李靖平

(黎明職業(yè)大學(xué)信息與電子工程學(xué)院, 福建 泉州 362000)

基于3G網(wǎng)絡(luò)的智能家居控制系統(tǒng)

李靖平

(黎明職業(yè)大學(xué)信息與電子工程學(xué)院, 福建 泉州 362000)

隨著 3G 網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來, 無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境得到較大的改善, 而智能家居系統(tǒng)在其帶動(dòng)下也得到了較大的發(fā)展,其功能性也更加強(qiáng)大.于是以3G技術(shù)作為依托, 將其用于智能家居系統(tǒng)中, 利用ARM和單片機(jī)為主CPU以及協(xié)處理器創(chuàng)建了硬件系統(tǒng), 并利用Linux系統(tǒng)平臺(tái)來研發(fā)軟件, 對(duì)家居進(jìn)行遠(yuǎn)程控制, 從而實(shí)現(xiàn)其智能化.

3G網(wǎng)絡(luò); 智能家居; 遠(yuǎn)程控制

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 人們的生活水平得到了較大的改善, 與此同時(shí), 人們對(duì)生活設(shè)施的智能化也越來越重視;而智能家居由于其安全性、便捷性等特點(diǎn), 也備受人們的青睞; 但由于我國(guó)現(xiàn)階段對(duì)智能家居系統(tǒng)的技術(shù)并不成熟, 其功能相對(duì)較簡(jiǎn)單, 因此使用范圍并不廣泛.隨著3G時(shí)代的到來, 很有必要將3G引入到智能家居系統(tǒng)中,使系統(tǒng)的功能更加強(qiáng)大, 應(yīng)用范圍也更加廣泛.

1 智能家居系統(tǒng)的功能介紹

安裝智能家居系統(tǒng)后, 用戶僅需要使用手機(jī)等一些終端移動(dòng)設(shè)備便可以對(duì)家中的設(shè)備, 比如燈、窗簾或是燃?xì)獾葘?shí)施控制, 而這些操作在進(jìn)行時(shí)是具有一定的要求的, 那就是要實(shí)時(shí)進(jìn)行操作; 也就是說當(dāng)用戶在對(duì)某一程控進(jìn)行相應(yīng)的操作時(shí), 設(shè)備端對(duì)于所執(zhí)行的操作是有一定的時(shí)間接受范圍的, 如果等待的時(shí)間過長(zhǎng), 那么也就失去了最初設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的意義了.此外, 智能家居系統(tǒng)還有一個(gè)特點(diǎn), 那就是操作簡(jiǎn)單; 當(dāng)用戶想要對(duì)門窗等家居進(jìn)行控制時(shí), 前期是不需要準(zhǔn)備太多的工作就可以進(jìn)入到智能系統(tǒng)中的; 對(duì)于實(shí)現(xiàn)智能系統(tǒng)這兩個(gè)特點(diǎn),這里在對(duì)遠(yuǎn)程進(jìn)行控制時(shí)采取的是與撥打IP電話相類似的方法, 用戶只需借助撥打電話便可以進(jìn)入到系統(tǒng)中去,在系統(tǒng)中可以按提示音的指示來進(jìn)行下一步的操作, 這樣的操作較為簡(jiǎn)單; 而且利用撥打電話的方式, 在按鍵過程中系統(tǒng)便進(jìn)行了實(shí)時(shí)操作; 圖1為智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的功能圖：

圖1 智能家居遠(yuǎn)程控制功能圖

2 智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

在對(duì)硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí), 要對(duì)系統(tǒng)中的各個(gè)模塊進(jìn)行考慮, 而且在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)也要對(duì)后期的擴(kuò)展功能進(jìn)行考慮, 提前預(yù)留出接口.

2.1.1 頂層電路設(shè)計(jì)

在對(duì)硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí), 一般會(huì)先根據(jù)需求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計(jì), 之后才對(duì)各個(gè)模塊分別進(jìn)行調(diào)試; 圖2為系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖：

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

通過圖 2也可以看出, 在本系統(tǒng)中, 選取的是三星公司生產(chǎn)的 S3C2416作為系統(tǒng)的主 CPU, 這款主 CPU性價(jià)比較高, 并且耗能較低, 在操作過程中處理速度較快, 是比較適合電子類產(chǎn)品使用的; S3C2416在系統(tǒng)中作為主 CPU, 主要是對(duì)其他外圍器件所傳送回來的信息進(jìn)行處理, 因此也被稱為是電路中的“心臟”; 遠(yuǎn)程監(jiān)控的攝像頭主要是利用USB接口與主CPU進(jìn)行連接, 并將其所收集到的圖像信息傳送到S3C2416中; 此外, 為了降低主 CPU運(yùn)行中的載荷, 在電路中又設(shè)計(jì)了一個(gè)協(xié)處理器, 該處理器主要是針對(duì)一些外圍信號(hào), 比如燈、門窗等一些電器等進(jìn)行控制; 并對(duì)一些傳感器等也實(shí)施監(jiān)控, 當(dāng)出現(xiàn)危險(xiǎn)情況時(shí), 協(xié)處理器會(huì)及時(shí)將相關(guān)信息高速傳送到主CPU; 與此同時(shí), 協(xié)處理器還可接受DTMF信息并對(duì)其進(jìn)行處理.

由圖2還可以看出, 主CPU主要是利用USB接口和串口來實(shí)現(xiàn)與3G模塊的通信, 在系統(tǒng)中, 串口主要是用來將實(shí)施控制的信息進(jìn)行傳輸, 而 USB接口則主要是將監(jiān)控到的信息進(jìn)行傳輸; 在設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中, 主要是選用華為生產(chǎn)的EM770W來作為3G模塊的, 該模塊利用3G網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器的通信, 并利用TCP來將實(shí)施控制的信息進(jìn)行傳送, 并利用TCP和UDP將圖像信息進(jìn)行同時(shí)傳送.

2.1.2 3G模塊接口電路設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)中, 利用3G網(wǎng)絡(luò)模塊來實(shí)現(xiàn)無線通信, 選取的是華為 EM770W, 該模塊與 WCDMA兼容, 可以在HSUPA/HSDPA 協(xié)議上進(jìn)行工作; 支持FPTA功能以及內(nèi)置TCP/IP; 并利用AT的標(biāo)準(zhǔn)命令以及華為的擴(kuò)展AT指令集來對(duì)其進(jìn)行操作; 系統(tǒng)中的信號(hào)的輸入以及輸出, 電源的管理都是在該模塊所提供的PCI接口中體現(xiàn)的;采用主集、分集的天線接口, 并支持EFR、AMR和FR等多種語音編碼; 并支持來電顯示和自動(dòng)應(yīng)答的功能, 以及TEXT和PDU的短信息模式.

在智能系統(tǒng)中, WCDMA的功能、UART 串口控制、用戶識(shí)別模塊、USB 數(shù)據(jù)傳輸以及MIC等均會(huì)用到EM770W, 圖3為智能家居系統(tǒng)中EM770W無線模塊的結(jié)構(gòu)圖.

圖3 EM770W 無線模塊的結(jié)構(gòu)圖

EM770W能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)UART通用, UART1可用于全串口的模式, 能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送, 也就是說, 能夠進(jìn)行AT命令, 比如實(shí)現(xiàn)PPP撥號(hào)、發(fā)送信息以及撥打電話等; 而UART2則不能用于全串口的模式, 所以不能接收AT命令; 因此, 在該系統(tǒng)中, 主要是利用UART1來進(jìn)行電話的自動(dòng)接聽以及撥號(hào)等, 從而實(shí)現(xiàn)AT命令.

2.1.3 DTMF電路的實(shí)現(xiàn)

在設(shè)計(jì)該系統(tǒng)中, 還專門設(shè)置了用于公共網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器, 主要是用來對(duì)系統(tǒng)的ARM終端以及用戶所使用的設(shè)備進(jìn)行連接, 所以, 在進(jìn)行遠(yuǎn)程控制時(shí), 一般是通過公網(wǎng)服務(wù)器來進(jìn)行的, 用戶在網(wǎng)頁上對(duì)家居中的燈和門窗等下達(dá)命令, 從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制, 但這種控制的實(shí)現(xiàn)是需要經(jīng)過兩個(gè)過程：進(jìn)行ARM終端的網(wǎng)絡(luò)連接、用戶進(jìn)行登陸, 但這兩個(gè)過程所花費(fèi)的時(shí)間都比較長(zhǎng), 而且其操縱也較為復(fù)雜, 這無疑增加了實(shí)時(shí)操作的實(shí)現(xiàn)性; 因此,在該系統(tǒng)中, 選擇利用DTMF的方式來進(jìn)行遠(yuǎn)程控制, 從而提高了操作實(shí)現(xiàn)的速度.

圖4 MT8870/HT9200 電路圖

由圖4可以看出, 在該系統(tǒng)中, 主要是利用MT8870以及HT9200實(shí)現(xiàn)對(duì)DTMF的譯碼, 這兩種芯片都是與3G模塊以及協(xié)處理器進(jìn)行連接, 其中, HT9200專門是針對(duì)DTMF信號(hào)的, 它主要是利用DTMF來對(duì)引腳信號(hào)實(shí)現(xiàn)接收, 圖中的DTMF-O是在EM770W中引出來, 并與MT8870共同使用同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào).

MT8870則主要是對(duì)DTMF進(jìn)行翻譯, 將接收的DTMF信號(hào)進(jìn)行分解, 分成高頻和低頻兩種, 并將這種頻率的DTMF信號(hào)送入到數(shù)字譯碼器, 在對(duì)其進(jìn)行翻譯后, 將其結(jié)果送到Q1～Q4總線中并進(jìn)行輸出, 從而產(chǎn)生脈沖信號(hào); 并將Q1～Q4數(shù)據(jù)總線與89C52的四個(gè)I/O端口進(jìn)行連接, 從而將89C52中的中斷管腳與STD進(jìn)行連接,當(dāng)DTMF譯碼后的結(jié)果送到Q1～Q4總線中時(shí), STD端口的觸發(fā)單片機(jī)就會(huì)中斷, 并將相關(guān)的引腳進(jìn)行讀取后,再以MT8870的編碼方式來對(duì)軟件進(jìn)行譯碼, 最終利用串口將這些譯碼傳送至主CPU.

2.1.4 燈、門鎖等設(shè)備的控制以及傳感器電路

在系統(tǒng)中, 主要是利用協(xié)處理器中的繼電器來對(duì)燈、門窗等設(shè)備的開關(guān)進(jìn)行控制, 繼電器本身就是一個(gè)開關(guān)元件, 只需要一個(gè)較小的電壓, 就可以對(duì)繼電器進(jìn)行操作, 來實(shí)現(xiàn)它的開與關(guān); 而對(duì)于燈的開關(guān)來說, 其原理其實(shí)就是繼電器的打開與閉合, 而窗簾則主要是利用電機(jī)的正向和反向的轉(zhuǎn)動(dòng)來進(jìn)行控制的, 電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)則是打開窗簾, 反向則是關(guān)閉窗簾, 若窗簾處于靜止不動(dòng)的狀態(tài), 此時(shí)靜電器則為掉電的狀況.

房門也是利用繼電器的斷開與連接來對(duì)其實(shí)現(xiàn)控制的, 但是與燈光不同的是, 對(duì)應(yīng)房門的繼電器的終端是電子鎖, 主要用于在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)房門的自動(dòng)關(guān)閉; 所以, 房門對(duì)應(yīng)的繼電器的狀態(tài)是有時(shí)間控制要求的.

傳感器則主要是利用煙霧、氣體或是震動(dòng)等相應(yīng)的傳感器來對(duì)可能發(fā)生的火災(zāi)、燃?xì)饣蚴峭当I等信號(hào)進(jìn)行收集, 一般是與協(xié)處理器進(jìn)行連接的; 其中, 煙感傳感器主要是利用無線接收模塊對(duì)其發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)定位, 而煤氣傳感器中則增設(shè)了A/D, 對(duì)收集到的煤氣的濃度進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)換, 從而實(shí)現(xiàn)報(bào)警.

圖5 控制信號(hào)和傳感器結(jié)構(gòu)圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 系統(tǒng)軟件頂層設(shè)計(jì)

在該智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中, 主要是利用了兩種方式相結(jié)合, 即循環(huán)和中斷; 啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí), 會(huì)建立一個(gè)主線程, 主要是對(duì)系統(tǒng)的初始化以及出現(xiàn)的錯(cuò)誤進(jìn)行相應(yīng)的處理, 它主要是對(duì)系統(tǒng)中的各個(gè)標(biāo)志進(jìn)行循環(huán)檢查, 當(dāng)查詢到有錯(cuò)誤時(shí), 便會(huì)在相應(yīng)的出錯(cuò)段進(jìn)行位置的標(biāo)記; 此外, 主線程還會(huì)主動(dòng)創(chuàng)建幾個(gè)子線程, 這些子線程在系統(tǒng)中是一直都生存的, 比如串口程序、串口線程以及Qt通信程序等.

剩下的線程則不會(huì)在系統(tǒng)中處于一直存在的狀態(tài), 它們?cè)谛枰獣r(shí)會(huì)被動(dòng)的被創(chuàng)建, 而不需要時(shí)怎會(huì)被動(dòng)的被消滅; 如用戶安裝在陽臺(tái)上的攝像頭, 只有在需要的時(shí)候, 這個(gè)線程才會(huì)被創(chuàng)建, 當(dāng)用戶的需求結(jié)束后, 則該線程就會(huì)被動(dòng)的被消滅, 其目的是為下一個(gè)任務(wù)來釋放更多的空間和資源.

2.2.2 DTMF 遠(yuǎn)程控制設(shè)計(jì)

圖6 DTMF 的控制流程圖

圖6可以看出, 用戶在通過DTMF來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí), 其操縱是分層的, 在第一層中主要是選擇進(jìn)行開門的操作還是其他操作, 第二層則在第一層的基礎(chǔ)上再進(jìn)行操作, 對(duì)DTMF操作的層數(shù)最多為五層; 所以, 這里可以將對(duì)DTMF整體的操作看成是一個(gè)層深為五的樹, 不同的層以及不同的節(jié)點(diǎn)所組合起來就是用戶所選擇的相應(yīng)的操作.

在這里, 因?yàn)榘存I有時(shí)候會(huì)重復(fù)使用, 所以對(duì)每個(gè)層中的節(jié)點(diǎn)都設(shè)置了相應(yīng)的功能函數(shù), 對(duì)于 DTMF所傳送過來的按鍵號(hào), 每個(gè)節(jié)點(diǎn)函數(shù)都可以單獨(dú)對(duì)其進(jìn)行處理; 用戶在不同的層以及不同的節(jié)點(diǎn)中, 其節(jié)點(diǎn)函數(shù)也是不一樣的; 所以, 利用這一功能函數(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)按鍵重復(fù)使用的功能.

此外, 在智能家居系統(tǒng)中, 安全是至關(guān)重要的, 所以, 在使用DTMF操作時(shí), 可以考慮設(shè)置一些密碼保護(hù)等,來確保家居系統(tǒng)的安全性.

首先, ARM的客戶端是不能接聽任意電話的, 用戶應(yīng)該利用QT的界面對(duì)其進(jìn)行設(shè)置, 輸入n組電話, 這個(gè)電話在后期是可以更改的; 當(dāng)有電話接入時(shí), 系統(tǒng)會(huì)對(duì)其進(jìn)行判斷, 如果這個(gè)號(hào)碼是那n個(gè)號(hào)碼中的一個(gè), 則在響鈴次數(shù)達(dá)到設(shè)定次數(shù)后便會(huì)自動(dòng)進(jìn)行接聽, 如果不是其中的號(hào)碼, 則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)掛斷該電話.

其次, 用戶在使用手機(jī)等對(duì)家居進(jìn)行遠(yuǎn)程控制時(shí), 可以先在 DTMF中設(shè)置一定的密碼, 在使用時(shí)需要進(jìn)行密碼的確認(rèn)才能被允許進(jìn)行相關(guān)的操作; 這樣的做法主要是為了避免手機(jī)等終端設(shè)備落入他人手中或是丟失而產(chǎn)生的危險(xiǎn).

在 ARM 終端, 會(huì)將用戶所設(shè)置的電話號(hào)碼以及其他的密碼等以結(jié)構(gòu)體的形式存于文件中, 并且用 fwrite以二進(jìn)制的方式來進(jìn)行寫入, 從而提高了系統(tǒng)的安全性能.

2.2.3 遠(yuǎn)程視頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在該智能家居系統(tǒng)中, 主要是采用B/S 架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程視頻的傳輸, ARM客戶端利用3G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器上, 用戶可以通過相關(guān)的網(wǎng)頁來進(jìn)行觀看, 系統(tǒng)還為用戶手機(jī)設(shè)計(jì)了 C/S 模式, 以方便他們使用手機(jī)來進(jìn)行觀看, 他們僅需安裝特定的軟件即可; 在該系統(tǒng)中, ARM客戶端主要是利用Socket來實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器的連接的, 用線程對(duì)攝像頭進(jìn)行操作, 并將其收集到的資料通過 Socket 句柄傳送到服務(wù)器上; 而服務(wù)器則主要具備下面功能：

(1)利用3G網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制;

(2)將收集到的視頻圖片等進(jìn)行接收, 并提供給用戶觀看;

(3)用于客戶的登陸信息的管理.

用戶處理利用DTMF來實(shí)現(xiàn)對(duì)燈和門窗等的遠(yuǎn)程控制外, 也可以利用網(wǎng)站來完成相應(yīng)的操作, 服務(wù)器所具備的最主要的功能就是對(duì)家中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控, 所以, 服務(wù)器的程序負(fù)荷是相對(duì)較高的.

在設(shè)計(jì)程序中, “C 服務(wù)器”建立子線程, 并在該子線程中執(zhí)行文件創(chuàng)建消息隊(duì)列, 對(duì)“Java_web 服務(wù)器”發(fā)過來的命令進(jìn)行接收, 并將其發(fā)送至消息隊(duì)列中, 在接受另一個(gè)“Java_web 服務(wù)器”的子線程, 則主要是針對(duì)“特征值”類型的消息進(jìn)行接收, 并將其發(fā)送至“客戶端”.

對(duì)于“C 服務(wù)器”程序來說, 僅需要調(diào)用“Socket本地”套接字并可以將“客戶端”的命令進(jìn)行接收, 并發(fā)送至“Java_web 服務(wù)器”.

圖7為多個(gè)用戶實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互的流程圖

圖7 多用戶數(shù)據(jù)交互流程圖

在該系統(tǒng)中, 主要是利用本地 Socket來將Java 和 C的信息進(jìn)行傳送, 客戶端利用WEB將命令進(jìn)行傳送,客戶接收到該信息后通過本地 Socket將其傳送至“C 服務(wù)器”, 并在系統(tǒng)中設(shè)置所有的命令為固定長(zhǎng)度, 為本地Socket接收提供便利.

3 智能家居系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

圖8是利用WEB 網(wǎng)頁進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的界面, 中間部分為系統(tǒng)中所設(shè)置的其中一個(gè)攝像頭所監(jiān)控到的情況,用戶也可以通過上訪的按鍵來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制, 通過左下方的按鍵對(duì)監(jiān)控?cái)z像頭進(jìn)行切換.圖 9是用戶終端操作主界面, 在此界面上, 用戶可以實(shí)現(xiàn)對(duì)家居的智能操作.

圖8 實(shí)時(shí)監(jiān)控界面

圖9 QT終端界面

4 結(jié)論

本文主要針對(duì)基于3G網(wǎng)絡(luò)的智能家居實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制進(jìn)行了研究, 利用 Linux 平臺(tái)的相關(guān)工具來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體構(gòu)架, 并利用ARM和單片機(jī), 共同為主CPU和協(xié)處理器創(chuàng)建硬件系統(tǒng), 利用EM770W 為 3G 平臺(tái)構(gòu)建遠(yuǎn)程控制系統(tǒng), 從而實(shí)現(xiàn)了智能家居的控制, 同時(shí)也提高了其性能.

但該系統(tǒng)在其設(shè)計(jì)中仍然存在一些問題, 比如現(xiàn)階段Linux下 TCP 端口號(hào)所連接的數(shù)量最多只允許在20個(gè), 所以, 如何創(chuàng)建一個(gè)支持更多用戶的服務(wù)器還是一個(gè)有待解決的問題.

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Intelligent home control system based on 3G network

LI Jing-ping
(Liming Vocatiohal University, Fujian Quanzhou, 362000 P.R.C)

With the advent of the era of 3G networks, Wi-Fi environment has been greatly improved, and with the development of the Wi-Fi, the smart home system has also developed considerably.Its function is also more powerful.In this paper, as the basis of 3G technology, 3G will be used in smart home system, and the use of ARM-based microcontroller CPU and coprocessor hardware system is created and Linux systems platform is used to develop software for remote control of homes in order to achieve its intelligence.

3G network; intelligent home; remote control

TP273+.5

A

1003-4271(2014)02-0281-07

10.3969/j.issn.1003-4271.2014.02.22

2014-01-02

李靖平(1981-), 男, 福建泉州人, 講師, 主要從事電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)方向的研究.

泉州市科技局科技資助項(xiàng)目(2008G16); 泉州市技術(shù)研究與開發(fā)項(xiàng)目高校協(xié)同創(chuàng)新科技項(xiàng)目(2012Z131).