基于無線的物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張海波

(南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院 637000)

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)是整個(gè)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，由此，將各個(gè)家居信息傳輸給嵌入式系統(tǒng)，通過操作觸摸屏和視頻模塊即可完成對(duì)家居的監(jiān)控[1]，使得無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制能夠?qū)崿F(xiàn)家居設(shè)備的獨(dú)立控制。系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)手機(jī)端的遠(yuǎn)程監(jiān)控時(shí)，通過接入Internet， 在PC 機(jī)上進(jìn)行登錄，建立移動(dòng)通信模塊，由此可以通過通信模塊來進(jìn)行遠(yuǎn)程的監(jiān)控。

2 硬件設(shè)計(jì)方案

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(dá)624 MHz， 也包含了SpeedStep在Intel的技術(shù)，通過需要調(diào)節(jié)CPU的動(dòng)態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)真正技術(shù)應(yīng)用上的低功耗、高性能[2]。其中CPU、SDRAM、Flash 、CPLD 的核心系統(tǒng)和外圍接口是通過嵌入式外圍電路采用EELiod270 開發(fā)平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)的。

2.2 對(duì)于無線網(wǎng)絡(luò)的控制

常規(guī)情況下，物聯(lián)網(wǎng)智能家居的控制是通過有線和無線兩種傳輸方式進(jìn)行控制的。有線的傳輸是依靠電纜的連接來進(jìn)行傳輸，其具有信息交換速率高和連接穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)由于其需要專用的纜線，這就導(dǎo)致了安裝維護(hù)的成本較高。無線的傳輸方式，包含了藍(lán)牙技術(shù)、315 MHz、和ZigBee 技術(shù)。但是，315 MHz頻段通信常常容易受到外界環(huán)境的干擾, 造成技術(shù)在應(yīng)用中的成本和協(xié)議開銷的加大。經(jīng)過種種技術(shù)上的測(cè)試和以上各方面因素的考慮,本設(shè)計(jì)方案決定采用nRF24L01 芯片在技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)來提供交互式數(shù)據(jù)，并以此來組建無線網(wǎng)絡(luò)。挪威NORDIC 公司的2.4 GHz無線收發(fā)一體芯片是通過nRF24L01來實(shí)現(xiàn)的,其有130個(gè)頻道可供選擇，并且同時(shí)支持2 Mb/s和1Mb/s的傳輸速率[3]。2.4 GHz無線收發(fā)一體芯片可通過SPI 寫入數(shù)據(jù),同時(shí)可以自動(dòng)的應(yīng)答和發(fā)射, 此芯片的功耗非常的低,這種多種低功率的工作模式能使設(shè)計(jì)在節(jié)約能源上更加方便。

2.3 對(duì)于傳感器檢測(cè)安防的設(shè)計(jì)

傳感器的報(bào)警信號(hào)通過光電耦合接入使煙霧、紅外線、煤氣泄漏等接入無線終端上。當(dāng)傳感器上的報(bào)警信號(hào)沒有顯示時(shí)，光電的耦合芯片是處于一種停止運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)，低電平是相接部位，是傳感器的單片機(jī)端口；傳感器在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，會(huì)輸出高電平，此時(shí), 光電耦合芯片會(huì)通電。與其相連接的單片機(jī)端口為高電平，報(bào)警信號(hào)是由STC89C52 發(fā)出信號(hào)，再通過采集并做出相應(yīng)處理，通過nRF24L01的無線終端，將設(shè)定好的信號(hào)發(fā)送到無線網(wǎng)絡(luò)總控制器上。

2.4 視頻監(jiān)控和移動(dòng)通信

市場(chǎng)上的3G模塊是移動(dòng)通信模塊中最新的,但是目前市場(chǎng)上的3G模塊的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，通常只支持WCDMA、TD-SCDMA和CDMA2000其中之一，而且它們的性價(jià)比都比較高，從性價(jià)比上考慮，本系統(tǒng)決定采用GSM 模塊，利用西門子MC35GSM/GPRS 無線模塊來進(jìn)行設(shè)計(jì)。GSM1800雙頻和GSM900 不僅支持語音、數(shù)字、傳真和短消息并且能夠通過AT指令來控制短消息的發(fā)送。同時(shí)，此設(shè)計(jì)采用的9V直流供電也能通過RS-232系統(tǒng)連接EELiod270平臺(tái)和端口來進(jìn)行通信連接。

3 系統(tǒng)方面的軟件設(shè)計(jì)

3.1 客戶端的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過選用Linux下的QT開發(fā)工具對(duì)客戶端的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，客戶端的功能主要包括SM、嵌入式平臺(tái)、視頻和無線網(wǎng)絡(luò)控制通信以及各類終端控制。

（1）GSM 模塊設(shè)計(jì)

GSM 控制模塊使得遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)中對(duì)家電設(shè)備以及自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)功能的應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)。此系統(tǒng)利用定時(shí)器的方式來讀取串口內(nèi)容。在PXA270的應(yīng)用平臺(tái)上，此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了視頻數(shù)據(jù)和對(duì)傳感器的報(bào)警應(yīng)用系統(tǒng)信息的采集，通過借助GSM 網(wǎng)絡(luò)，從而達(dá)到對(duì)于遠(yuǎn)程監(jiān)督控制的目的。利用有線或無線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的應(yīng)用，將相關(guān)系統(tǒng)數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器端進(jìn)行處理，使智能家居系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能得以更好地發(fā)揮。

（2）嵌入式平臺(tái)與無線網(wǎng)絡(luò)控制通信設(shè)計(jì)

無線網(wǎng)絡(luò)控制通信和嵌入式平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了客戶端對(duì)底層的無線終端控制以及對(duì)個(gè)別的反饋信息進(jìn)行處理。進(jìn)行設(shè)計(jì)流程圖制作，其中它的報(bào)警提示是以”#$#” 為標(biāo)示，若是檢測(cè)到”#$#1”的信號(hào)就說明紅外警報(bào)有人觸摸；”#$#2”就說明煙霧警報(bào)有人觸摸；”#$#3” 就說明煤氣警報(bào)有人觸摸； 當(dāng)有警報(bào)被觸發(fā)時(shí)，本系統(tǒng)將有專門的啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行提示。各家電設(shè)備的起始標(biāo)志是以”#&” 作為顯示的，”！”作為結(jié)束標(biāo)記，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)于安全穩(wěn)定的問題需要充分考慮到。

（3）nRF24L01的設(shè)計(jì)原理

nRF24L01的設(shè)計(jì)原理是將其相關(guān)的配置作為發(fā)射模式，將接受的節(jié)點(diǎn)地址TX-ADDR和郵箱的TX-PLD數(shù)據(jù)寫入nRF24L01的緩存區(qū)，然后同CE置為高點(diǎn)平運(yùn)用，比保持其運(yùn)作10μs以上，延遲130μs之后再發(fā)射數(shù)據(jù)。收到應(yīng)答之后便可以認(rèn)為是通信成功。具體設(shè)計(jì)原理如下圖。

3.2 服務(wù)器終端軟件

服務(wù)器終端軟件程序是通過Redhat 9.0 的QT軟件進(jìn)行開發(fā)的, 有線網(wǎng)絡(luò)將EELiod270 平臺(tái)上所有設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下的信息數(shù)據(jù)傳送到小區(qū)的監(jiān)控服務(wù)系統(tǒng)中，并同時(shí)將在系統(tǒng)中的信息狀態(tài)保存到特定的日志文件中。在服務(wù)器端所接收到的數(shù)據(jù)大多數(shù)是視頻數(shù)據(jù)和傳感器的運(yùn)行數(shù)據(jù)為主的，在接收信息的同時(shí)，利用信息的標(biāo)頭加以區(qū)別和劃分，來實(shí)現(xiàn)信息的整合。很多時(shí)候信息在運(yùn)行的狀態(tài)下，其數(shù)據(jù)內(nèi)容內(nèi)存顯得很小。在接收的過程中，由于網(wǎng)絡(luò)阻塞而導(dǎo)致丟失數(shù)據(jù)包的幾率將會(huì)減少。但是有一點(diǎn)是要注意的，視頻數(shù)據(jù)在運(yùn)行的情況下，其數(shù)據(jù)值是比較大的，在接收數(shù)據(jù)的過程中，面對(duì)網(wǎng)絡(luò)阻塞而常常丟失數(shù)據(jù)包，在這種情況下就常常會(huì)導(dǎo)致視頻無法恢復(fù)。因此在視頻數(shù)據(jù)接收過程中，就需要將傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)分成多個(gè)數(shù)據(jù)塊，再將每個(gè)數(shù)據(jù)塊的傳輸進(jìn)行通信連接。這樣，在數(shù)據(jù)接到完全傳輸?shù)椒?wù)器的命令后，向客戶端回送信號(hào)，客戶端就能夠再一次的發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)塊的視頻數(shù)據(jù)。當(dāng)一幀視頻傳輸完畢后，再將視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行合成。

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 嵌入式系統(tǒng)調(diào)試環(huán)境

本系統(tǒng)的調(diào)試環(huán)境是，PC 主機(jī)： CPU：AMD ALTHLON(速龍)1G；內(nèi)存1GB；操作系統(tǒng)：Red Hat Linux 9.0 操作系統(tǒng)；內(nèi)核版本：2.4.20;開發(fā)平臺(tái)：EELiod PXA270;SDRAM：64 MB;Flash：32 MB；嵌入式Linux 內(nèi)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(tǒng)整體測(cè)試

測(cè)試方法：分別用手機(jī)、ARM人機(jī)交互系統(tǒng)及遙控系統(tǒng)，通過無線網(wǎng)絡(luò)控制各個(gè)功能模塊的工作，從而達(dá)到對(duì)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性及各個(gè)功能穩(wěn)定性的檢查。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)從智能化家居的理念出發(fā)，利用無線芯片、單片機(jī)、嵌入式、電信技術(shù)等技術(shù)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭居室設(shè)備上的物理狀態(tài)、安防檢測(cè)、視頻信息方面的智能控制。經(jīng)過科學(xué)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，系統(tǒng)工作更加可靠，無線終端技術(shù)能更加方便的匯聚家居設(shè)備到系統(tǒng)無線控制網(wǎng)絡(luò)上；實(shí)現(xiàn)無線遙控、手機(jī)遠(yuǎn)程、嵌入式系統(tǒng)及PC遠(yuǎn)程系統(tǒng)在分級(jí)獨(dú)立控制上利用高低端控制器實(shí)現(xiàn)的目的，便于實(shí)際應(yīng)用，滿足了各類客戶需求，有很好的技術(shù)推廣與市場(chǎng)應(yīng)用前景。

[1] 王金莉，蘇宛新.基于PXA270 的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]微計(jì)算機(jī)信息,2008,24(4-2) 11-13.

[2] 何偉,陳鋒,張玲等.基于nRF24L01 和Actel FPGA 的智能探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用, 2010 36(10):111-116.

[3] 曾國敬,宋躍,何志輝.一種智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2011,37(4):81-84.