智能家居控制系統(tǒng)上世紀 80 年代興起于歐洲及日本，并在上世紀90年代末進入我國，目前國內(nèi)外的智能家居控制系統(tǒng)大多數(shù)采用有線方式布局，存在布線麻煩、控制效率低、維護困難等問題[1]。針對舊有的物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制系統(tǒng)存在的各種缺點，本文提出了一種更加完善的物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制系統(tǒng)方案。

1系統(tǒng)總體設計
　    在本設計中，物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制系統(tǒng)由安裝在室內(nèi)的智能控制終端組成，該智能終端主要包括ZigBee無線通信、家庭網(wǎng)關、以太網(wǎng)通信、本地控制單元和GPRS無線通信單元等。
　    家庭網(wǎng)關是整個家居控制系統(tǒng)的核心，它不僅負責內(nèi)部網(wǎng)絡與外部網(wǎng)絡之間的相互通信，而且還通過ZigBee無線通信網(wǎng)絡對設備終端進行實時監(jiān)控和管理。家居內(nèi)的各種智能用電器通過無線網(wǎng)絡互相連接，交換信息。家居安保系統(tǒng)將門禁控制、可視對講、防盜、防火、防風雨等一系列系統(tǒng)有機整合，保證家居的安全性。安裝在室內(nèi)的各種傳感器均通過ZigBee無線通信網(wǎng)絡與ARM控制器通信連接，當傳感器探測到室內(nèi)有異常情況時便通過ZigBee通知ARM控制器，ARM控制器根據(jù)不同的信號做出各種相應的處理。借助于家庭網(wǎng)關，用戶可以利用計算機通過以太網(wǎng)對家居內(nèi)各種家用電器實施遠程操作或?qū)κ覂?nèi)進行遠程監(jiān)控。當用戶不方便利用計算機時，還可以經(jīng)智能手機通過GPRS無線網(wǎng)絡實現(xiàn)對家居的遠程監(jiān)控。本系統(tǒng)還設有友好的圖形用戶界面(GUI)，該界面能夠顯示系統(tǒng)內(nèi)各部件的運行信息，用戶可以方便地對家居內(nèi)設備的運行情況進行查詢。
2 系統(tǒng)硬件設計
　    系統(tǒng)硬件結(jié)構圖如圖1所示。本設計中家庭網(wǎng)關的控制模塊采用韓國三星公司的S3C2440，它是16/32位微處理器芯片，該芯片的CPU采用的是ARM920T內(nèi)核，比一般的單片機運行速度快(主頻可達405 MHz)，能夠很好地滿足系統(tǒng)對實時性的要求。同時，S3C2440芯片還具有三通道UART、兩通道SPI、兩路全速USB主設備芯片，可以方便地對外圍設備進行擴展[2]。因此，針對本文中家庭網(wǎng)關的設計要求，在此芯片的基礎上加入了電源模塊、按鍵與顯示模塊、以太網(wǎng)模塊、無線傳輸模塊、報警模塊和GPRS模塊等一系列相關外圍設備。S3C2440還具有內(nèi)存管理單元(MMU)，可以很好地運行Linux嵌入式操作系統(tǒng)，而且對圖形界面的開發(fā)也很方便，同時其性能高、功耗低和價格低的特點也完全符合本系統(tǒng)的設計要求。

2.1 ZigBee模塊
    ZigBee技術是一種新興的近距離無線通信技術。它是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞,根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術是一種短距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術或無線網(wǎng)絡技術，用以實現(xiàn)在數(shù)千個微小的傳感器之間互相協(xié)調(diào)的通信[3]。
    ZigBee具有功耗低、傳輸速率低等特點，還可以在設備閑暇時期進入休眠狀態(tài)，僅靠兩節(jié)5號電池就可以使ZigBee連續(xù)工作半年時間。除此之外，ZigBee的通信響應時間非常短，僅為30 ms左右，而藍牙需要3 s，WiFi更是需要10 s。通過分析與比較并結(jié)合家居的具體環(huán)境發(fā)現(xiàn)，在所有的短距離無線通信技術中，ZigBee技術是最適合應用于物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制系統(tǒng)中的。
    從網(wǎng)絡結(jié)構方面上看，ZigBee技術支持的網(wǎng)絡形式有星狀、樹狀和網(wǎng)狀三種。在本系統(tǒng)中采用了星狀網(wǎng)絡結(jié)構形式。星狀網(wǎng)絡由一個PAN協(xié)調(diào)器和多個終端設備組成[4]。在該結(jié)構中，當?shù)谝淮渭せ钜粋€全功能設備時，它會自動建立一個網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡以其自身為PAN協(xié)調(diào)器，并且與當前其他的星形網(wǎng)絡相互獨立。該網(wǎng)絡只允許PAN協(xié)調(diào)器與終端間的通信，終端設備之間需要經(jīng)過PAN協(xié)調(diào)器這個中轉(zhuǎn)站進行通信。星狀網(wǎng)絡通常應用在節(jié)點數(shù)目較少的場合，其同步和控制相對比較簡單。本系統(tǒng)采用的星狀網(wǎng)絡結(jié)構主要涉及ZigBee網(wǎng)絡中的兩種邏輯設備類型，即協(xié)調(diào)器節(jié)點與終端節(jié)點。協(xié)調(diào)器與家庭網(wǎng)關通過RS232串行口進行數(shù)據(jù)傳輸，主要負責搜索有效信道和終端節(jié)點，創(chuàng)建內(nèi)部無線網(wǎng)絡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)功能。終端節(jié)點負責接收協(xié)調(diào)器傳來的命令，對相應位置的用電器開關和溫度傳感器進行控制，然后把對應的開關狀態(tài)信息和溫度值信息反饋到協(xié)調(diào)器節(jié)點，最后把信息轉(zhuǎn)發(fā)到家庭網(wǎng)關。
    本系統(tǒng)采用美國德州儀器公司生產(chǎn)的CC2530來進行通信數(shù)據(jù)的收發(fā)。CC2530采用了新一代的2.4 GHz SoC片上系統(tǒng)，支持IEEE802.15.4標準，其內(nèi)部集成了一個抗干擾性和靈敏度都較高的RF收發(fā)器和一個標準增強型8051微處理器，擁有2個USART、12位的ADC和21個通用GPIO等較豐富的外設接口，并且支持4種供電模式，能夠友好地支持低功耗無線通信。對于CC2530的射頻信號收發(fā)而言，因為CC2530將無線收發(fā)模塊與8051內(nèi)核集成在同一個芯片之中，因此大大簡化了電路的設計。天線將接收到的無線射頻信號經(jīng)過低噪聲放大器和I/Q下變頻處理之后,中頻信號只有2 MHz了，此信號再經(jīng)濾波、放大、A/D變換、自動增益控制、數(shù)字解調(diào)及解擴后，最終過濾出正確的數(shù)據(jù)，從而使得該系統(tǒng)的各個節(jié)點正常工作。
2.2 電源模塊
    電源是整個系統(tǒng)的核心部分，關系到系統(tǒng)的正常運行。本系統(tǒng)在設計電源電路時主要考慮以下兩個方面：(1)提高系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性,在設計電源模塊時加入了濾波電路和穩(wěn)壓電路；(2)實現(xiàn)低成本、高效率、簡化電路設計的目的，采用穩(wěn)定性較高的5 V直流電壓作為輸入電壓。由于S3C2440及部分外圍器件需要3.3 V電源，在本系統(tǒng)中選用Linear Technology公司生產(chǎn)的LT1085-3.3型DC-AC變換器來輸出3.3 V電壓。因為無線智能家居供電系統(tǒng)需要具備供電方便、續(xù)航能力強等特點，所以本系統(tǒng)中的無線傳感節(jié)點采用充電電池與太陽能電池板相結(jié)合的供電模式，這樣設計的優(yōu)點是成本低廉并且無需人工干預，體現(xiàn)了智能化與人性化的特點。
2.3 以太網(wǎng)接口電路
    以太網(wǎng)是一種計算機局域網(wǎng)組網(wǎng)技術,是建立在CSMA/CD機制上的廣播型網(wǎng)絡[5]。以太網(wǎng)接口是物聯(lián)網(wǎng)智能家居中一個非常重要的功能模塊，它能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的遠程登錄、資源的管理與共享，還能夠完成系統(tǒng)的更新下載等功能。但是，本系統(tǒng)中所使用的S3C2440芯片自身并不帶有網(wǎng)絡接口，要想得到相應的網(wǎng)絡接口必須對其進行擴展。
    理論上講,直接把以太網(wǎng)水晶接頭RJ45和以太網(wǎng)芯片DM9000相連便可實現(xiàn)網(wǎng)絡接口的功能。但在本系統(tǒng)中采用的是DM9000+H1102網(wǎng)絡隔離變壓器+RJ45的結(jié)構，其連接框圖如圖2所示。這樣的設計有以下優(yōu)點：
　(1)信號強度增加，可以傳輸?shù)礁h的地方；
    (2)由于與芯片發(fā)生隔離，使抗干擾能力增強，而且對芯片起到了保護作用；
    (3)當連接不同電平的網(wǎng)口時，可以避免對設備造成不良影響。

    DM9000是一款完全集成的和符合成本效益的單芯片快速以太網(wǎng)MAC控制器，該芯片支持8位、16位以及32位接口訪問內(nèi)部存儲器，因此能夠支持不同處理器。DM9000支持IEEE 802.3x全雙工流量控制，用戶可以輕松地移植端口驅(qū)動程序。
2.4 GPRS模塊
    GPRS作為移動數(shù)據(jù)的主要承載方式之一，與其他的通信方式相比，具有一系列的優(yōu)點，如實時傳輸、覆蓋范圍大、運營費用低等，而且支持數(shù)據(jù)、短消息、語音甚至是傳真等通信方式。本系統(tǒng)選用工業(yè)級雙頻GPRS模塊西門子MC35i,該模塊支持標準的3 V SIM卡和標準AT指令集,而且工作性能與溫度特性穩(wěn)定,其與S3C2440采用串口方式連接。串行線經(jīng)電平轉(zhuǎn)換可與RS232串口直接相連。S3C2440通過異步收發(fā)器為GPRS modem撥號上網(wǎng)提供串口，用戶可以通過置于芯片內(nèi)的狀態(tài)寄存器進行操作狀態(tài)的判斷和錯誤定位。
3 系統(tǒng)軟件設計
    由于智能家居系統(tǒng)中各個任務都是相對獨立的，因此采用模塊化設計，這樣設計不僅層次清晰、維護方便，而且大大提高了系統(tǒng)的工作效率。在該系統(tǒng)中，各家用電器與各傳感器等分別作為獨立的節(jié)點，各節(jié)點經(jīng)ZigBee模塊與系統(tǒng)進行通信，實現(xiàn)對各家電的控制及各傳感器的信息反饋，系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

　    本系統(tǒng)采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為開發(fā)平臺，其內(nèi)核代碼非常龐大，并且驅(qū)動程序非常豐富，可支持各種不同的主流硬件設備與最新的硬件技術，而且其內(nèi)核代碼是全部開放的，用戶可以根據(jù)自己的需要對內(nèi)核進行方便的修改，開發(fā)出自己所需的嵌入式系統(tǒng)。
    ZigBee協(xié)調(diào)器在系統(tǒng)中起通信媒介的作用，主要負責控制中心與各子系統(tǒng)之間的通信，控制中心對家居中各設備的監(jiān)控與控制都是在ZigBee協(xié)調(diào)器進行命令解析之后完成的。由于本系統(tǒng)的設計是建立在Linux系統(tǒng)之上的，ZigBee協(xié)調(diào)器的驅(qū)動模塊加載如圖4所示。

    模塊加載時首先需要調(diào)用函數(shù)init_module，然后將設備及文件系統(tǒng)注冊到內(nèi)核中，由于程序設計中采用中斷定時，因此要用到request_irq 函數(shù)申請中斷，打開設備之后用戶就可以進行讀和寫操作了。
4 系統(tǒng)測試結(jié)果
    為了驗證本系統(tǒng)的準確性，對其進行模擬試驗。由中央控制管理系統(tǒng)發(fā)送指令至控制中心，然后經(jīng)過協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)至ZigBee終端節(jié)點，終端節(jié)點完成數(shù)據(jù)的接收工作之后，再經(jīng)過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機，在PC機上將控制中心發(fā)送的數(shù)據(jù)與ZigBee終端節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)進行比較，進行多次測試之后，結(jié)果如表1所示。
    由表1顯示的數(shù)據(jù)可知，各個節(jié)點之間的干擾較低，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，通信結(jié)果準確，完全符合智能家居的控制要求。

    根據(jù)智能家居的控制特點，設計了以S3C2440微處理器為控制核心的智能家居控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)運用ZigBee技術，實現(xiàn)了控制中心與各子系統(tǒng)的本地通信;運用GPRS技術實現(xiàn)了對智能家居的遠程監(jiān)控；采用Linux嵌入式操作系統(tǒng),使該系統(tǒng)操作簡單、成本低廉且易被用戶接受。經(jīng)試驗測試，本系統(tǒng)能夠很好地勝任智能家居的監(jiān)控工作，大大提高了控制系統(tǒng)的工作效率及精確度，可被廣泛應用于智能家居系統(tǒng)中。
參考文獻
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