摘 要：根據(jù)現(xiàn)代家居的發(fā)展需求，提出了一種智能家居系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，以ARM11S3C6410為核心處理器，Linux嵌入式系統(tǒng)為家居總中心監(jiān)控系統(tǒng)，使用Linux Qt完成了控制程序及人機(jī)界面的編寫(xiě)，采用GPRS通信技術(shù)完成了系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信及監(jiān)控，組建基于ZigBee無(wú)線通信技術(shù)的系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，并完成了對(duì)家電的基于統(tǒng)一協(xié)議的控制，實(shí)現(xiàn)了家居的智能化。
關(guān)鍵詞：智能家居； GPRS； 通信技術(shù)； ZigBee； 遠(yuǎn)程控制
中圖分類號(hào)：TN911.7-34； TP315
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
文章編號(hào)：1004-373X(2012)01-0037-03
Smart home system based on Linux system and ZigBee
LUO Zheng-jun1， LUO Peng-hui2， WANG Xiao-juan3， FANG Zhi-geng1
(1.College of Economics and Management, Nanjing University of Aeronautics ＆ Astronautics, Nanjing 210016, China；
2.Department of Electronic Science and Technology， Zhuhai College of Jilin University, Zhuhai 519009, China;
3.Zhengde Polytechnic College, Nanjing 211106,China)
Abstract：
A new design proposal of smart home system is presented according to developing demand of modern home. The monitoring system was built based on ARM microprocessor S3C2410 and embedded Linux operating system, the control program was compiled by Linux QT, and the software of GPRS remote communication model was designed. ZigBee wireless communication networking technology was used to build the system′s inner network and complete household electrical appliances protocol. The function of smart home system can be realized.
Keywords： smart home; GPRS; communication technology; ZigBee; remote control
收稿日期：2011-08-20
基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(70701017)資助項(xiàng)目
0 引 言
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展以及人們對(duì)生活要求的不斷提高，實(shí)現(xiàn)家庭智能的遠(yuǎn)程監(jiān)控已經(jīng)成為必然的趨勢(shì)。國(guó)家建設(shè)部住宅產(chǎn)業(yè)化促進(jìn)中心提出住宅小區(qū)要實(shí)現(xiàn)六項(xiàng)智能化要求，其中包括實(shí)行安全防范自動(dòng)化監(jiān)控管理：對(duì)住宅的火災(zāi)、有害氣體的泄漏實(shí)行自動(dòng)報(bào)警；防盜報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)安裝紅外或微波等各種類型報(bào)警探測(cè)器；系統(tǒng)應(yīng)能與計(jì)算機(jī)安全綜合管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能對(duì)防盜報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行集中管理和控制[1-2]。隨著GPRS遠(yuǎn)程通信技術(shù)和短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，智能家居的監(jiān)控技術(shù)也逐步成熟[3-4]，GPRS網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)是通信公司推出的一項(xiàng)數(shù)據(jù)傳輸通信業(yè)務(wù)，在GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)，傳輸距離不受限制，通信費(fèi)用相對(duì)低廉，傳輸速率較快。ZigBee短距離無(wú)線通信技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)[5-6]，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。本文解決了家庭智能嵌入式系統(tǒng)、GPRS遠(yuǎn)程通信、ZigBee無(wú)線通信、家電解碼及編碼、家居控制協(xié)議等相關(guān)技術(shù)難點(diǎn)，分析了其各自基本特點(diǎn)和所要實(shí)現(xiàn)的基本功能，并在此基礎(chǔ)上提出了基于Linux嵌入式系統(tǒng)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)及GPRS無(wú)線通信的智能家居系統(tǒng)的總體解決方案。
1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案
智能家居網(wǎng)絡(luò)指的是在一個(gè)家居中建立一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)，將各種家電設(shè)備互相連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有智能家居網(wǎng)絡(luò)上設(shè)備的遠(yuǎn)程使用和控制及任何要求的信息交換，如音樂(lè)、門(mén)窗、電源、電視或數(shù)據(jù)等等[4]。智能家居網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)架包括家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、智能家居控制器以及智能家居網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通信。其中，智能家居控制器是智能家庭網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要組成部分，起到核心的管理、控制和與外部網(wǎng)絡(luò)通信的作用。它是通過(guò)家庭管理平臺(tái)與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的一個(gè)系統(tǒng)，也是連接家庭智能內(nèi)部和外部網(wǎng)絡(luò)的物理接口，完成家庭內(nèi)部同外部通信網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換功能，同時(shí)還負(fù)責(zé)家庭設(shè)備的管理和控制。智能家居控制器一方面需要為家庭內(nèi)部布線提供通信接口，采集家庭設(shè)備的信息，并進(jìn)行處理、自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)；另一方面智能家居控制器作為家庭網(wǎng)關(guān)，也為外部提供網(wǎng)絡(luò)接口，連通家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)，使得用戶可以通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)等方式訪問(wèn)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)視和控制。系統(tǒng)控制方案如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)整體控制框圖
本系統(tǒng)采用三星公司最新推出的ARM11S3C6410控制芯片為核心控制器[7]，完成所有家庭內(nèi)部數(shù)據(jù)的處理，包括數(shù)據(jù)的采集與控制命令的發(fā)出，是整個(gè)智能家居控制的核心，采用Linux 嵌入式系統(tǒng)為家居總中心監(jiān)控系統(tǒng)，能夠自動(dòng)運(yùn)行、處理數(shù)據(jù)，通過(guò)串口管理、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)控制各控制終端，并且中心控制器通過(guò)GPRS模塊實(shí)現(xiàn)家庭系統(tǒng)與手機(jī)的通信，使用戶可以通過(guò)短信方式實(shí)現(xiàn)家庭系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，同時(shí)，控制器還采用10.3寸觸摸屏為用戶提供命令輸入端，采用Linux Qt完成人機(jī)界面的編寫(xiě)，通過(guò)ZigBee無(wú)線通信協(xié)議完成家庭內(nèi)部數(shù)據(jù)的傳輸，方便用戶實(shí)現(xiàn)本地控制。控制終端為單片機(jī)組成的若干小的控制系統(tǒng)控制各家用設(shè)備，并通過(guò)控制總線將這些小的控制系統(tǒng)組成網(wǎng)絡(luò)，連接到智能家居控制器，受智能家居控制器控制。
2 基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和統(tǒng)一家電協(xié)議的家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)
2.1 整體設(shè)計(jì)
整個(gè)智能家居系統(tǒng)全部采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控，以無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為通信平臺(tái)，將家庭的安防系統(tǒng)、門(mén)窗控制系統(tǒng)、家電照明系統(tǒng)和能源計(jì)量系統(tǒng)等這些分立子系統(tǒng)融合成為一個(gè)真正意義上的綜合智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。既可以使用智能手機(jī)或者終端實(shí)現(xiàn)本地集中控制，也可以通過(guò)使用遠(yuǎn)程接入Internet網(wǎng)絡(luò)的智能手機(jī)或計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由分散智能終端層和上端總控制層組成。
上端總控制層主要是以ARM6410中控系統(tǒng)為核心[7]、利用無(wú)線通信結(jié)構(gòu)形成的中控網(wǎng)絡(luò)完成對(duì)各種不同智能終端的管理控制。中控系統(tǒng)配置有觸摸屏方便用戶使用。使用GPRS通信技術(shù)，將家庭內(nèi)部信息及時(shí)與主人手機(jī)終端進(jìn)行通信聯(lián)系，并可以通過(guò)手機(jī)控制上端總控制層，達(dá)到遠(yuǎn)程控制的效果。
分散智能終端層是由具有智能終端特性(即信號(hào)采集處理、輸出控制和數(shù)據(jù)通信功能)的各種不同安防系統(tǒng)、家電控制、家庭照明、家庭安防、溫濕度數(shù)據(jù)采集和通信系統(tǒng)等模塊組成。
智能終端層以AT89C51為核心處理器，使用多個(gè)I/O口進(jìn)行傳感器檢測(cè)陣列的信號(hào)采集，其中包括紅外人體探測(cè)信號(hào)、火警探測(cè)信號(hào)、有毒氣體探測(cè)信號(hào)、門(mén)窗開(kāi)閉信號(hào)等信號(hào)的檢測(cè)；使用紅外發(fā)射芯片IR6721C芯片進(jìn)行家電設(shè)備控制信號(hào)的發(fā)射，可以完成家庭內(nèi)部控制和GPRS遠(yuǎn)程控制；使用通信串口1連接無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸芯片XL02-232AP1，XL02-232AP1是UART接口半雙工無(wú)線傳輸模塊。本文采用了加強(qiáng)型的ZigBee無(wú)線技術(shù)，符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的無(wú)線數(shù)據(jù)通信設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)多設(shè)備間的數(shù)據(jù)透明傳輸;通過(guò)無(wú)線ZigBee進(jìn)行組網(wǎng)通信；無(wú)線功能強(qiáng)大;具備中繼路由和終端設(shè)備功能。單個(gè)終端硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
圖2 終端硬件結(jié)構(gòu)框圖
智能終端與中心控制器通過(guò)基于ZigBee的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)完成通信，傳輸一個(gè)指令的數(shù)據(jù)包由以下幾部分組成：起始編碼bite[0][1]，地址編碼bite[2]，數(shù)據(jù)類型編碼bite[4]，功能編碼bite[5]，效驗(yàn)編碼bite[6]，結(jié)束編碼bite[7]。每個(gè)編碼1個(gè)字節(jié)，發(fā)送數(shù)據(jù)范圍在0~255之間，不同家庭內(nèi)部的起始編碼都是惟一的，防止相互信號(hào)的干擾，每個(gè)接收終端在接收到數(shù)據(jù)后，都進(jìn)行地址碼判斷是否為自己接收的數(shù)據(jù)包，是則接收，否則不接收，接收到數(shù)據(jù)包后，對(duì)數(shù)據(jù)要執(zhí)行的功能進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)正確，則進(jìn)行解碼，并且在解碼成功后通過(guò)ZigBee的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)出一個(gè)確認(rèn)接受碼，中心控制器在接收到確認(rèn)接收碼后停止再次發(fā)生控制指令，否則間隔100 ms再次發(fā)生相同指令，確保整個(gè)ZigBee的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的準(zhǔn)確性和完整性。每個(gè)智能終端在正確接收到中心控制器的控制信號(hào)后，必須根據(jù)信號(hào)完成相應(yīng)家庭內(nèi)部的控制工作，所以家電設(shè)備的控制信號(hào)都是由統(tǒng)一的紅外編碼完成的，不同家電的紅外編碼各不相同，必須進(jìn)行紅外編碼的解碼和重新的編碼，解碼工作利用400 MHz的具有存儲(chǔ)功能的高精度示波器采集完成， 編碼采用AT89C51芯片的兩個(gè)定時(shí)器交互中斷進(jìn)行，中斷程序控制相應(yīng)的I/O口產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的脈沖，脈沖輸出測(cè)試結(jié)果如圖3所示。
圖3 AT89C51產(chǎn)生的紅外解碼脈沖
2.2 GPRS遠(yuǎn)程通信設(shè)計(jì)
以ARM11S3C6410為總控制核心，通過(guò)GPRS進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的發(fā)送與處理，使用6410串口2與GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，可以將家庭內(nèi)部數(shù)據(jù)信息發(fā)送給遠(yuǎn)離房間的主人手機(jī)，并可以通過(guò)主人手機(jī)發(fā)送的控制信息控制房間內(nèi)家電設(shè)備，包含攝像頭的攝像處理、空調(diào)溫度設(shè)置等。GPRS通信模塊安裝在智能家居控制器中，主要功能為通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)連接到Internet網(wǎng)絡(luò)，并主動(dòng)與監(jiān)控中心建立通信鏈路，進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信。GPRS通信模塊設(shè)計(jì)采用了Freescale公司生產(chǎn)的內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議的G24GPRSOEM[8]。該模塊尺寸小，功耗低，便于集成。GPRS通信終端收發(fā)模塊主要由G24模塊、天線、SIM卡、相關(guān)的電平轉(zhuǎn)換電路和RS 232串口組成。其供電電壓為5 V，可采用USB端口供電；通過(guò)RS 232串行口與智能家居控制器ARM進(jìn)行通信。G24收發(fā)模塊采用AT指令操作，通過(guò)RS 232串行口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
GPRS網(wǎng)絡(luò)通信原理如下：首先通過(guò)SGSN節(jié)點(diǎn)使通信終端模塊附在GPRS網(wǎng)絡(luò)上；然后通過(guò)GGSN節(jié)點(diǎn)由PPP(Point to Point Protocol)協(xié)議獲得一個(gè)隨機(jī)分配的IP地址，連接到Internet上；最后通信終端模塊通過(guò)Internet，按照監(jiān)控中心設(shè)定的端口號(hào)與監(jiān)控中心建立通信鏈路。
2.3 系統(tǒng)軟件
系統(tǒng)采用Linux操作系統(tǒng)[9]，Linux內(nèi)核是一種源碼開(kāi)放的操作系統(tǒng)，采用模塊化的設(shè)計(jì)。在此只保留了必需的功能模塊，刪除了冗余的功能模塊，并對(duì)內(nèi)核重新編譯，從而使系統(tǒng)運(yùn)行所需的硬件資源顯著減少[10]。Linux系統(tǒng)內(nèi)核集成了大量的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，支持全部的標(biāo)準(zhǔn)因特網(wǎng)協(xié)議和幾乎所有的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，因此將其應(yīng)用于智能家居控制器的設(shè)計(jì)，具有代碼量小、運(yùn)行消耗系統(tǒng)資源少、可靠性高、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)智能家庭數(shù)據(jù)采集控制器對(duì)于操作系統(tǒng)的要求。Qt作為一種跨平臺(tái)的基于C++的GUI系統(tǒng)，能夠提供給用戶構(gòu)造圖形用戶界面的強(qiáng)大功能。本文選用移植性強(qiáng)的Qt軟件設(shè)計(jì)圖形用戶界面，所設(shè)計(jì)的GUI實(shí)用、簡(jiǎn)潔、實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互，可通過(guò)鍵盤(pán)或面板對(duì)程序進(jìn)行輸入、保存、修改和編譯，信息和臨時(shí)信息及時(shí)輸出、顯示，通過(guò)GUI達(dá)到了整合系統(tǒng)的目的。在Qt系統(tǒng)中，不僅有著構(gòu)造完善的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且為了滿足用戶對(duì)編寫(xiě)圖形用戶界面應(yīng)用的種種需求，還創(chuàng)建了許多新的系統(tǒng)機(jī)制，其中Qt所特有的內(nèi)部進(jìn)程通信機(jī)制具有獨(dú)特的反應(yīng)速度，本文采用的Qt應(yīng)用進(jìn)程之間通信機(jī)制是Signal-Slot機(jī)制和FIFO機(jī)制。Linux系統(tǒng)不斷偵查本地GUI消息，任何一個(gè)Qt消息被觸發(fā)，系統(tǒng)都會(huì)立即執(zhí)行相應(yīng)程序，提高了整個(gè)系統(tǒng)的反應(yīng)速度和穩(wěn)定性，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。
圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程
3 結(jié) 語(yǔ)
整套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分利用了ARM11S3C6410的硬件功能和處理速度，成功移植了以S3C6410為硬件核心的Linux嵌入式系統(tǒng)，并完成了基于Linux Qt的控制程序的開(kāi)發(fā)，解決了多項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)，其中包括構(gòu)建基于ZigBee通信協(xié)議的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、基于AT89C51的統(tǒng)一家電控制協(xié)議、基于S3C6410的GPRS遠(yuǎn)程通信、家電控制的直接解碼與編碼等，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品的控制結(jié)果效果令人滿意，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的先進(jìn)性、穩(wěn)定性和實(shí)用性，具有廣泛的推廣和應(yīng)用價(jià)值。
參 考 文 獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介：
羅正軍 男，1972年出生，湖北天門(mén)人，博士研究生，講師。主要研究方向?yàn)槠髽I(yè)信息化、數(shù)據(jù)分析與知識(shí)管理、系統(tǒng)仿真。
關(guān)鍵詞：智能家居； GPRS； 通信技術(shù)； ZigBee； 遠(yuǎn)程控制
中圖分類號(hào)：TN911.7-34； TP315
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
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Smart home system based on Linux system and ZigBee
LUO Zheng-jun1， LUO Peng-hui2， WANG Xiao-juan3， FANG Zhi-geng1
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2.Department of Electronic Science and Technology， Zhuhai College of Jilin University, Zhuhai 519009, China;
3.Zhengde Polytechnic College, Nanjing 211106,China)
Abstract：
A new design proposal of smart home system is presented according to developing demand of modern home. The monitoring system was built based on ARM microprocessor S3C2410 and embedded Linux operating system, the control program was compiled by Linux QT, and the software of GPRS remote communication model was designed. ZigBee wireless communication networking technology was used to build the system′s inner network and complete household electrical appliances protocol. The function of smart home system can be realized.
Keywords： smart home; GPRS; communication technology; ZigBee; remote control
收稿日期：2011-08-20
基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(70701017)資助項(xiàng)目
0 引 言
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展以及人們對(duì)生活要求的不斷提高，實(shí)現(xiàn)家庭智能的遠(yuǎn)程監(jiān)控已經(jīng)成為必然的趨勢(shì)。國(guó)家建設(shè)部住宅產(chǎn)業(yè)化促進(jìn)中心提出住宅小區(qū)要實(shí)現(xiàn)六項(xiàng)智能化要求，其中包括實(shí)行安全防范自動(dòng)化監(jiān)控管理：對(duì)住宅的火災(zāi)、有害氣體的泄漏實(shí)行自動(dòng)報(bào)警；防盜報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)安裝紅外或微波等各種類型報(bào)警探測(cè)器；系統(tǒng)應(yīng)能與計(jì)算機(jī)安全綜合管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能對(duì)防盜報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行集中管理和控制[1-2]。隨著GPRS遠(yuǎn)程通信技術(shù)和短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，智能家居的監(jiān)控技術(shù)也逐步成熟[3-4]，GPRS網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)是通信公司推出的一項(xiàng)數(shù)據(jù)傳輸通信業(yè)務(wù)，在GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)，傳輸距離不受限制，通信費(fèi)用相對(duì)低廉，傳輸速率較快。ZigBee短距離無(wú)線通信技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)[5-6]，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。本文解決了家庭智能嵌入式系統(tǒng)、GPRS遠(yuǎn)程通信、ZigBee無(wú)線通信、家電解碼及編碼、家居控制協(xié)議等相關(guān)技術(shù)難點(diǎn)，分析了其各自基本特點(diǎn)和所要實(shí)現(xiàn)的基本功能，并在此基礎(chǔ)上提出了基于Linux嵌入式系統(tǒng)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)及GPRS無(wú)線通信的智能家居系統(tǒng)的總體解決方案。
1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案
智能家居網(wǎng)絡(luò)指的是在一個(gè)家居中建立一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)，將各種家電設(shè)備互相連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有智能家居網(wǎng)絡(luò)上設(shè)備的遠(yuǎn)程使用和控制及任何要求的信息交換，如音樂(lè)、門(mén)窗、電源、電視或數(shù)據(jù)等等[4]。智能家居網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)架包括家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、智能家居控制器以及智能家居網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通信。其中，智能家居控制器是智能家庭網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要組成部分，起到核心的管理、控制和與外部網(wǎng)絡(luò)通信的作用。它是通過(guò)家庭管理平臺(tái)與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的一個(gè)系統(tǒng)，也是連接家庭智能內(nèi)部和外部網(wǎng)絡(luò)的物理接口，完成家庭內(nèi)部同外部通信網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換功能，同時(shí)還負(fù)責(zé)家庭設(shè)備的管理和控制。智能家居控制器一方面需要為家庭內(nèi)部布線提供通信接口，采集家庭設(shè)備的信息，并進(jìn)行處理、自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)；另一方面智能家居控制器作為家庭網(wǎng)關(guān)，也為外部提供網(wǎng)絡(luò)接口，連通家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)，使得用戶可以通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)等方式訪問(wèn)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)視和控制。系統(tǒng)控制方案如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)整體控制框圖
本系統(tǒng)采用三星公司最新推出的ARM11S3C6410控制芯片為核心控制器[7]，完成所有家庭內(nèi)部數(shù)據(jù)的處理，包括數(shù)據(jù)的采集與控制命令的發(fā)出，是整個(gè)智能家居控制的核心，采用Linux 嵌入式系統(tǒng)為家居總中心監(jiān)控系統(tǒng)，能夠自動(dòng)運(yùn)行、處理數(shù)據(jù)，通過(guò)串口管理、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)控制各控制終端，并且中心控制器通過(guò)GPRS模塊實(shí)現(xiàn)家庭系統(tǒng)與手機(jī)的通信，使用戶可以通過(guò)短信方式實(shí)現(xiàn)家庭系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，同時(shí)，控制器還采用10.3寸觸摸屏為用戶提供命令輸入端，采用Linux Qt完成人機(jī)界面的編寫(xiě)，通過(guò)ZigBee無(wú)線通信協(xié)議完成家庭內(nèi)部數(shù)據(jù)的傳輸，方便用戶實(shí)現(xiàn)本地控制。控制終端為單片機(jī)組成的若干小的控制系統(tǒng)控制各家用設(shè)備，并通過(guò)控制總線將這些小的控制系統(tǒng)組成網(wǎng)絡(luò)，連接到智能家居控制器，受智能家居控制器控制。
2 基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和統(tǒng)一家電協(xié)議的家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)
2.1 整體設(shè)計(jì)
整個(gè)智能家居系統(tǒng)全部采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控，以無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為通信平臺(tái)，將家庭的安防系統(tǒng)、門(mén)窗控制系統(tǒng)、家電照明系統(tǒng)和能源計(jì)量系統(tǒng)等這些分立子系統(tǒng)融合成為一個(gè)真正意義上的綜合智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。既可以使用智能手機(jī)或者終端實(shí)現(xiàn)本地集中控制，也可以通過(guò)使用遠(yuǎn)程接入Internet網(wǎng)絡(luò)的智能手機(jī)或計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由分散智能終端層和上端總控制層組成。
上端總控制層主要是以ARM6410中控系統(tǒng)為核心[7]、利用無(wú)線通信結(jié)構(gòu)形成的中控網(wǎng)絡(luò)完成對(duì)各種不同智能終端的管理控制。中控系統(tǒng)配置有觸摸屏方便用戶使用。使用GPRS通信技術(shù)，將家庭內(nèi)部信息及時(shí)與主人手機(jī)終端進(jìn)行通信聯(lián)系，并可以通過(guò)手機(jī)控制上端總控制層，達(dá)到遠(yuǎn)程控制的效果。
分散智能終端層是由具有智能終端特性(即信號(hào)采集處理、輸出控制和數(shù)據(jù)通信功能)的各種不同安防系統(tǒng)、家電控制、家庭照明、家庭安防、溫濕度數(shù)據(jù)采集和通信系統(tǒng)等模塊組成。
智能終端層以AT89C51為核心處理器，使用多個(gè)I/O口進(jìn)行傳感器檢測(cè)陣列的信號(hào)采集，其中包括紅外人體探測(cè)信號(hào)、火警探測(cè)信號(hào)、有毒氣體探測(cè)信號(hào)、門(mén)窗開(kāi)閉信號(hào)等信號(hào)的檢測(cè)；使用紅外發(fā)射芯片IR6721C芯片進(jìn)行家電設(shè)備控制信號(hào)的發(fā)射，可以完成家庭內(nèi)部控制和GPRS遠(yuǎn)程控制；使用通信串口1連接無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸芯片XL02-232AP1，XL02-232AP1是UART接口半雙工無(wú)線傳輸模塊。本文采用了加強(qiáng)型的ZigBee無(wú)線技術(shù)，符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的無(wú)線數(shù)據(jù)通信設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)多設(shè)備間的數(shù)據(jù)透明傳輸;通過(guò)無(wú)線ZigBee進(jìn)行組網(wǎng)通信；無(wú)線功能強(qiáng)大;具備中繼路由和終端設(shè)備功能。單個(gè)終端硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
圖2 終端硬件結(jié)構(gòu)框圖
智能終端與中心控制器通過(guò)基于ZigBee的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)完成通信，傳輸一個(gè)指令的數(shù)據(jù)包由以下幾部分組成：起始編碼bite[0][1]，地址編碼bite[2]，數(shù)據(jù)類型編碼bite[4]，功能編碼bite[5]，效驗(yàn)編碼bite[6]，結(jié)束編碼bite[7]。每個(gè)編碼1個(gè)字節(jié)，發(fā)送數(shù)據(jù)范圍在0~255之間，不同家庭內(nèi)部的起始編碼都是惟一的，防止相互信號(hào)的干擾，每個(gè)接收終端在接收到數(shù)據(jù)后，都進(jìn)行地址碼判斷是否為自己接收的數(shù)據(jù)包，是則接收，否則不接收，接收到數(shù)據(jù)包后，對(duì)數(shù)據(jù)要執(zhí)行的功能進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)正確，則進(jìn)行解碼，并且在解碼成功后通過(guò)ZigBee的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)出一個(gè)確認(rèn)接受碼，中心控制器在接收到確認(rèn)接收碼后停止再次發(fā)生控制指令，否則間隔100 ms再次發(fā)生相同指令，確保整個(gè)ZigBee的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的準(zhǔn)確性和完整性。每個(gè)智能終端在正確接收到中心控制器的控制信號(hào)后，必須根據(jù)信號(hào)完成相應(yīng)家庭內(nèi)部的控制工作，所以家電設(shè)備的控制信號(hào)都是由統(tǒng)一的紅外編碼完成的，不同家電的紅外編碼各不相同，必須進(jìn)行紅外編碼的解碼和重新的編碼，解碼工作利用400 MHz的具有存儲(chǔ)功能的高精度示波器采集完成， 編碼采用AT89C51芯片的兩個(gè)定時(shí)器交互中斷進(jìn)行，中斷程序控制相應(yīng)的I/O口產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的脈沖，脈沖輸出測(cè)試結(jié)果如圖3所示。
圖3 AT89C51產(chǎn)生的紅外解碼脈沖
2.2 GPRS遠(yuǎn)程通信設(shè)計(jì)
以ARM11S3C6410為總控制核心，通過(guò)GPRS進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的發(fā)送與處理，使用6410串口2與GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，可以將家庭內(nèi)部數(shù)據(jù)信息發(fā)送給遠(yuǎn)離房間的主人手機(jī)，并可以通過(guò)主人手機(jī)發(fā)送的控制信息控制房間內(nèi)家電設(shè)備，包含攝像頭的攝像處理、空調(diào)溫度設(shè)置等。GPRS通信模塊安裝在智能家居控制器中，主要功能為通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)連接到Internet網(wǎng)絡(luò)，并主動(dòng)與監(jiān)控中心建立通信鏈路，進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信。GPRS通信模塊設(shè)計(jì)采用了Freescale公司生產(chǎn)的內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議的G24GPRSOEM[8]。該模塊尺寸小，功耗低，便于集成。GPRS通信終端收發(fā)模塊主要由G24模塊、天線、SIM卡、相關(guān)的電平轉(zhuǎn)換電路和RS 232串口組成。其供電電壓為5 V，可采用USB端口供電；通過(guò)RS 232串行口與智能家居控制器ARM進(jìn)行通信。G24收發(fā)模塊采用AT指令操作，通過(guò)RS 232串行口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
GPRS網(wǎng)絡(luò)通信原理如下：首先通過(guò)SGSN節(jié)點(diǎn)使通信終端模塊附在GPRS網(wǎng)絡(luò)上；然后通過(guò)GGSN節(jié)點(diǎn)由PPP(Point to Point Protocol)協(xié)議獲得一個(gè)隨機(jī)分配的IP地址，連接到Internet上；最后通信終端模塊通過(guò)Internet，按照監(jiān)控中心設(shè)定的端口號(hào)與監(jiān)控中心建立通信鏈路。
2.3 系統(tǒng)軟件
系統(tǒng)采用Linux操作系統(tǒng)[9]，Linux內(nèi)核是一種源碼開(kāi)放的操作系統(tǒng)，采用模塊化的設(shè)計(jì)。在此只保留了必需的功能模塊，刪除了冗余的功能模塊，并對(duì)內(nèi)核重新編譯，從而使系統(tǒng)運(yùn)行所需的硬件資源顯著減少[10]。Linux系統(tǒng)內(nèi)核集成了大量的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，支持全部的標(biāo)準(zhǔn)因特網(wǎng)協(xié)議和幾乎所有的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，因此將其應(yīng)用于智能家居控制器的設(shè)計(jì)，具有代碼量小、運(yùn)行消耗系統(tǒng)資源少、可靠性高、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)智能家庭數(shù)據(jù)采集控制器對(duì)于操作系統(tǒng)的要求。Qt作為一種跨平臺(tái)的基于C++的GUI系統(tǒng)，能夠提供給用戶構(gòu)造圖形用戶界面的強(qiáng)大功能。本文選用移植性強(qiáng)的Qt軟件設(shè)計(jì)圖形用戶界面，所設(shè)計(jì)的GUI實(shí)用、簡(jiǎn)潔、實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互，可通過(guò)鍵盤(pán)或面板對(duì)程序進(jìn)行輸入、保存、修改和編譯，信息和臨時(shí)信息及時(shí)輸出、顯示，通過(guò)GUI達(dá)到了整合系統(tǒng)的目的。在Qt系統(tǒng)中，不僅有著構(gòu)造完善的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且為了滿足用戶對(duì)編寫(xiě)圖形用戶界面應(yīng)用的種種需求，還創(chuàng)建了許多新的系統(tǒng)機(jī)制，其中Qt所特有的內(nèi)部進(jìn)程通信機(jī)制具有獨(dú)特的反應(yīng)速度，本文采用的Qt應(yīng)用進(jìn)程之間通信機(jī)制是Signal-Slot機(jī)制和FIFO機(jī)制。Linux系統(tǒng)不斷偵查本地GUI消息，任何一個(gè)Qt消息被觸發(fā)，系統(tǒng)都會(huì)立即執(zhí)行相應(yīng)程序，提高了整個(gè)系統(tǒng)的反應(yīng)速度和穩(wěn)定性，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。
圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程
3 結(jié) 語(yǔ)
整套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分利用了ARM11S3C6410的硬件功能和處理速度，成功移植了以S3C6410為硬件核心的Linux嵌入式系統(tǒng)，并完成了基于Linux Qt的控制程序的開(kāi)發(fā)，解決了多項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)，其中包括構(gòu)建基于ZigBee通信協(xié)議的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、基于AT89C51的統(tǒng)一家電控制協(xié)議、基于S3C6410的GPRS遠(yuǎn)程通信、家電控制的直接解碼與編碼等，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品的控制結(jié)果效果令人滿意，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的先進(jìn)性、穩(wěn)定性和實(shí)用性，具有廣泛的推廣和應(yīng)用價(jià)值。
參 考 文 獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介：
羅正軍 男，1972年出生，湖北天門(mén)人，博士研究生，講師。主要研究方向?yàn)槠髽I(yè)信息化、數(shù)據(jù)分析與知識(shí)管理、系統(tǒng)仿真。
