基于GPRS 網(wǎng)絡(luò)的智能家居控制系統(tǒng)*

沈舒海，王曉東 ，胡珊逢，張陳梅

(寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 寧波315211)

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)領(lǐng)域，被認(rèn)為是繼互聯(lián)網(wǎng)之后最重大的科技創(chuàng)新。物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)射頻識(shí)別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展也為智能家居引入了新的概念及發(fā)展空間，智能家居可以被看作是物聯(lián)網(wǎng)的一種重要應(yīng)用。基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居，表現(xiàn)為利用信息傳感設(shè)備(同居住環(huán)境中的各種物品松耦合或緊耦合)將家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在一起，并與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行監(jiān)控、管理信息交換和通訊，實(shí)現(xiàn)家居智能化。其包括:智能家居(中央)控制管理系統(tǒng)、終端(家居傳感器終端、控制器)、家庭網(wǎng)絡(luò)、外聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、信息中心等。中國(guó)智能化住宅的發(fā)展，在經(jīng)歷了近10 年的探索階段之后，建筑面積目前已達(dá)到400×108m2，預(yù)計(jì)到2020 年還將新增300×108m2［1］。

本文基于GPRS 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)及單片機(jī)控制技術(shù)提出了一種新型、低成本、方便實(shí)用的遠(yuǎn)程家居控制系統(tǒng)，面向智能家居行業(yè)，具有廣闊的市場(chǎng)發(fā)展前景，對(duì)改善民生、方便百姓、提高生活質(zhì)量和幸福指數(shù)的巨大促進(jìn)作用［2］。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)架

1.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的功能即實(shí)現(xiàn)通過(guò)GPRS 網(wǎng)絡(luò)，用戶只需要對(duì)手機(jī)軟件操作即可控制家庭里各種家電的開關(guān)以及窗簾、晾衣架的拉合、伸縮。

功能示意圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)功能示意圖

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 系統(tǒng)各組成模塊

1.3.1 主控制器

出于性價(jià)比及系統(tǒng)功能的考慮，本系統(tǒng)選用Silicon Labs 公司的51 系列單片機(jī)C8051F040 為主控制器。C8051F040 是目前應(yīng)用較多的一類高性能單片機(jī)［3］，具有運(yùn)算主頻高(最高可達(dá)到40 MHz)、內(nèi)置模塊多(CAN 控制器、高速串行端口UART、SPI 模塊等)、事物處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)，對(duì)于一般運(yùn)算處理，完全能夠滿足要求［4］。芯片上有1 個(gè)12 bit 多通道ADC，2 個(gè)12bit DAC，2 個(gè)電壓比較器，1 個(gè)電壓基準(zhǔn)，1 個(gè)32 kbyte 的FLASH 存儲(chǔ)器，與MCS－51 指令集完全兼容的高速CIP－51 內(nèi)核，峰值速度可達(dá)25 MI/S，并且還有硬件實(shí)現(xiàn)的UART 串行接口和完全支持CAN2.0A 和CAN2.0B 的CAN 控制器。C8051F040在I/O 端口方面有較大的選擇空間，方便系統(tǒng)的拓展，除具有4 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的8051 端口P0、P1、P2、P3 外，還附加了4 個(gè)端口P4、P5、P6、P7。這64 個(gè)多功能的I/O 端口每個(gè)引腳都可以被配置為漏極開路或推挽輸出方式，并且每個(gè)I/O 端口都支持位操作。

系統(tǒng)啟動(dòng)之后，主控制器控制GPRS 通信節(jié)點(diǎn)撥號(hào)上網(wǎng)，完成撥號(hào)之后進(jìn)入實(shí)時(shí)接收指令工作模式，對(duì)手機(jī)客戶端傳送過(guò)來(lái)的指令進(jìn)行辨別，執(zhí)行相應(yīng)的操作，并進(jìn)行反饋確認(rèn)，確保系統(tǒng)工作準(zhǔn)確無(wú)誤。

1.3.2 繼電器

本系統(tǒng)選用4 路T73_SRD_5V 繼電器模塊，該模塊觸點(diǎn)負(fù)載為10 A/250 V AC，滿足大多數(shù)家庭電器的工作電流及電壓。輸入信號(hào)支持3.3 V 或5 V，適用于單片機(jī)I/O 端口。該模塊電路設(shè)計(jì)為輸入高電平斷開、低電平觸發(fā)。

選用繼電器模塊的目的為控制家庭電器的電源開關(guān)，通過(guò)I/O 端口向繼電器模塊輸入高低電平即可控制其觸點(diǎn)的吸合、斷開，從而控制電器的開關(guān)。

1.3.3

本系統(tǒng)選用42BYG250－33 兩相步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行中精度沒(méi)有積累誤差的特點(diǎn)［5］，適用于本系統(tǒng)。該步進(jìn)電機(jī)有著體積小、轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小的優(yōu)點(diǎn)，適用于家庭環(huán)境。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用TB6560 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，該模塊其中三個(gè)端口連接單片機(jī)的I/O 端口:使能端(EN)、正反轉(zhuǎn)輸入端(CW)、脈沖輸入端(Clk)。

當(dāng)使能端為低的時(shí)候，步進(jìn)電機(jī)鎖定，窗簾不能拉合;使能端為高時(shí)，單片機(jī)向脈沖輸入端輸入脈沖信號(hào)，即可驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到窗簾拉合、晾衣架伸縮的目的。正方轉(zhuǎn)輸入端控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

1.3.4 顯示模塊

本系統(tǒng)選用一塊2.4 inch 320×240 TFT 彩色液晶，設(shè)計(jì)功能為顯示各種家具的的當(dāng)前狀態(tài);在系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時(shí)，由于RS232 串口不能實(shí)現(xiàn)一接二，不能用PC 機(jī)顯示系統(tǒng)各模塊間的數(shù)據(jù)的傳輸，因此可以用液晶模塊接入單片機(jī)，通過(guò)其顯示收發(fā)數(shù)據(jù)，使得調(diào)試系統(tǒng)更加便捷準(zhǔn)確。

1.3.5 GPRS 通信節(jié)點(diǎn)

本系統(tǒng)采用GPRS 網(wǎng)絡(luò)作為無(wú)線通信方式，這種通訊方式穩(wěn)定性強(qiáng)，面對(duì)將來(lái)的3G 網(wǎng)絡(luò)可平滑技術(shù)升級(jí)，耗費(fèi)流量較少，同時(shí)GPRS 網(wǎng)絡(luò)支持TCP/IP 協(xié)議，使得無(wú)線數(shù)據(jù)的傳輸變得更加輕松，更容易擴(kuò)展功能［6］。選用了BENQ_M23_GPRS 模塊作為通信系統(tǒng)中安放在家庭的通信節(jié)點(diǎn)。BENQ公司的M23 模塊是目前市場(chǎng)上的主流GSM/GPRS模塊之一，可以應(yīng)用于GSM 短信息通信以及語(yǔ)音通信。其中，短信息適合對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高，數(shù)據(jù)量不大的數(shù)據(jù)通信。由于支持GPRS 和嵌入式的TCP/IP，M23 還可以用于實(shí)時(shí)性要求較高，數(shù)據(jù)量相對(duì)較大，傳輸速度相對(duì)較快的數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域［7－8］。模塊與主控制器通過(guò)RS232 串口通信，由主控制器控制其向公網(wǎng)服務(wù)器撥號(hào)，撥號(hào)成功后系統(tǒng)進(jìn)入實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，通過(guò)該通信節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)手機(jī)客戶端與主控制器之間指令包以及反饋確認(rèn)包的傳輸。

1.3.6 服務(wù)器

本項(xiàng)目采用一臺(tái)獨(dú)立的基于Linux 操作系統(tǒng)的PC 服務(wù)器，具有公網(wǎng)的IP，分別與GPRS 模塊和手機(jī)客戶端進(jìn)行通信。該服務(wù)器是在Linux 操作系統(tǒng)下使用C 語(yǔ)言的網(wǎng)絡(luò)編程，用GCC 編譯器進(jìn)行命令語(yǔ)編譯和運(yùn)行，通過(guò)可靠的面向連接的TCP 協(xié)議通信。服務(wù)器主要功能是:GPRS 模塊和手機(jī)客戶端使用TCP 協(xié)議連接服務(wù)器，服務(wù)器將GPRS 模塊的動(dòng)態(tài)IP 發(fā)送到手機(jī)客戶端，建立一個(gè)提供數(shù)據(jù)透明傳輸?shù)钠脚_(tái)，使得手機(jī)客戶端與GPRS 模塊進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。該服務(wù)器在本項(xiàng)目通信中起著連接任務(wù)的中間環(huán)節(jié)，手機(jī)客戶端與GPRS 模塊通過(guò)服務(wù)器可以時(shí)時(shí)地通信，避免了重復(fù)撥號(hào)、兩點(diǎn)不同時(shí)在線等問(wèn)題。

1.3.7 手機(jī)客戶端

本系統(tǒng)的手機(jī)客戶端是基于J2ME 移動(dòng)開發(fā)的環(huán)境下的JAVA 軟件平臺(tái)，并用SUN 發(fā)布的官方版MIDlet 開發(fā)工具J2ME Wireless Toolkit［9］集成手機(jī)模擬器(Emulator)來(lái)進(jìn)行程序測(cè)試工作，這款手機(jī)模擬器適合SUN 公司的手機(jī)，由于各大手機(jī)廠商都擁有多種型號(hào)的手機(jī)模擬器，所以可以根據(jù)自己所用的手機(jī)型號(hào)選擇相應(yīng)的手機(jī)模擬器進(jìn)行編程即可使用。客戶端主要功能是與GPRS 模塊進(jìn)行通信，遠(yuǎn)程控制家居，要實(shí)現(xiàn)這樣的功能需要解決兩大問(wèn)題，(1)GPRS 模塊每次撥號(hào)成功后所獲得的動(dòng)態(tài)IP地址是不同的，客戶端要如何獲得該IP 地址;(2)使用什么傳輸層協(xié)議來(lái)進(jìn)行與GPRS 模塊通信才能確保通信的可靠和安全以及程序的優(yōu)化。

針對(duì)第1 個(gè)問(wèn)題本系統(tǒng)建立一個(gè)獨(dú)立的、總是在線的公網(wǎng)PC 服務(wù)器，GPRS 模塊撥號(hào)成功獲得一個(gè)動(dòng)態(tài)IP后，服務(wù)器可以保存GPRS 模塊的當(dāng)前的IP，同時(shí)把發(fā)送給手機(jī)客戶端，手機(jī)客戶端需要開通一個(gè)線程與服務(wù)器通信時(shí)時(shí)得到GPRS 模塊的IP，根據(jù)這個(gè)IP 與GPRS 模塊進(jìn)行時(shí)時(shí)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信。針對(duì)第2 個(gè)問(wèn)題本系統(tǒng)在選取通信協(xié)議時(shí)鎖定在UDP 與TCP 傳輸層協(xié)議，UDP是面向無(wú)連接的，可靠性較差，但是速度快，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，而本系統(tǒng)要求手機(jī)客戶端準(zhǔn)確可靠地將指令發(fā)送到GPRS 模塊，進(jìn)行一個(gè)遠(yuǎn)程控制操作，因此選用面向連接的、可靠安全的TCP 協(xié)議［10］。這樣手機(jī)客戶端需要開通另外一個(gè)線程與GPRS 模塊通信，把用戶信息確切的傳達(dá)給GPRS 模塊，讓單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的操作。實(shí)際程序編程的流程圖如圖3。

圖3 手機(jī)客戶端編程流程圖

2 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)及其關(guān)鍵技術(shù)

2.1 控制模塊對(duì)GPRS 模塊的撥號(hào)操作

主控制器通過(guò)發(fā)送AT 到BENQ_M23_GPRS 模塊控制其撥號(hào)操作，連接上公網(wǎng)服務(wù)器之后服務(wù)器分配給GPRS 模塊一個(gè)臨時(shí)IP 地址，手機(jī)客戶端便可以通過(guò)這個(gè)IP 地址與其進(jìn)行透明傳輸。部分AT指令如下:

2.2 GPRS 模塊與客戶端的通信

在BENQ_M23_GPRS 模塊成功撥號(hào)連接上公網(wǎng)服務(wù)器后便可獲得一個(gè)臨時(shí)IP，每次撥號(hào)獲得的IP 是不同的，但是這個(gè)IP 會(huì)儲(chǔ)存在服務(wù)器上面。手機(jī)客戶端連接上服務(wù)器后，服務(wù)器會(huì)把這個(gè)IP 地址發(fā)送給手機(jī)客戶端，這樣手機(jī)客戶端便可以根據(jù)這個(gè)IP 地址與GPRS 模塊進(jìn)行時(shí)時(shí)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。

手機(jī)客戶端設(shè)定好每個(gè)操作分別有自己特定的字符串發(fā)送到GPRS 模塊，如開燈操作對(duì)應(yīng)的字符串為:kaideng，該字符串發(fā)送到GPRS 模塊后，通過(guò)RS232 串口發(fā)送給主控制器，主控制器可以進(jìn)行字符串對(duì)比，即運(yùn)行Strcmp 函數(shù)，如果傳輸過(guò)程沒(méi)有出現(xiàn)亂碼等錯(cuò)誤，字符串準(zhǔn)確無(wú)誤地發(fā)送到主控制器，該函數(shù)返回的值為0，即可讓電燈對(duì)應(yīng)的繼電器與主控制器連接的I/O端口為低電平，觸發(fā)該繼電器，電燈即可點(diǎn)亮。

2.3 系統(tǒng)的反饋確認(rèn)機(jī)制

針對(duì)客戶端發(fā)送的字符串在傳輸過(guò)程中可能出現(xiàn)的丟包、亂碼等情況，本系統(tǒng)設(shè)定一個(gè)反饋確認(rèn)機(jī)制:

(1)當(dāng)手機(jī)客戶端所發(fā)送的指令成功到達(dá)主控制器，并且所有操作都順利完成，主控制器立即發(fā)送“OK”字符串到GPRS 模塊，通過(guò)透明傳輸發(fā)送到手機(jī)客戶端，客戶端獲得該字符串，即可顯示“操作成功”字樣;

(2)超時(shí)限制，如果手機(jī)客戶端等待“OK”確認(rèn)包的時(shí)間超過(guò)正常范圍，客戶端立即重發(fā)指令，直到收到“OK”確認(rèn)包為止;

(3)針對(duì)字符串在傳輸過(guò)程中亂碼的情況，主控制器通過(guò)Strcmp 函數(shù)進(jìn)行辨別，返回值不為0，立即向GPRS 模塊返回“ERROR”字符串，手機(jī)客戶端接收到該字符串，同樣會(huì)重發(fā)指令，直到收到“OK”確認(rèn)包為止;

通過(guò)反饋確認(rèn)機(jī)制，可避免網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不加、傳輸過(guò)程受干擾等意外情況所導(dǎo)致的無(wú)效操作。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 測(cè)試準(zhǔn)備及工具

該項(xiàng)測(cè)試中GPRS 模塊與單片機(jī)通過(guò)RS232 串口連接，單片機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)另一個(gè)RS232串口發(fā)送到PC 機(jī)。單片機(jī)控制GPRS 模塊撥號(hào)成功進(jìn)入數(shù)據(jù)透明傳輸模式后，PC 機(jī)開啟AccessPort串口監(jiān)聽軟件對(duì)串口發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄;手機(jī)客戶端采用集成手機(jī)模擬器(emulator)模擬手機(jī)軟件，同時(shí)開啟Wireshark 軟件進(jìn)行抓包操作，記錄接收的TCP 數(shù)據(jù)包;分配另一臺(tái)PC 機(jī)作為服務(wù)器。

3.2 GPRS 模塊數(shù)據(jù)發(fā)送測(cè)試

啟動(dòng)單片機(jī)，向GPRS 模塊發(fā)送相應(yīng)AT 指令控制其撥號(hào)成功進(jìn)入數(shù)據(jù)透明傳輸模式，開啟AccessPort 串口監(jiān)聽軟件，單片機(jī)燒錄程序設(shè)定為循環(huán)發(fā)送模式，時(shí)間間隔5 s，遠(yuǎn)端PC 機(jī)運(yùn)行手機(jī)模擬器，開啟Wireshark 進(jìn)行抓包，數(shù)據(jù)發(fā)送即可開始。

本次測(cè)試單片機(jī)向GPRS 模塊間隔5 s 發(fā)送共500 個(gè)字符串，通過(guò)觀察手機(jī)模擬器端抓包信息，丟包僅1 個(gè)，誤碼0 個(gè)，傳輸時(shí)間隨機(jī)抽取50 個(gè)包進(jìn)行計(jì)算，以下為數(shù)據(jù)處理:

3.3 GPRS 模塊數(shù)據(jù)接收測(cè)試

啟動(dòng)單片機(jī)，向GPRS 模塊發(fā)送相應(yīng)AT 指令控制其撥號(hào)成功進(jìn)入數(shù)據(jù)透明傳輸模式，開啟AccessPort串口監(jiān)聽軟件，遠(yuǎn)端PC 機(jī)運(yùn)行手機(jī)模擬器，設(shè)定4.5 s 時(shí)間間隔循環(huán)發(fā)送，開啟Wireshark 進(jìn)行抓包，數(shù)據(jù)發(fā)送即可開始。

本次手機(jī)模擬器間隔5 s 循環(huán)發(fā)送302 個(gè)數(shù)據(jù)包，通過(guò)觀察AccessPort 所記錄的數(shù)據(jù)，丟包0 個(gè)，誤碼0個(gè)，傳輸時(shí)間通過(guò)隨機(jī)抽取50 個(gè)包進(jìn)行計(jì)算，以下為數(shù)據(jù)處理:

?

4 結(jié)論

由于研究周期以及知識(shí)水平的限制，本系統(tǒng)只是初步實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制家庭電器的開關(guān)功能以及窗簾的拉合功能，而對(duì)于各種電器的復(fù)雜功能還不能實(shí)現(xiàn)操控。因此本系統(tǒng)還只是智能家居系統(tǒng)的一個(gè)雛形，可以擴(kuò)展的地方很多，不僅在電器功能操控方面可以拓展，還有手機(jī)軟件平臺(tái)、通信網(wǎng)絡(luò)制式的選擇、控制器的升級(jí)等。在信息技術(shù)的支撐下，物聯(lián)網(wǎng)正在引發(fā)新一輪的生活方式變革，已成為一個(gè)發(fā)展迅速規(guī)模巨大的市場(chǎng)［11］，其中，智能家居的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，將是廣電網(wǎng)絡(luò)的發(fā)力點(diǎn)，是發(fā)揮廣電網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)處的領(lǐng)域［12］。雖然本系統(tǒng)尚存不足，但這是一個(gè)好的開始，也希望今后能沿著這條路線繼續(xù)研發(fā)下去，追趕物聯(lián)網(wǎng)的潮流。

［1］ 童曉渝，房秉毅，張?jiān)朴?物聯(lián)網(wǎng)智能家居發(fā)展分析［J］. 移動(dòng)通信，2010，34(9):16－20.

［2］ 王濤，周麗麗，陳慶文.中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)未來(lái)發(fā)展探討［J］. 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2011，39(9):26－27.

［3］ 童長(zhǎng)飛.C8051F040 系列單片開發(fā)與c 語(yǔ)言編程［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2000，191－252.

［4］ 劉敬彪，艾勇福，盛慶華. 基于C8051F040 的數(shù)據(jù)傳輸嵌入式系統(tǒng)開發(fā)［J］.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2010，19(4):116－119.

［5］ 石東峰.步進(jìn)電機(jī)的原理及選型［J］.科技與企業(yè)，2011(09X):44－44.

［6］ 陳愚，吳旭光，蘇冉，等.車輛監(jiān)控系統(tǒng)的GPRS 網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)與實(shí)現(xiàn)［J］.國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2011，30(9):72－75.

［7］ 徐秀麗，歐陽(yáng)斌林.GPRS 無(wú)線終端在收獲機(jī)上的應(yīng)用［J］. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，39(10):121－126.

［8］ 魏芬.GPRS 模塊M23 在無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方面的應(yīng)用設(shè)計(jì)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2009(5):5－6.

［9］ 李康滿，陳溪輝. 基于J2ME 技術(shù)的手機(jī)應(yīng)用軟件開發(fā)技術(shù)［J］.衡陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，27(3):87－90.

［10］ Kurose James F，Rose Keith W. COMPUTER NETWORKING:A TOP－DOWN APPROACH(Fourth Edition)［M］.北京:高等教育出版社，2009:221－305.

［11］ 吳一平.物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展需要解決的若干問(wèn)題［J］. 信息化觀察.2011(4):64－66.

［12］ 羅峰.物聯(lián)網(wǎng)智能家居的新型人機(jī)互動(dòng)［J］.廣播與電視技術(shù)，2011，38(9):86－88.