基于嵌入式的無線智能家居近遠程監控系統

唐松泉， 趙祚喜， 呂永青， 揭釗越

（華南農業大學 廣東 廣州 510642）

進入21 世紀以后，借助網絡和信息技術的發展，信息家電已越來越多地出現在人們的生活之中，而這一切的發展最終目的都是為了方便人們的生活。智能家居的出現體現了人們對人居環境盡善盡美的追求，它無疑帶給大家一種全新的完美生活理念，讓我們的居住環境更加舒適和人性化。傳統的有線連接系統面臨著布線復雜不利于擴容和二次開發、受線纜的限制不能移動不能及時控制、電線需要外設或穿墻影響美觀等諸多缺點。然而在世界通訊業和信息產業高度發展的今天，無線通訊以其“隨時、隨地、隨身“的服務優勢，開啟了個性化信息時代，造就了不可逆轉的發展趨勢。 基于以上考慮，本設計建立了一個采用ARM嵌入式控制系統與GSM 全球移動通訊系統短消息相結合的方式，以及各類傳感器的自適應控制，實現對家居的智能化。

1 系統設計

1.1 硬件設計

1.1.1 系統結構層次設計

該控制系統從結構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成。 后向通道主要由GSM TC35 遠程無線網絡通信模塊為核心的數據通信單元構成?？刂茊卧饕菍κ覂鹊沫h境因素進行監控，并能夠發出相應的控制指令，實現對家居設備的控制。 數據通信單元主要完成兩個任務：一是有險情發生時將當前家居設備的狀態以短信的方式， 借助GSM 網絡發送給用戶； 二是接收來自用戶手機發出的短信，翻譯出其控制要求，輸出到前向通道，完成相應的控制功能。 結合上述硬件設計方案，整個控制系統框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖Fig. 1 The system structure diagram

1.1.2 功能電路實現

1.1.2.1 主控制器

本方案以mini2440 開發板（原理圖如圖2）作為主控服務器。 它采用Samsung S3C2440A 為微處理器，并采用專業穩定的CPU 內核電源芯片和復位芯片來保證系統運行時的穩定性。 mini2440 的PCB 采用沉金工藝的四層板設計。Samsung S3C2440A 采用了ARM920T 內核，0.13 μm 的CMOS標準宏單元和存儲器單元[1]。

圖2 Samsung S3C2440A 內部組織結構圖Fig. 2 Samsung S3C2440A The internal organization structure chart

1.1.2.2 無線組網硬件電路

本方案利用nRF24L01 無線通信模塊設計一個無線數據傳輸系統，實現組網通信。由于nRF24L01 模塊帶有SPI 口，為了實現與單片機主控的通信方便快捷， 選用ATmega16L 單片機。 本方案把ATmega16L 單片機的PA0-PA5 連接nRF24L01的控制信號和檢測信號，用于nRF24L01 的模式切換以及通信過程中必須的信號指示接口。 另外ATmega16L 可工作在較低電壓，可與nRF2401 共用同一電源。 硬件電路如圖3 所示。

1.1.2.3 其他電路設計

其他電路主要包括： 主控制器電路設計、 電磁閥控制，LED 燈管、窗簾控制、聲光燈等電路的設計。 RM 主控服務器是通過通用輸入輸出口（GPIO）與各電器相連的。電磁閥是可以用電控制開關的水閥。 本方案中使用5 V 脈沖式電磁閥，不需要持續供電，由于是雙穩態，斷電后能保持先前狀態。 由于電磁閥瞬間電流需求較大， 開啟/關閉時需要正反雙向電流。 LED 燈管是12 V 驅動的LED 燈，單粒LED 燈的驅動電壓為3.3 V。 對窗簾的開關控制是利用L298N 電機驅動芯片來進行對直流減速電機控制。 調光電路由由主控芯片Atmega16 將通過無線模塊接收到的信號進行控制PWM 輸出，從而控制燈管亮度。

1.1.3 傳感器選型及電路設計

1.1.3.1 傳感器選型

本系統涉及的傳感器有：可燃氣體傳感器、防盜傳感器、溫度傳感器、濕敏傳感器。 可燃氣體傳感器采用MQ2 可燃氣體傳感器。 它是一種將某種氣體體積分數轉化成對應電信號的轉換器。 防盜傳感器采用熱釋電紅外探測器，熱釋電紅外探測器是BISS0001 配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構成的被動式紅外傳感器。 該模塊可以通過GSM、WIFI 和ARM 來控制其工作。 溫度傳感器采用LM35 溫度傳感器，由于它采用內部補償，所以輸出可以從0 ℃開始。 濕敏傳感器采用的是電阻式高分子濕度傳感器（GY—HR00X），濕敏電阻的特點是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，元件的電阻率和電阻值都發生變化，利用這一特性即可測量濕度。

1.1.3.2 傳感器數據采集與數據分析

傳感器是將外界信息轉換成電信號的裝置， 其中的電信號包括數字信號和模擬信號， 數字信號可以通過電氣隔離直接送給單片機或微型計算機進行處理， 模擬信號則利用數據采集系統將多路被測量值轉換成數字量， 再經過單片機或微型計算機進行數據處理，實現實時測控。 數據采集電路如圖4 所示。

1.1.4 GSM 無線通訊模塊

圖3 無線組網硬件電路Fig. 3 Wireless networking hardware circuit

圖4 數據采集電路Fig. 4 Data acquisition circuit

本方案的智能家居遠程控制器， 是利用GSM（Global System for Mobile Communications）移動通訊網絡中的手機短信業務來實現家居環境的遙控與遙測。 主要功能包括對家居環境安防的監測以及對家用電器設備的遠程遙控。GSM 模塊是智能家居遠程控制器與用戶手指設備交互的核心模塊，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 具有波特率自適應的特點，設定ARM 串口的波特率為9600/bps。利用ASCII 嗎進行短消息的發送，實現家居環境參數的傳遞；對短消息內容進行解碼，根據命令約定，可實現對家用電器開關的控制。 系統上電后，首先檢測SIM 卡的有效性，在確定GSM 正常工作后，對家居環境下的傳感器進行依次檢測。 對于數字量傳感器，只需要判斷傳感器輸出電平的狀態就可以了。對模擬量傳感器異常的判定依據，則利用閥值設定法進行，并利用滑動平均濾波的法，以提高報警的準確性。 當有危情出現時，ARM 利用AT 指令，通過TC35完成短信的發送，并判斷短信是否成功發送。 在用戶接收到報警信息后，可以利用短信控制某路電器的開關狀態。 例如， 在本系統中如果出現煤氣泄漏，MQ2 傳感器要一邊向ARM 發出信號切斷煤氣通道， 一邊向GSM 模塊發出信號通知主人[3-4]。

1.1.5 wifi 無線通訊

Wifi（wireless fidelity，無 線 保 真 技 術）即IEEE802.11 協議，是一種斷成無線傳輸技術，能夠在數百英尺范圍內支持互聯網接入的無線信號。 它的無線電波的覆蓋范圍廣，半徑可達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54 Mbps。

wifi 定義了兩種類型的設備。 一種是無線站，通常通過一臺PC 機加上一塊無線網卡構成。 另一種稱為無線接入點（Access Point，AP），它的作用是提供無線和有線網絡之間的橋梁。Wifi 定義了兩種模式：infrastructure 模式和ad hoc 模式。 Infrastructure模式，即無線網絡至少有一個有線網絡連接的無線接入點，還包括一系列無線的終端站。 Ad hoc 模式，也稱為點對點模式（pear to pear 模式）或IBSS（Independent Basic Service Set）[5-7]。

1.1.6 nRF24L01 無線組網方案

整個系統采用星形拓撲結構， 以一個嵌入式微處理器和主控無線模塊為中心，各個家電端為被控端。 組網方案如下圖

圖5 無線組網方案Fig. 5 Wireless network

1.2 控制系統軟件設計

1.2.1 操作系統與開發環境

ARM 嵌入式服務器采用微軟的WindowsCE 5.0 系統。服務器采用Microsoft Embedded Visual C++ 4.0 開發。 這個軟件是微軟公司針對WinCE 系統推出的開發工具。

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 平臺上，Windows CE 系統將GPIO 的實地址（例如2440 的GPIO 的基地址為0x56000000）映射到虛擬地址空間（GPIO 對應為0xB1600000），這樣，通過對這段虛擬地址空間的操作， 就能夠完成對GPIO 或者其他片內資源的控制、輸入輸出工作。

1.2.3 網絡通信

本系統運用TCP/IP 網絡的API，通過UDP 連接，利用數據報式套接字Socket（SOCK_DGRAM）進行數據傳輸。服務器和終端都具有發送和接收功能，可以實現雙工通信，從而遠程監測和改變用電器使用狀態[2]。

1.2.4 手機與PC 上的程序

由于服務器是對消息產生相應，手機和PC 只需利用SOCKET套接字，發送相應的網絡消息即可。 但要實現實時監測功能，手機和PC 也需要能夠接收網絡消息。手機的系統是Windows Mobile 6.0，開發環境是Microsoft Visual Studio 2005 開發。 PC的系統是WindowsXP，開發環境是Microsoft Visual C++ 6.0。

2 系統測試方案及測試結果

系統在調試過程中，先進行各部分的調試，再進行統調。以下為統調后的測試方案及測試結果。

nRF24l01 無線組網測試：NRF24L01 無線通信點對點通信收發程序，據實測，該無線通信板，沒有加PA，通信距離室內60 米左右，室外空曠地帶可達80 米。 由于防止其他組別的nRF24L01 通訊干擾，采用跳頻通訊，也達到同上點對點的實測效果。 在有障礙物的情況下，基本能達到本項目的傳輸控制距離要求。

PWM 調節LED 燈管測試： 從示波器觀測， 通過對nRF24L01 無線模塊傳輸過來的特征值進而改變Atmega16L的OCR0 能在固定的頻率調節占空比， 占空比變化明顯，實測對LED 燈的PWM 控制也達到預期效果。

聲控燈測試：當把光敏二極管給遮住時，用手拍一下掌，此時燈就會亮；當把用光照光敏二極管時，無論外界的聲音響聲有多大，燈都不會點亮。 此外，燈還可以通過開光、WIFI和GSM 來開啟和關閉。 聲控燈的測試達到預期的效果。

ARM 主控器測試：通過軟件調用底層BSP 驅動，能很好地對GPIO 口進行控制，達到預期效果。

傳感器檢測： 應用Atmega16L 單片機對傳感器進行采樣，然后經過數據處理，能驅動蜂鳴器等報警電路，達到預期效果。

3 結 論

家居智能化是社會發展的必然趨勢，而要實現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的智能化。 而本設計主要是利用GSM 模塊和嵌入式系統相結合的平臺，實現通過手機短信和觸摸屏查詢家居環境參數，并控制室內家具設備的功能，建立了一個對家居環境進行遠程監控實現家居智能化的系統。 本設計的方案能夠在實現智能控制的同時，達到了遠程遙控的目的，改變了以往智能家居系統只監不控的弊端。

[1] 康光華，陳大欽，張琳. 電子模擬技術基礎.模擬部分[M].北京:高等教育出版社，2006.

[2] 莫滿春. 射頻路由算法的研究及智能家居無線控制系統的實現[D]. 廣州: 中山大學，2008.

[3] 臧大進， 劉增良.基于物聯網的智能家居系統設計與實現[J].襄樊學院學報，2010，31（11）:38－39.

[4] 陳橋云，賈金玲. 基于智能手機與PC 機的智能家居系統設計[J]. 電子設計工程，2009，17（9）:25－27.

[5] 徐友武. SQL Server 2005 觸發器應用研究[J]. 計算機與信息技術，2009（9）:105－106.

[6] 殷華英， 楊紅梅. 使用Java 編寫基于C/S 模式的網絡通信程序[J]. 計算機信息與技術，2006（6）:23－24.

[7] 李蘭英， 楊晨. 基于S3C44B0X 的智能家居終端控制系統的設計與實現[J]. 哈爾濱理工大學學報，2007，12（3）:85－86.