【導讀】根據現代家居的發展需求，提出了一種智能家居系統的整體設計方案，以ARM11S3C6410為核心處理器，Linux嵌入式系統為家居總中心監控系統，使用Linux Qt完成了控制程序及人機界面的編寫，采用GPRS通信技術完成了系統的遠程通信及監控，組建基于ZigBee無線通信技術的系統內部網絡，并完成了對家電的基于統一協議的控制，實現了家居的智能化。
0 引 言
隨著網絡技術和通信技術的不斷發展以及人們對生活要求的不斷提高，實現家庭智能的遠程監控已經成為必然的趨勢。國家建設部住宅產業化促進中心提出住宅小區要實現六項智能化要求，其中包括實行安全防范自動化監控管理：對住宅的火災、有害氣體的泄漏實行自動報警；防盜報警系統應安裝紅外或微波等各種類型報警探測器；系統應能與計算機安全綜合管理系統聯網；計算機系統能對防盜報警系統進行集中管理和控制。隨著GPRS遠程通信技術和短距離無線網絡通信技術的不斷發展和成熟，智能家居的監控技術也逐步成熟。GPRS網絡通信業務是通信公司推出的一項數據傳輸通信業務，在GPRS網絡覆蓋區域內，傳輸距離不受限制，通信費用相對低廉，傳輸速率較快。Zig-Bee短距離無線通信技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用。本文解決了家庭智能嵌入式系統、GPRS遠程通信、ZigBee無線通信、家電解碼及編碼、家居控制協議等相關技術難點，分析了其各自基本特點和所要實現的基本功能，并在此基礎上提出了基于Linux嵌入式系統和ZigBee網絡及GPRS無線通信的智能家居系統的總體解決方案。
1 系統整體設計方案
智能家居網絡指的是在一個家居中建立一個通信網絡，將各種家電設備互相連接起來，實現對所有智能家居網絡上設備的遠程使用和控制及任何要求的信息交換，如音樂、門窗、電源、電視或數據等等。智能家居網絡的構架包括家庭內部網絡系統、智能家居控制器以及智能家居網絡與外部網絡之間的數據通信。其中，智能家居控制器是智能家庭網絡的一個重要組成部分，起到核心的管理、控制和與外部網絡通信的作用。它是通過家庭管理平臺與家居生活有關的各種子系統有機結合的一個系統，也是連接家庭智能內部和外部網絡的物理接口，完成家庭內部同外部通信網絡之間的數據交換功能，同時還負責家庭設備的管理和控制。智能家居控制器一方面需要為家庭內部布線提供通信接口，采集家庭設備的信息，并進行處理、自動控制和調節；另一方面智能家居控制器作為家庭網關，也為外部提供網絡接口，連通家庭內部網絡和外部網絡，使得用戶可以通過GPRS網絡等方式訪問家庭內部網絡，實現監視和控制。系統控制方案如圖1所示。
圖1 系統整體控制框圖
本系統采用三星公司最新推出的ARM11S3C6410控制芯片為核心控制器，完成所有家庭內部數據的處理，包括數據的采集與控制命令的發出，是整個智能家居控制的核心，采用Linux嵌入式系統為家居總中心監控系統，能夠自動運行、處理數據，通過串口管理、無線網絡來控制各控制終端，并且中心控制器通過GPRS模塊實現家庭系統與手機的通信，使用戶可以通過短信方式實現家庭系統的遠程控制，同時，控制器還采用10.3寸觸摸屏為用戶提供命令輸入端，采用Linux Qt完成人機界面的編寫，通過ZigBee無線通信協議完成家庭內部數據的傳輸，方便用戶實現本地控制。控制終端為單片機組成的若干小的控制系統控制各家用設備，并通過控制總線將這些小的控制系統組成網絡，連接到智能家居控制器，受智能家居控制器控制。
2 基于ZigBee無線網絡和統一家電協議的家居網絡系統
2.1 整體設計
整個智能家居系統全部采用無線網絡進行數據傳輸和監控，以無線網絡技術為通信平臺，將家庭的安防系統、門窗控制系統、家電照明系統和能源計量系統等這些分立子系統融合成為一個真正意義上的綜合智能家居網絡系統。既可以使用智能手機或者終端實現本地集中控制，也可以通過使用遠程接入Internet網絡的智能手機或計算機實現遠程監控。智能家居網絡系統由分散智能終端層和上端總控制層組成。
上端總控制層主要是以ARM6410中控系統為核心、利用無線通信結構形成的中控網絡完成對各種不同智能終端的管理控制。中控系統配置有觸摸屏方便用戶使用。使用GPRS通信技術，將家庭內部信息及時與主人手機終端進行通信聯系，并可以通過手機控制上端總控制層，達到遠程控制的效果。
分散智能終端層是由具有智能終端特性（即信號采集處理、輸出控制和數據通信功能）的各種不同安防系統、家電控制、家庭照明、家庭安防、溫濕度數據采集和通信系統等模塊組成。
智能終端層以AT89C51為核心處理器，使用多個I/O口進行傳感器檢測陣列的信號采集，其中包括紅外人體探測信號、火警探測信號、有毒氣體探測信號、門窗開閉信號等信號的檢測；使用紅外發射芯片IR6721C芯片進行家電設備控制信號的發射，可以完成家庭內部控制和GPRS遠程控制；使用通信串口1連接無線數據傳輸芯片XL02-232AP1，XL02-232AP1是UART 接口半雙工無線傳輸模塊。本文采用了加強型的ZigBee無線技術，符合工業標準應用的無線數據通信設備，可實現多設備間的數據透明傳輸；通過無線ZigBee進行組網通信；無線功能強大；具備中繼路由和終端設備功能。單個終端硬件結構框圖如圖2所示。
圖2 終端硬件結構框圖
智能終端與中心控制器通過基于ZigBee的無線網絡完成通信，傳輸一個指令的數據包由以下幾部分組成：起始編碼bite［0］［1］，地址編碼bite［2］，數據類型編碼bite［4］，功能編碼bite［5］，效驗編碼bite［6］，結束編碼bite［7］。每個編碼1個字節，發送數據范圍在0~255之間，不同家庭內部的起始編碼都是惟一的，防止相互信號的干擾，每個接收終端在接收到數據后，都進行地址碼判斷是否為自己接收的數據包，是則接收，否則不接收，接收到數據包后，對數據要執行的功能進行校驗，校驗正確，則進行解碼，并且在解碼成功后通過ZigBee的無線網絡發出一個確認接受碼，中心控制器在接收到確認接收碼后停止再次發生控制指令，否則間隔100ms再次發生相同指令，確保整個ZigBee的無線網絡數據通信的準確性和完整性。每個智能終端在正確接收到中心控制器的控制信號后，必須根據信號完成相應家庭內部的控制工作，所以家電設備的控制信號都是由統一的紅外編碼完成的，不同家電的紅外編碼各不相同，必須進行紅外編碼的解碼和重新的編碼，解碼工作利用400MHz的具有存儲功能的高精度示波器采集完成，編碼采用AT89C51芯片的兩個定時器交互中斷進行，中斷程序控制相應的I/O口產生對應的脈沖，脈沖輸出測試結果如圖3所示。
圖3 AT89C51產生的紅外解碼脈沖
2.2 GPRS遠程通信設計
以ARM11S3C6410為總控制核心，通過GPRS進行遠程數據的發送與處理，使用6410串口2與GPRS進行數據通信，可以將家庭內部數據信息發送給遠離房間的主人手機，并可以通過主人手機發送的控制信息控制房間內家電設備，包含攝像頭的攝像處理、空調溫度設置等。GPRS通信模塊安裝在智能家居控制器中，主要功能為通過GPRS網絡連接到Internet網絡，并主動與監控中心建立通信鏈路，進行雙向數據通信。GPRS通信模塊設計采用了Freescale公司生產的內嵌TCP/IP協議的G24GPRSOEM［8］。該模塊尺寸小，功耗低，便于集成。GPRS通信終端收發模塊主要由G24模塊、天線、SIM 卡、相關的電平轉換電路和RS 232串口組成。其供電電壓為5V，可采用USB端口供電；通過RS 232串行口與智能家居控制器ARM 進行通信。
G24收發模塊采用AT指令操作，通過RS 232串行口進行數據通信。
GPRS網絡通信原理如下：首先通過SGSN節點使通信終端模塊附在GPRS網絡上；然后通過GGSN 節點由PPP（Point to Point Protocol）協議獲得一個隨機分配的IP地址，連接到Internet上；最后通信終端模塊通過Internet，按照監控中心設定的端口號與監控中心建立通信鏈路。
2.3 系統軟件
系統采用Linux操作系統，Linux內核是一種源碼開放的操作系統，采用模塊化的設計。在此只保留了必需的功能模塊，刪除了冗余的功能模塊，并對內核重新編譯，從而使系統運行所需的硬件資源顯著減少。
Linux系統內核集成了大量的網絡應用程序，支持全部的標準因特網協議和幾乎所有的聯網技術，因此將其應用于智能家居控制器的設計，具有代碼量小、運行消耗系統資源少、可靠性高、開發周期短等優點，適應智能家庭數據采集控制器對于操作系統的要求。Qt作為一種跨平臺的基于C++ 的GUI系統，能夠提供給用戶構造圖形用戶界面的強大功能。本文選用移植性強的Qt軟件設計圖形用戶界面，所設計的GUI實用、簡潔、實現了人機交互，可通過鍵盤或面板對程序進行輸入、保存、修改和編譯，信息和臨時信息及時輸出、顯示，通過GUI達到了整合系統的目的。在Qt系統中，不僅有著構造完善的系統結構，而且為了滿足用戶對編寫圖形用戶界面應用的種種需求，還創建了許多新的系統機制，其中Qt所特有的內部進程通信機制具有獨特的反應速度，本文采用的Qt應用進程之間通信機制是Signal-Slot機制和FIFO 機制。Linux 系統不斷偵查本地GUI消息，任何一個Qt消息被觸發，系統都會立即執行相應程序，提高了整個系統的反應速度和穩定性，系統軟件設計流程如圖4所示。
圖4 系統軟件設計流程
3 結 語
整套系統的設計充分利用了ARM11S3C6410的硬件功能和處理速度，成功移植了以S3C6410為硬件核心的Linux嵌入式系統，并完成了基于Linux Qt的控制程序的開發，解決了多項技術難點，其中包括構建基于ZigBee通信協議的無線網絡、基于AT89C51的統一家電控制協議、基于S3C6410的GPRS遠程通信、家電控制的直接解碼與編碼等，實驗產品的控制結果效果令人滿意，驗證了該系統的先進性、穩定性和實用性，具有廣泛的推廣和應用價值。
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