嵌入式技術、網絡通信技術的發(fā)展以及人們物質生活水平不斷提高，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的家電設備有機地連接在一起，使多個設備形成聯(lián)動并能夠進行信息交互[1]。ZigBee技術的發(fā)展為研究智能家居提供了基礎，本文構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備節(jié)點的功能控制，從應用角度闡述了智能家居系統(tǒng)的現(xiàn)實意義。                       

    對于家庭網絡通信而言，傳輸數據量小，在傳輸速率上要求不高，網絡容量大，家電設備多，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，相對各種無線通信技術而言，ZigBee技術是功耗和成本最低的技術之一[2-3]。它能夠很好地滿足家庭網絡的需求。                                             
1 系統(tǒng)整體方案設計
    智能家居控制系統(tǒng)主要由三部分構成：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。此設計主要用于方便控制家電設備，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)送設備的運行情況。當探測到有外部人員侵入或者發(fā)生火災等危急情況時，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、供電電源和復位模塊、LCD觸摸屏和相關外圍電路組成。本設計選用三星公司生產的基于ARM920T內核的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、以太網接口、USB接口、攝像頭接口、AC97數字音頻接口、SD&MMC存儲卡接口等大量的功能模塊，完全滿足家庭網絡的設計要求。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，支持資源共享，頻帶利用率高，數據傳輸率高，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網絡永遠在線并且按流量計費，通信成本低，因此GPRS技術應用在智能家居控制系統(tǒng)中是無線數據傳輸的最佳選擇。

     網絡中的協(xié)調器是整個網絡的核心,負責組網,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)調器。路由器不但具有收發(fā)數據功能，還具有轉發(fā)數據的功能，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據不能轉發(fā)數據,一些低功耗家電設備采用此類節(jié)點類型。采用樹簇型網絡的優(yōu)點是能夠讓終端設備降低功耗,不發(fā)送數據時,可以將處理器設置成休眠模式[2-4]。
2.3.2 ZigBee通信模塊設計
    本設計選用TI公司生產的CC2530芯片作為ZigBee組網主控芯片，每個智能家居設備都包括一個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絡節(jié)點。它不僅支持TI的Z-Stack協(xié)議棧，內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；而藍牙設備卻采用調頻技術，對網絡的干擾很小，所以兩者也能很好地共存；當ZigBee設備與微波爐的距離大于1 m時，產生的干擾可以忽略不計；家用無繩電話(2.4 GHz)可以調整與ZigBee設備的距離來減小干擾,使干擾源盡量遠離ZigBee網絡。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絡。
    智能家居控制系統(tǒng)以ZigBee網絡作為橋梁，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)軟件設計
    本文軟件設計可以分為兩部分：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，然后做出相應的操作，例如：啟動或關閉與之對應的電器，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網絡發(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]。                      
    本文設計了一種基于ZigBee和GPRS技術的智能家居控制系統(tǒng)，給出了詳細的設計方案和系統(tǒng)框圖，從硬件、軟件兩方面具體闡述了本文的設計思路和實現(xiàn)方法。本設計采用ZigBee技術組建家庭網絡進行無線通信，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網絡實現(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
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[2] 張周，周劍揚.ZigBee在智能家居中的應用研究[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].電子技術應用，2012，38(9)：138-140.
[4] 邵雯.基于ZigBee技術家居智能控制系統(tǒng)的設計[J].軟件開發(fā)與設計，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].計算機與工程設計，2011，3(5)：30-34.