基于嵌入式的智能家居系統的設計

北方民族大學電氣信息工程學院 吳 俊 楚栓成

1.引言

21世紀是信息時代，隨著通信技術、計算機技術、網絡技術、控制技術的迅猛發展與提高，促使了家庭實現了生活現代化，居住環境舒適化、安全化。這些高科技已經影響到人們生活的方方面面，改變了人們生活習慣，提高了人們生活質量，家居智能化也正是在這種形勢下應運而生的。智能家居控制系統的主要功能包括通信、設備自動控制、安全防范三個方面。隨著新技術和自動化的發展，傳感器的使用數量越來越大，功能也越來越強，各種傳感器都已經標準化、模塊化這給智能家居控制系統的設計提供極大方便。

2.智能家庭網絡系統方案

智能家庭無線網絡系統是通過終端控制器發出控制指令，經過無線信號傳輸到數據主機處理后，再由不同指令控制家居中不同的設備。每臺電器（控制對象）都有一個唯一的地址編碼，同時每一個動作（如開、關、播放等）也有一個唯一的編碼。遠程也可以監控、操作家中電器。文中提出的智能家庭無線網絡系統由基于UC/OS II的ARM7中控主機、基于Windows CE的ARM9手持PDA、紅外設備終端、通用開關設備終端、GSM聯網系統、RFID射頻電子鎖、ZigBee無線通信模塊等部分組成。系統主體構架如圖1所示。

圖1 系統主體構架

用戶刷卡打開RFID電子鎖時，電子鎖終端通過ZigBee網絡將命令傳送到室內中控主機，中控主機中的解防任務、情景模式任務、環境任務、設備動作任務便被激活，各家居設備根據先前用戶設定好的情景模式進入相應工作狀態。作為家庭網絡中的控制中心部分，中控主機擔任著內外異構網絡的協議解釋、轉換、分發和監視、控制各節點的工作。并且通過ZigBee網絡將各命令傳達給目的ZigBee終端節點，相應的節點再把命令下達給目標設備，完成命令執行功能。用戶在室內，可通過PDA和嵌入式智能家居信息化綜合管理軟件平臺進行模式與參數設置，并對各家居設備進行在線監控。在遠程，通過GSM聯網使整個系統接入到移動網絡，對家居系統設備進行監控和操作。紅外設備中轉終端作為一個特殊的設備終端控制器專門對如電視、空調、DVD等紅外設備進行控制。

3.單元模塊硬件組成及其工作原理

3.1 RFID射頻電子鎖

RFID射頻電子鎖的核心芯片采用同欣智能科技的TX125系列非接觸IC控制芯片。該芯片的射頻讀卡采用125kHz射頻，讀卡距離為50～150mm，完全支持對EM、TEMIC、TK及其兼容卡的操作。RFID電子鎖電路中，MODE1接高電平選為波特率9600，MODE3接高電平選為串口輸出，MODE4接高電平選為主動模式，其中TX125的“TXD”與MSP430的P3.7連接，P3.7的工作模式設置為串口1的接收狀態，打開串口1的接收中斷，使RFID的讀卡實時性達到最高；TX1,TX2連接感應天線，“STATUS”與MSP430的普通IO口P1.2連接，用于讀取TX125的工作狀態；MSP430的普通IO口P1.3設置為輸出狀態，通過繼電器控制電子鎖的動作電機，用以完成開門和鎖門等工作，TX125其它管腳默認空載。RFID電子鎖電路如圖2所示：

圖2 RFID電子鎖電路

3.2 紅外設備終端及通用開關設備終端

由于各廠商的紅外設備之間沒有統一的接口標準，即使屬于同一種紅外設備，其對應功能的紅外編碼也不一定相同。而且大多數廠家的紅外編碼是不對外開放的，所以采取對其遙控器進行紅外學習解碼的方案。

紅外終端采用MSP430F147與CC2430做為主處理芯片實現功能運算與通信，其電源電壓都適應于1.8-3.6V。MSP430F147具有超低耗電特性，能為ZigBee應用提供良好的支持，而且該芯片定時器具有捕獲模式，可以通過該功能實現各種測量，紅外設備終端便是利用了芯片的這個特性進行解碼存儲，紅外學習終端硬件組成模塊框圖如圖3所示：

圖3 紅外學習終端硬件模塊圖

3.3 中控主機

作為系統的核心主機，控制管理整個通信系統。其由ARM7核心處理器LPC2106，并輔以通用按鍵、液晶顯示、Zigbee模塊組成。本系統對中控主機嵌入的UC/OSII操作系統主要設計了5個實時任務，分別為GSM通信任務、Zigbee系統通信任務、報警輸出與LCD在線狀態輸出任務、按鍵掃描任務和系統總任務。其中GSM通信任務主管中控主機和GSM模塊的通信，以及遠程短信的收發、電話報警、遠程手機系統監控處理等，主機通過串口與GSM模塊連接。ZigBee系統通信任務實現中控主機和Zigbee協調器模塊的通信，處理系統的各種通信數據以及協助Zigbee協調器轉發數據，當獲取到系統的異常情況，由報警輸出任務啟動中控主機的蜂鳴器進行報警，并由GSM通信任務發出報警信號到手機。主機通過SPI接口與Zigbee模塊連接，各種系統切換狀態皆可通過LCD在線顯示出來。按鍵掃描任務通過中控主機可對整個系統進行開關機、模式切換、添加刪除設備等操作。系統總任務設定各個任務優先級，協調各任務的有序工作。預留另一個串口與個人電腦PC機連接，用于做參數設置及系統升級擴展。

4.系統軟件架構設計

4.1 中控主機軟件設計流程

圖4 中控主機軟件設計流程

系統上電后，分別經過硬件初始化、操作系統初始化、任務初始化等過程后便啟動UC/OSII操作系統，交由內核運行各個模塊任務，其中“設備服務任務”管理各個設備的動作及其更新，“GSM通信任務”主要管理遠程無線報警及查詢與設置等命令處理，“模式服務任務”主要管理整個系統的工作模式與風格，“環境檢測”主要管理各傳感器輸入設備，人機交互命令主要交由“鍵盤與PDA命令處理任務”處理，“設備狀態檢測任務”用來接收和感知各個終端設備的狀態反饋，用以保證系統設備動作的正確性。系統的各種異常交由“錯誤處理任務”進行處理。如圖4所示。

4.2 紅外設備終端子機軟件流程

圖5 紅外終端子機軟件流程

如圖5所示，紅外設備終端上電后先進行硬件初始化，接著初始化ZigBee協議棧，進入主循環后讀取ZigBee網絡數據，判斷工作狀態，分為正常工作、紅外編碼學習、分配地址任務等。分別進入相應工作流程，當終端被閑置30秒后，終端自動進入休眠模式。由CPU自身的時間中斷和Zigbee中斷兩種方式可喚醒子系統休眠。

4.3 PDA軟件設計構架

PDA友好界面設計采用VS2005加Windows CE 6.0的SDK進行前期開發。操控界面以房間、設備、設備控制界面為方案主線，其中在啟動界面即房間界面下拉框中設有模式選擇，即前面提到的分配地址模式、編碼學習模式、正常工作模式。其設備界面主要分為紅外設備、照明系統、環境檢測、安防系統、系統配置等五大部分。設備界面的下一個界面是設備各自對應的控制界面。圖6所示中的第一個界面是房間界面，第二個界面是設備界面，第三個界面是電視機的控制界面。

圖6 上位機PDA軟件界面舉例

5.結論

通過對系統軟、硬件的綜合調試表明：該智能家庭無線網絡系統具有良好的工作穩定性和監控的準確性、實時性，網絡節點體積小，安裝、布置簡單方便，在低功耗和低成本方面具有很強的優勢。用戶可以方便地將新買到的紅外設備以及普通開關設備添加到網絡中，室內室外操作、監控方便，符合“經濟、實用、安全、舒適"的原則，結構清晰，具有較好的擴展性能。

[1]李成大,張京等.基于ZigBee無線通信技術的智能家居系統[J].電訊技術,2007:47-63.

[2]蔣鵬,黃賢英.嵌入式智能代理技術的應用研究[J].微計算機信息,2005,02:123-124.

[3]胡建榮.巧用C51實現紅外編碼的調制與解調[N].電子報,2009,03(第015版).

[4]凌志斌,鄧超平,鄭益慧.紅外遙控技術及其解碼方案[J].微處理機,2003,12.