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(shè)計
　    在本設(shè)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(guān)、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(guān)是整個家居控制系統(tǒng)的核心，它不僅負責(zé)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)之間的相互通信,，而且還通過ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)對設(shè)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(luò)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(fēng)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(luò)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(yīng)的處理,。借助于家庭網(wǎng)關(guān),，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(luò)實現(xiàn)對家居的遠程監(jiān)控,。本系統(tǒng)還設(shè)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(shè)備的運行情況進行查詢,。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
　    系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。本設(shè)計中家庭網(wǎng)關(guān)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(shè)備芯片，可以方便地對外圍設(shè)備進行擴展[2],。因此,，針對本文中家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)計要求,，在此芯片的基礎(chǔ)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(guān)外圍設(shè)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(shè)計要求。

2.1 ZigBee模塊
    ZigBee技術(shù)是一種新興的近距離無線通信技術(shù),。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(shù)是一種短距離,、低復(fù)雜度、低功耗,、低數(shù)據(jù)速率,、低成本的雙向無線通信技術(shù)或無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，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(shè)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(yīng)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(shù)中,，ZigBee技術(shù)是最適合應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制系統(tǒng)中的,。
    從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面上看，ZigBee技術(shù)支持的網(wǎng)絡(luò)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(luò)結(jié)構(gòu)形式。星狀網(wǎng)絡(luò)由一個PAN協(xié)調(diào)器和多個終端設(shè)備組成[4],。在該結(jié)構(gòu)中,，當?shù)谝淮渭せ钜粋€全功能設(shè)備時，它會自動建立一個網(wǎng)絡(luò),，該網(wǎng)絡(luò)以其自身為PAN協(xié)調(diào)器,，并且與當前其他的星形網(wǎng)絡(luò)相互獨立,。該網(wǎng)絡(luò)只允許PAN協(xié)調(diào)器與終端間的通信，終端設(shè)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(luò)通常應(yīng)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(luò)結(jié)構(gòu)主要涉及ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的兩種邏輯設(shè)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(guān)通過RS232串行口進行數(shù)據(jù)傳輸，主要負責(zé)搜索有效信道和終端節(jié)點,，創(chuàng)建內(nèi)部無線網(wǎng)絡(luò),，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)功能。終端節(jié)點負責(zé)接收協(xié)調(diào)器傳來的命令,，對相應(yīng)位置的用電器開關(guān)和溫度傳感器進行控制,，然后把對應(yīng)的開關(guān)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(guān),。
    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(shè)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(shè)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(guān)系到系統(tǒng)的正常運行,。本系統(tǒng)在設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計的優(yōu)點是成本低廉并且無需人工干預(yù),，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(shù),是建立在CSMA/CD機制上的廣播型網(wǎng)絡(luò)[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(luò)接口,，要想得到相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)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(luò)接口的功能。但在本系統(tǒng)中采用的是DM9000+H1102網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器+RJ45的結(jié)構(gòu),，其連接框圖如圖2所示,。這樣的設(shè)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(shè)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(shè)計
    由于智能家居系統(tǒng)中各個任務(wù)都是相對獨立的,，因此采用模塊化設(shè)計，這樣設(shè)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(shè)備與最新的硬件技術(shù)，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(zé)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(shè)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(shè)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(shè)備及文件系統(tǒng)注冊到內(nèi)核中,，由于程序設(shè)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(shè)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(shè)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(shù),，實現(xiàn)了控制中心與各子系統(tǒng)的本地通信;運用GPRS技術(shù)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(yīng)用于智能家居系統(tǒng)中。
參考文獻
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