基于嵌入式的無(wú)線智能家居近遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：隨著電子技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得家居控制呈現(xiàn)出智能化、遠(yuǎn)程化、無(wú)線化的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)以ARM嵌入式平臺(tái)作為中心控制裝置，利用GSM網(wǎng)絡(luò)、WI—FI無(wú)線通訊技術(shù)、nRF24l01無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)、以及基于單片杌Atmega16的各類傳感器組建了一個(gè)智能家居的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。一方面在本地可以按照需要調(diào)整電器狀態(tài)，另一方面各類傳感器可以監(jiān)控家居的安防情況，一旦發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，系統(tǒng)通過(guò)GSM模塊通知遠(yuǎn)方主人作出相應(yīng)處理，減少財(cái)產(chǎn)損失。本設(shè)計(jì)對(duì)于進(jìn)一步提高智能家居控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用水平和相關(guān)研究具有一定借鑒意義。

關(guān)鍵詞：智能家居;GSM;nRF24l01;無(wú)線通訊;嵌入式;WI—FI

進(jìn)入21世紀(jì)以后，借助網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)的發(fā)展，信息家電已越來(lái)越多地出現(xiàn)在人們的生活之中，而這一切的發(fā)展最終目的都是為了方便人們的生活。智能家居的出現(xiàn)體現(xiàn)了人們對(duì)人居環(huán)境盡善盡美的追求，它無(wú)疑帶給大家一種全新的完美生活理念，讓我們的居住環(huán)境更加舒適和人性化。傳統(tǒng)的有線連接系統(tǒng)面臨著布線復(fù)雜不利于擴(kuò)容和二次開(kāi)發(fā)、受線纜的限制不能移動(dòng)不能及時(shí)控制、電線需要外設(shè)或穿墻影響美觀等諸多缺點(diǎn)。然而在世界通訊業(yè)和信息產(chǎn)業(yè)高度發(fā)展的今天，無(wú)線通訊以其“隨時(shí)、隨地、隨身“的服務(wù)優(yōu)勢(shì)，開(kāi)啟了個(gè)性化信息時(shí)代，造就了不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢(shì)?；谝陨峡紤]，本設(shè)計(jì)建立了一個(gè)采用ARM嵌入式控制系統(tǒng)與GSM全球移動(dòng)通訊系統(tǒng)短消息相結(jié)合的方式，以及各類傳感器的自適應(yīng)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居的智能化。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

1.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上分為前向通道和后向通道。前向通道主要以ARM9系列的S3C2440為核心的主控制器構(gòu)成。后向通道主要由GSM TC35遠(yuǎn)程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊為核心的數(shù)據(jù)通信單元構(gòu)成?？刂茊卧饕菍?duì)室內(nèi)的環(huán)境因素進(jìn)行監(jiān)控，并能夠發(fā)出相應(yīng)的控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居設(shè)備的控制。數(shù)據(jù)通信單元主要完成兩個(gè)任務(wù)：一是有險(xiǎn)情發(fā)生時(shí)將當(dāng)前家居設(shè)備的狀態(tài)以短信的方式，借助GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給用戶;二是接收來(lái)自用戶手機(jī)發(fā)出的短信，翻譯出其控制要求，輸出到前向通道，完成相應(yīng)的控制功能。結(jié)合上述硬件設(shè)計(jì)方案，整個(gè)控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.1.2 功能電路實(shí)現(xiàn)

1.1.2.1 主控制器

本方案以mini2440開(kāi)發(fā)板(原理圖如圖2)作為主控服務(wù)器。它采用Samsung S3C2440A為微處理器，并采用專業(yè)穩(wěn)定的CPU內(nèi)核電源芯片和復(fù)位芯片來(lái)保證系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性。mini2440的PCB采用沉金工藝的四層板設(shè)計(jì)。SamsungS3C2440A采用了ARM920T內(nèi)核，0.13μm的CMOS標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲(chǔ)器單元。

1.1.2.2 無(wú)線組網(wǎng)硬件電路

本方案利用nRF24L01無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)一個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)通信。由于nRF24L01模塊帶有SPI口，為了實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)主控的通信方便快捷，選用ATmega16L單片機(jī)。本方案把ATmega16L單片機(jī)的PA0—PA5連接nRF24L01的控制信號(hào)和檢測(cè)信號(hào)，用于nRF24L01的模式切換以及通信過(guò)程中必須的信號(hào)指示接口。另外ATmega16L可工作在較低電壓，可與nRF24L01共用同一電源。硬件電路如圖3所示。

1.1.2.3 其他電路設(shè)計(jì)

其他電路主要包括：主控制器電路設(shè)計(jì)、電磁閥控制，LED燈管、窗簾控制、聲光燈等電路的設(shè)計(jì)。RM主控服務(wù)器是通過(guò)通用輸入輸出口(GPIO)與各電器相連的。電磁閥是可以用電控制開(kāi)關(guān)的水閥。本方案中使用5 V脈沖式電磁閥，不需要持續(xù)供電，由于是雙穩(wěn)態(tài)，斷電后能保持先前狀態(tài)。由于電磁閥瞬間電流需求較大，開(kāi)啟/關(guān)閉時(shí)需要正反雙向電流。LED燈管是12 V驅(qū)動(dòng)的LED燈，單粒LED燈的驅(qū)動(dòng)電壓為3.3 V。對(duì)窗簾的開(kāi)關(guān)控制是利用L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)進(jìn)行對(duì)直流減速電機(jī)控制。調(diào)光電路由由主控芯片Atmega 16將通過(guò)無(wú)線模塊接收到的信號(hào)進(jìn)行控制PWM輸出，從而控制燈管亮度。

1.1.3 傳感器選型及電路設(shè)計(jì)

1.1.3.1 傳感器選型

本系統(tǒng)涉及的傳感器有：可燃?xì)怏w傳感器、防盜傳感器、溫度傳感器、濕敏傳感器?？扇?xì)怏w傳感器采用MQ2可燃?xì)怏w傳感器。它是一種將某種氣體體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)電信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。防盜傳感器采用熱釋電紅外探測(cè)器，熱釋電紅外探測(cè)器是BISS0001配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構(gòu)成的被動(dòng)式紅外傳感器。該模塊可以通過(guò)GSM、WIFI和ARM來(lái)控制其工作。溫度傳感器采用LM35溫度傳感器，由于它采用內(nèi)部補(bǔ)償，所以輸出可以從0℃開(kāi)始。濕敏傳感器采用的是電阻式高分子濕度傳感器(GY--HR00X)，濕敏電阻的特點(diǎn)是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時(shí)，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測(cè)量濕度。

1.1.3.2 傳感器數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析

傳感器是將外界信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置，其中的電信號(hào)包括數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)，數(shù)字信號(hào)可以通過(guò)電氣隔離直接送給單片機(jī)或微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，模擬信號(hào)則利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將多路被測(cè)量值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再經(jīng)過(guò)單片機(jī)或微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)控。數(shù)據(jù)采集電路如圖4所示。

1.1.4 GSM無(wú)線通訊模塊

本方案的智能家居遠(yuǎn)程控制器，是利用GSM(Global System for Mobile Communications)移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)中的手機(jī)短信業(yè)務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境的遙控與遙測(cè)。主要功能包括對(duì)家居環(huán)境安防的監(jiān)測(cè)以及對(duì)家用電器設(shè)備的遠(yuǎn)程遙控。GSM模塊是智能家居遠(yuǎn)程控制器與用戶手指設(shè)備交互的核心模塊，該模塊在MCU控制下工作。GSM模塊采用西門子公司的TC35。由于TC35具有波特率自適應(yīng)的特點(diǎn)，設(shè)定ARM串口的波特率為9600/bps。利用ASCII嗎進(jìn)行短消息的發(fā)送，實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境參數(shù)的傳遞;對(duì)短消息內(nèi)容進(jìn)行解碼，根據(jù)命令約定，可實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器開(kāi)關(guān)的控制。系統(tǒng)上電后，首先檢測(cè)SIM卡的有效性，在確定GSM正常工作后，對(duì)家居環(huán)境下的傳感器進(jìn)行依次檢測(cè)。對(duì)于數(shù)字量傳感器，只需要判斷傳感器輸出電平的狀態(tài)就可以了。對(duì)模擬量傳感器異常的判定依據(jù)，則利用閥值設(shè)定法進(jìn)行，并利用滑動(dòng)平均濾波的法，以提高報(bào)警的準(zhǔn)確性。當(dāng)有危情出現(xiàn)時(shí)，ARM利用AT指令，通過(guò)TC35完成短信的發(fā)送，并判斷短信是否成功發(fā)送。在用戶接收到報(bào)警信息后，可以利用短信控制某路電器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。例如，在本系統(tǒng)中如果出現(xiàn)煤氣泄漏，MQ2傳感器要一邊向ARM發(fā)出信號(hào)切斷煤氣通道，一邊向GSM模塊發(fā)出信號(hào)通知主人。[!--empirenews.page--]

1.1.5 wifi無(wú)線通訊

Wifi(wireless fidelity，無(wú)線保真技術(shù))即IEEE802.11協(xié)議，是一種斷成無(wú)線傳輸技術(shù)，能夠在數(shù)百英尺范圍內(nèi)支持互聯(lián)網(wǎng)接入的無(wú)線信號(hào)。它的無(wú)線電波的覆蓋范圍廣，半徑可達(dá)100米，甚至可以覆蓋整棟大樓。此外，wifi的傳輸速度很快，最高可達(dá)54Mbps。

wifi定義了兩種類型的設(shè)備。一種是無(wú)線站，通常通過(guò)一臺(tái)PC機(jī)加上一塊無(wú)線網(wǎng)卡構(gòu)成。另一種稱為無(wú)線接入點(diǎn)(Access Point，AP)，它的作用是提供無(wú)線和有線網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁。Wifi定義了兩種模式：infrastructure模式和ad hoc模式。Infrastructure模式，即無(wú)線網(wǎng)絡(luò)至少有一個(gè)有線網(wǎng)絡(luò)連接的無(wú)線接入點(diǎn)，還包括一系列無(wú)線的終端站。Ad hoc模式，也稱為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式(pearto pear模式)或IBSS(Independent Basic Service Set)。

1.1.6 nRF24L01無(wú)線組網(wǎng)方案

整個(gè)系統(tǒng)采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以一個(gè)嵌入式微處理器和主控?zé)o線模塊為中心，各個(gè)家電端為被控端。組網(wǎng)方案如下圖1.2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 操作系統(tǒng)與開(kāi)發(fā)環(huán)境

ARM嵌入式服務(wù)器采用微軟的WindowsCE 5.0系統(tǒng)。服務(wù)器采用Microsoft Embedded Visual C++4.0開(kāi)發(fā)。這個(gè)軟件是微軟公司針對(duì)WinCE系統(tǒng)推出的開(kāi)發(fā)工具。

1.2.2 端口映射

GPIO是ARM芯片最基本的輸入輸出通道，是控制各種電器的通道。在ARM9平臺(tái)上，Windows CE系統(tǒng)將GPIO的實(shí)地址(例如2440的GPIO的基地址為0x56000000)映射到虛擬地址空間(CPIO對(duì)應(yīng)為0xB1600000)，這樣，通過(guò)對(duì)這段虛擬地址空間的操作，就能夠完成對(duì)GPIO或者其他片內(nèi)資源的控制、輸入輸出工作。

1.2.3 網(wǎng)絡(luò)通信

本系統(tǒng)運(yùn)用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的API，通過(guò)UDP連接，利用數(shù)據(jù)報(bào)式套接字Socket(SOCK_DGRAM)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。服務(wù)器和終端都具有發(fā)送和接收功能，可以實(shí)現(xiàn)雙工通信，從而遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和改變用電器使用狀態(tài)。

1.2.4 手機(jī)與PC上的程序

由于服務(wù)器是對(duì)消息產(chǎn)生相應(yīng)，手機(jī)和PC只需利用SOCKEI套接字，發(fā)送相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)消息即可。但要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，手機(jī)和PC也需要能夠接收網(wǎng)絡(luò)消息。手機(jī)的系統(tǒng)是Windows Mobile 6.0，開(kāi)發(fā)環(huán)境是Microsoft Visual Studio 2005開(kāi)發(fā)。PC的系統(tǒng)是WindowsXP，開(kāi)發(fā)環(huán)境是Microsott Visual C++6.0。

2 系統(tǒng)測(cè)試方案及測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)在調(diào)試過(guò)程中，先進(jìn)行各部分的調(diào)試，再進(jìn)行統(tǒng)調(diào)。以下為統(tǒng)調(diào)后的測(cè)試方案及測(cè)試結(jié)果。

nRF24L01無(wú)線組網(wǎng)測(cè)試：NRF24L01無(wú)線通信點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信收發(fā)程序，據(jù)實(shí)測(cè)，該無(wú)線通信板，沒(méi)有加PA，通信距離室內(nèi)60米左右，室外空曠地帶可達(dá)80米。由于防止其他組別的nRF24L01通訊干擾，采用跳頻通訊，也達(dá)到同上點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的實(shí)測(cè)效果。在有障礙物的情況下，基本能達(dá)到本項(xiàng)目的傳輸控制距離要求。

PWM調(diào)節(jié)LED燈管測(cè)試：從示波器觀測(cè)，通過(guò)對(duì)nRF24L01無(wú)線模塊傳輸過(guò)來(lái)的特征值進(jìn)而改變Atmega16L的OCR0能在固定的頻率調(diào)節(jié)占空比，占空比變化明顯，實(shí)測(cè)對(duì)LED燈的PWM控制也達(dá)到預(yù)期效果。

聲控?zé)魷y(cè)試：當(dāng)把光敏二極管給遮住時(shí)，用手拍一下掌，此時(shí)燈就會(huì)亮;當(dāng)把用光照光敏二極管時(shí)，無(wú)論外界的聲音響聲有多大，燈都不會(huì)點(diǎn)亮。此外，燈還可以通過(guò)開(kāi)光、WIFI和GSM來(lái)開(kāi)啟和關(guān)閉。聲控?zé)舻臏y(cè)試達(dá)到預(yù)期的效果。

ARM主控器測(cè)試：通過(guò)軟件調(diào)用底層BSP驅(qū)動(dòng)，能很好地對(duì)GPIO口進(jìn)行控制，達(dá)到預(yù)期效果。

傳感器檢測(cè)：應(yīng)用Atmega16L單片機(jī)對(duì)傳感器進(jìn)行采樣，然后經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，能驅(qū)動(dòng)蜂嗚器等報(bào)警電路，達(dá)到預(yù)期效果。

3 結(jié)論

家居智能化是社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，而要實(shí)現(xiàn)完全高度的智能化控制要求，在很大程度上取決于其控制系統(tǒng)的智能化。而本設(shè)計(jì)主要是利用GSM模塊和嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)通過(guò)手機(jī)短信和觸摸屏查詢家居環(huán)境參數(shù)，并控制室內(nèi)家具設(shè)備的功能，建立了一個(gè)對(duì)家居環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)現(xiàn)家居智能化的系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)的方案能夠在實(shí)現(xiàn)智能控制的同時(shí)，達(dá)到了遠(yuǎn)程遙控的目的，改變了以往智能家居系統(tǒng)只監(jiān)不控的弊端。