0． 引言

       近年來,，隨著網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，電子技術(shù),，計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展,，人們對生活質(zhì)量提出了更高的要求，現(xiàn)代化的家居環(huán)境也備受人們的關(guān)注。目前，國內(nèi)的智能家居系統(tǒng)主要集中在對單個住宅分散的子系統(tǒng)的控制上,，這些子系統(tǒng)功能上比較單一,，很難實現(xiàn)信息共享，不便于進(jìn)行集中管理。本文針對目前國內(nèi)智能家居系統(tǒng)的局限性，提出一種基于GPRS無線技術(shù)的智能家居系統(tǒng)，不僅能對小區(qū)多個住宅內(nèi)的安全狀況進(jìn)行實時監(jiān)控,，還實現(xiàn)了“三表”（即水表、電表,、燃?xì)獗恚┑倪h(yuǎn)程抄送,。

 1．GPRS技術(shù)簡介

       GPRS（General Packet Radio Service），即通用無線分組業(yè)務(wù),，是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù),，面向用戶提供移動分組的IP或者X.25連接。與GSM電路交換數(shù)據(jù)相比,，GPRS在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的承載和支持上具有非常明顯的優(yōu)勢：資源共享,，頻帶利用率高，用戶只有在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時才占有系統(tǒng)資源,；數(shù)據(jù)傳輸率高,，GPRS采用分組交換技術(shù)，每個用戶能同時占用多個無線信道,，同一無線信道又可由多個用戶共享,。理論上，GPRS最高傳輸率可達(dá)171.2kbit/s,；支持X.25協(xié)議和IP協(xié)議,，可與現(xiàn)有的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互通互連；用戶永遠(yuǎn)在線且按流量,、時間計費,，通信成本低。由此可見,，將GPRS技術(shù)應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸是最理想的選擇,。

2．系統(tǒng)功能及總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

2．1系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

       該系統(tǒng)主要是針對普通住宅小區(qū)家庭用戶而設(shè)計的，它可以對小區(qū)內(nèi)用戶住宅內(nèi)安全狀況進(jìn)行集中監(jiān)控和管理,，同時還實現(xiàn)了門禁及抄表功能,。用戶可以根據(jù)自己需要進(jìn)行監(jiān)控狀態(tài)、監(jiān)控參數(shù)的設(shè)置,。系統(tǒng)實現(xiàn)了以下功能：

（1）家居安防監(jiān)控：當(dāng)小偷闖入住宅或者有火災(zāi),、燃?xì)庑孤┑任＜笔录l(fā)生時，監(jiān)控終端能實時地監(jiān)測到險情,，向監(jiān)控中心發(fā)送告警信息,，監(jiān)控中心則以GSM短信的方式通知戶主。

（2）家居安全狀況遠(yuǎn)程實時監(jiān)控與查詢：主人離家在外,，可通過發(fā)送手機短信的方式來查詢家中安全狀況信息,。

（3）現(xiàn)場圖像抓拍功能：在設(shè)防狀態(tài)下，當(dāng)紅外傳感器或者門磁觸發(fā)告警時,，系統(tǒng)將啟動圖像抓拍器,，對現(xiàn)場進(jìn)行拍攝，所拍攝的圖像通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中心的主機上進(jìn)行備份,。用戶也可以通過發(fā)送送機短信的方式來啟動圖像抓拍的功能,。

（4）“三表”遠(yuǎn)程自動抄送與門禁功能：可以定時或主動讀取用戶家中的水表、電表,、煤氣表的用量,，并根據(jù)相應(yīng)價格計算費用。當(dāng)有刷卡開門事件時,，判斷卡合法則允許進(jìn)入,。

2．2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

智能家居系統(tǒng)由監(jiān)控終端，GSM短信收發(fā)模塊,，監(jiān)控主機三部分組成,。監(jiān)控終端硬件采用ARM7平臺，軟件采用嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks,。監(jiān)控主機是一臺運行監(jiān)控管理軟件的PC機,，一般置于小區(qū)的物業(yè)管理中心。圖1是整個系統(tǒng)架構(gòu)圖,。

圖1  系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)工作時,，監(jiān)控終端循環(huán)檢測安裝在室內(nèi)的門磁、紅外,、煙霧,、燃?xì)獗O(jiān)測等傳感器，當(dāng)檢測到有異常情況發(fā)生時,，終端控制警笛發(fā)出告警聲音,，提醒戶主及物業(yè)管理人員有險情發(fā)生并采取防范措施,。另外，監(jiān)控終端還通過GPRS網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)控中心發(fā)送告警信息,。當(dāng)終端檢測到門磁或紅外告警時,，將啟動圖像抓拍器，對用戶室內(nèi)現(xiàn)場進(jìn)行連續(xù)拍照,，拍攝到的圖像終端先進(jìn)行緩存,，再通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控主機，監(jiān)控主機將圖像以文件的形式進(jìn)行備份,。

監(jiān)控終端還循環(huán)接收監(jiān)控主機下發(fā)的數(shù)據(jù)請求命令,，終端對這些命令進(jìn)行解析。如果是查詢傳感器及門磁狀態(tài),，監(jiān)控終端對相應(yīng)傳感器的狀態(tài)進(jìn)行檢測,，向監(jiān)控主機返回傳感器的狀態(tài)信息；如果是查詢水表,、電表或者煤氣表的用量命令,，監(jiān)控終端根據(jù)“三表”的RS-485協(xié)議，構(gòu)造查詢幀命令,發(fā)送相應(yīng)的查詢命令,，將“三表”返回的數(shù)據(jù)按照系統(tǒng)的通信協(xié)議打包,，通過終端上內(nèi)置的GPRS模塊發(fā)送到監(jiān)控主機。監(jiān)控主機接收到終端發(fā)送的數(shù)據(jù)后,，先對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析,。若是告警信息，則監(jiān)控主機將根據(jù)不同的告警播放相應(yīng)的告警提示音,，提醒管理員作出處理,。當(dāng)有告警發(fā)生時，監(jiān)控主機通過RS232接口輸出AT指令,，控制外置GMS模塊向系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置好的住宅主人的手機號碼發(fā)送告警短信,，通知戶主家中有警情發(fā)生。同時,，監(jiān)控主機還將把告警事件以日志的形式記錄下來,，以便事后對告警信息進(jìn)行查詢；當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)幀是抄表命令返回的數(shù)據(jù)時,，主機將把數(shù)據(jù)寫入到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫,。同時，在顯示界面上彈出一個新窗口,，顯示戶主信息,、查詢時間、表的用量、相應(yīng)費用等信息,。

3．系統(tǒng)硬件設(shè)計

       監(jiān)控終端的原理圖如圖2所示,。

圖2   終端原理圖

終端硬件采用的是嵌入式硬件平臺，CPU選用三星公司的基于ARM7TDMI內(nèi)核的S3C440X微處理器,，該處理器是三星公司專為PDA和一般應(yīng)用開發(fā)提供的高性價比和高性能的解決方案,。經(jīng)過性能與成本的綜合考慮,GPRS模塊選用明基公司的 M22模塊。該模塊可工作在三種頻率下：900/1800/1900MHz,。支持語音通信，具有GPRS,、USSD和CSD三種數(shù)據(jù)方式及SMS和FAX功能,；內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，軟件支持標(biāo)準(zhǔn)AT 指令并遵循3GPP 27.07/27.05規(guī)范,。

       S3C44B0的IO口的D口擴(kuò)展了三個按鍵,，它們是設(shè)防鍵、開門鍵,、消告警鍵,。按下設(shè)防鍵，CPU檢測到IO口為低電平,，系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài),。該狀態(tài)下，系統(tǒng)將循檢測門磁及所有已經(jīng)安裝的傳感器,。由于選用的傳感器輸出電平為0V或12V,而S3C44B0的外圍接口電平為0V~3.3V,，傳感器的輸出需經(jīng)光耦隔離后連接至CPU的IO引腳。采用光耦隔離還有一個作用：在雷雨天氣,，傳感器輸出導(dǎo)線很容易引入雷電,，導(dǎo)線上會有瞬時高壓脈沖，用光耦將傳感器的輸出與CPU的IO口隔離后,，起到保護(hù)CPU的作用,。當(dāng)監(jiān)測到開門鍵按下，電控鎖吸合,，門將打開,，此時為合法開門狀態(tài)，不會產(chǎn)生告警,。如果是在監(jiān)控狀態(tài)下,，門被強行打開，則門磁輸出由低電平變?yōu)楦唠娖?，CPU檢測到門磁傳感器輸出高電平,，產(chǎn)生告警，CPU控制GPD3口輸出低電平，觸發(fā)警鈴產(chǎn)生告警音,。告警發(fā)生時,，CPU通過UART0發(fā)送AT指令來控制GPRS模塊，經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)向系統(tǒng)監(jiān)控主機發(fā)送告警信息,，監(jiān)控主機對告警信息進(jìn)行分析處理,。M22模塊與CPU采用115200bps的波特率進(jìn)行通信。它們之間的接口比較簡單,，只需要將接收和發(fā)送兩個引腳進(jìn)行連接,。考慮到本系統(tǒng)運行過程中需要保存大量的事件日志,，如“三表”查詢的數(shù)據(jù),、告警事件日志以及告警抓拍到的50張圖像等，系統(tǒng)擴(kuò)展了大容量的外部存儲器HY57V641620(容量為8MB的SDRAM),，SST39VF1601(2MB的FLASH),。其中SDRAM主要負(fù)責(zé)程序運行以及中間數(shù)據(jù)的保存，2MB的FLASH主要負(fù)責(zé)源程序的保存以及一些掉電需要保存的歷史數(shù)據(jù),，事件日志,、圖像數(shù)據(jù)等。

       圖像抓拍器的主要作用是當(dāng)有盜情發(fā)生時,，進(jìn)行現(xiàn)場抓拍,。目前在國內(nèi)市場上已經(jīng)有很多該類型的產(chǎn)品。我們選擇了深圳安信陽光科技有限公司的彩眼 HRM600GJ圖像抓拍器,。HRM600GJ自帶以太網(wǎng)接口,。HRM600GJ在接收到S3C44B0發(fā)來的拍照命令包后進(jìn)行連續(xù)拍照，所拍攝的圖像為靜態(tài)JPEG格式圖象,，解析度為320×240,，圖像經(jīng)過網(wǎng)口發(fā)送給ARM處理器等待處理。由于S3C44B0片內(nèi)并不帶以太網(wǎng)接口,，因此必須擴(kuò)展一片以太網(wǎng)接口芯片實現(xiàn)彩眼和 ARM處理器之間的互連,。這里我們選用比較常見的也是性價比相對較高的RTL8019AS作為以太網(wǎng)接口芯片。

       SN75LBC184是RS485驅(qū)動芯片,。我們將S3C44B0的第二個串口（UART1）擴(kuò)展為系統(tǒng)的RS485總線接口,。該接口是CPU與“三表”及刷卡器等設(shè)備的通信接口。CPU按照主從模式與“三表”進(jìn)行通信,。CPU定義為主設(shè)備,，“三表”為從設(shè)備。主從設(shè)備都有唯一的設(shè)備地址,，通信時,，主設(shè)備向指定地址的從設(shè)備發(fā)查詢命令,，從設(shè)備返回當(dāng)前數(shù)據(jù)給主設(shè)備。

4．系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1終端軟件

傳統(tǒng)的單片機程序設(shè)計基本上都采用順序結(jié)構(gòu),，實時性低且CPU對資源的利用率不高,。這里，我們采用了嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks,，它是美國風(fēng)河（WindRiver）公司于1983年設(shè)計開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS）,。終端軟件設(shè)計包括針對系統(tǒng)硬件平臺進(jìn)行的操作系統(tǒng)的移植和在VxWorks平臺上應(yīng)用程序的設(shè)計兩部分。操作系統(tǒng)的移植的重點也即難點是BSP（Board Support Package）的設(shè)計,。VxWorks本身提供了針對許多處理器的BSP,，但針對S3C44B0的BSP并未提供。在設(shè)計系統(tǒng)BSP時,，我們首先仔細(xì)研究了其中一種BSP代碼范例,，了解并掌握了BSP的結(jié)構(gòu)，然后在風(fēng)河公司針對ARM處理器提供給用戶的BSP模板的基礎(chǔ)上設(shè)計了本系統(tǒng)的BSP,，限于篇幅，對操作系統(tǒng)的移植部分本文將不作闡述,。

監(jiān)控終端的應(yīng)用程序采用模塊化的設(shè)計思想,。由于VxWorks支持多任務(wù)，我們將每個功能模塊以一個任務(wù)來實現(xiàn),。從時間上看,，各個任務(wù)處于并行運行的狀態(tài)，極大地提高了系統(tǒng)對事件響應(yīng)的速度,，有效地提高了CPU對資源的利用率,。終端應(yīng)用程序包含五個任務(wù)，分別是：消息處理任務(wù),、傳感器檢測任務(wù),、GPRS通信任務(wù)、RS485總線設(shè)備通信任務(wù),、按鍵檢測及處理任務(wù),。除消息處理任務(wù)以外，其它五個任務(wù)優(yōu)先級相同,。VxWorks中任務(wù)優(yōu)先級從0到255,，0為最高優(yōu)先級，255為最低優(yōu)先級,。我們將消息處理任務(wù)優(yōu)先級設(shè)定為90,，其它四個任務(wù)優(yōu)先級都設(shè)定為100。這樣可使消息處理任務(wù)盡快的處理其它任務(wù)發(fā)送來的消息,，提高系統(tǒng)對外部事件的響應(yīng)速度,。下面分別對各個任務(wù)所實現(xiàn)的功能進(jìn)行簡要的介紹。

（1）消息處理任務(wù)

該任務(wù)循環(huán)檢測自己的消息隊列，當(dāng)有其它任務(wù)發(fā)送來的消息時,，讀取消息,，對消息進(jìn)行解析，確定事件類型,，然后調(diào)用事件相應(yīng)的處理函數(shù)進(jìn)行處理,。本系統(tǒng)定義了多種事件類型，主要有如下幾種事件：傳感器告警事件,、設(shè)置終端參數(shù)事件,、傳感器狀態(tài)請求事件、刷卡開門事件,、水表數(shù)據(jù)查詢事件,、電表數(shù)據(jù)查詢事件、煤氣表數(shù)據(jù)查詢事件和按鍵設(shè)置事件,。

（2）傳感器檢測任務(wù)

在任務(wù)運行的時間片內(nèi),，首先判斷系統(tǒng)當(dāng)前所的處狀態(tài)，如果系統(tǒng)處于設(shè)防狀態(tài),，那么CPU將對室內(nèi)所有已安裝傳感器進(jìn)行循環(huán)檢測,。如果系統(tǒng)工作在撤防狀態(tài)下，那么只對煙霧,、煤氣傳感器進(jìn)行檢測,。當(dāng)任務(wù)檢測到某一傳感器的輸出達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的告警閾值時，將向消息處理任務(wù)的消息隊列發(fā)送一條傳感器告警消息,，消息中包含傳感器通道編號,。

（3）GPRS通信任務(wù)

       此任務(wù)完成GPRS模塊的初始化、終端與監(jiān)控中心建立連接以及數(shù)據(jù)通信功能,。

（4）RS485總線設(shè)備通信任務(wù)

       任務(wù)完成“三表”數(shù)據(jù)的讀取以及用戶刷卡檢測功能,。

（5）按鍵檢測及處理任務(wù)

該任務(wù)完成對終端上三個功能鍵的掃描。當(dāng)其中某個按鍵被按下時,，CPU檢測到鍵值,，向消息處理任務(wù)發(fā)送消息，消息任務(wù)將調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù)進(jìn)行處理,。

4.3監(jiān)控中心軟件

       監(jiān)控中心軟件采用Borland C++ Builder 6.0開發(fā),。它使用WinSock控件接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。中心軟件采用模塊化的設(shè)計思想,，分別實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置,、操作員權(quán)限管理、用戶管理,、告警事件處理,、數(shù)據(jù)庫的維護(hù)以及數(shù)據(jù)打印和系統(tǒng)幫助等功能,。

5．結(jié)束語

       本系統(tǒng)實現(xiàn)了對住宅小區(qū)內(nèi)多用戶室內(nèi)安全狀況的集中監(jiān)控與管理，還實現(xiàn)了對用戶家中的水表,、電表,、煤氣表的遠(yuǎn)程無線抄送。該系統(tǒng)在實用性,、可靠性以及成本等方面取得了較為滿意的效果,。目前，本系統(tǒng)已經(jīng)完成最后調(diào)試,，即將進(jìn)入現(xiàn)場試運行,。由于系統(tǒng)在硬件設(shè)計上充分考慮到了不同的應(yīng)用場合，留有較大的擴(kuò)展空間,，因此相信該系統(tǒng)將會有較為廣闊的應(yīng)用前景,。