長春理工大學電子信息工程學院 樊 斌 尹高峰

?

三網(wǎng)協(xié)同智能家居系統(tǒng)研究與設計

長春理工大學電子信息工程學院 樊 斌 尹高峰

【摘要】本文采用嵌入式技術，開發(fā)了基于無線傳感網(wǎng)絡、3G手機網(wǎng)絡、Internet網(wǎng)絡的“三網(wǎng)”協(xié)同的智能家居系統(tǒng)，可以做到分別使用室內無線傳感網(wǎng)絡終端、3G手機終端及Internet網(wǎng)絡終端。智能家居系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件上將系統(tǒng)劃分為三個相互獨立的家庭主控模塊、WSN模塊和WSN終端模塊，家庭主控系統(tǒng)的控制器采用控制器芯片為S5PV210的ARM。軟件上移植了安卓系統(tǒng)，開發(fā)基于安卓平臺的家庭主控APP軟件以及基于Windows平臺的PC端軟件。

【關鍵詞】智能家居；無線傳感網(wǎng)；Internet網(wǎng)絡；3G網(wǎng)絡

0 緒論

智能家居是近幾年來的一個新興概念，有非常高的研究利用價值。目前國內的各種智能化產品較多，但各個產品之間都是相互獨立的，集成度較低，而且市場上使用安卓操作系統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)還很少，現(xiàn)在，安卓已經成為個人電子產品的主要系統(tǒng)。本文就依據(jù)智能家居的核心概念，結合安卓系統(tǒng)和Zigbee技術，統(tǒng)籌了各種設備模塊和控制器之間的通信，優(yōu)化人機交互界面，實現(xiàn)了超強的功能與用戶體驗[1]。

1 智能家居系統(tǒng)總體架構設計

系統(tǒng)主要由主控制器、Zigbee模塊、GSM/GPRS模塊、網(wǎng)絡服務器、客戶端這五部分構成。主控制器以cpu型號為S5PV210的芯片作為核心[2]。Zigbee模塊通過部署各類傳感器，采用無線ZigBee技術傳輸數(shù)據(jù)至系統(tǒng)平臺，系統(tǒng)根據(jù)設定的參數(shù)標準，進行家電控制。GSM/GPRS模塊具有發(fā)送短消息、通話、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，通過AT指令實現(xiàn)各種通信功能。網(wǎng)絡服務器主要是運營商統(tǒng)一管理用戶信息和提供便捷增值業(yè)務的服務器。終端可以是phone、pad、無線遙控器等等。PC上的客戶端軟件可以通過局域網(wǎng)或者是互聯(lián)網(wǎng)訪問網(wǎng)絡服務器或者直接訪問家庭主控設備，用來隨時隨地的了解家庭的情況并可以遠程控制家用電器。智能家居系統(tǒng)的實現(xiàn)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控模塊

S5PV210采用了ARM CortexTM-A8內核，ARM V7指令集，主頻可達1GHZ，64/32位內部總線結構，32/32KB的數(shù)據(jù)/指令一級緩存，512KB的二級緩存，S5PV210包含很多強大的硬件編解碼功能。用S5PV210作為主控處理器，主控板上有LCD電容觸摸屏、紅外接收器、用戶按鍵、音視頻模塊等人機交互模塊，并且通過各種協(xié)議總線與Zigbee主節(jié)點模塊、Wifi模塊、DM9000模塊、GSM/ GPRS模塊等通信模塊相連，用以和其他模塊進行遠程通信。在節(jié)點模塊硬件設計中，各種傳感器和執(zhí)行機構通過與CC2530模塊相連，進而與主控節(jié)點進行通信。

圖1 系統(tǒng)總體實現(xiàn)框圖

2.2 ZigBee模塊

采用CC2530作為ZigBee模塊的主芯片[3]。CC2530是一個兼容IEEE 802.15.4的真正的片上系統(tǒng)，支持專有的802.15.4協(xié)議以及Zigbee標準。它具有大小為101dB的衡量數(shù)據(jù)包丟失的鏈路質量，反應靈敏的接收器和抗干擾性強的優(yōu)點，并且包括兩個串口、212的AD轉換和21個IO口。閃存選擇具有256KB的CC2530F256，它結合Zigbee協(xié)議棧，可以提供了一個功能性強完整度高的通信方案。

2.3 GSM/GPRS模塊

GPRS是建立在GSM系統(tǒng)之上的通用分組無線服務技術，由于引入了分組交換和分組傳輸?shù)母拍?，因此GPRS具有資源共享、頻帶利用率高、數(shù)據(jù)傳輸率高等特點，而且只有在用戶進行數(shù)據(jù)傳輸時才占有系統(tǒng)資源，且在數(shù)據(jù)傳輸時能夠同時占有多個無線信道，提高了通信質量。當系統(tǒng)運行時，主控制器主要負責根據(jù)系統(tǒng)的通信協(xié)議將數(shù)據(jù)打包，并通過GPRS模塊將打包好的數(shù)據(jù)發(fā)送到系統(tǒng)監(jiān)控主機，當接收數(shù)據(jù)時，主控制器負責對數(shù)據(jù)幀進行解析，根據(jù)解析出的數(shù)據(jù)產生控制動作。如判斷有警告發(fā)生時，監(jiān)控主機通過控制GMS模塊向系統(tǒng)預先設置的聯(lián)系人的手機號碼發(fā)送告警短信，通知聯(lián)系人家中有警情發(fā)生[4]。同時，監(jiān)控主機還將把告警事件的詳細信息以日志的形式記錄存檔，便于聯(lián)系人事后對告警信息進行查詢。GPRS模塊通過串口連接到主機，實現(xiàn)收發(fā)短信，撥打電話，發(fā)送彩信等功能，可作為實時監(jiān)控報警系統(tǒng)的無線終端。

2.4 節(jié)點模塊

節(jié)點包括與主機通信的射頻模塊、感知環(huán)境狀況的傳感器模塊、系統(tǒng)電源模塊、程序調試和燒寫接口模塊以及其他輔助和可擴展電路等。由CC2530EM與PCB天線構成的射頻通信模塊是整個系統(tǒng)節(jié)點的核心，負責與主機的通信鏈接。傳感器模塊主要將監(jiān)測到的環(huán)境數(shù)據(jù)傳遞給CC2530EM內置的微處理器，對數(shù)據(jù)編碼壓縮之后再發(fā)送出去，微處理器的核心是8051增強型單片機，因此可以根據(jù)系統(tǒng)中的程序對數(shù)據(jù)進行一定地處理。如對于傳感器監(jiān)測實際的數(shù)據(jù)不在預先設定的工作范圍之內，不管是超出還是低于預設值，則將該數(shù)據(jù)以接力的方式先發(fā)送的主節(jié)點中，再由主節(jié)點發(fā)送到主機系統(tǒng)中，由系統(tǒng)進行進一步的判讀、處理。然后射頻通信模塊根據(jù)主機反饋的操作命令經主節(jié)點發(fā)回原節(jié)點產生行相應的操作，以保證達到預定值。調試和燒寫接口模塊用來調試和燒寫完成上述功能的軟件。

3 智能家居系統(tǒng)軟件設計

智能家居系統(tǒng)的軟件設計主要是指家庭主控器的上位機軟件設計和無線節(jié)點通信、控制軟件設計[5]。其中家庭主控器的軟件設計，需要移植安卓操作系統(tǒng)平臺，再針對安卓操作系統(tǒng)平臺編寫上層主控器APK軟件。

圖2 主控制器的軟件開發(fā)流程圖

安卓系統(tǒng)上的應用程序是智能家居控制端中的家居控制端，連接了智能家居服務器，接收手機客戶端與PC客戶端發(fā)送的控制查詢消息，更重要的是它解析控制消息后要向硬件設備發(fā)送指令，完成對家庭中不同電器的控制，達到監(jiān)控家居安全的目的。主控制器的流程圖如2所示。

4 智能家居系統(tǒng)服務器端設計

系統(tǒng)服務器采用Apache MINA2框架。它是一個開發(fā)高性能和高可伸縮性網(wǎng)絡應用程序的應用框架，解決系統(tǒng)內各子系統(tǒng)之間同步消息的問題。提供了一個抽象的事件驅動異步API，可使用TCP/IP、UDP/IP、串口和虛擬機內部的管道等傳輸方式鏈接不同的子系統(tǒng)。此服務器采用了于TCP/IP傳輸服務。

MINA框架較好的解決了I/O數(shù)據(jù)傳輸?shù)漠惒叫院蛯崟r性，可以高效快速的反映智能家居的實時狀態(tài)，同步了不同客戶端的數(shù)據(jù)，保證同一家庭不同用戶對同一電器狀態(tài)的掌控。MINA框架使得安卓客戶端和PC客戶端可以使用相同的I/O消息類型同服務器通信，從而屏蔽了兩種不同子系統(tǒng)不同客戶端之間的通信差異，方便它們之間的信息通信。

5 結論

本文提出了以S5PV210高性能芯片作為主要控制器的智能家居網(wǎng)絡的設計構建方案，使用低功耗ZigBee模塊通信將各個節(jié)點連接在一起，形成了一個家庭的局域網(wǎng)，全方位的監(jiān)控家居系統(tǒng)的運行狀態(tài)，控制家居環(huán)境，提供各種家庭智能服務的網(wǎng)絡服務系統(tǒng)。解決了傳感器數(shù)據(jù)量提升時，中心控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力、控制力不足的問題。并充分發(fā)揮了手機高效便攜的優(yōu)勢以及互聯(lián)網(wǎng)的便捷性的特點。

參考文獻

[1]吳志軍.基于ARM與安卓的智能家居系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[Z].嵌入式網(wǎng)絡技術與應用,2012.

[2]劉述,孫明俊.家庭網(wǎng)關在家庭網(wǎng)絡中的作用與功能[J].電信網(wǎng)技術,2005,6:9-12.

[3]李俊斌,胡永忠.基于CC2530的Zigbee通信網(wǎng)絡的應用設計[J].電子設計工程,2011(16):108-111.

[4]CE Adams.Home area network technologies[J].BT Technology,Journal April 2002.

[5]Pat Richards.A CAN Physical Layer Discussion[J]. Microchip,2006.