劉夢(mèng)亭　趙麗紅

摘 要： 該設(shè)計(jì)以ARM11S3C6410控制芯片為核心控制器，通過(guò)ZigBee無(wú)線通信技術(shù)組建的系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與各類傳感器協(xié)作進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，完成對(duì)家居的統(tǒng)一協(xié)議控制，通過(guò)GPRS進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的發(fā)送與處理，實(shí)現(xiàn)家居的遠(yuǎn)程控制及智能化。

關(guān)鍵詞： ARM11S3C6410； ZigBee； GPRS； 智能家居

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）05?0027?04

Remotely controlled smart home system based on ARM11S3C6410 and GPRS

LIU Meng?ting1， ZHAO Li?hong2

（1. Zhuhai College of Jilin University， Zhuhai 519041， China； 2. Shenzhen Aoto Electronics Co.， Ltd.， Shenzhen 518057， China）

Abstract： ARM11S3C6410 is taken as a core microprocessor of the system， in which the information of the monitored environments and objects are monitored， perceived and collected in real time by sensors and internal network based on ZigBee wireless communication technology to achieve the unified protocol control of home appliances. The remote data is sent and processed through GPRS to realize the remote control and intelligentization of home appliances.

Keywords： ARM11S3C6410； ZigBee； GPRS； smart home appliance

0 引 言

在當(dāng)今社會(huì)，人們的生活水平普遍提高，時(shí)代要求在不停的改變，使得現(xiàn)代人對(duì)居住環(huán)境有了不一樣的更高的要求，這就需要提供能滿足人們需求的產(chǎn)品。智能的家居系統(tǒng)，不僅顯示出了高的檔次，而且更方便，可更好地滿足人們的享受要求。因其家家戶戶都可使用，因此該產(chǎn)品具有廣闊的市場(chǎng)前景。國(guó)家建設(shè)部住宅產(chǎn)業(yè)化促進(jìn)中心提出住宅小區(qū)要實(shí)現(xiàn)六項(xiàng)智能化要求，其中包括實(shí)行安全防范自動(dòng)化監(jiān)控管理：對(duì)住宅的火災(zāi)、有害氣體的泄露實(shí)行自動(dòng)報(bào)警；防盜報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)安裝紅外或微波等各種類型報(bào)警探測(cè)器；系統(tǒng)應(yīng)能與計(jì)算機(jī)安全綜合管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能對(duì)防盜報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行集中管理和控制。但由于目前無(wú)線通信技術(shù)運(yùn)行費(fèi)用高等弊端，智能家居控制與外網(wǎng)無(wú)線通信技術(shù)成為導(dǎo)致市場(chǎng)接受度低的重要因素，而GPRS系統(tǒng)的特點(diǎn)能夠很好地解決該問(wèn)題。GPRS網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)是通信公司推出的一項(xiàng)數(shù)據(jù)傳輸通信業(yè)務(wù)，在GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)，傳輸距離不受限制，通信費(fèi)用相對(duì)低廉，傳輸速率較快。

本文在家庭智能系統(tǒng)及GPRS技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了基于ARM11S3C6410與GPRS的智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的總體解決方案。

1 系統(tǒng)總體控制設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)采用ARM11S3C6410為核心芯片的控制器，可采用Linux嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠自動(dòng)運(yùn)行、處理數(shù)據(jù)，通過(guò)串口管理、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)控制各控制終端。并且控制器通過(guò)GPRS模塊，實(shí)現(xiàn)家庭系統(tǒng)與手機(jī)的通信，使用戶可以通過(guò)短信方式實(shí)現(xiàn)家庭系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，同時(shí)，控制器還通過(guò)觸摸屏為用戶提供人機(jī)界面，方便用戶實(shí)現(xiàn)本地控制?？刂平K端為單片機(jī)組成若干小的控制系統(tǒng)控制各家用設(shè)備，并通過(guò)控制總線將這些小的控制系統(tǒng)組成網(wǎng)絡(luò)，連接到智能家居總控制器。系統(tǒng)總體控制設(shè)計(jì)方案圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用ARM11S3C6410和AT89C51為控制核心，ARM11S3C6410作為總控制器核心，AT89C51作為各節(jié)點(diǎn)控制核心，相互之間采用ZigBee無(wú)線數(shù)據(jù)通信，總控制器還可通過(guò)GPRS和手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

本系統(tǒng)以ARM11S3C6410為核心器件，其他主要模塊有單片機(jī)控制系統(tǒng)、ZigBee無(wú)線模塊、語(yǔ)音提示模塊、火警及煙霧探測(cè)器、溫度檢測(cè)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、穩(wěn)壓電源模塊、液晶顯示屏模塊、數(shù)字時(shí)鐘模塊。其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用L298N實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)；溫度檢測(cè)模塊采用一線器件DS1820，DS1820數(shù)字溫度計(jì)以9位數(shù)字量的形式反映器件的溫度值，通過(guò)一個(gè)單線接口發(fā)送或接收信息，因此在中央微處理器和DS1820之間僅需一條連接線（加上地線），用于讀寫(xiě)和溫度轉(zhuǎn)換的電源可以從數(shù)據(jù)線本身獲得，無(wú)需外部電源。由于每個(gè)DS1820都有一個(gè)獨(dú)特的片序列號(hào)，所以多只DS1820可以同時(shí)連接在一根單線總線上，這樣可以把溫度傳感器放在多個(gè)不同的地方進(jìn)行檢測(cè)。語(yǔ)音提示模塊采用具有單片機(jī)核的語(yǔ)音芯片WT588D，液晶模塊采用LCD12864及LCD1602進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，ZigBee無(wú)線傳輸控制模塊采用了UART接口半雙工無(wú)線傳輸?shù)腦L02?232AP1，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的數(shù)據(jù)透明傳輸，電源模塊采用了線性LM7805和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓芯片LM2576，給整個(gè)系統(tǒng)提供+5 V的電源。

3 系統(tǒng)GPRS通信與ZigBee無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸

系統(tǒng)通過(guò)近距離無(wú)線數(shù)據(jù)通信與家庭內(nèi)部各個(gè)房間控制器進(jìn)行短距離的數(shù)據(jù)采集與控制，通過(guò)GPRS進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的發(fā)送與處理，可以將房間內(nèi)的防盜信息與火警信息發(fā)送給遠(yuǎn)離房間的主人手機(jī)，并可以通過(guò)主人手機(jī)發(fā)送的控制信息控制房間內(nèi)的相應(yīng)系統(tǒng)。

3.1 GPRS通信

系統(tǒng)采用ARM11S3C6410為核心的控制器所提供的串口3與GPRS模塊進(jìn)行連接。GPRS通信模塊采用Freescale公司生產(chǎn)的內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議的G24GPRSOEM，主要由G24模塊、天線、SIM卡、相關(guān)的電平轉(zhuǎn)換電路和RS 232串口組成，模塊供電電壓為5 V。G24收發(fā)模塊采用AT指令操作，通過(guò)RS 232串行口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，首先通過(guò)SGSN節(jié)點(diǎn)使通信終端模塊附在GPRS網(wǎng)絡(luò)上，然后通過(guò)GGSN節(jié)點(diǎn)由PPP（Point to Point Protocol）協(xié)議獲得一個(gè)隨機(jī)分配的IP地址，連接到Internet上，最后通信終端模塊通過(guò)Internet，按照監(jiān)控中心設(shè)定的端口號(hào)與監(jiān)控中心建立通信鏈路。

（1） 測(cè)試G24通信是否正常

首先選擇串行口并設(shè)置波特率，G24波特率的范圍為600～460 800 b/s，支持自動(dòng)波特率偵聽(tīng)，能夠自動(dòng)與監(jiān)控中心通信模塊的波特率保持一致。發(fā)送“AT”，如果模塊返回“OK”，則通信正常，否則重發(fā)。

（2） 接入Internet

首先測(cè)試當(dāng)?shù)厥欠裼蠫PRS覆蓋，向模塊發(fā)送“AT+CGPRS？”，如果返回“+CGPRS：1”，則有GPRS覆蓋，否則隔5 s后再次檢測(cè)。然后發(fā)送“AT+CGATT=1”使模塊附在GPRS網(wǎng)絡(luò)上。最后發(fā)送“AT+MIPCALL=1，cmnet”通過(guò)PPP協(xié)議建立與GGSN的無(wú)線連接，獲得一個(gè)動(dòng)態(tài)的IP地址，接入Internet。

（3） 連接監(jiān)控中心

向模塊發(fā)送“AT+MIPOPEN=<″DestinationAddress″>”建立與監(jiān)控中心通信連接。如果返回“+MIPOPEN：SocketID，1”，則說(shuō)明與監(jiān)控中心建立了通信連接，如果返回“+MIPSTAT：1，1”，則說(shuō)明有物理鏈接中斷，須重新進(jìn)行連接。

（4） 數(shù)據(jù)收發(fā)

與監(jiān)控中心建立通信連接后，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)了。發(fā)送數(shù)據(jù)用“AT+MIPSEND=1，′Data′；+MIPPUSH=1”?！癉ata”表示要發(fā)送的數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)采用了G24默認(rèn)的ASCII碼編碼，須用十六進(jìn)制的ASCII碼形式表示。一旦有數(shù)據(jù)到達(dá)，G24模塊就會(huì)通過(guò)RS 232串行口返回“+MIPRTCP：，，”。其中Left是一個(gè)十進(jìn)制的數(shù)字，表示還有多少個(gè)字符在協(xié)議棧中尚未接收，如果數(shù)據(jù)全部接收，則Left為0；接收到的數(shù)據(jù)“Data”是十六進(jìn)制的ASCII碼形式。

（5） 斷開(kāi)通信連接

向模塊發(fā)送“AT+MIPCLOSE=SocketID”，模塊返回“OK”，表示斷開(kāi)成功。

3.2 系統(tǒng)ZigBee無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸

ZigBee技術(shù)主要用于近距離無(wú)線連接。ZigBee家庭無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是本智能家居系統(tǒng)中最重要的部分，主要負(fù)責(zé)監(jiān)控家庭中的各種信息，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，并將內(nèi)部處理過(guò)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到家庭網(wǎng)關(guān)中。終端節(jié)點(diǎn)由傳感器和ZigBee模塊構(gòu)成，負(fù)責(zé)監(jiān)控信息和采集數(shù)據(jù)；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建和管理網(wǎng)絡(luò)，收集數(shù)據(jù)和傳輸來(lái)自家庭網(wǎng)關(guān)的命令，由一個(gè)ZigBee模塊充當(dāng)。終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)共同構(gòu)成了內(nèi)部網(wǎng)的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)部分。根據(jù)ZigBee協(xié)議規(guī)定，一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)必須包括一個(gè)全功能節(jié)點(diǎn)作為協(xié)調(diào)器（coordinator），以建立、管理和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)。在智能家居網(wǎng)絡(luò)中由于采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通信距離短，各個(gè)ZigBee終端不需通過(guò)路由器節(jié)點(diǎn)（router）就可直接與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。

系統(tǒng)采用基于RF2401的XL02?232AP1模塊與ARM11S3C6410控制器所提供的串口2連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，使用該無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部各種參數(shù)的采集，包括溫度、濕度、人體、煙霧、火警信息等的數(shù)據(jù)采集，也實(shí)現(xiàn)控制命令的傳輸，包括LED燈的控制，空調(diào)控制、電視控制等數(shù)據(jù)的傳輸，數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

4 系統(tǒng)軟件

智能家居系統(tǒng)以無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為通信平臺(tái)，采用分散智能終端層即由具有智能終端特性（即信號(hào)采集處理、輸出控制和數(shù)據(jù)通信功能）的各種不同的安防系統(tǒng)，家電控制，家庭照明、家庭安防、溫濕度數(shù)據(jù)采集和通信系統(tǒng)模塊組成。分散智能終端層設(shè)計(jì)完成如何實(shí)現(xiàn)在兼容現(xiàn)有家電設(shè)備的前提下，將以上各種不同設(shè)備鏈接入智能家居網(wǎng)絡(luò)之中，完成基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信傳輸。智能終端模塊軟件完成智能終端與主控中心的通信、偵測(cè)主控中心的指令、響應(yīng)對(duì)應(yīng)指令操作、終端硬件管理、數(shù)據(jù)采集及輸出控制等功能。

分散智能終端軟件流程圖如圖5所示。

系統(tǒng)程序主函數(shù)如下：

int main（ int argc， char ** argv ）

{

//QTextCodec：：setCodecForTr（ QTextCodec：：codecForName（″utf8″） ）；

fd1=open（″/dev/ttySAC1″，O_RDWR|O_NOCTTY|O_NDELAY，0666）；//，O_RDWRIO_NOCTTY）；

if （fd1>0）

perror（″open succesfull＼n″）；

else

perror（″open failure＼n″）；

set_Parity（fd1， 8， 1， ′N′）；

set_speed（fd1， 9600）；

//tcsetattr（fd1， TCSANOW， &options）；

baud = GetBaudRate（115200） ；

tty_init（）；

QApplication a（ argc， argv ）；

Form1 w；

a.connect（ &a， SIGNAL（ lastWindowClosed（） ）， &a， SLOT（quit（） ） ）；

//a.setMainWidget（&w）；

w.setFont（QFont（″Times″，48，QFont：：Bold））；

w.showFullScreen（）；

//a.setGlobalMouseTracking（ TRUE ）；

return a.exec（）；

}

5 結(jié) 語(yǔ)

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)利用ARM11S3C6410的硬件功能及處理速度，完成了GPRS遠(yuǎn)程通信， ZigBee無(wú)線數(shù)據(jù)傳送等多項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了家居室內(nèi)多個(gè)房間安全狀況的集中監(jiān)控與管理，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)家用電器等的遠(yuǎn)程控制。試驗(yàn)產(chǎn)品控制效果良好，驗(yàn)證了本系統(tǒng)的先進(jìn)性、穩(wěn)定性與實(shí)用性，具有推廣與應(yīng)用的價(jià)值。

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