三網協同智能家居系統研究與設計

長春理工大學電子信息工程學院 樊 斌 尹高峰

?

三網協同智能家居系統研究與設計

長春理工大學電子信息工程學院 樊 斌 尹高峰

【摘要】本文采用嵌入式技術，開發了基于無線傳感網絡、3G手機網絡、Internet網絡的“三網”協同的智能家居系統，可以做到分別使用室內無線傳感網絡終端、3G手機終端及Internet網絡終端。智能家居系統由硬件和軟件兩部分組成，硬件上將系統劃分為三個相互獨立的家庭主控模塊、WSN模塊和WSN終端模塊，家庭主控系統的控制器采用控制器芯片為S5PV210的ARM。軟件上移植了安卓系統，開發基于安卓平臺的家庭主控APP軟件以及基于Windows平臺的PC端軟件。

【關鍵詞】智能家居；無線傳感網；Internet網絡；3G網絡

0 緒論

智能家居是近幾年來的一個新興概念，有非常高的研究利用價值。目前國內的各種智能化產品較多，但各個產品之間都是相互獨立的，集成度較低，而且市場上使用安卓操作系統的智能家居系統還很少，現在，安卓已經成為個人電子產品的主要系統。本文就依據智能家居的核心概念，結合安卓系統和Zigbee技術，統籌了各種設備模塊和控制器之間的通信，優化人機交互界面，實現了超強的功能與用戶體驗[1]。

1 智能家居系統總體架構設計

系統主要由主控制器、Zigbee模塊、GSM/GPRS模塊、網絡服務器、客戶端這五部分構成。主控制器以cpu型號為S5PV210的芯片作為核心[2]。Zigbee模塊通過部署各類傳感器，采用無線ZigBee技術傳輸數據至系統平臺，系統根據設定的參數標準，進行家電控制。GSM/GPRS模塊具有發送短消息、通話、數據傳輸等功能，通過AT指令實現各種通信功能。網絡服務器主要是運營商統一管理用戶信息和提供便捷增值業務的服務器。終端可以是phone、pad、無線遙控器等等。PC上的客戶端軟件可以通過局域網或者是互聯網訪問網絡服務器或者直接訪問家庭主控設備，用來隨時隨地的了解家庭的情況并可以遠程控制家用電器。智能家居系統的實現框圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 主控模塊

S5PV210采用了ARM CortexTM-A8內核，ARM V7指令集，主頻可達1GHZ，64/32位內部總線結構，32/32KB的數據/指令一級緩存，512KB的二級緩存，S5PV210包含很多強大的硬件編解碼功能。用S5PV210作為主控處理器，主控板上有LCD電容觸摸屏、紅外接收器、用戶按鍵、音視頻模塊等人機交互模塊，并且通過各種協議總線與Zigbee主節點模塊、Wifi模塊、DM9000模塊、GSM/ GPRS模塊等通信模塊相連，用以和其他模塊進行遠程通信。在節點模塊硬件設計中，各種傳感器和執行機構通過與CC2530模塊相連，進而與主控節點進行通信。

圖1 系統總體實現框圖

2.2 ZigBee模塊

采用CC2530作為ZigBee模塊的主芯片[3]。CC2530是一個兼容IEEE 802.15.4的真正的片上系統，支持專有的802.15.4協議以及Zigbee標準。它具有大小為101dB的衡量數據包丟失的鏈路質量，反應靈敏的接收器和抗干擾性強的優點，并且包括兩個串口、212的AD轉換和21個IO口。閃存選擇具有256KB的CC2530F256，它結合Zigbee協議棧，可以提供了一個功能性強完整度高的通信方案。

2.3 GSM/GPRS模塊

GPRS是建立在GSM系統之上的通用分組無線服務技術，由于引入了分組交換和分組傳輸的概念，因此GPRS具有資源共享、頻帶利用率高、數據傳輸率高等特點，而且只有在用戶進行數據傳輸時才占有系統資源，且在數據傳輸時能夠同時占有多個無線信道，提高了通信質量。當系統運行時，主控制器主要負責根據系統的通信協議將數據打包，并通過GPRS模塊將打包好的數據發送到系統監控主機，當接收數據時，主控制器負責對數據幀進行解析，根據解析出的數據產生控制動作。如判斷有警告發生時，監控主機通過控制GMS模塊向系統預先設置的聯系人的手機號碼發送告警短信，通知聯系人家中有警情發生[4]。同時，監控主機還將把告警事件的詳細信息以日志的形式記錄存檔，便于聯系人事后對告警信息進行查詢。GPRS模塊通過串口連接到主機，實現收發短信，撥打電話，發送彩信等功能，可作為實時監控報警系統的無線終端。

2.4 節點模塊

節點包括與主機通信的射頻模塊、感知環境狀況的傳感器模塊、系統電源模塊、程序調試和燒寫接口模塊以及其他輔助和可擴展電路等。由CC2530EM與PCB天線構成的射頻通信模塊是整個系統節點的核心，負責與主機的通信鏈接。傳感器模塊主要將監測到的環境數據傳遞給CC2530EM內置的微處理器，對數據編碼壓縮之后再發送出去，微處理器的核心是8051增強型單片機，因此可以根據系統中的程序對數據進行一定地處理。如對于傳感器監測實際的數據不在預先設定的工作范圍之內，不管是超出還是低于預設值，則將該數據以接力的方式先發送的主節點中，再由主節點發送到主機系統中，由系統進行進一步的判讀、處理。然后射頻通信模塊根據主機反饋的操作命令經主節點發回原節點產生行相應的操作，以保證達到預定值。調試和燒寫接口模塊用來調試和燒寫完成上述功能的軟件。

3 智能家居系統軟件設計

智能家居系統的軟件設計主要是指家庭主控器的上位機軟件設計和無線節點通信、控制軟件設計[5]。其中家庭主控器的軟件設計，需要移植安卓操作系統平臺，再針對安卓操作系統平臺編寫上層主控器APK軟件。

圖2 主控制器的軟件開發流程圖

安卓系統上的應用程序是智能家居控制端中的家居控制端，連接了智能家居服務器，接收手機客戶端與PC客戶端發送的控制查詢消息，更重要的是它解析控制消息后要向硬件設備發送指令，完成對家庭中不同電器的控制，達到監控家居安全的目的。主控制器的流程圖如2所示。

4 智能家居系統服務器端設計

系統服務器采用Apache MINA2框架。它是一個開發高性能和高可伸縮性網絡應用程序的應用框架，解決系統內各子系統之間同步消息的問題。提供了一個抽象的事件驅動異步API，可使用TCP/IP、UDP/IP、串口和虛擬機內部的管道等傳輸方式鏈接不同的子系統。此服務器采用了于TCP/IP傳輸服務。

MINA框架較好的解決了I/O數據傳輸的異步性和實時性，可以高效快速的反映智能家居的實時狀態，同步了不同客戶端的數據，保證同一家庭不同用戶對同一電器狀態的掌控。MINA框架使得安卓客戶端和PC客戶端可以使用相同的I/O消息類型同服務器通信，從而屏蔽了兩種不同子系統不同客戶端之間的通信差異，方便它們之間的信息通信。

5 結論

本文提出了以S5PV210高性能芯片作為主要控制器的智能家居網絡的設計構建方案，使用低功耗ZigBee模塊通信將各個節點連接在一起，形成了一個家庭的局域網，全方位的監控家居系統的運行狀態，控制家居環境，提供各種家庭智能服務的網絡服務系統。解決了傳感器數據量提升時，中心控制系統數據處理能力、控制力不足的問題。并充分發揮了手機高效便攜的優勢以及互聯網的便捷性的特點。

參考文獻

[1]吳志軍.基于ARM與安卓的智能家居系統設計與實現[Z].嵌入式網絡技術與應用,2012.

[2]劉述,孫明俊.家庭網關在家庭網絡中的作用與功能[J].電信網技術,2005,6:9-12.

[3]李俊斌,胡永忠.基于CC2530的Zigbee通信網絡的應用設計[J].電子設計工程,2011(16):108-111.

[4]CE Adams.Home area network technologies[J].BT Technology,Journal April 2002.

[5]Pat Richards.A CAN Physical Layer Discussion[J]. Microchip,2006.