浙江廣播電視大學(xué)學(xué)習(xí)資源建設(shè)中心 楊 堤

1.引言

2009年1月，IBM公司提出了“智慧地球”的理念；2009年8月，溫家寶總理在中科院無錫高新微納傳感網(wǎng)工程技術(shù)研發(fā)中心考察時(shí)，提出了“感知中國”的目標(biāo)[1]。物聯(lián)網(wǎng)是以感知為核心的物物互聯(lián)，從技術(shù)角度又稱為傳感網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)將成為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和通信網(wǎng)絡(luò)之后的信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮[2]。

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，世界迎來了信息化時(shí)代。現(xiàn)如今，可以把信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來應(yīng)用于建筑及住宅，于是出現(xiàn)了智能建筑及住宅。

2.智能家居的概述

智能家居概念的起源很早，但一直未有具體的建筑案例出現(xiàn)，直到1984年美國聯(lián)合科技公司(United Techno1ogies Building System)將建筑設(shè)備信息化、整合化概念應(yīng)用于美國康乃迪克州(Conneticut)哈特佛市(Hartford)的City Place Building時(shí)，才出現(xiàn)了首棟的“智能型建筑”，從此揭開了全世界爭相建造智能家居的序幕[3]。

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，尤其是無線網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)和發(fā)展，智能家居逐步進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代。它能提供照明控制、遠(yuǎn)程家電控制、安防報(bào)警、室內(nèi)外遙控、自動(dòng)窗簾、可編程定時(shí)控制等多種功能和手段，使人們的生活更加安全、舒適和便捷。

3.系統(tǒng)總體方案

3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及主要功能

系統(tǒng)主要由家庭智能控制模塊、圖像處理單元、ARM中央控制平臺(tái)、Zigbee無線傳輸模塊[4]、GPRS無線通信模塊和因特網(wǎng)通信等部分組成，其總體結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

其中家庭智能控制模塊主要包括智能安防報(bào)警模塊、智能照明控制模塊及空調(diào)遠(yuǎn)程控制模塊。各控制模塊通過Zigbee模塊與ARM中央控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)連接，組成一個(gè)星形家庭智能控制網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，ARM中央控制平臺(tái)可連接一個(gè)USB攝像頭，實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控[5]。ARM中央控制平臺(tái)通過GPRS和因特網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與外部的連接，用戶出門在外也可以隨時(shí)隨地的通過互聯(lián)網(wǎng)或者手機(jī)對(duì)智能家居進(jìn)行控制。

3.2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

中央控制器采用了ARM920T S3C2400作為主控芯片，S3C2400內(nèi)部集成的TFT/STN LCD觸摸屏控制器主要用于傳輸顯示數(shù)據(jù)和產(chǎn)生控制信號(hào)，支持屏幕水平和垂直滾動(dòng)顯示。該LCD接口利用S3C2440內(nèi)部集成的LCD控制器，可直接和大多數(shù)TFT液晶顯示屏直接相連，通過IIC接口利用IIC總線可以控制液晶顯示屏的背光、對(duì)比度等，從而實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交換界面的建立[6]。

Flash存儲(chǔ)芯片可通過接口總線直接與S3C2400相連，用戶可以在其內(nèi)部存放系統(tǒng)啟動(dòng)代碼、根文件系統(tǒng)及內(nèi)核代碼，從而形成隨機(jī)存儲(chǔ)器，用戶可在Flash上執(zhí)行啟動(dòng)代碼，在SDRAM上執(zhí)行主程序。系統(tǒng)硬件電路框圖中與中央控制器相連的CC2430芯片為Zigbee無線傳輸芯片，負(fù)責(zé)傳感器節(jié)點(diǎn)、控制器終端節(jié)點(diǎn)以及中央控制器的各種數(shù)據(jù)信息的接收和傳輸。

3.3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

系統(tǒng)主程序主要運(yùn)用C語言編寫，結(jié)合一些主要函數(shù)來實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊對(duì)應(yīng)的功能，如系統(tǒng)主程序的初始化、系統(tǒng)設(shè)置等。主程序主要由各子程序組成，包括Zigbee無線通信程序、GPRS無線通信程序、各終端模塊控制程序等[7]。系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。

4.各部分功能及構(gòu)成

4.1 智能安防報(bào)警模塊

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)框圖

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖

此模塊的作用是通過煙霧傳感器對(duì)室內(nèi)氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，若有異常則向中央控制器CC2430發(fā)送數(shù)據(jù)信息，以短信的形式向用戶手機(jī)發(fā)送警報(bào)，從而起到安防的作用[8]。

煙霧傳感器可以有效地檢測環(huán)境中可燃?xì)怏w或有毒氣體的濃度，對(duì)家居中的安全隱患進(jìn)行檢測，從而防止火災(zāi)或事故的發(fā)生。針對(duì)家用可燃性氣體如液化氣或天然氣等氣體的檢測，選擇采用TGS813氣敏傳感器，TGS813傳感器外觀如圖4所示。

圖4 TGS813氣敏傳感器

4.2 智能照明控制模塊

照明控制器采用AT89C51單片機(jī)做為控制芯片，與CC2430采用串口異步通信的方式進(jìn)行信息的傳遞。模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 照明控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

此部分主要由延時(shí)選擇電路、光照檢測電路、熱釋電傳感器及處理電路、單片機(jī)系統(tǒng)和輸出控制電路組成。工作時(shí)，光照檢測電路和熱釋電紅外線傳感器采集光照強(qiáng)弱、室內(nèi)是否有人等信息傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，單片機(jī)根據(jù)信息通過輸出控制電路對(duì)照明設(shè)備進(jìn)行開關(guān)操作，從而實(shí)現(xiàn)智能照明控制，達(dá)到節(jié)能的目的。并且，和空調(diào)控制器類似，本模塊中Zigbee通信模塊CC2430收發(fā)模塊終端通過串口通信方式與照明系統(tǒng)控制器相連，從而用戶用手機(jī)即可控制照明控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各種控制命令[9]。

照明控制模塊選擇AT89C51單片機(jī)作為終端控制，其系統(tǒng)硬件電路如圖6所示。當(dāng)外界環(huán)境光照強(qiáng)時(shí)，光敏電阻R13阻值較小則A點(diǎn)電平較低；當(dāng)外界環(huán)境光照弱時(shí)，光敏電阻R13阻值較大，則A點(diǎn)電平較高，將此電平送到單片機(jī)，由程序控制是否實(shí)現(xiàn)照明。

圖6 照明控制系統(tǒng)硬件電路圖

4.3 空調(diào)遠(yuǎn)程控制模塊

此模塊設(shè)計(jì)使用Zigbee通信模塊CC2430通過串口通信方式與空調(diào)控制器相連，從而用戶可以直接用手機(jī)即可控制空調(diào)主機(jī)實(shí)現(xiàn)各種控制。例如，在炎熱的夏季，在回家之前提前半小時(shí)用手機(jī)遙控開啟空調(diào)系統(tǒng)，使得到家后室溫涼爽。

在當(dāng)今空調(diào)品牌中，大部分都采用的HBS總線，因?yàn)橐话愕闹悄芗揖涌刂葡到y(tǒng)和HBS總線不兼容，所以想把空調(diào)加入到智能家居控制系統(tǒng)中需要通過單片機(jī)和HBS通信模塊MM1192芯片連接從而實(shí)現(xiàn)智能家居對(duì)空調(diào)的控制[10]。

MM1192是由日本的MITSUMIG公司研發(fā)的專為HBS總線控制模塊設(shè)計(jì)的一種解碼譯碼芯片，其自身帶有編碼和解碼電路，可與單片機(jī)直接相連。在設(shè)計(jì)單片機(jī)I/O控制口時(shí)，令P1口作為各種控制按鍵的控制口，不同的按鍵對(duì)應(yīng)不同的控制功能，具體分為：開機(jī)、高溫、低溫、除濕、送風(fēng)、制冷、加熱、關(guān)機(jī)。控制狀態(tài)的顯示輸出可利用P2口進(jìn)行連接，當(dāng)前的命令也可通過八個(gè)不同的LED發(fā)光二級(jí)管顯示。

5.小結(jié)

使用ARM S3C2440和ARM-Linux系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)的中央控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居各種信息的檢測和控制；利用無線短距離Zigbee通信模塊建立家庭內(nèi)部局域網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)中央控制平臺(tái)與各職能控制器終端的無線通信；利用GPRS模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)職能家居的遠(yuǎn)程監(jiān)控，使用戶無論何時(shí)何地都能通過手機(jī)了解家中的情況，并且對(duì)家電設(shè)備進(jìn)行控制。

[1]田景熙.物聯(lián)網(wǎng)概論[M].南京：東南大學(xué)出版社,2010.

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[3]程秀華,繆希仁,謝禮龍.數(shù)字家居智能系統(tǒng)控制技術(shù)[J].低壓電器,2007(4)：30-32.

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[5]閆哲,杜濤,左海利.智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化技術(shù)及應(yīng)用,2010,29(2)：93～96,98.

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