文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2013)08-0080-04
嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展以及人們物質(zhì)生活水平不斷提高,,推動了智能家居,、信息家電等概念的出現(xiàn)。智能家居就是將室內(nèi)的家電設(shè)備有機地連接在一起,,使多個設(shè)備形成聯(lián)動并能夠進行信息交互[1],。ZigBee技術(shù)的發(fā)展為研究智能家居提供了基礎(chǔ),本文構(gòu)建了智能家居控制系統(tǒng)的整體框架,、系統(tǒng)軟件平臺,,實現(xiàn)了管理中心對家電設(shè)備節(jié)點的功能控制,從應(yīng)用角度闡述了智能家居系統(tǒng)的現(xiàn)實意義,。
對于家庭網(wǎng)絡(luò)通信而言,,傳輸數(shù)據(jù)量小,在傳輸速率上要求不高,,網(wǎng)絡(luò)容量大,,家電設(shè)備多,所以信息實時性要好,,時延短,,成本低。ZigBee 是一種新型無線連接技術(shù),,相對各種無線通信技術(shù)而言,,ZigBee技術(shù)是功耗和成本最低的技術(shù)之一[2-3]。它能夠很好地滿足家庭網(wǎng)絡(luò)的需求,。
1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計
智能家居控制系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成:中央控制器,智能終端,,遠程用戶控制端。本系統(tǒng)主要由ARM920T內(nèi)核的S3C2440微處理器,、液晶觸摸屏,、電源電路、電話裝置、GPRS收發(fā)模塊,、ZigBee通信模塊等組成,。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。此設(shè)計主要用于方便控制家電設(shè)備,,未達到實時監(jiān)控,。
遠程手機用戶通過發(fā)送短信或者直接觸摸與中央控制器相連接的觸摸屏,把控制家電的命令傳達給中央控制器,,中央控制器再通過ZigBee模塊傳輸給智能終端,,最終達到控制終端設(shè)備的目的。同時中央控制器通過GPRS模塊向遠程用戶發(fā)送設(shè)備的運行情況,。當探測到有外部人員侵入或者發(fā)生火災(zāi)等危急情況時,,中央控制器就會通過發(fā)送短信向手機用戶報警,同時通過USB攝像頭采集圖像并進行圖像處理,,最后通過彩信的形式發(fā)送給手機用戶[4],。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1 S3C2440中央控制器
中央控制器是本系統(tǒng)的核心控制部分,所有控制信息的發(fā)送和接收都是通過它來完成的,。中央控制器由ARM9處理器,、SDRAM、Flash,、供電電源和復(fù)位模塊、LCD觸摸屏和相關(guān)外圍電路組成,。本設(shè)計選用三星公司生產(chǎn)的基于ARM920T內(nèi)核的S3C2440高性價比處理器,,它是一款16/32位RISC嵌入式微處理器,其主頻處理速度可高達533 MHz,,它不僅具有一般嵌入式芯片所具有的SDROM控制器和總線,,還具有豐富的功能擴展,內(nèi)部集成了TFT/STN LCD和觸摸屏控制器,、多個串口,,GPRS模塊接口、以太網(wǎng)接口,、USB接口,、攝像頭接口、AC97數(shù)字音頻接口,、SD&MMC存儲卡接口等大量的功能模塊,,完全滿足家庭網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計要求。中央控制器的主要管腳硬件連接如圖2所示,。
2.2 GPRS無線通信模塊
本系統(tǒng)采用SIMCOM公司生產(chǎn)的GPRS模塊SIM300,,插入SIM卡,即插即用與中央控制器相連接。SIM300芯片是一款三頻段GSM/GPRS模塊,,GPRS采用分組交換技術(shù),,支持資源共享,頻帶利用率高,,數(shù)據(jù)傳輸率高,,最高達171.2 kb/s。SIM300與中央控制器S3C2440的接口電路如圖3所示,。
本系統(tǒng)采用SP3238芯片實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換,,S3C2440通過串口1控制SIM300模塊,用異步通信模式與GPRS模塊進行通信,,通過SIM300模塊以AT指令的格式發(fā)送短信或者撥打電話,,達到接受遠程用戶的控制命令以及向用戶匯報家電運行狀態(tài)的目的。GPRS網(wǎng)絡(luò)永遠在線并且按流量計費,,通信成本低,,因此GPRS技術(shù)應(yīng)用在智能家居控制系統(tǒng)中是無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴堰x擇。
網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器是整個網(wǎng)絡(luò)的核心,負責組網(wǎng),中央控制器為此類節(jié)點,在一個智能家居控制系統(tǒng)中只有一個主控制器是協(xié)調(diào)器,。路由器不但具有收發(fā)數(shù)據(jù)功能,,還具有轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的功能,部分強電供電智能終端為此類節(jié)點,。智能終端只能接收數(shù)據(jù)不能轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),一些低功耗家電設(shè)備采用此類節(jié)點類型,。采用樹簇型網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點是能夠讓終端設(shè)備降低功耗,不發(fā)送數(shù)據(jù)時,可以將處理器設(shè)置成休眠模式[2-4]。
2.3.2 ZigBee通信模塊設(shè)計
本設(shè)計選用TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片作為ZigBee組網(wǎng)主控芯片,,每個智能家居設(shè)備都包括一個ZigBee模塊,。CC2530芯片是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE上的一個真正片上系統(tǒng)解決方案,,它能夠用低成本的材料組建強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,。它不僅支持TI的Z-Stack協(xié)議棧,內(nèi)部還集成了低功耗的8051單片機,, 外圍電路包括通用I/O口,、SPI口、A/D轉(zhuǎn)換接口以及串口等,,接口資源豐富,。CC2530的外圍電路如圖5所示。CC2530模塊通過擴展引出通用接口來支持智能終端功能的設(shè)計,。
2.3.3 ZigBee抗干擾性能分析
ZigBee抗干擾主要是抗同頻干擾,。IEEE802.15.4無線通信標準中提供了很多抗干擾性能,例如:動態(tài)信道選擇,、空閑信道評估,、信道算法等,。通過實驗證明,正確選擇信道,、增大頻偏可以減小ZigBee的干擾性,。WiFi與ZigBee可以近距離(小于2 m)共存;而藍牙設(shè)備卻采用調(diào)頻技術(shù),,對網(wǎng)絡(luò)的干擾很小,,所以兩者也能很好地共存;當ZigBee設(shè)備與微波爐的距離大于1 m時,,產(chǎn)生的干擾可以忽略不計,;家用無繩電話(2.4 GHz)可以調(diào)整與ZigBee設(shè)備的距離來減小干擾,使干擾源盡量遠離ZigBee網(wǎng)絡(luò)。因此ZigBee在2.4 GHz頻段能可靠地與WiFi,、藍牙,、微波爐以及家用無繩電話共存。
2.4 家電控制終端
家庭智能控制終端主要包括家電控制模塊,、門禁控制模塊,、燈光控制模塊、窗簾控制模塊以及安防控制模塊等,。各個模塊都與各種傳感器相連接,,每個控制模塊都通過ZigBee模塊與ARM9中央控制平臺實現(xiàn)無線連接,組成一個家庭無線智能控制網(wǎng)絡(luò),。
智能家居控制系統(tǒng)以ZigBee網(wǎng)絡(luò)作為橋梁,,家電控制終端與S3C2440中央控制器進行信息交互,接收控制命令和回送家電運行狀態(tài)以及發(fā)送報警信息等,。智能終端節(jié)點框圖如圖6所示,。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
本文軟件設(shè)計可以分為兩部分:中央控制器部分、智能終端平臺部分,。主控平臺的軟件系統(tǒng)運行在中央控制器S3C2440上,采用開源的Linux操作系統(tǒng),,將用戶傳達的信息通過ZigBee模塊發(fā)送出去,,同時接受終端平臺發(fā)送回來的反饋信息,并顯示家電的運行狀態(tài),。有異常情況發(fā)生時,,能夠通過ZigBee模塊及時將信息反饋給主機,主機通過GPRS模塊向遠程用戶發(fā)送報警信息,。
3.1 中央控制器與GPRS模塊通信的軟件實現(xiàn)
本系統(tǒng)主程序流程如圖7所示,,主程序運行在中央控制器S3C2440上,由許多實現(xiàn)相應(yīng)功能的子程序組成,,主要包括GPRS無線通信程序,、ZigBee無線通信程序、圖像采集處理程序、各智能模塊控制程序等,。ARM9與GPRS模塊的通信實際是用WindowS API函數(shù)實現(xiàn)RS232通信的編程,,ARM9通過串口UART1控制GPRS模塊,以短信的形式與用戶進行交互信息,。
3.2 終端模塊的軟件實現(xiàn)流程
智能終端模塊主要是接受中央控制器通過ZigBee模塊發(fā)來的命令,,同時解析命令,然后做出相應(yīng)的操作,,例如:啟動或關(guān)閉與之對應(yīng)的電器,,并將電器的運行狀態(tài)回送給中央控制器。智能終端模塊的軟件流程圖如圖8所示,。
首先系統(tǒng)上電后,,初始化設(shè)備,即打開串口中斷,、定時器中斷,、各個I/O口中斷等,然后查詢UART是否收到消息(是否收到中央控制器發(fā)來的ZigBee信息),,并不斷地循環(huán)檢測,,檢測到信息后,對信息進行解析與處理,,最后判斷用戶是要對哪個家電進行操作,,還是查詢家電的運行情況。如果是查詢某個家電的運行情況,,智能終端就將家電的運行狀態(tài)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給中央控制器,;如果用戶要對家電進行操作,首先判斷是哪個家電需要進行操作,,然后判斷對該家電進行怎樣的控制,,并執(zhí)行相應(yīng)的操作,同時把家電運行狀態(tài)反饋給中央控制器,,不斷循環(huán)返回[5],。
本文設(shè)計了一種基于ZigBee和GPRS技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng),給出了詳細的設(shè)計方案和系統(tǒng)框圖,,從硬件,、軟件兩方面具體闡述了本文的設(shè)計思路和實現(xiàn)方法。本設(shè)計采用ZigBee技術(shù)組建家庭網(wǎng)絡(luò)進行無線通信,,很好地解決了中央控制器S3C2440與各個智能家居被控模塊之間的無線通信,,避免了繁雜的布線問題,同時采用GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程手機用戶對智能家居控制系統(tǒng)的遠程控制[5],給家庭生活帶來巨大的便利和安全,,具有很好的實用價值,,給未來智能家居控制系統(tǒng)的發(fā)展提供了一個方向,。
參考文獻
[1] 周游,王普. 基于ZigBee技術(shù)的智能家居無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2009,,23(9):37-39.
[2] 張周,周劍揚.ZigBee在智能家居中的應(yīng)用研究[J].工業(yè)控制計算機,,2010,,19(12):7-9.
[3] 陳致遠,朱葉承.一種基于STM32的智能家居控制系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2012,,38(9):138-140.
[4] 邵雯.基于ZigBee技術(shù)家居智能控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].軟件開發(fā)與設(shè)計,2012,,4(6):69-70.
[5] 吳文忠,李萬磊.基于ARM與ZigBee的智能家居系統(tǒng)[J].計算機與工程設(shè)計,,2011,3(5):30-34.