在當今以計算機、網(wǎng)絡、衛(wèi)星通信為特征的信息社會，人們對家居設施的要求越來越高，“智能家居”和“物聯(lián)網(wǎng)”成為研究熱點[1-4]。在現(xiàn)代化高檔小區(qū)中，人們越來越重視居住環(huán)境的安全監(jiān)控，尤其希望對危及生命財產(chǎn)安全(如火災、煤氣泄漏、外人非法入侵等情況)的有效監(jiān)控,并能及時將異常情況告知戶主或相關的機構。隨著手機、掌上電腦等設備的普及,通過GSM/GPRS、無線WLAN、3G、WiFi等無線網(wǎng)絡不斷推進監(jiān)控家居技術的革新,目前國內外一些企業(yè)也已開始研究智能家居相關產(chǎn)品，但主要集中在價格比較高的高端產(chǎn)品，很難使智能家居進入尋常百姓家。

    本文設計了PXA270和nRF24L01的無線物聯(lián)智能家居控制系統(tǒng)，為家居智能監(jiān)控技術發(fā)展提供了一個很好的應用方案。設計基于nRF24L01和STC89C52的家居無線終端，可以方便地將原有家居設備匯聚到智能家居系統(tǒng)網(wǎng)絡的節(jié)點上進行無線控制。采用高低端控制器，實現(xiàn)無線遙控、嵌入式系統(tǒng)、手機遠程、PC遠程分級的獨立控制，便于實際應用，可以滿足各類客戶需求，有著很好的技術推廣與市場應用前景。
1 系統(tǒng)方案設計
    系統(tǒng)結構如圖1所示，嵌入式系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心。無線傳感網(wǎng)絡控制在實現(xiàn)家居設備獨立控制的同時也將各家居信息傳輸給嵌入式系統(tǒng)，通過操作觸摸屏和視頻模塊即可完成對家居的監(jiān)控。系統(tǒng)接入Internet,在PC機上登錄家居監(jiān)控系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控，系統(tǒng)帶有移動通信模塊，可實現(xiàn)手機端的遠程監(jiān)控。

2 硬件設計
2.1嵌入式控制模塊
    基于ARMv5E的Xscale核心,嵌入式核心采用的PXA270芯片最高頻率可達624 MHz，外圍控制器眾多。內置了Intel的無線MMX技術，能夠顯著地提升多媒體性能，此外PXA270也包含了Intel的SpeedStep技術，能夠根據(jù)需要動態(tài)調節(jié)CPU的性能，真正實現(xiàn)了低功耗，高性能[5]。嵌入式外圍電路采用EELiod270開發(fā)平臺，其中包括CPU、Flash、SDRAM、CPLD核心系統(tǒng)部分和外圍接口。
2.2 無線網(wǎng)路控制
    通常控制網(wǎng)絡的組網(wǎng)方案分為有線傳輸和無線傳輸兩種。有線傳輸方式依靠電纜連接，優(yōu)點是連接穩(wěn)定， 信息交換速率和效率高， 但需專用線纜，導致安裝維護成本高。在無線傳輸?shù)姆绞街?，包?15 MHz、藍牙技術和ZigBee技術。315 MHz頻段通信易受干擾, 造成藍牙技術和ZigBee 技術成本高，且協(xié)議開銷大。綜合考慮以上因素,本設計采用nRF24L01芯片提供數(shù)據(jù)交互以組建無線網(wǎng)絡。nRF24L01是挪威NORDIC公司的2.4 GHz無線收發(fā)一體芯片,有多達125個頻道可供選擇， 支持1 Mb/s和2 Mb/s傳輸速率[6]。此芯片可通過SPI 寫入數(shù)據(jù), 并有自動應答和自動再發(fā)射功能,芯片功耗非常低,多種低功率工作模式使節(jié)能設計更方便。
    基于nRF24L01芯片與STC89C52單片機設計了無線網(wǎng)絡控制中的無線終端，通過設置好的協(xié)議進行無線操作。如圖2所示，無線網(wǎng)絡控制主模塊通過無線終端與監(jiān)控家居設備（窗簾、窗體、門禁、安防檢測、家用電器、備用插座等）、家居設備的開關狀態(tài)、報警等物理信息及無線終端傳送給無線網(wǎng)絡控制主模塊。同時，系統(tǒng)也可通過無線遙控或PXA270平臺上的觸屏方便、快捷地操作家居設備工作。

2.3 安防傳感器檢測設計
    如圖3所示，煙霧、煤氣泄漏、紅外等傳感器的報警信號通過光電耦合接入無線終端上STC89C52的P2口。傳感器沒有報警信號時，光電耦合芯片處于截止狀態(tài)，與之相接的單片機端口為低電平；傳感器有報警信號時，輸出高電平，此時,光電耦合芯片導通。與之相接的單片機端口為高電平，由STC89C52對報警信號進行采集并做出相應處理，通過nRF24L01無線終端將設定好的信號發(fā)送到無線網(wǎng)絡總控制器。

2.4 移動通信和視頻監(jiān)控
    移動通信模塊可以選用最新的3G模塊，但考慮目前市場上的3G模塊都只能支持TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000之一的網(wǎng)絡標準，而且價格比較高，本系統(tǒng)從性價比上考慮選擇GSM模塊，采用西門子MC35 GSM/GPRS無線模塊。該模塊支持EGSM900和GSM1800雙頻，支持數(shù)字、語音、短消息和傳真，使用AT指令控制發(fā)送短消息。并采用9 V直流電源供電，通過RS-232串行端口與EELiod270平臺連接進行通信。
    視頻采集模塊采用基于中星微(Vimicro)公司ZC0301P芯片的攝像頭，硬件最高支持VGA分辨率（640×480），支持 ISO/IEC 10918-1(JPEG)標準圖像壓縮。在VGA模式下速率可達15 F/s，在CIF（352×288）和 SIF(320×240)模式下速率可達30 F/s,并通過USB接口連接到EELiod270平臺。
3 系統(tǒng)軟件設計
3.1客戶端軟件設計
    本系統(tǒng)的客戶端選用Linux下的開發(fā)工具QT，客戶端主要功能包括GSM、視頻、嵌入式平臺與無線網(wǎng)絡控制通信及各類終端控制。
3.1.1 GSM模塊設計
     GSM控制模塊實現(xiàn)了遠程安全監(jiān)控家電設備和自動報警的功能。系統(tǒng)采用定時器方式讀取串口內容。本系統(tǒng)在PXA270平臺上實現(xiàn)了煙霧紅外傳感器的報警信息和視頻數(shù)據(jù)的采集，借助于GSM網(wǎng)絡，基本達到了遠程監(jiān)控的目的。結合有線或無線網(wǎng)絡，也可以將相關數(shù)據(jù)自動傳輸?shù)竭h程服務器端進行處理，充分發(fā)揮智能家居系統(tǒng)遠程監(jiān)控的功能。
3.1.2視頻模塊設計
    本視頻功能是為了方便用戶和服務器端的監(jiān)視。視頻的顯示與傳輸時以圖像為主，即拍攝某一瞬間的畫面進行顯示，通過瞬間的一幅幅畫面來實現(xiàn)視頻功能。
3.1.3 嵌入式平臺與無線網(wǎng)絡控制通信設計
    嵌入式平臺與無線網(wǎng)絡控制通信實現(xiàn)了客戶端對底層的無線終端控制以及對部分反饋信息進行處理。設計流程圖如圖4所示，其中報警信息是以"#$#"為標示，如果檢測到"#$#1"信號則表明紅外警報被觸發(fā)；"#$#2"表明煙霧警報被觸發(fā)；"#$#3"表明煤氣警報被觸發(fā)；當有警報被觸發(fā)時，系統(tǒng)自動啟動短信自動報警。各家電設備的狀態(tài)信息是以"#&"作為起始標志，"！"作為結束標記，設計時需充分考慮到安全穩(wěn)定問題。

3.2服務器端軟件
    本服務端程序基于Redhat 9.0的QT軟件平臺下開發(fā),通過有線網(wǎng)絡將EELiod270平臺的視頻和所有設備的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫^(qū)的監(jiān)控服務端，并將所有的狀態(tài)信息保存到日志文件中。
      服務器端接收的數(shù)據(jù)主要為所有設備和傳感器的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)以及視頻數(shù)據(jù)，在接收時利用信息頭加以區(qū)分。對于狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)內容較小，在接收過程中不存在網(wǎng)絡阻塞而丟數(shù)據(jù)包的情況。但是對于視頻數(shù)據(jù)而言，由于視頻數(shù)據(jù)較大，在接收過程中由于網(wǎng)絡阻塞而丟失數(shù)據(jù)包，最終導致視頻無法恢復。因此在視頻數(shù)據(jù)接收過程中采用分塊接收的方法，即將需要傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)分成n個數(shù)據(jù)塊，每個數(shù)據(jù)塊的傳輸進行通信握手，當一塊數(shù)據(jù)完全傳輸?shù)椒掌骱螅蚩蛻舳嘶厮臀帐中盘?，客戶端再發(fā)送下一個數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)。當一幀視頻傳輸完畢后，再將視頻數(shù)據(jù)進行合成。服務器端界面如圖5所示，服務器端最主要的是接收來自客戶端的信息，并對其進行處理。

4 系統(tǒng)調試
4.1 嵌入式系統(tǒng)調試環(huán)境

    本系統(tǒng)的調試環(huán)境是：
    PC主機： CPU：AMD ALTHLON(速龍) 1 G;內存：1GB;操作系統(tǒng)：Red Hat Linux 9.0操作系統(tǒng);內核版本：2.4.20;開發(fā)平臺：EELiod PXA270;SDRAM：64 MB; Flash：32 MB; 嵌入式Linux內核版本：2.4.21;本地編譯工具：gcc，g++;    交叉編譯工具：arm-linux-gcc、arm-linux-g++。
4.2 系統(tǒng)整體測試
    測試方法：分別用手機、ARM人機交互系統(tǒng)及遙控系統(tǒng)，通過無線網(wǎng)絡控制各個功能模塊的工作,從而達到對網(wǎng)絡的穩(wěn)定性及各個功能穩(wěn)定性的檢查。圖6所示為PC監(jiān)控軟件測試結果達到預期穩(wěn)定效果界面。

    本系統(tǒng)從智能化家居的理念出發(fā)，利用無線芯片、嵌入式與單片機及移動通信等技術控制，實現(xiàn)了對家居設備物理狀態(tài)、安防檢測、視頻信息的智能化控制。經(jīng)過實驗測試，系統(tǒng)工作可靠，設計的家居無線終端能方便匯聚家居設備到系統(tǒng)無線控制網(wǎng)絡；采用高低端控制器實現(xiàn)無線遙控、嵌入式系統(tǒng)、手機遠程及PC遠程分級獨立控制，便于實際應用，滿足了各類客戶需求，有很好的技術推廣與市場應用前景。
參考文獻
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