基于無線的物聯智能家居控制系統設計

陳榮軍,羅文聰,鄭林彬,許嘉龍

（1.中山大學 信息科學與技術學院,廣東 廣州 510006；2.中山大學 南方學院,廣東 廣州 510970）

在當今以計算機、網絡、衛星通信為特征的信息社會，人們對家居設施的要求越來越高，“智能家居”和“物聯網”成為研究熱點[1-4]。在現代化高檔小區中，人們越來越重視居住環境的安全監控，尤其希望對危及生命財產安全(如火災、煤氣泄漏、外人非法入侵等情況)的有效監控,并能及時將異常情況告知戶主或相關的機構。隨著手機、掌上電腦等設備的普及,通過GSM/GPRS、無線WLAN、3G、WiFi等無線網絡不斷推進監控家居技術的革新,目前國內外一些企業也已開始研究智能家居相關產品，但主要集中在價格比較高的高端產品，很難使智能家居進入尋常百姓家。

本文設計了PXA270和nRF24L01的無線物聯智能家居控制系統，為家居智能監控技術發展提供了一個很好的應用方案。設計基于nRF24L01和STC89C52的家居無線終端，可以方便地將原有家居設備匯聚到智能家居系統網絡的節點上進行無線控制。采用高低端控制器，實現無線遙控、嵌入式系統、手機遠程、PC遠程分級的獨立控制，便于實際應用，可以滿足各類客戶需求，有著很好的技術推廣與市場應用前景。

1 系統方案設計

系統結構如圖1所示，嵌入式系統是整個系統的核心。無線傳感網絡控制在實現家居設備獨立控制的同時也將各家居信息傳輸給嵌入式系統，通過操作觸摸屏和視頻模塊即可完成對家居的監控。系統接入Internet,在PC機上登錄家居監控系統進行遠程監控，系統帶有移動通信模塊，可實現手機端的遠程監控。

圖1 系統結構圖

2 硬件設計

2.1 嵌入式控制模塊

基于ARMv5E的Xscale核心,嵌入式核心采用的PXA270芯片最高頻率可達624 MHz，外圍控制器眾多。內置了Intel的無線MMX技術，能夠顯著地提升多媒體性能，此外PXA270也包含了 Intel的SpeedStep技術，能夠根據需要動態調節CPU的性能，真正實現了低功耗，高性能[5]。嵌入式外圍電路采用EELiod270開發平臺，其中包括 CPU、Flash、SDRAM、CPLD核心系統部分和外圍接口。

2.2 無線網路控制

通常控制網絡的組網方案分為有線傳輸和無線傳輸兩種。有線傳輸方式依靠電纜連接，優點是連接穩定，信息交換速率和效率高，但需專用線纜，導致安裝維護成本高。在無線傳輸的方式中，包含315 MHz、藍牙技術和ZigBee技術。315 MHz頻段通信易受干擾,造成藍牙技術和ZigBee技術成本高，且協議開銷大。綜合考慮以上因素,本設計采用nRF24L01芯片提供數據交互以組建無線網絡。nRF24L01是挪威NORDIC公司的2.4 GHz無線收發一體芯片,有多達125個頻道可供選擇，支持1 Mb/s和2 Mb/s傳輸速率[6]。此芯片可通過SPI寫入數據,并有自動應答和自動再發射功能,芯片功耗非常低,多種低功率工作模式使節能設計更方便。

基于nRF24L01芯片與STC89C52單片機設計了無線網絡控制中的無線終端，通過設置好的協議進行無線操作。如圖2所示，無線網絡控制主模塊通過無線終端與監控家居設備（窗簾、窗體、門禁、安防檢測、家用電器、備用插座等）、家居設備的開關狀態、報警等物理信息及無線終端傳送給無線網絡控制主模塊。同時，系統也可通過無線遙控或PXA270平臺上的觸屏方便、快捷地操作家居設備工作。

2.3 安防傳感器檢測設計

如圖3所示，煙霧、煤氣泄漏、紅外等傳感器的報警信號通過光電耦合接入無線終端上STC89C52的P2口。傳感器沒有報警信號時，光電耦合芯片處于截止狀態，與之相接的單片機端口為低電平；傳感器有報警信號時，輸出高電平，此時,光電耦合芯片導通。與之相接的單片機端口為高電平，由STC89C52對報警信號進行采集并做出相應處理，通過nRF24L01無線終端將設定好的信號發送到無線網絡總控制器。

2.4 移動通信和視頻監控

移動通信模塊可以選用最新的3G模塊，但考慮目前市場上的3G模塊都只能支持TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000之一的網絡標準，而且價格比較高，本系統從性價比上考慮選擇GSM模塊，采用西門子MC35 GSM/GPRS無線模塊。該模塊支持EGSM900和GSM1800雙頻，支持數字、語音、短消息和傳真，使用AT指令控制發送短消息。并采用9 V直流電源供電，通過RS-232串行端口與EELiod270平臺連接進行通信。

視頻采集模塊采用基于中星微(Vimicro)公司ZC0301P芯片的攝像頭，硬件最高支持VGA分辨率（640×480），支持ISO/IEC 10918-1(JPEG)標準圖像壓縮。在VGA模式下速率可達15 F/s，在CIF（352×288）和SIF(320×240)模式下速率可達30F/s,并通過USB接口連接到EELiod270平臺。

3 系統軟件設計

3.1 客戶端軟件設計

本系統的客戶端選用Linux下的開發工具QT，客戶端主要功能包括GSM、視頻、嵌入式平臺與無線網絡控制通信及各類終端控制。

3.1.1 GSM模塊設計

GSM控制模塊實現了遠程安全監控家電設備和自動報警的功能。系統采用定時器方式讀取串口內容。本系統在PXA270平臺上實現了煙霧紅外傳感器的報警信息和視頻數據的采集，借助于GSM網絡，基本達到了遠程監控的目的。結合有線或無線網絡，也可以將相關數據自動傳輸到遠程服務器端進行處理，充分發揮智能家居系統遠程監控的功能。

3.1.2 視頻模塊設計

本視頻功能是為了方便用戶和服務器端的監視。視頻的顯示與傳輸時以圖像為主，即拍攝某一瞬間的畫面進行顯示，通過瞬間的一幅幅畫面來實現視頻功能。

3.1.3 嵌入式平臺與無線網絡控制通信設計

嵌入式平臺與無線網絡控制通信實現了客戶端對底層的無線終端控制以及對部分反饋信息進行處理。設計流程圖如圖4所示，其中報警信息是以"#$#"為標示，如果檢測到"#$#1"信號則表明紅外警報被觸發；"#$#2"表明煙霧警報被觸發；"#$#3"表明煤氣警報被觸發；當有警報被觸發時，系統自動啟動短信自動報警。各家電設備的狀態信息是以"#&"作為起始標志，"！"作為結束標記，設計時需充分考慮到安全穩定問題。

圖4 嵌入式平臺與無線網絡控制通信流程圖

3.2 服務器端軟件

本服務端程序基于Redhat 9.0的QT軟件平臺下開發,通過有線網絡將EELiod270平臺的視頻和所有設備的狀態信息數據傳輸到小區的監控服務端，并將所有的狀態信息保存到日志文件中。

服務器端接收的數據主要為所有設備和傳感器的狀態信息數據以及視頻數據，在接收時利用信息頭加以區分。對于狀態信息的數據內容較小，在接收過程中不存在網絡阻塞而丟數據包的情況。但是對于視頻數據而言，由于視頻數據較大，在接收過程中由于網絡阻塞而丟失數據包，最終導致視頻無法恢復。因此在視頻數據接收過程中采用分塊接收的方法，即將需要傳輸的視頻數據分成n個數據塊，每個數據塊的傳輸進行通信握手，當一塊數據完全傳輸到服務器后，向客戶端回送握手信號，客戶端再發送下一個數據塊數據。當一幀視頻傳輸完畢后，再將視頻數據進行合成。服務器端界面如圖5所示，服務器端最主要的是接收來自客戶端的信息，并對其進行處理。

4 系統調試

4.1 嵌入式系統調試環境

本系統的調試環境是：

PC主機：CPU：AMD ALTHLON(速龍)1 G;內存：1GB;操作系統：Red Hat Linux 9.0操作系統;內核版本：2.4.20;開發平臺：EELiod PXA270;SDRAM：64 MB;Flash：32 MB;嵌入式 Linux內核版本：2.4.21;本地編譯工具：gcc，g++;交叉編譯工具：arm-linux-gcc、arm-linux-g++。

4.2 系統整體測試

測試方法：分別用手機、ARM人機交互系統及遙控系統，通過無線網絡控制各個功能模塊的工作,從而達到對網絡的穩定性及各個功能穩定性的檢查。圖6所示為PC監控軟件測試結果達到預期穩定效果界面。

本系統從智能化家居的理念出發，利用無線芯片、嵌入式與單片機及移動通信等技術控制，實現了對家居設備物理狀態、安防檢測、視頻信息的智能化控制。經過實驗測試，系統工作可靠，設計的家居無線終端能方便匯聚家居設備到系統無線控制網絡；采用高低端控制器實現無線遙控、嵌入式系統、手機遠程及PC遠程分級獨立控制，便于實際應用，滿足了各類客戶需求，有很好的技術推廣與市場應用前景。

[1]ERDEM H,UNER A.A multi-channel remote controller for homeand office appliances[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics,2009,55(4):2184-2189.

[2]Yang Yongquan,Wei Zhiqiang,Jia Dongning,et al.A cloud architecture based on smart home[C].Second International Workshop on Education Technology and Computer Science,2010:6-7,440-443.

[3]BRDICZKA O,CROWLEY J L,REIGNIER P.Learningsituation models in a smart home[J].IEEE Transactions on Systems,Man,and Cybernetics,Part B:Cybernetics,2009,39(1):56-63.

[4]曾國敬,宋躍,何志輝.一種智能家居遠程控制系統的硬件設計[J].電子技術應用,2011,37(4):81-84.

[5]王金莉,蘇宛新.基于PXA270的嵌入式系統設計[J].微計算機信息,2008,24(4-2):11-13.

[6]何偉,陳鋒,張玲,等.基于 nRF24L01和 Actel FPGA的智能探測系統設計[J].電子技術應用,2010,36(10):111-116.