物聯網分布式網絡數據傳輸技術——智能家居系統設計

汪建春，胡曉進

0 引言

隨著計算機技術、網絡技術和自動控制技術的迅猛發展，家庭智能化和信息化應運而生，它為人們提供集信息安全、生活舒適、通訊快捷為一體的居住空間，使家居智能化、信息化、數字化及網絡化成為現實。隨著3G、4G時代的到來，移動數據傳輸能力得到提高，使得人們通過移動終端實時、快速監測家居環境成為可能[1,2]。

移動終端遠程控制作為一個嶄新課題與常規的遙控方式相比，顯示出一定的優越性。短消息、彩信通過GSM(Global System for Mobile Communication)或GPRS(General Packet Radio Service)服務中心提供文本信息、多媒體信息的收發服務，其中服務中心完成存儲和轉發功能。利用服務中心進行無線通信具有雙向數據傳輸功能，性能穩定，為遠程數據傳輸和監控設備的通信提供一個強大的支持平臺[3,4]。

1 智能家居監控系統設計要求

圖1為智能家居系統架構示意圖。當移動終端想獲取家居控制系統實時數據，通過GSM網絡發送文本短消息SMS到控制器。控制器根據文本內容，控制器選擇不同IP地址和網絡端口，通過局域網將控制數據包發送到各監控設備。監控設備根據控制數據包進行監控動作，并將數據進行打包，回送給控制器。控制器獲得數據后解包并將相應的數據通過GPRS網絡發送到移動終端。

當各監控設備檢測到異常情況時，通過局域網絡將監測到異常數據，如家中有人闖入、電器設備異常等，發送到控制器。控制器通過GPRS將異常發送到移動終端。

圖1 智能家居系統架構示意圖

2 系統總體結構設計

整體硬件架構如圖所示，控制器采用嵌入式S3C2440模塊通過串口與TC35模塊實現數據傳輸。TC35模塊通過GPRS/GSM網絡將監控數據傳輸到移動終端。各監控設備通過S3C2440模塊的網絡端口與控制器S3C2440模塊網絡端口組建局域網絡，實現數據的傳輸與交互，如圖2所示。

2.1 無線通信TC35模塊

圖2 數據傳輸與交互

TC35是西門子推出的一款無線通信模塊，設計緊湊。TC35與GSM 2/2+兼容，雙頻(GSM900/GSM1800)工作，帶有RS232數據口。符合ETSI標準GSM0707和GSM0705，且易于升級為GPRS模塊。該模塊集射頻電路和基帶于一體，向用戶提供標準的AT命令接口，為數據、語音和短消息提供快速、可靠、安全的傳輸，方便用戶的應用開發及設計。在系統中S3C2440通過RS232與其相連。

圖3 系統流程圖

2.2 控制器及監控設備核心S3C2440芯片

嵌入式處理芯片S3C2440芯片是三星公司以ARM為架構所推出的ARM920T的微處理器核心。具備16KB的指令緩存和16KB 數據緩存。內存管理單元協處理器進行內存存儲管理，外部存儲控制器進行SDRAM控制和片選控制。提供1通道LCD控制器并支持DMA數據傳輸。3通道通用異步接受發送器UART。8通道10位模數轉換和觸摸屏接口，130個通用I/O口和24通道外部中斷源。系統電源管理模塊具備普通，慢速，空閑和掉電模式，使系統運行更省電。

3 系統軟件設計

控制器及監控設備軟件是基于LINUX操作系統上開發，LINUX操作系統是一款源代碼開放的自由軟件。LINUX具有良好的軟件開發工具、可移植性并支持多線程和多進程編程[5]。針對系統特點，軟件采用多線程編程方式，多線程具備并發執行、共享主進程資源等特性。

3.1 系統流程圖

系統上電后，初始化串口、TC35無線通訊模塊。通過函數pthread_create創建TC35監控及局域網絡監控子線程。利用條件變量pthread_cond_init實現子線程的調度。主控制器通過循環監測各子線程的條件變量，當TC35模塊收到信息，系統解析信息內容，并判斷終端想獲取的監控模塊數據。主控制器停止TC35監控線程、網絡監控線程的運行。通過局域網向監控模塊發出數據請求。監控模塊通過局域網將監控數據回傳給系統，主控制器將數據通過串口將數據經TC35無線通訊模塊發送到移動終端。重新啟動TC35監控線程、網絡監控線程。

當監控模塊檢測到異常，向上請求數據傳輸。網絡監控子線程接受到異常信號后，主控制器暫停TC35監控線程、網絡監控線程，并獲得異常監控設備的IP地址及終端號。主進程通過IP地址及端口號，與監控設備建立網絡聯結，進行監控數據傳輸。主控制器將獲得的數據通過TC35模塊發送到移動終端，如圖3所示。

3.2 網絡數據傳輸

系統依靠局域網絡，通過TCP/IP編程實現監控模塊與主控制器實現數據傳輸。通過函數socket創建面向TCP/IP協議、流套接字，bind函數套接字綁定在一個固定的端口上，listen函數將套接字轉換為被動傾聽套接字，accept函數從建立連接的隊列中接受一個連接，read/write函數用于數據接收和發送，如圖4所示。

圖4 數據接收和發送

4 結束語

本文敘述一種新型的智能家居系統架構。通過主控制器控制無線通訊模塊，和移動終端實現數據交互。主控制器通過局域網絡與監控設備數據交互，從而實現了移動終端與監控設備雙向互動，即監控設備監測到異常，主控制器主動發送監控數據到移動終端；和移動終端想獲得監控數據，發送文本短消息到主控制器，主控制器啟動監控設備，并將監控數據回送移動終端。

[1] 董翠英. 基于ARM與GSM的智能家居控制器設計[J]. 唐山學院學報. 2010, 23(3): 37-39.

[2] 馬鴻雁. 我國智能化住宅小區發展綜述[J]. 北京建筑工程學院學報, 2003, 19(1): 88-93.

[3] 王藝. 基于GPRS的嵌入式智能家居終端的設計與實現[J]. 微計算機信息, 2007(26): 23-25.

[4] 黃爾烈, 等. GSM技術的智能家居控制[J].遼寧工程技術大學學報: 自然科學版, 2008(27): 239-241.

[5] 楊水清, 等. ARM潛入式Linux系統開發技術詳解[M]. 北京: 電子工業出版社, 2008.