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)網智能家居控制系統(tǒng)方案。

1系統(tǒng)總體設計
　    在本設計中，物聯(lián)網智能家居控制系統(tǒng)由安裝在室內的智能控制終端組成，該智能終端主要包括ZigBee無線通信、家庭網關、以太網通信、本地控制單元和GPRS無線通信單元等。
　    家庭網關是整個家居控制系統(tǒng)的核心，它不僅負責內部網絡與外部網絡之間的相互通信，而且還通過ZigBee無線通信網絡對設備終端進行實時監(jiān)控和管理。家居內的各種智能用電器通過無線網絡互相連接，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。安裝在室內的各種傳感器均通過ZigBee無線通信網絡與ARM控制器通信連接，當傳感器探測到室內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的處理。借助于家庭網關，用戶可以利用計算機通過以太網對家居內各種家用電器實施遠程操作或對室內進行遠程監(jiān)控。當用戶不方便利用計算機時，還可以經智能手機通過GPRS無線網絡實現(xiàn)對家居的遠程監(jiān)控。本系統(tǒng)還設有友好的圖形用戶界面(GUI)，該界面能夠顯示系統(tǒng)內各部件的運行信息，用戶可以方便地對家居內設備的運行情況進行查詢。
2 系統(tǒng)硬件設計
　    系統(tǒng)硬件結構圖如圖1所示。本設計中家庭網關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主設備芯片，可以方便地對外圍設備進行擴展[2]。因此，針對本文中家庭網關的設計要求，在此芯片的基礎上加入了電源模塊、按鍵與顯示模塊、以太網模塊、無線傳輸模塊、報警模塊和GPRS模塊等一系列相關外圍設備。S3C2440還具有內存管理單元(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)的設計要求。

2.1 ZigBee模塊
    ZigBee技術是一種新興的近距離無線通信技術。它是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞,根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術是一種短距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術或無線網絡技術，用以實現(xiàn)在數(shù)千個微小的傳感器之間互相協(xié)調的通信[3]。
    ZigBee具有功耗低、傳輸速率低等特點，還可以在設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中，ZigBee技術是最適合應用于物聯(lián)網智能家居控制系統(tǒng)中的。
    從網絡結構方面上看，ZigBee技術支持的網絡形式有星狀、樹狀和網狀三種。在本系統(tǒng)中采用了星狀網絡結構形式。星狀網絡由一個PAN協(xié)調器和多個終端設備組成[4]。在該結構中，當?shù)谝淮渭せ钜粋€全功能設備時，它會自動建立一個網絡，該網絡以其自身為PAN協(xié)調器，并且與當前其他的星形網絡相互獨立。該網絡只允許PAN協(xié)調器與終端間的通信，終端設備之間需要經過PAN協(xié)調器這個中轉站進行通信。星狀網絡通常應用在節(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)采用的星狀網絡結構主要涉及ZigBee網絡中的兩種邏輯設備類型，即協(xié)調器節(jié)點與終端節(jié)點。協(xié)調器與家庭網關通過RS232串行口進行數(shù)據(jù)傳輸，主要負責搜索有效信道和終端節(jié)點，創(chuàng)建內部無線網絡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉發(fā)功能。終端節(jié)點負責接收協(xié)調器傳來的命令，對相應位置的用電器開關和溫度傳感器進行控制，然后把對應的開關狀態(tài)信息和溫度值信息反饋到協(xié)調器節(jié)點，最后把信息轉發(fā)到家庭網關。
    本系統(tǒng)采用美國德州儀器公司生產的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內核集成在同一個芯片之中，因此大大簡化了電路的設計。天線將接收到的無線射頻信號經過低噪聲放大器和I/Q下變頻處理之后,中頻信號只有2 MHz了，此信號再經濾波、放大、A/D變換、自動增益控制、數(shù)字解調及解擴后，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，關系到系統(tǒng)的正常運行。本系統(tǒng)在設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合的供電模式，這樣設計的優(yōu)點是成本低廉并且無需人工干預，體現(xiàn)了智能化與人性化的特點。
2.3 以太網接口電路
    以太網是一種計算機局域網組網技術,是建立在CSMA/CD機制上的廣播型網絡[5]。以太網接口是物聯(lián)網智能家居中一個非常重要的功能模塊，它能夠實現(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絡接口，要想得到相應的網絡接口必須對其進行擴展。
    理論上講,直接把以太網水晶接頭RJ45和以太網芯片DM9000相連便可實現(xiàn)網絡接口的功能。但在本系統(tǒng)中采用的是DM9000+H1102網絡隔離變壓器+RJ45的結構，其連接框圖如圖2所示。這樣的設計有以下優(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口時，可以避免對設備造成不良影響。

    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MAC控制器，該芯片支持8位、16位以及32位接口訪問內部存儲器，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。串行線經電平轉換可與RS232串口直接相連。S3C2440通過異步收發(fā)器為GPRS modem撥號上網提供串口，用戶可以通過置于芯片內的狀態(tài)寄存器進行操作狀態(tài)的判斷和錯誤定位。
3 系統(tǒng)軟件設計
    由于智能家居系統(tǒng)中各個任務都是相對獨立的，因此采用模塊化設計，這樣設計不僅層次清晰、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，其內核代碼非常龐大，并且驅動程序非常豐富，可支持各種不同的主流硬件設備與最新的硬件技術，而且其內核代碼是全部開放的，用戶可以根據(jù)自己的需要對內核進行方便的修改，開發(fā)出自己所需的嵌入式系統(tǒng)。
    ZigBee協(xié)調器在系統(tǒng)中起通信媒介的作用，主要負責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備的監(jiān)控與控制都是在ZigBee協(xié)調器進行命令解析之后完成的。由于本系統(tǒng)的設計是建立在Linux系統(tǒng)之上的，ZigBee協(xié)調器的驅動模塊加載如圖4所示。

    模塊加載時首先需要調用函數(shù)init_module，然后將設備及文件系統(tǒng)注冊到內核中，由于程序設計中采用中斷定時，因此要用到request_irq 函數(shù)申請中斷，打開設備之后用戶就可以進行讀和寫操作了。
4 系統(tǒng)測試結果
    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，然后經過協(xié)調器轉發(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，實現(xiàn)了控制中心與各子系統(tǒng)的本地通信;運用GPRS技術實現(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，可被廣泛應用于智能家居系統(tǒng)中。
參考文獻
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