0． 引言

       近年來,，隨著網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù),，電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展,，人們對生活質(zhì)量提出了更高的要求,，現(xiàn)代化的家居環(huán)境也備受人們的關(guān)注。目前,，國內(nèi)的智能家居系統(tǒng)主要集中在對單個(gè)住宅分散的子系統(tǒng)的控制上,，這些子系統(tǒng)功能上比較單一，很難實(shí)現(xiàn)信息共享，不便于進(jìn)行集中管理,。本文針對目前國內(nèi)智能家居系統(tǒng)的局限性,，提出一種基于GPRS無線技術(shù)的智能家居系統(tǒng)，不僅能對小區(qū)多個(gè)住宅內(nèi)的安全狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,，還實(shí)現(xiàn)了“三表”（即水表,、電表,、燃?xì)獗恚┑倪h(yuǎn)程抄送,。

 1．GPRS技術(shù)簡介

       GPRS（General Packet Radio Service），即通用無線分組業(yè)務(wù),，是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù),，面向用戶提供移動(dòng)分組的IP或者X.25連接。與GSM電路交換數(shù)據(jù)相比,，GPRS在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的承載和支持上具有非常明顯的優(yōu)勢：資源共享,，頻帶利用率高，用戶只有在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)才占有系統(tǒng)資源,；數(shù)據(jù)傳輸率高,，GPRS采用分組交換技術(shù)，每個(gè)用戶能同時(shí)占用多個(gè)無線信道,，同一無線信道又可由多個(gè)用戶共享,。理論上，GPRS最高傳輸率可達(dá)171.2kbit/s,；支持X.25協(xié)議和IP協(xié)議,，可與現(xiàn)有的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互通互連；用戶永遠(yuǎn)在線且按流量,、時(shí)間計(jì)費(fèi),，通信成本低。由此可見,，將GPRS技術(shù)應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸是最理想的選擇,。

2．系統(tǒng)功能及總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2．1系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

       該系統(tǒng)主要是針對普通住宅小區(qū)家庭用戶而設(shè)計(jì)的，它可以對小區(qū)內(nèi)用戶住宅內(nèi)安全狀況進(jìn)行集中監(jiān)控和管理,，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了門禁及抄表功能,。用戶可以根據(jù)自己需要進(jìn)行監(jiān)控狀態(tài)、監(jiān)控參數(shù)的設(shè)置,。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以下功能：

（1）家居安防監(jiān)控：當(dāng)小偷闖入住宅或者有火災(zāi),、燃?xì)庑孤┑任＜笔录l(fā)生時(shí)，監(jiān)控終端能實(shí)時(shí)地監(jiān)測到險(xiǎn)情,，向監(jiān)控中心發(fā)送告警信息,，監(jiān)控中心則以GSM短信的方式通知戶主。

（2）家居安全狀況遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控與查詢：主人離家在外，可通過發(fā)送手機(jī)短信的方式來查詢家中安全狀況信息,。

（3）現(xiàn)場圖像抓拍功能：在設(shè)防狀態(tài)下,，當(dāng)紅外傳感器或者門磁觸發(fā)告警時(shí)，系統(tǒng)將啟動(dòng)圖像抓拍器,，對現(xiàn)場進(jìn)行拍攝,，所拍攝的圖像通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中心的主機(jī)上進(jìn)行備份。用戶也可以通過發(fā)送送機(jī)短信的方式來啟動(dòng)圖像抓拍的功能,。

（4）“三表”遠(yuǎn)程自動(dòng)抄送與門禁功能：可以定時(shí)或主動(dòng)讀取用戶家中的水表,、電表、煤氣表的用量,，并根據(jù)相應(yīng)價(jià)格計(jì)算費(fèi)用,。當(dāng)有刷卡開門事件時(shí)，判斷卡合法則允許進(jìn)入,。

2．2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

智能家居系統(tǒng)由監(jiān)控終端,，GSM短信收發(fā)模塊，監(jiān)控主機(jī)三部分組成,。監(jiān)控終端硬件采用ARM7平臺(tái),，軟件采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks。監(jiān)控主機(jī)是一臺(tái)運(yùn)行監(jiān)控管理軟件的PC機(jī),，一般置于小區(qū)的物業(yè)管理中心,。圖1是整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)圖。

圖1  系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)工作時(shí),，監(jiān)控終端循環(huán)檢測安裝在室內(nèi)的門磁,、紅外、煙霧,、燃?xì)獗O(jiān)測等傳感器,，當(dāng)檢測到有異常情況發(fā)生時(shí)，終端控制警笛發(fā)出告警聲音,，提醒戶主及物業(yè)管理人員有險(xiǎn)情發(fā)生并采取防范措施,。另外，監(jiān)控終端還通過GPRS網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)控中心發(fā)送告警信息,。當(dāng)終端檢測到門磁或紅外告警時(shí),，將啟動(dòng)圖像抓拍器，對用戶室內(nèi)現(xiàn)場進(jìn)行連續(xù)拍照,，拍攝到的圖像終端先進(jìn)行緩存,，再通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控主機(jī)，監(jiān)控主機(jī)將圖像以文件的形式進(jìn)行備份,。

監(jiān)控終端還循環(huán)接收監(jiān)控主機(jī)下發(fā)的數(shù)據(jù)請求命令,，終端對這些命令進(jìn)行解析,。如果是查詢傳感器及門磁狀態(tài)，監(jiān)控終端對相應(yīng)傳感器的狀態(tài)進(jìn)行檢測,，向監(jiān)控主機(jī)返回傳感器的狀態(tài)信息,；如果是查詢水表、電表或者煤氣表的用量命令,，監(jiān)控終端根據(jù)“三表”的RS-485協(xié)議,，構(gòu)造查詢幀命令,發(fā)送相應(yīng)的查詢命令，將“三表”返回的數(shù)據(jù)按照系統(tǒng)的通信協(xié)議打包,，通過終端上內(nèi)置的GPRS模塊發(fā)送到監(jiān)控主機(jī),。監(jiān)控主機(jī)接收到終端發(fā)送的數(shù)據(jù)后，先對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析,。若是告警信息,，則監(jiān)控主機(jī)將根據(jù)不同的告警播放相應(yīng)的告警提示音,，提醒管理員作出處理,。當(dāng)有告警發(fā)生時(shí)，監(jiān)控主機(jī)通過RS232接口輸出AT指令,，控制外置GMS模塊向系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置好的住宅主人的手機(jī)號(hào)碼發(fā)送告警短信,，通知戶主家中有警情發(fā)生。同時(shí),，監(jiān)控主機(jī)還將把告警事件以日志的形式記錄下來,，以便事后對告警信息進(jìn)行查詢；當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)幀是抄表命令返回的數(shù)據(jù)時(shí),，主機(jī)將把數(shù)據(jù)寫入到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫,。同時(shí)，在顯示界面上彈出一個(gè)新窗口,，顯示戶主信息,、查詢時(shí)間、表的用量,、相應(yīng)費(fèi)用等信息,。

3．系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

       監(jiān)控終端的原理圖如圖2所示。

圖2   終端原理圖

終端硬件采用的是嵌入式硬件平臺(tái),，CPU選用三星公司的基于ARM7TDMI內(nèi)核的S3C440X微處理器,，該處理器是三星公司專為PDA和一般應(yīng)用開發(fā)提供的高性價(jià)比和高性能的解決方案。經(jīng)過性能與成本的綜合考慮,GPRS模塊選用明基公司的 M22模塊,。該模塊可工作在三種頻率下：900/1800/1900MHz,。支持語音通信，具有GPRS,、USSD和CSD三種數(shù)據(jù)方式及SMS和FAX功能,；內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，軟件支持標(biāo)準(zhǔn)AT 指令并遵循3GPP 27.07/27.05規(guī)范。

       S3C44B0的IO口的D口擴(kuò)展了三個(gè)按鍵,，它們是設(shè)防鍵,、開門鍵、消告警鍵,。按下設(shè)防鍵,，CPU檢測到IO口為低電平，系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài),。該狀態(tài)下,，系統(tǒng)將循檢測門磁及所有已經(jīng)安裝的傳感器。由于選用的傳感器輸出電平為0V或12V,而S3C44B0的外圍接口電平為0V~3.3V,，傳感器的輸出需經(jīng)光耦隔離后連接至CPU的IO引腳,。采用光耦隔離還有一個(gè)作用：在雷雨天氣，傳感器輸出導(dǎo)線很容易引入雷電,，導(dǎo)線上會(huì)有瞬時(shí)高壓脈沖,，用光耦將傳感器的輸出與CPU的IO口隔離后，起到保護(hù)CPU的作用,。當(dāng)監(jiān)測到開門鍵按下,，電控鎖吸合，門將打開,，此時(shí)為合法開門狀態(tài),，不會(huì)產(chǎn)生告警。如果是在監(jiān)控狀態(tài)下,，門被強(qiáng)行打開,，則門磁輸出由低電平變?yōu)楦唠娖剑珻PU檢測到門磁傳感器輸出高電平,，產(chǎn)生告警,，CPU控制GPD3口輸出低電平，觸發(fā)警鈴產(chǎn)生告警音,。告警發(fā)生時(shí),，CPU通過UART0發(fā)送AT指令來控制GPRS模塊，經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)向系統(tǒng)監(jiān)控主機(jī)發(fā)送告警信息,，監(jiān)控主機(jī)對告警信息進(jìn)行分析處理,。M22模塊與CPU采用115200bps的波特率進(jìn)行通信。它們之間的接口比較簡單,，只需要將接收和發(fā)送兩個(gè)引腳進(jìn)行連接,。考慮到本系統(tǒng)運(yùn)行過程中需要保存大量的事件日志,，如“三表”查詢的數(shù)據(jù),、告警事件日志以及告警抓拍到的50張圖像等,，系統(tǒng)擴(kuò)展了大容量的外部存儲(chǔ)器HY57V641620(容量為8MB的SDRAM)，SST39VF1601(2MB的FLASH),。其中SDRAM主要負(fù)責(zé)程序運(yùn)行以及中間數(shù)據(jù)的保存,，2MB的FLASH主要負(fù)責(zé)源程序的保存以及一些掉電需要保存的歷史數(shù)據(jù)，事件日志,、圖像數(shù)據(jù)等,。

       圖像抓拍器的主要作用是當(dāng)有盜情發(fā)生時(shí)，進(jìn)行現(xiàn)場抓拍,。目前在國內(nèi)市場上已經(jīng)有很多該類型的產(chǎn)品,。我們選擇了深圳安信陽光科技有限公司的彩眼 HRM600GJ圖像抓拍器。HRM600GJ自帶以太網(wǎng)接口,。HRM600GJ在接收到S3C44B0發(fā)來的拍照命令包后進(jìn)行連續(xù)拍照,，所拍攝的圖像為靜態(tài)JPEG格式圖象，解析度為320×240,，圖像經(jīng)過網(wǎng)口發(fā)送給ARM處理器等待處理,。由于S3C44B0片內(nèi)并不帶以太網(wǎng)接口，因此必須擴(kuò)展一片以太網(wǎng)接口芯片實(shí)現(xiàn)彩眼和 ARM處理器之間的互連,。這里我們選用比較常見的也是性價(jià)比相對較高的RTL8019AS作為以太網(wǎng)接口芯片,。

       SN75LBC184是RS485驅(qū)動(dòng)芯片,。我們將S3C44B0的第二個(gè)串口（UART1）擴(kuò)展為系統(tǒng)的RS485總線接口,。該接口是CPU與“三表”及刷卡器等設(shè)備的通信接口。CPU按照主從模式與“三表”進(jìn)行通信,。CPU定義為主設(shè)備,，“三表”為從設(shè)備。主從設(shè)備都有唯一的設(shè)備地址,，通信時(shí),，主設(shè)備向指定地址的從設(shè)備發(fā)查詢命令，從設(shè)備返回當(dāng)前數(shù)據(jù)給主設(shè)備,。

4．系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1終端軟件

傳統(tǒng)的單片機(jī)程序設(shè)計(jì)基本上都采用順序結(jié)構(gòu),，實(shí)時(shí)性低且CPU對資源的利用率不高。這里,，我們采用了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks,，它是美國風(fēng)河（WindRiver）公司于1983年設(shè)計(jì)開發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）。終端軟件設(shè)計(jì)包括針對系統(tǒng)硬件平臺(tái)進(jìn)行的操作系統(tǒng)的移植和在VxWorks平臺(tái)上應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)兩部分,。操作系統(tǒng)的移植的重點(diǎn)也即難點(diǎn)是BSP（Board Support Package）的設(shè)計(jì),。VxWorks本身提供了針對許多處理器的BSP，但針對S3C44B0的BSP并未提供,。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)BSP時(shí),，我們首先仔細(xì)研究了其中一種BSP代碼范例,，了解并掌握了BSP的結(jié)構(gòu)，然后在風(fēng)河公司針對ARM處理器提供給用戶的BSP模板的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)的BSP,，限于篇幅,，對操作系統(tǒng)的移植部分本文將不作闡述。

監(jiān)控終端的應(yīng)用程序采用模塊化的設(shè)計(jì)思想,。由于VxWorks支持多任務(wù),，我們將每個(gè)功能模塊以一個(gè)任務(wù)來實(shí)現(xiàn)。從時(shí)間上看,，各個(gè)任務(wù)處于并行運(yùn)行的狀態(tài),，極大地提高了系統(tǒng)對事件響應(yīng)的速度，有效地提高了CPU對資源的利用率,。終端應(yīng)用程序包含五個(gè)任務(wù),，分別是：消息處理任務(wù)、傳感器檢測任務(wù),、GPRS通信任務(wù),、RS485總線設(shè)備通信任務(wù)、按鍵檢測及處理任務(wù),。除消息處理任務(wù)以外,，其它五個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)相同。VxWorks中任務(wù)優(yōu)先級(jí)從0到255,，0為最高優(yōu)先級(jí),，255為最低優(yōu)先級(jí)。我們將消息處理任務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)定為90,，其它四個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)都設(shè)定為100,。這樣可使消息處理任務(wù)盡快的處理其它任務(wù)發(fā)送來的消息，提高系統(tǒng)對外部事件的響應(yīng)速度,。下面分別對各個(gè)任務(wù)所實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行簡要的介紹,。

（1）消息處理任務(wù)

該任務(wù)循環(huán)檢測自己的消息隊(duì)列，當(dāng)有其它任務(wù)發(fā)送來的消息時(shí),，讀取消息,，對消息進(jìn)行解析，確定事件類型,，然后調(diào)用事件相應(yīng)的處理函數(shù)進(jìn)行處理,。本系統(tǒng)定義了多種事件類型，主要有如下幾種事件：傳感器告警事件,、設(shè)置終端參數(shù)事件,、傳感器狀態(tài)請求事件、刷卡開門事件,、水表數(shù)據(jù)查詢事件,、電表數(shù)據(jù)查詢事件,、煤氣表數(shù)據(jù)查詢事件和按鍵設(shè)置事件。

（2）傳感器檢測任務(wù)

在任務(wù)運(yùn)行的時(shí)間片內(nèi),，首先判斷系統(tǒng)當(dāng)前所的處狀態(tài),，如果系統(tǒng)處于設(shè)防狀態(tài)，那么CPU將對室內(nèi)所有已安裝傳感器進(jìn)行循環(huán)檢測,。如果系統(tǒng)工作在撤防狀態(tài)下,，那么只對煙霧、煤氣傳感器進(jìn)行檢測,。當(dāng)任務(wù)檢測到某一傳感器的輸出達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的告警閾值時(shí),，將向消息處理任務(wù)的消息隊(duì)列發(fā)送一條傳感器告警消息，消息中包含傳感器通道編號(hào),。

（3）GPRS通信任務(wù)

       此任務(wù)完成GPRS模塊的初始化,、終端與監(jiān)控中心建立連接以及數(shù)據(jù)通信功能。

（4）RS485總線設(shè)備通信任務(wù)

       任務(wù)完成“三表”數(shù)據(jù)的讀取以及用戶刷卡檢測功能,。

（5）按鍵檢測及處理任務(wù)

該任務(wù)完成對終端上三個(gè)功能鍵的掃描,。當(dāng)其中某個(gè)按鍵被按下時(shí)，CPU檢測到鍵值,，向消息處理任務(wù)發(fā)送消息,，消息任務(wù)將調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù)進(jìn)行處理。

4.3監(jiān)控中心軟件

       監(jiān)控中心軟件采用Borland C++ Builder 6.0開發(fā),。它使用WinSock控件接收和發(fā)送數(shù)據(jù),。中心軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，分別實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置,、操作員權(quán)限管理,、用戶管理、告警事件處理,、數(shù)據(jù)庫的維護(hù)以及數(shù)據(jù)打印和系統(tǒng)幫助等功能。

5．結(jié)束語

       本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對住宅小區(qū)內(nèi)多用戶室內(nèi)安全狀況的集中監(jiān)控與管理,，還實(shí)現(xiàn)了對用戶家中的水表,、電表、煤氣表的遠(yuǎn)程無線抄送,。該系統(tǒng)在實(shí)用性,、可靠性以及成本等方面取得了較為滿意的效果。目前,，本系統(tǒng)已經(jīng)完成最后調(diào)試,，即將進(jìn)入現(xiàn)場試運(yùn)行。由于系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)上充分考慮到了不同的應(yīng)用場合,，留有較大的擴(kuò)展空間,，因此相信該系統(tǒng)將會(huì)有較為廣闊的應(yīng)用前景,。