主流的RCU終端多基于8位單片機或32位ARM9系列 MCU開發(fā)，如參考文獻[1]設(shè)計了基于AT89C55 的酒店客房控制系統(tǒng)下位機，參考文獻[2]實現(xiàn)了一種基于S3C2410A(ARM920T)的智能酒店客房管理系統(tǒng)。此外，RCU組網(wǎng)方式多采用RS-485或CAN總線。 由于 RS-485 總線具有帶負載能力差、布線復(fù)雜等缺點， 所以系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性和擴展性相對較差， 維護成本也較高。而CAN 總線不能與 Internet 互連實現(xiàn)遠程信息共享， 且需要價格昂貴的 CAN 接口卡，通信距離和速率遠不如以太網(wǎng)[1-3]。

隨著高性價比的ARM Cortex-M3內(nèi)核在嵌入式處理器中得到廣泛的應(yīng)用，針對現(xiàn)有RCU終端存在的缺陷， 本文設(shè)計了一種基于ARM Cortex-M3微控制器和以太網(wǎng)通信技術(shù)的酒店客房智能管理與控制終端， 實現(xiàn)對酒店客房的狀態(tài)信息及客房內(nèi)電氣設(shè)備的智能監(jiān)控 。

1 總體設(shè)計

酒店客房智能管理與控制系統(tǒng)主要由中心、傳輸、前端三部分組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。其中心部分由管理電腦及系統(tǒng)軟件組成，實現(xiàn)對前端各客房燈光、電器等設(shè)備的監(jiān)測及控制；傳輸部分主要由網(wǎng)絡(luò)交換機及傳輸線纜組成，實現(xiàn)前端與中心設(shè)備之間通信；前端部分主要由 RCU和相應(yīng)的傳感器、控制開關(guān)和繼電器等設(shè)備組成。

圖1 酒店客房智能管理與控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

RCU是整個智能控制系統(tǒng)的核心，其實現(xiàn)的主要功能包括：

① 房間設(shè)備遠程監(jiān)控。通過與酒店客房智能管理系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠程監(jiān)控和管理，實現(xiàn)對客房燈光、 電動窗簾、 溫度運行狀態(tài)實現(xiàn)遠程監(jiān)控及狀態(tài)設(shè)定與改變。

② 燈光控制。終端以弱電方式實現(xiàn)對客房強電燈具、受控電源插座的控制。采用插卡取電的方式 ，盡可能地節(jié)省電能?？腿诉M入房間插卡取電后,能自動打開指定的燈光。當客人離開房間后， 延時(時間可調(diào))關(guān)閉上述燈具，其余燈具立即關(guān)閉?？腿送砩闲菹r，按下床頭總控開關(guān)， 除夜燈外的所有燈具關(guān)閉。

③ 空調(diào)風機控制?？照{(diào)是電器中的耗能大戶，控制終端對空調(diào)的合理控制能夠極大地降低能源的浪費。當客人在前臺登記時，客房的空調(diào)能通過前臺管理系統(tǒng)啟動“歡迎模式 ”，自動調(diào)整房間溫度到客人舒適溫度，使客人進房間有一種溫馨感覺。客人入住插卡后，空調(diào)完全由客人控 制。客人離開后，房間進入保溫模式,空調(diào)自動運行于網(wǎng)絡(luò)設(shè)定溫度。客人退房后，空調(diào)自動關(guān)閉。

④ 衛(wèi)生間紅外開關(guān)聯(lián)動控制。衛(wèi)生間頂部的紅外探測器探測到人移動信號，自動開啟浴室燈和排氣扇；如沒有探測到人移動信號，則延時15分鐘關(guān)閉浴室燈、鏡前燈、排氣扇。

⑤ 其他控制功能。包括請勿打擾、請即清理、請稍候、請求退房和SOS緊急呼救顯示燈和開關(guān)控制。

本文所設(shè)計的RCU硬件平臺由主控板和接口板兩個單元組成。采用模塊化設(shè)計，一方面將強電和弱電電路分離，另一方面將接口電路和主控單元從物理上分割開來，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和可擴展性。RCU終端硬件框圖如圖2所示。

主控板包含微控制器、電源、以太網(wǎng)通信接口、RS-485通信接口以及開關(guān)量輸入接口電路。選用TI公司的LM3S6911作為主控制器。該微控制器是基于ARM Cortex-M3的控制器，為成本尤其敏感的嵌入式微控制器應(yīng)用方案帶來了高性能的32位運算能力。接口板是一塊強電板，主要包含多路繼電器驅(qū)動電路和晶閘管驅(qū)動電路。RCU除以太網(wǎng)和RS-485接口外，所有輸入均采用開關(guān)量輸入。輸出主要通過繼電器來控制客房內(nèi)的電器設(shè)備，通過采用弱電控制強電的方式，用繼電器控制220 V交流電，保證用電的安全。

軟件平臺基于嵌入式實時操作系統(tǒng)進行開發(fā)，由于RCU應(yīng)用程序比較復(fù)雜，特別是上行采用TCP/IP協(xié)議與酒店客房控制系統(tǒng)進行交互，因此軟件平臺選擇嵌入式實時操作系統(tǒng)RT-Thread。RT-Thread是一款開源實時操作系統(tǒng)，由國內(nèi)專業(yè)開發(fā)人員開發(fā)、維護。它不僅僅是一款高效、穩(wěn)定的實時核心，也是一套面向嵌入式系統(tǒng)的軟件平臺，覆蓋了全搶占式的實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，具有小巧且與底層具體實現(xiàn)無關(guān)的文件系統(tǒng)、輕型的TCP/IP協(xié)議棧以及輕型的多窗口多線程圖形用戶界面。RT-Thread本身已經(jīng)很好地支持ARM Cortex-M3平臺和TI的LM3S系列微控制器，移植到本文所設(shè)計的RCU硬件平臺相對容易。由于RT-Thread操作系統(tǒng)平臺提供了豐富的API接口資源，大大降低了應(yīng)用程序開發(fā)難度，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期[4-5]。

2 RCU硬件設(shè)計

圖2 RCU硬件框圖

RCU終端選用LM3S6911作為主控制器。該芯片針對工業(yè)控制應(yīng)用方案而設(shè)計，具有豐富的內(nèi)部資源和外設(shè)接口。芯片內(nèi)部Flash和SRAM大小分別為256 KB和64 KB。其中Flash可由用戶自定義和管理，即應(yīng)用程序可使用內(nèi)部Flash單元存儲數(shù)據(jù)或運行參數(shù)，從而無需另外擴展專門的數(shù)據(jù)存儲器。

LM3S6911還提供一個10/100M自適應(yīng)全雙工以太網(wǎng)接口，內(nèi)部集成了MAC和PHY控制器，特別適合于嵌入式以太網(wǎng)的應(yīng)用場合。此外，該芯片還提供3個UART、2個I2C和最多46個GPIO接口，為RCU的設(shè)計提供了較大的靈活性。

2.1 輸入接口電路設(shè)計

為實現(xiàn)高達56路開關(guān)量輸入的監(jiān)測，使用了多路并行轉(zhuǎn)串行技術(shù)，如圖3所示。

圖3 RCU終端輸入接口電路(部分)

2.2 輸出接口電路設(shè)計

同輸入接口類似，輸出電路使用SN74HC595實現(xiàn)多路并行轉(zhuǎn)串行，實現(xiàn)了多達24路繼電器控制邏輯，原理與輸入接口電路相似，不再贅述。

3 RCU軟件設(shè)計

終端軟件采用分層、模塊化設(shè)計思想。軟件自頂向下分為3層，即應(yīng)用層、內(nèi)核層和BSP層，如圖4所示。

3.1 應(yīng)用層

應(yīng)用層由uplink_task、rs485_task、event_poll_task和relay_ctrl_task等4個關(guān)鍵任務(wù)組成。軟件主流程如圖5所示。

① uplink_task通過socket套接字處理與上位機智能客房管理系統(tǒng)的交互。系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)設(shè)計，在本系統(tǒng)中RCU終端為服務(wù)器端(Server)。uplink_task首先綁定(bind)一個服務(wù)端口，然后監(jiān)聽是否有客戶端(Client)嘗試建立連接，接著處理客戶端發(fā)過來的交互信息或控制命令。

② rs485_task通過RS-485總線處理與門口顯示器、空調(diào)控制器和插卡取電單元的信息交互。由于終端需要立即響應(yīng)插卡取電信息，默認每200 ms輪詢一次，而門口顯示器和空調(diào)控制器任務(wù)實時性要求不高，其輪詢周期分別設(shè)置為1 s和3 s。如此設(shè)計能最大程度地兼顧實時性，又不至于使系統(tǒng)負荷過高。

圖4 RCU軟件系統(tǒng)框圖

③ event_poll_task監(jiān)控開關(guān)量輸入事件，并調(diào)用相應(yīng)的事件處理函數(shù)。本文所設(shè)計的RCU終端最多支持56路開關(guān)量輸入和24路繼電器輸出，各開關(guān)量和繼電器的功能可以由用戶自定義，開關(guān)和繼電器的對應(yīng)關(guān)系也可以自由配置，體現(xiàn)了較大的靈活性。event_poll_task任務(wù)周期性地掃描所有的開關(guān)量輸入，經(jīng)過軟件防抖算法處理后，找出變化的開關(guān)量(表示開關(guān)按下或者釋放)，調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù)，執(zhí)行相關(guān)的處理邏輯(如驅(qū)動對應(yīng)的繼電器)。

圖5 RCU軟件主流程圖

④ relay_ctrl_task為后臺守護線程，監(jiān)控遠程控制命令并在后臺執(zhí)行。若上行任務(wù)接收到遠程控制命令后直接執(zhí)行，可能會造成線程堵塞，導致后續(xù)指令無法及時響應(yīng)，送給relay_ctrl_task執(zhí)行實際的繼電器操作。

3.2 內(nèi)核層

內(nèi)核層即RT-Thread RTOS核心層和TCP/IP層。RT-Thread Kernel內(nèi)核部分包括了RT-Thread的核心代碼，以及對象管理器、線程管理及調(diào)度、線程間通信等的微小內(nèi)核實現(xiàn)。內(nèi)核庫是為了保證內(nèi)核能夠獨立運作的一套小型類似C庫實現(xiàn)，LwIP 是瑞士計算機科學院( Swedish Institute of Computer Science)的Adam Dunkels等開發(fā)的一套用于嵌入式系統(tǒng)的開放源代碼TCP/IP協(xié)議棧，它在包含完整的TCP協(xié)議基礎(chǔ)上實現(xiàn)了小型的資源占用，因此它十分適合于使用到嵌入式設(shè)備中，占用的體積大概在幾十KB RAM和40 KB ROM代碼。由于LwIP 資源占用小，且功能也相對完善，用戶群比較廣泛， RT-Thread采用LwIP作為默認的TCP/IP協(xié)議棧，同時根據(jù)小型設(shè)備的特點對其進行再優(yōu)化，體積相對進一步減小， RAM占用縮小到5 KB左右。

3.3 BSP層

BSP層介于硬件和操作系統(tǒng)內(nèi)核層之間，包含CPU體系代碼和驅(qū)動層代碼兩部分。RT-Thread官方源碼中包含了IM3S8962平臺的移植，并整合了TI官方發(fā)布的器件驅(qū)動庫。但RT-Thread并不包含LM3S6911的支持代碼，需要根據(jù)實際硬件平臺進行BSP移植。對于本文設(shè)計的RCU終端，BSP移植的重要工作包括修改UART驅(qū)動以支持RS-485總線通信，修改Ethernet驅(qū)動以支持MAC地址設(shè)置，以及修改MCU時鐘頻率設(shè)置和時鐘參數(shù)配置等。

結(jié) 語

[1] 鄧淳,張德源. 基于AT89C55 的酒店客房控制系統(tǒng)下位機設(shè)計方案[D]. 成都:電子科技大學,2006．

[2] 付珊珊, 郭家虎, 胡興杰.基于ARM920T 的智能酒店客房管理系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代建筑電氣,2014, 5(4):59-63.

[3] 李鵬,劉旭東,寧福斌. 基于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)那度耸街悄芫频昕头靠刂葡到y(tǒng)[J]. 濰坊學院學報,2014, 14(2): 29-31.

[4] 徐小玲, 劉美, 李緒政. 基于STM32 的無線智能家居終端設(shè)計[J]. 電子設(shè)計工程,2016,24(3)：176-180.

[5] 陳俊彥,何燕.RT-Thread 和 Qt的可視化印花機控制系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2014(7):46-49.

劉利方(工程師)，主要研究方向為單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用；羅亞輝(副教授)，主要研究方向為農(nóng)業(yè)電氣化與自動化；李旭(教師)，主要研究方向為自動控制。

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

湖南農(nóng)業(yè)大學青年基金項目(項目編號：15QN06)。

TP368

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?迪娜

2017-03-02)