基于無線的物聯網智能家居控制系統設計

張海波

(南充職業技術學院 637000)

1 系統方案設計

嵌入式系統是整個控制系統的關鍵部分，由此，將各個家居信息傳輸給嵌入式系統，通過操作觸摸屏和視頻模塊即可完成對家居的監控[1]，使得無線傳感網絡系統控制能夠實現家居設備的獨立控制。系統在實現手機端的遠程監控時，通過接入Internet， 在PC 機上進行登錄，建立移動通信模塊，由此可以通過通信模塊來進行遠程的監控。

2 硬件設計方案

2.1 嵌入式控制模塊

基于ARMv5E 的Xscale核心, 嵌入式核心采用的PXA270芯片最高頻率可達624 MHz， 也包含了SpeedStep在Intel的技術，通過需要調節CPU的動態性能，實現真正技術應用上的低功耗、高性能[2]。其中CPU、SDRAM、Flash 、CPLD 的核心系統和外圍接口是通過嵌入式外圍電路采用EELiod270 開發平臺來實現的。

2.2 對于無線網絡的控制

常規情況下，物聯網智能家居的控制是通過有線和無線兩種傳輸方式進行控制的。有線的傳輸是依靠電纜的連接來進行傳輸，其具有信息交換速率高和連接穩定的優點，但同時由于其需要專用的纜線，這就導致了安裝維護的成本較高。無線的傳輸方式，包含了藍牙技術、315 MHz、和ZigBee 技術。但是，315 MHz頻段通信常常容易受到外界環境的干擾, 造成技術在應用中的成本和協議開銷的加大。經過種種技術上的測試和以上各方面因素的考慮,本設計方案決定采用nRF24L01 芯片在技術上的優勢來提供交互式數據，并以此來組建無線網絡。挪威NORDIC 公司的2.4 GHz無線收發一體芯片是通過nRF24L01來實現的,其有130個頻道可供選擇，并且同時支持2 Mb/s和1Mb/s的傳輸速率[3]。2.4 GHz無線收發一體芯片可通過SPI 寫入數據,同時可以自動的應答和發射, 此芯片的功耗非常的低,這種多種低功率的工作模式能使設計在節約能源上更加方便。

2.3 對于傳感器檢測安防的設計

傳感器的報警信號通過光電耦合接入使煙霧、紅外線、煤氣泄漏等接入無線終端上。當傳感器上的報警信號沒有顯示時，光電的耦合芯片是處于一種停止運行狀態，同時，低電平是相接部位，是傳感器的單片機端口；傳感器在運行狀態時，會輸出高電平，此時, 光電耦合芯片會通電。與其相連接的單片機端口為高電平，報警信號是由STC89C52 發出信號，再通過采集并做出相應處理，通過nRF24L01的無線終端，將設定好的信號發送到無線網絡總控制器上。

2.4 視頻監控和移動通信

市場上的3G模塊是移動通信模塊中最新的,但是目前市場上的3G模塊的網絡標準，通常只支持WCDMA、TD-SCDMA和CDMA2000其中之一，而且它們的性價比都比較高，從性價比上考慮，本系統決定采用GSM 模塊，利用西門子MC35GSM/GPRS 無線模塊來進行設計。GSM1800雙頻和GSM900 不僅支持語音、數字、傳真和短消息并且能夠通過AT指令來控制短消息的發送。同時，此設計采用的9V直流供電也能通過RS-232系統連接EELiod270平臺和端口來進行通信連接。

3 系統方面的軟件設計

3.1 客戶端的軟件設計

本系統通過選用Linux下的QT開發工具對客戶端的系統進行設計，客戶端的功能主要包括SM、嵌入式平臺、視頻和無線網絡控制通信以及各類終端控制。

（1）GSM 模塊設計

GSM 控制模塊使得遠程安全監控系統中對家電設備以及自動報警系統功能的應用得以實現。此系統利用定時器的方式來讀取串口內容。在PXA270的應用平臺上，此系統實現了視頻數據和對傳感器的報警應用系統信息的采集，通過借助GSM 網絡，從而達到對于遠程監督控制的目的。利用有線或無線網絡相結合的應用，將相關系統數據自動傳輸到遠程服務器端進行處理，使智能家居系統遠程監控的功能得以更好地發揮。

（2）嵌入式平臺與無線網絡控制通信設計

無線網絡控制通信和嵌入式平臺實現了客戶端對底層的無線終端控制以及對個別的反饋信息進行處理。進行設計流程圖制作，其中它的報警提示是以”#$#” 為標示，若是檢測到”#$#1”的信號就說明紅外警報有人觸摸；”#$#2”就說明煙霧警報有人觸摸；”#$#3” 就說明煤氣警報有人觸摸； 當有警報被觸發時，本系統將有專門的啟動系統進行提示。各家電設備的起始標志是以”#&” 作為顯示的，”！”作為結束標記，設計時對于安全穩定的問題需要充分考慮到。

（3）nRF24L01的設計原理

nRF24L01的設計原理是將其相關的配置作為發射模式，將接受的節點地址TX-ADDR和郵箱的TX-PLD數據寫入nRF24L01的緩存區，然后同CE置為高點平運用，比保持其運作10μs以上，延遲130μs之后再發射數據。收到應答之后便可以認為是通信成功。具體設計原理如下圖。

3.2 服務器終端軟件

服務器終端軟件程序是通過Redhat 9.0 的QT軟件進行開發的, 有線網絡將EELiod270 平臺上所有設備運行狀態下的信息數據傳送到小區的監控服務系統中，并同時將在系統中的信息狀態保存到特定的日志文件中。在服務器端所接收到的數據大多數是視頻數據和傳感器的運行數據為主的，在接收信息的同時，利用信息的標頭加以區別和劃分，來實現信息的整合。很多時候信息在運行的狀態下，其數據內容內存顯得很小。在接收的過程中，由于網絡阻塞而導致丟失數據包的幾率將會減少。但是有一點是要注意的，視頻數據在運行的情況下，其數據值是比較大的，在接收數據的過程中，面對網絡阻塞而常常丟失數據包，在這種情況下就常常會導致視頻無法恢復。因此在視頻數據接收過程中，就需要將傳輸的視頻數據分成多個數據塊，再將每個數據塊的傳輸進行通信連接。這樣，在數據接到完全傳輸到服務器的命令后，向客戶端回送信號，客戶端就能夠再一次的發送下一個數據塊的視頻數據。當一幀視頻傳輸完畢后，再將視頻數據進行合成。

4 系統調試

4.1 嵌入式系統調試環境

本系統的調試環境是，PC 主機： CPU：AMD ALTHLON(速龍)1G；內存1GB；操作系統：Red Hat Linux 9.0 操作系統；內核版本：2.4.20;開發平臺：EELiod PXA270;SDRAM：64 MB;Flash：32 MB；嵌入式Linux 內核版本：2.4.21；本地編譯工具：gcc，g++；交叉編譯工具：arm -linux -gcc、arm-linux-g++。

4.2 系統整體測試

測試方法：分別用手機、ARM人機交互系統及遙控系統，通過無線網絡控制各個功能模塊的工作，從而達到對網絡的穩定性及各個功能穩定性的檢查。

5 結語

本系統從智能化家居的理念出發，利用無線芯片、單片機、嵌入式、電信技術等技術控制，實現對家庭居室設備上的物理狀態、安防檢測、視頻信息方面的智能控制。經過科學的實驗測試，系統工作更加可靠，無線終端技術能更加方便的匯聚家居設備到系統無線控制網絡上；實現無線遙控、手機遠程、嵌入式系統及PC遠程系統在分級獨立控制上利用高低端控制器實現的目的，便于實際應用，滿足了各類客戶需求，有很好的技術推廣與市場應用前景。

[1] 王金莉，蘇宛新.基于PXA270 的嵌入式系統設計[J]微計算機信息,2008,24(4-2) 11-13.

[2] 何偉,陳鋒,張玲等.基于nRF24L01 和Actel FPGA 的智能探測系統設計[J].電子技術應用, 2010 36(10):111-116.

[3] 曾國敬,宋躍,何志輝.一種智能家居遠程控制系統的硬件設計[J].電子技術應用,2011,37(4):81-84.