隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展以及人們對生活要求的不斷提高，實(shí)現家庭智能的遠程監控已經(jīng)成為必然的趨勢。國家建設部住宅產(chǎn)業(yè)化促進(jìn)中心提出住宅小區要實(shí)現六項智能化要求，其中包括實(shí)行安全防范自動(dòng)化監控管理：對住宅的火災、有害氣體的泄漏實(shí)行自動(dòng)報警；防盜報警系統應安裝紅外或微波等各種類(lèi)型報警探測器；系統應能與計算機安全綜合管理系統聯(lián)網(wǎng)；計算機系統能對防盜報警系統進(jìn)行集中管理和控制。隨著(zhù)GPRS遠程通信技術(shù)和短距離無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，智能家居的監控技術(shù)也逐步成熟。GPRS網(wǎng)絡(luò )通信業(yè)務(wù)是通信公司推出的一項數據傳輸通信業(yè)務(wù)，在GPRS網(wǎng)絡(luò )覆蓋區域內，傳輸距離不受限制，通信費用相對低廉，傳輸速率較快。Zig-Bee短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進(jìn)行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時(shí)間數據傳輸的應用。本文解決了家庭智能嵌入式系統、GPRS遠程通信、ZigBee無(wú)線(xiàn)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)現的基本功能，并在此基礎上提出了基于Linux嵌入式系統和ZigBee網(wǎng)絡(luò )及GPRS無(wú)線(xiàn)通信的智能家居系統的總體解決方案。

　　

　　

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 )，將各種家電設備互相連接起來(lái)，實(shí)現對所有智能家居網(wǎng)絡(luò )上設備的遠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、電視或數據等等。智能家居網(wǎng)絡(luò )的構架包括家庭內部網(wǎng)絡(luò )系統、智能家居控制器以及智能家居網(wǎng)絡(luò )與外部網(wǎng)絡(luò )之間的數據通信。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)家庭管理平臺與家居生活有關(guān)的各種子系統有機結合的一個(gè)系統，也是連接家庭智能內部和外部網(wǎng)絡(luò )的物理接口，完成家庭內部同外部通信網(wǎng)絡(luò )之間的數據交換功能，同時(shí)還負責家庭設備的管理和控制。智能家居控制器一方面需要為家庭內部布線(xiàn)提供通信接口，采集家庭設備的信息，并進(jìn)行處理、自動(dòng)控制和調節；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，連通家庭內部網(wǎng)絡(luò )和外部網(wǎng)絡(luò )，使得用戶(hù)可以通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )等方式訪(fǎng)問(wèn)家庭內部網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現監視和控制。系統控制方案如圖1所示。

　　

圖1 系統整體控制框圖

　　

本系統采用三星公司最新推出的ARM11S3C6410控制芯片為核心控制器，完成所有家庭內部數據的處理，包括數據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嵌入式系統為家居總中心監控系統，能夠自動(dòng)運行、處理數據，通過(guò)串口管理、無(wú)線(xiàn)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)現家庭系統與手機的通信，使用戶(hù)可以通過(guò)短信方式實(shí)現家庭系統的遠程控制，同時(shí)，控制器還采用10.3寸觸摸屏為用戶(hù)提供命令輸入端，采用Linux Qt完成人機界面的編寫(xiě)，通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議完成家庭內部數據的傳輸，方便用戶(hù)實(shí)現本地控制?？刂平K端為單片機組成的若干小的控制系統控制各家用設備，并通過(guò)控制總線(xiàn)將這些小的控制系統組成網(wǎng)絡(luò )，連接到智能家居控制器，受智能家居控制器控制。

　　

整個(gè)智能家居系統全部采用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據傳輸和監控，以無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)為通信平臺，將家庭的安防系統、門(mén)窗控制系統、家電照明系統和能源計量系統等這些分立子系統融合成為一個(gè)真正意義上的綜合智能家居網(wǎng)絡(luò )系統。既可以使用智能手機或者終端實(shí)現本地集中控制，也可以通過(guò)使用遠程接入Internet網(wǎng)絡(luò )的智能手機或計算機實(shí)現遠程監控。智能家居網(wǎng)絡(luò )系統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中控系統為核心、利用無(wú)線(xiàn)通信結構形成的中控網(wǎng)絡(luò )完成對各種不同智能終端的管理控制。中控系統配置有觸摸屏方便用戶(hù)使用。使用GPRS通信技術(shù)，將家庭內部信息及時(shí)與主人手機終端進(jìn)行通信聯(lián)系，并可以通過(guò)手機控制上端總控制層，達到遠程控制的效果。

　　

分散智能終端層是由具有智能終端特性（即信號采集處理、輸出控制和數據通信功能）的各種不同安防系統、家電控制、家庭照明、家庭安防、溫濕度數據采集和通信系統等模塊組成。

　　

智能終端層以AT89C51為核心處理器，使用多個(gè)I/O口進(jìn)行傳感器檢測陣列的信號采集，其中包括紅外人體探測信號、火警探測信號、有毒氣體探測信號、門(mén)窗開(kāi)閉信號等信號的檢測；使用紅外發(fā)射芯片IR6721C芯片進(jìn)行家電設備控制信號的發(fā)射，可以完成家庭內部控制和GPRS遠程控制；使用通信串口1連接無(wú)線(xiàn)數據傳輸芯片XL02-232AP1，XL02-232AP1是UART 接口半雙工無(wú)線(xiàn)傳輸模塊。本文采用了加強型的ZigBee無(wú)線(xiàn)技術(shù)，符合工業(yè)標準應用的無(wú)線(xiàn)數據通信設備，可實(shí)現多設備間的數據透明傳輸；通過(guò)無(wú)線(xiàn)ZigBee進(jìn)行組網(wǎng)通信；無(wú)線(xiàn)功能強大；具備中繼路由和終端設備功能。單個(gè)終端硬件結構框圖如圖2所示。

　　

圖2 終端硬件結構框圖

　　

智能終端與中心控制器通過(guò)基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )完成通信，傳輸一個(gè)指令的數據包由以下幾部分組成：起始編碼bite［0］［1］，地址編碼bite［2］，數據類(lèi)型編碼bite［4］，功能編碼bite［5］，效驗編碼bite［6］，結束編碼bite［7］。每個(gè)編碼1個(gè)字節，發(fā)送數據范圍在0~255之間，不同家庭內部的起始編碼都是惟一的，防止相互信號的干擾，每個(gè)接收終端在接收到數據后，都進(jìn)行地址碼判斷是否為自己接收的數據包，是則接收，否則不接收，接收到數據包后，對數據要執行的功能進(jìn)行校驗，校驗正確，則進(jìn)行解碼，并且在解碼成功后通過(guò)ZigBee的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )發(fā)出一個(gè)確認接受碼，中心控制器在接收到確認接收碼后停止再次發(fā)生控制指令，否則間隔100ms再次發(fā)生相同指令，確保整個(gè)ZigBee的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )數據通信的準確性和完整性。每個(gè)智能終端在正確接收到中心控制器的控制信號后，必須根據信號完成相應家庭內部的控制工作，所以家電設備的控制信號都是由統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400MHz的具有存儲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，中斷程序控制相應的I/O口產(chǎn)生對應的脈沖，脈沖輸出測試結果如圖3所示。

　　

圖3 AT89C51產(chǎn)生的紅外解碼脈沖

 

　　

以ARM11S3C6410為總控制核心，通過(guò)GPRS進(jìn)行遠程數據的發(fā)送與處理，使用6410串口2與GPRS進(jìn)行數據通信，可以將家庭內部數據信息發(fā)送給遠離房間的主人手機，并可以通過(guò)主人手機發(fā)送的控制信息控制房間內家電設備，包含攝像頭的攝像處理、空調溫度設置等。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)與監控中心建立通信鏈路，進(jìn)行雙向數據通信。GPRS通信模塊設計采用了Freescale公司生產(chǎn)的內嵌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(xiàn)、SIM 卡、相關(guān)的電平轉換電路和RS 232串口組成。其供電電壓為5V，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)行數據通信。

　　

GPRS網(wǎng)絡(luò )通信原理如下：首先通過(guò)SGSN節點(diǎn)使通信終端模塊附在GPRS網(wǎng)絡(luò )上；然后通過(guò)GGSN 節點(diǎn)由PPP（Point to Point Protocol）協(xié)議獲得一個(gè)隨機分配的IP地址，連接到Internet上；最后通信終端模塊通過(guò)Internet，按照監控中心設定的端口號與監控中心建立通信鏈路。

　　

　　

系統采用Linux操作系統，Linux內核是一種源碼開(kāi)放的操作系統，采用模塊化的設計。在此只保留了必需的功能模塊，刪除了冗余的功能模塊，并對內核重新編譯，從而使系統運行所需的硬件資源顯著(zhù)減少。

　　

Linux系統內核集成了大量的網(wǎng)絡(luò )應用程序，支持全部的標準因特網(wǎng)協(xié)議和幾乎所有的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，因此將其應用于智能家居控制器的設計，具有代碼量小、運行消耗系統資源少、可靠性高、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，適應智能家庭數據采集控制器對于操作系統的要求。Qt作為一種跨平臺的基于C++ 的GUI系統，能夠提供給用戶(hù)構造圖形用戶(hù)界面的強大功能。本文選用移植性強的Qt軟件設計圖形用戶(hù)界面，所設計的GUI實(shí)用、簡(jiǎn)潔、實(shí)現了人機交互，可通過(guò)鍵盤(pán)或面板對程序進(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達到了整合系統的目的。在Qt系統中，不僅有著(zhù)構造完善的系統結構，而且為了滿(mǎn)足用戶(hù)對編寫(xiě)圖形用戶(hù)界面應用的種種需求，還創(chuàng )建了許多新的系統機制，其中Qt所特有的內部進(jìn)程通信機制具有獨特的反應速度，本文采用的Qt應用進(jìn)程之間通信機制是Signal-Slot機制和FIFO 機制。Linux 系統不斷偵查本地GUI消息，任何一個(gè)Qt消息被觸發(fā)，系統都會(huì )立即執行相應程序，提高了整個(gè)系統的反應速度和穩定性，系統軟件設計流程如圖4所示。

　　

圖4 系統軟件設計流程

　　

　　

整套系統的設計充分利用了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，并完成了基于Linux Qt的控制程序的開(kāi)發(fā)，解決了多項技術(shù)難點(diǎn)，其中包括構建基于ZigBee通信協(xié)議的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、基于A(yíng)T89C51的統一家電控制協(xié)議、基于S3C6410的GPRS遠程通信、家電控制的直接解碼與編碼等，實(shí)驗產(chǎn)品的控制結果效果令人滿(mǎn)意，驗證了該系統的先進(jìn)性、穩定性和實(shí)用性，具有廣泛的推廣和應用價(jià)值。

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