智能家居控制系統(tǒng)上世紀(jì) 80 年代興起于歐洲及日本，并在上世紀(jì)90年代末進(jìn)入我國(guó)，目前國(guó)內(nèi)外的智能家居控制系統(tǒng)大多數(shù)采用有線方式布局，存在布線麻煩、控制效率低、維護(hù)困難等問(wèn)題[1]。針對(duì)舊有的物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制系統(tǒng)存在的各種缺點(diǎn)，本文提出了一種更加完善的物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制系統(tǒng)方案。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
　    在本設(shè)計(jì)中，物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制系統(tǒng)由安裝在室內(nèi)的智能控制終端組成，該智能終端主要包括ZigBee無(wú)線通信、家庭網(wǎng)關(guān)、以太網(wǎng)通信、本地控制單元和GPRS無(wú)線通信單元等。
　    家庭網(wǎng)關(guān)是整個(gè)家居控制系統(tǒng)的核心，它不僅負(fù)責(zé)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)之間的相互通信，而且還通過(guò)ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)設(shè)備終端進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。家居內(nèi)的各種智能用電器通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)互相連接，交換信息。家居安保系統(tǒng)將門(mén)禁控制、可視對(duì)講、防盜、防火、防風(fēng)雨等一系列系統(tǒng)有機(jī)整合，保證家居的安全性。安裝在室內(nèi)的各種傳感器均通過(guò)ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)與ARM控制器通信連接，當(dāng)傳感器探測(cè)到室內(nèi)有異常情況時(shí)便通過(guò)ZigBee通知ARM控制器，ARM控制器根據(jù)不同的信號(hào)做出各種相應(yīng)的處理。借助于家庭網(wǎng)關(guān)，用戶可以利用計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)對(duì)家居內(nèi)各種家用電器實(shí)施遠(yuǎn)程操作或?qū)κ覂?nèi)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。當(dāng)用戶不方便利用計(jì)算機(jī)時(shí)，還可以經(jīng)智能手機(jī)通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)家居的遠(yuǎn)程監(jiān)控。本系統(tǒng)還設(shè)有友好的圖形用戶界面(GUI)，該界面能夠顯示系統(tǒng)內(nèi)各部件的運(yùn)行信息，用戶可以方便地對(duì)家居內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行查詢。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　    系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。本設(shè)計(jì)中家庭網(wǎng)關(guān)的控制模塊采用韓國(guó)三星公司的S3C2440，它是16/32位微處理器芯片，該芯片的CPU采用的是ARM920T內(nèi)核，比一般的單片機(jī)運(yùn)行速度快(主頻可達(dá)405 MHz)，能夠很好地滿足系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。同時(shí)，S3C2440芯片還具有三通道UART、兩通道SPI、兩路全速USB主設(shè)備芯片，可以方便地對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行擴(kuò)展[2]。因此，針對(duì)本文中家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)要求，在此芯片的基礎(chǔ)上加入了電源模塊、按鍵與顯示模塊、以太網(wǎng)模塊、無(wú)線傳輸模塊、報(bào)警模塊和GPRS模塊等一系列相關(guān)外圍設(shè)備。S3C2440還具有內(nèi)存管理單元(MMU)，可以很好地運(yùn)行Linux嵌入式操作系統(tǒng)，而且對(duì)圖形界面的開(kāi)發(fā)也很方便，同時(shí)其性能高、功耗低和價(jià)格低的特點(diǎn)也完全符合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

2.1 ZigBee模塊
    ZigBee技術(shù)是一種新興的近距離無(wú)線通信技術(shù)。它是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞,根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，用以實(shí)現(xiàn)在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間互相協(xié)調(diào)的通信[3]。
    ZigBee具有功耗低、傳輸速率低等特點(diǎn)，還可以在設(shè)備閑暇時(shí)期進(jìn)入休眠狀態(tài)，僅靠?jī)晒?jié)5號(hào)電池就可以使ZigBee連續(xù)工作半年時(shí)間。除此之外，ZigBee的通信響應(yīng)時(shí)間非常短，僅為30 ms左右，而藍(lán)牙需要3 s，WiFi更是需要10 s。通過(guò)分析與比較并結(jié)合家居的具體環(huán)境發(fā)現(xiàn)，在所有的短距離無(wú)線通信技術(shù)中，ZigBee技術(shù)是最適合應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制系統(tǒng)中的。
    從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面上看，ZigBee技術(shù)支持的網(wǎng)絡(luò)形式有星狀、樹(shù)狀和網(wǎng)狀三種。在本系統(tǒng)中采用了星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式。星狀網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)PAN協(xié)調(diào)器和多個(gè)終端設(shè)備組成[4]。在該結(jié)構(gòu)中，當(dāng)?shù)谝淮渭せ钜粋€(gè)全功能設(shè)備時(shí)，它會(huì)自動(dòng)建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)以其自身為PAN協(xié)調(diào)器，并且與當(dāng)前其他的星形網(wǎng)絡(luò)相互獨(dú)立。該網(wǎng)絡(luò)只允許PAN協(xié)調(diào)器與終端間的通信，終端設(shè)備之間需要經(jīng)過(guò)PAN協(xié)調(diào)器這個(gè)中轉(zhuǎn)站進(jìn)行通信。星狀網(wǎng)絡(luò)通常應(yīng)用在節(jié)點(diǎn)數(shù)目較少的場(chǎng)合，其同步和控制相對(duì)比較簡(jiǎn)單。本系統(tǒng)采用的星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要涉及ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的兩種邏輯設(shè)備類型，即協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器與家庭網(wǎng)關(guān)通過(guò)RS232串行口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，主要負(fù)責(zé)搜索有效信道和終端節(jié)點(diǎn)，創(chuàng)建內(nèi)部無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)功能。終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收協(xié)調(diào)器傳來(lái)的命令，對(duì)相應(yīng)位置的用電器開(kāi)關(guān)和溫度傳感器進(jìn)行控制，然后把對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)信息和溫度值信息反饋到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，最后把信息轉(zhuǎn)發(fā)到家庭網(wǎng)關(guān)。
    本系統(tǒng)采用美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的CC2530來(lái)進(jìn)行通信數(shù)據(jù)的收發(fā)。CC2530采用了新一代的2.4 GHz SoC片上系統(tǒng)，支持IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，其內(nèi)部集成了一個(gè)抗干擾性和靈敏度都較高的RF收發(fā)器和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型8051微處理器，擁有2個(gè)USART、12位的ADC和21個(gè)通用GPIO等較豐富的外設(shè)接口，并且支持4種供電模式，能夠友好地支持低功耗無(wú)線通信。對(duì)于CC2530的射頻信號(hào)收發(fā)而言，因?yàn)镃C2530將無(wú)線收發(fā)模塊與8051內(nèi)核集成在同一個(gè)芯片之中，因此大大簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)。天線將接收到的無(wú)線射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)低噪聲放大器和I/Q下變頻處理之后,中頻信號(hào)只有2 MHz了，此信號(hào)再經(jīng)濾波、放大、A/D變換、自動(dòng)增益控制、數(shù)字解調(diào)及解擴(kuò)后，最終過(guò)濾出正確的數(shù)據(jù)，從而使得該系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)正常工作。
2.2 電源模塊
    電源是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，關(guān)系到系統(tǒng)的正常運(yùn)行。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)電源電路時(shí)主要考慮以下兩個(gè)方面：(1)提高系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性,在設(shè)計(jì)電源模塊時(shí)加入了濾波電路和穩(wěn)壓電路；(2)實(shí)現(xiàn)低成本、高效率、簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)的目的，采用穩(wěn)定性較高的5 V直流電壓作為輸入電壓。由于S3C2440及部分外圍器件需要3.3 V電源，在本系統(tǒng)中選用Linear Technology公司生產(chǎn)的LT1085-3.3型DC-AC變換器來(lái)輸出3.3 V電壓。因?yàn)闊o(wú)線智能家居供電系統(tǒng)需要具備供電方便、續(xù)航能力強(qiáng)等特點(diǎn)，所以本系統(tǒng)中的無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)采用充電電池與太陽(yáng)能電池板相結(jié)合的供電模式，這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是成本低廉并且無(wú)需人工干預(yù)，體現(xiàn)了智能化與人性化的特點(diǎn)。
2.3 以太網(wǎng)接口電路
    以太網(wǎng)是一種計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù),是建立在CSMA/CD機(jī)制上的廣播型網(wǎng)絡(luò)[5]。以太網(wǎng)接口是物聯(lián)網(wǎng)智能家居中一個(gè)非常重要的功能模塊，它能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程登錄、資源的管理與共享，還能夠完成系統(tǒng)的更新下載等功能。但是，本系統(tǒng)中所使用的S3C2440芯片自身并不帶有網(wǎng)絡(luò)接口，要想得到相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口必須對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展。
    理論上講,直接把以太網(wǎng)水晶接頭RJ45和以太網(wǎng)芯片DM9000相連便可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口的功能。但在本系統(tǒng)中采用的是DM9000+H1102網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器+RJ45的結(jié)構(gòu)，其連接框圖如圖2所示。這樣的設(shè)計(jì)有以下優(yōu)點(diǎn)：
　(1)信號(hào)強(qiáng)度增加，可以傳輸?shù)礁h(yuǎn)的地方；
    (2)由于與芯片發(fā)生隔離，使抗干擾能力增強(qiáng)，而且對(duì)芯片起到了保護(hù)作用；
    (3)當(dāng)連接不同電平的網(wǎng)口時(shí)，可以避免對(duì)設(shè)備造成不良影響。

    DM9000是一款完全集成的和符合成本效益的單芯片快速以太網(wǎng)MAC控制器，該芯片支持8位、16位以及32位接口訪問(wèn)內(nèi)部存儲(chǔ)器，因此能夠支持不同處理器。DM9000支持IEEE 802.3x全雙工流量控制，用戶可以輕松地移植端口驅(qū)動(dòng)程序。
2.4 GPRS模塊
    GPRS作為移動(dòng)數(shù)據(jù)的主要承載方式之一，與其他的通信方式相比，具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，如實(shí)時(shí)傳輸、覆蓋范圍大、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低等，而且支持?jǐn)?shù)據(jù)、短消息、語(yǔ)音甚至是傳真等通信方式。本系統(tǒng)選用工業(yè)級(jí)雙頻GPRS模塊西門(mén)子MC35i,該模塊支持標(biāo)準(zhǔn)的3 V SIM卡和標(biāo)準(zhǔn)AT指令集,而且工作性能與溫度特性穩(wěn)定,其與S3C2440采用串口方式連接。串行線經(jīng)電平轉(zhuǎn)換可與RS232串口直接相連。S3C2440通過(guò)異步收發(fā)器為GPRS modem撥號(hào)上網(wǎng)提供串口，用戶可以通過(guò)置于芯片內(nèi)的狀態(tài)寄存器進(jìn)行操作狀態(tài)的判斷和錯(cuò)誤定位。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    由于智能家居系統(tǒng)中各個(gè)任務(wù)都是相對(duì)獨(dú)立的，因此采用模塊化設(shè)計(jì)，這樣設(shè)計(jì)不僅層次清晰、維護(hù)方便，而且大大提高了系統(tǒng)的工作效率。在該系統(tǒng)中，各家用電器與各傳感器等分別作為獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)經(jīng)ZigBee模塊與系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)各家電的控制及各傳感器的信息反饋，系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

　    本系統(tǒng)采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，其內(nèi)核代碼非常龐大，并且驅(qū)動(dòng)程序非常豐富，可支持各種不同的主流硬件設(shè)備與最新的硬件技術(shù)，而且其內(nèi)核代碼是全部開(kāi)放的，用戶可以根據(jù)自己的需要對(duì)內(nèi)核進(jìn)行方便的修改，開(kāi)發(fā)出自己所需的嵌入式系統(tǒng)。
    ZigBee協(xié)調(diào)器在系統(tǒng)中起通信媒介的作用，主要負(fù)責(zé)控制中心與各子系統(tǒng)之間的通信，控制中心對(duì)家居中各設(shè)備的監(jiān)控與控制都是在ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行命令解析之后完成的。由于本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是建立在Linux系統(tǒng)之上的，ZigBee協(xié)調(diào)器的驅(qū)動(dòng)模塊加載如圖4所示。

    模塊加載時(shí)首先需要調(diào)用函數(shù)init_module，然后將設(shè)備及文件系統(tǒng)注冊(cè)到內(nèi)核中，由于程序設(shè)計(jì)中采用中斷定時(shí)，因此要用到request_irq 函數(shù)申請(qǐng)中斷，打開(kāi)設(shè)備之后用戶就可以進(jìn)行讀和寫(xiě)操作了。
4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果
    為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，對(duì)其進(jìn)行模擬試驗(yàn)。由中央控制管理系統(tǒng)發(fā)送指令至控制中心，然后經(jīng)過(guò)協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)至ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)的接收工作之后，再經(jīng)過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)，在PC機(jī)上將控制中心發(fā)送的數(shù)據(jù)與ZigBee終端節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，進(jìn)行多次測(cè)試之后，結(jié)果如表1所示。
    由表1顯示的數(shù)據(jù)可知，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的干擾較低，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，通信結(jié)果準(zhǔn)確，完全符合智能家居的控制要求。

    根據(jù)智能家居的控制特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了以S3C2440微處理器為控制核心的智能家居控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)運(yùn)用ZigBee技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了控制中心與各子系統(tǒng)的本地通信;運(yùn)用GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)智能家居的遠(yuǎn)程監(jiān)控；采用Linux嵌入式操作系統(tǒng),使該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、成本低廉且易被用戶接受。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，本系統(tǒng)能夠很好地勝任智能家居的監(jiān)控工作，大大提高了控制系統(tǒng)的工作效率及精確度，可被廣泛應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)中。
參考文獻(xiàn)
[1] 韓江洪. 智能家居系統(tǒng)與技術(shù)[M].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版, 2005.
[2] LIEBERZEI P A, DIEHERT F L. Sensor technology and  its application in environmental analysis[J]. Analytical and  bioanalytiacal chemistry, 2007,387(1):237-247.
[3] 李正明,吳波.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)研究[J].  現(xiàn)代科學(xué)儀器, 2012(2):68-71.
[4] 黎連業(yè), 郭春芳, 向東明.無(wú)線網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社, 2004.
[5] 劉敢峰,吳明光.家庭自動(dòng)化幾種主流網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2003，29(2):6-8.