長(zhǎng)春理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院 樊 斌 尹高峰

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三網(wǎng)協(xié)同智能家居系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

長(zhǎng)春理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院 樊 斌 尹高峰

【摘要】本文采用嵌入式技術(shù)，開發(fā)了基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、3G手機(jī)網(wǎng)絡(luò)、Internet網(wǎng)絡(luò)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(nèi)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)終端、3G手機(jī)終端及Internet網(wǎng)絡(luò)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(gè)相互獨(dú)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(tái)的家庭主控APP軟件以及基于Windows平臺(tái)的PC端軟件。

【關(guān)鍵詞】智能家居；無(wú)線傳感網(wǎng)；Internet網(wǎng)絡(luò)；3G網(wǎng)絡(luò)

0 緒論

智能家居是近幾年來(lái)的一個(gè)新興概念，有非常高的研究利用價(jià)值。目前國(guó)內(nèi)的各種智能化產(chǎn)品較多，但各個(gè)產(chǎn)品之間都是相互獨(dú)立的，集成度較低，而且市場(chǎng)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(jīng)成為個(gè)人電子產(chǎn)品的主要系統(tǒng)。本文就依據(jù)智能家居的核心概念，結(jié)合安卓系統(tǒng)和Zigbee技術(shù)，統(tǒng)籌了各種設(shè)備模塊和控制器之間的通信，優(yōu)化人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)了超強(qiáng)的功能與用戶體驗(yàn)[1]。

1 智能家居系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由主控制器、Zigbee模塊、GSM/GPRS模塊、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、客戶端這五部分構(gòu)成。主控制器以cpu型號(hào)為S5PV210的芯片作為核心[2]。Zigbee模塊通過(guò)部署各類傳感器，采用無(wú)線ZigBee技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)至系統(tǒng)平臺(tái)，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)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(guò)AT指令實(shí)現(xiàn)各種通信功能。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器主要是運(yùn)營(yíng)商統(tǒng)一管理用戶信息和提供便捷增值業(yè)務(wù)的服務(wù)器。終端可以是phone、pad、無(wú)線遙控器等等。PC上的客戶端軟件可以通過(guò)局域網(wǎng)或者是互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器或者直接訪問(wèn)家庭主控設(shè)備，用來(lái)隨時(shí)隨地的了解家庭的情況并可以遠(yuǎn)程控制家用電器。智能家居系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

S5PV210采用了ARM CortexTM-A8內(nèi)核，ARM V7指令集，主頻可達(dá)1GHZ，64/32位內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)，32/32KB的數(shù)據(jù)/指令一級(jí)緩存，512KB的二級(jí)緩存，S5PV210包含很多強(qiáng)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(jī)交互模塊，并且通過(guò)各種協(xié)議總線與Zigbee主節(jié)點(diǎn)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(jìn)行遠(yuǎn)程通信。在節(jié)點(diǎn)模塊硬件設(shè)計(jì)中，各種傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)與CC2530模塊相連，進(jìn)而與主控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。

圖1 系統(tǒng)總體實(shí)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)。它具有大小為101dB的衡量數(shù)據(jù)包丟失的鏈路質(zhì)量，反應(yīng)靈敏的接收器和抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，并且包括兩個(gè)串口、212的AD轉(zhuǎn)換和21個(gè)IO口。閃存選擇具有256KB的CC2530F256，它結(jié)合Zigbee協(xié)議棧，可以提供了一個(gè)功能性強(qiáng)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(wú)線服務(wù)技術(shù)，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(diǎn)，而且只有在用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)才占有系統(tǒng)資源，且在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)能夠同時(shí)占有多個(gè)無(wú)線信道，提高了通信質(zhì)量。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，主控制器主要負(fù)責(zé)根據(jù)系統(tǒng)的通信協(xié)議將數(shù)據(jù)打包，并通過(guò)GPRS模塊將打包好的數(shù)據(jù)發(fā)送到系統(tǒng)監(jiān)控主機(jī)，當(dāng)接收數(shù)據(jù)時(shí)，主控制器負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析，根據(jù)解析出的數(shù)據(jù)產(chǎn)生控制動(dòng)作。如判斷有警告發(fā)生時(shí)，監(jiān)控主機(jī)通過(guò)控制GMS模塊向系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置的聯(lián)系人的手機(jī)號(hào)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(shí)，監(jiān)控主機(jī)還將把告警事件的詳細(xì)信息以日志的形式記錄存檔，便于聯(lián)系人事后對(duì)告警信息進(jìn)行查詢。GPRS模塊通過(guò)串口連接到主機(jī)，實(shí)現(xiàn)收發(fā)短信，撥打電話，發(fā)送彩信等功能，可作為實(shí)時(shí)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)的無(wú)線終端。

2.4 節(jié)點(diǎn)模塊

節(jié)點(diǎn)包括與主機(jī)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(diào)試和燒寫接口模塊以及其他輔助和可擴(kuò)展電路等。由CC2530EM與PCB天線構(gòu)成的射頻通信模塊是整個(gè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的核心，負(fù)責(zé)與主機(jī)的通信鏈接。傳感器模塊主要將監(jiān)測(cè)到的環(huán)境數(shù)據(jù)傳遞給CC2530EM內(nèi)置的微處理器，對(duì)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(qiáng)型單片機(jī)，因此可以根據(jù)系統(tǒng)中的程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行一定地處理。如對(duì)于傳感器監(jiān)測(cè)實(shí)際的數(shù)據(jù)不在預(yù)先設(shè)定的工作范圍之內(nèi)，不管是超出還是低于預(yù)設(shè)值，則將該數(shù)據(jù)以接力的方式先發(fā)送的主節(jié)點(diǎn)中，再由主節(jié)點(diǎn)發(fā)送到主機(jī)系統(tǒng)中，由系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的判讀、處理。然后射頻通信模塊根據(jù)主機(jī)反饋的操作命令經(jīng)主節(jié)點(diǎn)發(fā)回原節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生行相應(yīng)的操作，以保證達(dá)到預(yù)定值。調(diào)試和燒寫接口模塊用來(lái)調(diào)試和燒寫完成上述功能的軟件。

3 智能家居系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能家居系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是指家庭主控器的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)和無(wú)線節(jié)點(diǎn)通信、控制軟件設(shè)計(jì)[5]。其中家庭主控器的軟件設(shè)計(jì)，需要移植安卓操作系統(tǒng)平臺(tái)，再針對(duì)安卓操作系統(tǒng)平臺(tái)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(yīng)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(wù)器，接收手機(jī)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(shè)備發(fā)送指令，完成對(duì)家庭中不同電器的控制，達(dá)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(wù)器端設(shè)計(jì)

系統(tǒng)服務(wù)器采用Apache MINA2框架。它是一個(gè)開發(fā)高性能和高可伸縮性網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的應(yīng)用框架，解決系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)之間同步消息的問(wèn)題。提供了一個(gè)抽象的事件驅(qū)動(dòng)異步API，可使用TCP/IP、UDP/IP、串口和虛擬機(jī)內(nèi)部的管道等傳輸方式鏈接不同的子系統(tǒng)。此服務(wù)器采用了于TCP/IP傳輸服務(wù)。

MINA框架較好的解決了I/O數(shù)據(jù)傳輸?shù)漠惒叫院蛯?shí)時(shí)性，可以高效快速的反映智能家居的實(shí)時(shí)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(duì)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(wù)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(jié)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(luò)的設(shè)計(jì)構(gòu)建方案，使用低功耗ZigBee模塊通信將各個(gè)節(jié)點(diǎn)連接在一起，形成了一個(gè)家庭的局域網(wǎng)，全方位的監(jiān)控家居系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，控制家居環(huán)境，提供各種家庭智能服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)。解決了傳感器數(shù)據(jù)量提升時(shí)，中心控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力、控制力不足的問(wèn)題。并充分發(fā)揮了手機(jī)高效便攜的優(yōu)勢(shì)以及互聯(lián)網(wǎng)的便捷性的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]吳志軍.基于ARM與安卓的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[Z].嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用,2012.

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

[3]李俊斌,胡永忠.基于CC2530的Zigbee通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)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.