陳榮軍,羅文聰,鄭林彬,許嘉龍

（1.中山大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,廣東 廣州 510006；2.中山大學(xué) 南方學(xué)院,廣東 廣州 510970）

在當(dāng)今以計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信為特征的信息社會(huì)，人們對(duì)家居設(shè)施的要求越來(lái)越高，“智能家居”和“物聯(lián)網(wǎng)”成為研究熱點(diǎn)[1-4]。在現(xiàn)代化高檔小區(qū)中，人們?cè)絹?lái)越重視居住環(huán)境的安全監(jiān)控，尤其希望對(duì)危及生命財(cái)產(chǎn)安全(如火災(zāi)、煤氣泄漏、外人非法入侵等情況)的有效監(jiān)控,并能及時(shí)將異常情況告知戶主或相關(guān)的機(jī)構(gòu)。隨著手機(jī)、掌上電腦等設(shè)備的普及,通過(guò)GSM/GPRS、無(wú)線WLAN、3G、WiFi等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不斷推進(jìn)監(jiān)控家居技術(shù)的革新,目前國(guó)內(nèi)外一些企業(yè)也已開(kāi)始研究智能家居相關(guān)產(chǎn)品，但主要集中在價(jià)格比較高的高端產(chǎn)品，很難使智能家居進(jìn)入尋常百姓家。

本文設(shè)計(jì)了PXA270和nRF24L01的無(wú)線物聯(lián)智能家居控制系統(tǒng)，為家居智能監(jiān)控技術(shù)發(fā)展提供了一個(gè)很好的應(yīng)用方案。設(shè)計(jì)基于nRF24L01和STC89C52的家居無(wú)線終端，可以方便地將原有家居設(shè)備匯聚到智能家居系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行無(wú)線控制。采用高低端控制器，實(shí)現(xiàn)無(wú)線遙控、嵌入式系統(tǒng)、手機(jī)遠(yuǎn)程、PC遠(yuǎn)程分級(jí)的獨(dú)立控制，便于實(shí)際應(yīng)用，可以滿足各類客戶需求，有著很好的技術(shù)推廣與市場(chǎng)應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，嵌入式系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)控制在實(shí)現(xiàn)家居設(shè)備獨(dú)立控制的同時(shí)也將各家居信息傳輸給嵌入式系統(tǒng)，通過(guò)操作觸摸屏和視頻模塊即可完成對(duì)家居的監(jiān)控。系統(tǒng)接入Internet,在PC機(jī)上登錄家居監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，系統(tǒng)帶有移動(dòng)通信模塊，可實(shí)現(xiàn)手機(jī)端的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 嵌入式控制模塊

基于ARMv5E的Xscale核心,嵌入式核心采用的PXA270芯片最高頻率可達(dá)624 MHz，外圍控制器眾多。內(nèi)置了Intel的無(wú)線MMX技術(shù)，能夠顯著地提升多媒體性能，此外PXA270也包含了 Intel的SpeedStep技術(shù)，能夠根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)節(jié)CPU的性能，真正實(shí)現(xiàn)了低功耗，高性能[5]。嵌入式外圍電路采用EELiod270開(kāi)發(fā)平臺(tái)，其中包括 CPU、Flash、SDRAM、CPLD核心系統(tǒng)部分和外圍接口。

2.2 無(wú)線網(wǎng)路控制

通?？刂凭W(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方案分為有線傳輸和無(wú)線傳輸兩種。有線傳輸方式依靠電纜連接，優(yōu)點(diǎn)是連接穩(wěn)定，信息交換速率和效率高，但需專用線纜，導(dǎo)致安裝維護(hù)成本高。在無(wú)線傳輸?shù)姆绞街校?15 MHz、藍(lán)牙技術(shù)和ZigBee技術(shù)。315 MHz頻段通信易受干擾,造成藍(lán)牙技術(shù)和ZigBee技術(shù)成本高，且協(xié)議開(kāi)銷大。綜合考慮以上因素,本設(shè)計(jì)采用nRF24L01芯片提供數(shù)據(jù)交互以組建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。nRF24L01是挪威NORDIC公司的2.4 GHz無(wú)線收發(fā)一體芯片,有多達(dá)125個(gè)頻道可供選擇，支持1 Mb/s和2 Mb/s傳輸速率[6]。此芯片可通過(guò)SPI寫入數(shù)據(jù),并有自動(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)再發(fā)射功能,芯片功耗非常低,多種低功率工作模式使節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。

基于nRF24L01芯片與STC89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制中的無(wú)線終端，通過(guò)設(shè)置好的協(xié)議進(jìn)行無(wú)線操作。如圖2所示，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制主模塊通過(guò)無(wú)線終端與監(jiān)控家居設(shè)備（窗簾、窗體、門禁、安防檢測(cè)、家用電器、備用插座等）、家居設(shè)備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、報(bào)警等物理信息及無(wú)線終端傳送給無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制主模塊。同時(shí)，系統(tǒng)也可通過(guò)無(wú)線遙控或PXA270平臺(tái)上的觸屏方便、快捷地操作家居設(shè)備工作。

2.3 安防傳感器檢測(cè)設(shè)計(jì)

如圖3所示，煙霧、煤氣泄漏、紅外等傳感器的報(bào)警信號(hào)通過(guò)光電耦合接入無(wú)線終端上STC89C52的P2口。傳感器沒(méi)有報(bào)警信號(hào)時(shí)，光電耦合芯片處于截止?fàn)顟B(tài)，與之相接的單片機(jī)端口為低電平；傳感器有報(bào)警信號(hào)時(shí)，輸出高電平，此時(shí),光電耦合芯片導(dǎo)通。與之相接的單片機(jī)端口為高電平，由STC89C52對(duì)報(bào)警信號(hào)進(jìn)行采集并做出相應(yīng)處理，通過(guò)nRF24L01無(wú)線終端將設(shè)定好的信號(hào)發(fā)送到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)總控制器。

2.4 移動(dòng)通信和視頻監(jiān)控

移動(dòng)通信模塊可以選用最新的3G模塊，但考慮目前市場(chǎng)上的3G模塊都只能支持TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000之一的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，而且價(jià)格比較高，本系統(tǒng)從性價(jià)比上考慮選擇GSM模塊，采用西門子MC35 GSM/GPRS無(wú)線模塊。該模塊支持EGSM900和GSM1800雙頻，支持?jǐn)?shù)字、語(yǔ)音、短消息和傳真，使用AT指令控制發(fā)送短消息。并采用9 V直流電源供電，通過(guò)RS-232串行端口與EELiod270平臺(tái)連接進(jìn)行通信。

視頻采集模塊采用基于中星微(Vimicro)公司ZC0301P芯片的攝像頭，硬件最高支持VGA分辨率（640×480），支持ISO/IEC 10918-1(JPEG)標(biāo)準(zhǔn)圖像壓縮。在VGA模式下速率可達(dá)15 F/s，在CIF（352×288）和SIF(320×240)模式下速率可達(dá)30F/s,并通過(guò)USB接口連接到EELiod270平臺(tái)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 客戶端軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的客戶端選用Linux下的開(kāi)發(fā)工具QT，客戶端主要功能包括GSM、視頻、嵌入式平臺(tái)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制通信及各類終端控制。

3.1.1 GSM模塊設(shè)計(jì)

GSM控制模塊實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程安全監(jiān)控家電設(shè)備和自動(dòng)報(bào)警的功能。系統(tǒng)采用定時(shí)器方式讀取串口內(nèi)容。本系統(tǒng)在PXA270平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了煙霧紅外傳感器的報(bào)警信息和視頻數(shù)據(jù)的采集，借助于GSM網(wǎng)絡(luò)，基本達(dá)到了遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。結(jié)合有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，也可以將相關(guān)數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器端進(jìn)行處理，充分發(fā)揮智能家居系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。

3.1.2 視頻模塊設(shè)計(jì)

本視頻功能是為了方便用戶和服務(wù)器端的監(jiān)視。視頻的顯示與傳輸時(shí)以圖像為主，即拍攝某一瞬間的畫面進(jìn)行顯示，通過(guò)瞬間的一幅幅畫面來(lái)實(shí)現(xiàn)視頻功能。

3.1.3 嵌入式平臺(tái)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制通信設(shè)計(jì)

嵌入式平臺(tái)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制通信實(shí)現(xiàn)了客戶端對(duì)底層的無(wú)線終端控制以及對(duì)部分反饋信息進(jìn)行處理。設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示，其中報(bào)警信息是以"#$#"為標(biāo)示，如果檢測(cè)到"#$#1"信號(hào)則表明紅外警報(bào)被觸發(fā)；"#$#2"表明煙霧警報(bào)被觸發(fā)；"#$#3"表明煤氣警報(bào)被觸發(fā)；當(dāng)有警報(bào)被觸發(fā)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)短信自動(dòng)報(bào)警。各家電設(shè)備的狀態(tài)信息是以"#&"作為起始標(biāo)志，"！"作為結(jié)束標(biāo)記，設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮到安全穩(wěn)定問(wèn)題。

圖4 嵌入式平臺(tái)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制通信流程圖

3.2 服務(wù)器端軟件

本服務(wù)端程序基于Redhat 9.0的QT軟件平臺(tái)下開(kāi)發(fā),通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)將EELiod270平臺(tái)的視頻和所有設(shè)備的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫^(qū)的監(jiān)控服務(wù)端，并將所有的狀態(tài)信息保存到日志文件中。

服務(wù)器端接收的數(shù)據(jù)主要為所有設(shè)備和傳感器的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)以及視頻數(shù)據(jù)，在接收時(shí)利用信息頭加以區(qū)分。對(duì)于狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)內(nèi)容較小，在接收過(guò)程中不存在網(wǎng)絡(luò)阻塞而丟數(shù)據(jù)包的情況。但是對(duì)于視頻數(shù)據(jù)而言，由于視頻數(shù)據(jù)較大，在接收過(guò)程中由于網(wǎng)絡(luò)阻塞而丟失數(shù)據(jù)包，最終導(dǎo)致視頻無(wú)法恢復(fù)。因此在視頻數(shù)據(jù)接收過(guò)程中采用分塊接收的方法，即將需要傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)分成n個(gè)數(shù)據(jù)塊，每個(gè)數(shù)據(jù)塊的傳輸進(jìn)行通信握手，當(dāng)一塊數(shù)據(jù)完全傳輸?shù)椒?wù)器后，向客戶端回送握手信號(hào)，客戶端再發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)。當(dāng)一幀視頻傳輸完畢后，再將視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行合成。服務(wù)器端界面如圖5所示，服務(wù)器端最主要的是接收來(lái)自客戶端的信息，并對(duì)其進(jìn)行處理。

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 嵌入式系統(tǒng)調(diào)試環(huán)境

本系統(tǒng)的調(diào)試環(huán)境是：

PC主機(jī)：CPU：AMD ALTHLON(速龍)1 G;內(nèi)存：1GB;操作系統(tǒng)：Red Hat Linux 9.0操作系統(tǒng);內(nèi)核版本：2.4.20;開(kāi)發(fā)平臺(tái)：EELiod PXA270;SDRAM：64 MB;Flash：32 MB;嵌入式 Linux內(nèi)核版本：2.4.21;本地編譯工具：gcc，g++;交叉編譯工具：arm-linux-gcc、arm-linux-g++。

4.2 系統(tǒng)整體測(cè)試

測(cè)試方法：分別用手機(jī)、ARM人機(jī)交互系統(tǒng)及遙控系統(tǒng)，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制各個(gè)功能模塊的工作,從而達(dá)到對(duì)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性及各個(gè)功能穩(wěn)定性的檢查。圖6所示為PC監(jiān)控軟件測(cè)試結(jié)果達(dá)到預(yù)期穩(wěn)定效果界面。

本系統(tǒng)從智能化家居的理念出發(fā)，利用無(wú)線芯片、嵌入式與單片機(jī)及移動(dòng)通信等技術(shù)控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)家居設(shè)備物理狀態(tài)、安防檢測(cè)、視頻信息的智能化控制。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，系統(tǒng)工作可靠，設(shè)計(jì)的家居無(wú)線終端能方便匯聚家居設(shè)備到系統(tǒng)無(wú)線控制網(wǎng)絡(luò)；采用高低端控制器實(shí)現(xiàn)無(wú)線遙控、嵌入式系統(tǒng)、手機(jī)遠(yuǎn)程及PC遠(yuǎn)程分級(jí)獨(dú)立控制，便于實(shí)際應(yīng)用，滿足了各類客戶需求，有很好的技術(shù)推廣與市場(chǎng)應(yīng)用前景。

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