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(dòng)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(jī)地連接在一起，使多個(gè)設(shè)備形成聯(lián)動(dòng)并能夠進(jìn)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(tái)，實(shí)現(xiàn)了管理中心對(duì)家電設(shè)備節(jié)點(diǎn)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(shí)意義。                       

    對(duì)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(shí)時(shí)性要好，時(shí)延短，成本低。ZigBee 是一種新型無(wú)線連接技術(shù)，相對(duì)各種無(wú)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(jì)
    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(yuǎn)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(jì)主要用于方便控制家電設(shè)備，未達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控。

    遠(yuǎn)程手機(jī)用戶通過(guò)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(dá)給中央控制器，中央控制器再通過(guò)ZigBee模塊傳輸給智能終端，最終達(dá)到控制終端設(shè)備的目的。同時(shí)中央控制器通過(guò)GPRS模塊向遠(yuǎn)程用戶發(fā)送設(shè)備的運(yùn)行情況。當(dāng)探測(cè)到有外部人員侵入或者發(fā)生火災(zāi)等危急情況時(shí)，中央控制器就會(huì)通過(guò)發(fā)送短信向手機(jī)用戶報(bào)警，同時(shí)通過(guò)USB攝像頭采集圖像并進(jìn)行圖像處理，最后通過(guò)彩信的形式發(fā)送給手機(jī)用戶[4]。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
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(guò)它來(lái)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(jì)選用三星公司生產(chǎn)的基于ARM920T內(nèi)核的S3C2440高性價(jià)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(dá)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(kuò)展，內(nèi)部集成了TFT/STN LCD和觸摸屏控制器、多個(gè)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(chǔ)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(jì)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(wú)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(dá)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(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，S3C2440通過(guò)串口1控制SIM300模塊，用異步通信模式與GPRS模塊進(jìn)行通信，通過(guò)SIM300模塊以AT指令的格式發(fā)送短信或者撥打電話，達(dá)到接受遠(yuǎn)程用戶的控制命令以及向用戶匯報(bào)家電運(yùn)行狀態(tài)的目的。GPRS網(wǎng)絡(luò)永遠(yuǎn)在線并且按流量計(jì)費(fèi)，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(wú)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(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心,負(fù)責(zé)組網(wǎng),中央控制器為此類(lèi)節(jié)點(diǎn),在一個(gè)智能家居控制系統(tǒng)中只有一個(gè)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(qiáng)電供電智能終端為此類(lèi)節(jié)點(diǎn)。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(lèi)節(jié)點(diǎn)類(lèi)型。采用樹(shù)簇型網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是能夠讓終端設(shè)備降低功耗,不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),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(jì)
    本設(shè)計(jì)選用TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片作為ZigBee組網(wǎng)主控芯片，每個(gè)智能家居設(shè)備都包括一個(gè)ZigBee模塊。CC2530芯片是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE上的一個(gè)真正片上系統(tǒng)解決方案，它能夠用低成本的材料組建強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。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(jī)， 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(guò)擴(kuò)展引出通用接口來(lái)支持智能終端功能的設(shè)計(jì)。

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(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)中提供了很多抗干擾性能，例如：動(dòng)態(tài)信道選擇、空閑信道評(píng)估、信道算法等。通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(lán)牙設(shè)備卻采用調(diào)頻技術(shù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的干擾很小，所以兩者也能很好地共存；當(dāng)ZigBee設(shè)備與微波爐的距離大于1 m時(shí)，產(chǎn)生的干擾可以忽略不計(jì)；家用無(wú)繩電話(2.4 GHz)可以調(diào)整與ZigBee設(shè)備的距離來(lái)減小干擾,使干擾源盡量遠(yuǎn)離ZigBee網(wǎng)絡(luò)。因此ZigBee在2.4 GHz頻段能可靠地與WiFi、藍(lán)牙、微波爐以及家用無(wú)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(mén)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(gè)模塊都與各種傳感器相連接，每個(gè)控制模塊都通過(guò)ZigBee模塊與ARM9中央控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線連接，組成一個(gè)家庭無(wú)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(jìn)行信息交互，接收控制命令和回送家電運(yùn)行狀態(tài)以及發(fā)送報(bào)警信息等。智能終端節(jié)點(diǎn)框圖如圖6所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本文軟件設(shè)計(jì)可以分為兩部分：中央控制器部分、智能終端平臺(tái)部分。主控平臺(tái)的軟件系統(tǒng)運(yùn)行在中央控制器S3C2440上，采用開(kāi)源的Linux操作系統(tǒng)，將用戶傳達(dá)的信息通過(guò)ZigBee模塊發(fā)送出去，同時(shí)接受終端平臺(tái)發(fā)送回來(lái)的反饋信息，并顯示家電的運(yùn)行狀態(tài)。有異常情況發(fā)生時(shí)，能夠通過(guò)ZigBee模塊及時(shí)將信息反饋給主機(jī)，主機(jī)通過(guò)GPRS模塊向遠(yuǎn)程用戶發(fā)送報(bào)警信息。
3.1 中央控制器與GPRS模塊通信的軟件實(shí)現(xiàn)
      本系統(tǒng)主程序流程如圖7所示，主程序運(yùn)行在中央控制器S3C2440上，由許多實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的子程序組成，主要包括GPRS無(wú)線通信程序、ZigBee無(wú)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(shí)際是用WindowS API函數(shù)實(shí)現(xiàn)RS232通信的編程，ARM9通過(guò)串口UART1控制GPRS模塊，以短信的形式與用戶進(jìn)行交互信息。

3.2 終端模塊的軟件實(shí)現(xiàn)流程
       智能終端模塊主要是接受中央控制器通過(guò)ZigBee模塊發(fā)來(lái)的命令，同時(shí)解析命令，然后做出相應(yīng)的操作，例如：?jiǎn)?dòng)或關(guān)閉與之對(duì)應(yīng)的電器，并將電器的運(yùn)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(kāi)串口中斷、定時(shí)器中斷、各個(gè)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(lái)的ZigBee信息），并不斷地循環(huán)檢測(cè)，檢測(cè)到信息后，對(duì)信息進(jìn)行解析與處理，最后判斷用戶是要對(duì)哪個(gè)家電進(jìn)行操作，還是查詢家電的運(yùn)行情況。如果是查詢某個(gè)家電的運(yùn)行情況，智能終端就將家電的運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給中央控制器；如果用戶要對(duì)家電進(jìn)行操作，首先判斷是哪個(gè)家電需要進(jìn)行操作，然后判斷對(duì)該家電進(jìn)行怎樣的控制，并執(zhí)行相應(yīng)的操作，同時(shí)把家電運(yùn)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(jì)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(xì)的設(shè)計(jì)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(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方法。本設(shè)計(jì)采用ZigBee技術(shù)組建家庭網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無(wú)線通信，很好地解決了中央控制器S3C2440與各個(gè)智能家居被控模塊之間的無(wú)線通信，避免了繁雜的布線問(wèn)題，同時(shí)采用GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程手機(jī)用戶對(duì)智能家居控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制[5],給家庭生活帶來(lái)巨大的便利和安全，具有很好的實(shí)用價(jià)值，給未來(lái)智能家居控制系統(tǒng)的發(fā)展提供了一個(gè)方向。                     
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