鄭立玲　謝錫鋒

摘要：提出一種新的基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的智能家居網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)計(jì)方案，利用GPRS技術(shù)作為遠(yuǎn)程人機(jī)交互手段，利用無(wú)線射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)短距離的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信，詳細(xì)闡述了各硬件模塊的功能和實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：無(wú)線技術(shù)；智能家居；無(wú)線射頻；GPRS

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）08-1840-03

1 概述

無(wú)線智能家居網(wǎng)絡(luò)通過(guò)紅外線、藍(lán)牙、GPRS、ZigBee、RFID等技術(shù)實(shí)現(xiàn)各類(lèi)電子設(shè)備的互聯(lián)互通與智能控制， 具有低成本，低功耗的特點(diǎn)，符合“低碳生活”的綠色智能家居概念， 是未來(lái)居住模式的必然發(fā)展趨勢(shì)。

2 智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)功能需求

1） 對(duì)緊急情況（如：燃?xì)庑孤?、火?zāi)、浸水、非法侵入等）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警，實(shí)現(xiàn)安全防范功能；

2） 對(duì)家居環(huán)境條件（如光強(qiáng)、溫度、濕度等）進(jìn)行檢測(cè)，確保良好的家居環(huán)境；

3） 對(duì)家庭現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行圖像采集并進(jìn)行計(jì)算處理，分析出家庭現(xiàn)場(chǎng)存在的安全隱患；

4） 采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)結(jié)果智能家居網(wǎng)關(guān)；

5） 通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將檢測(cè)信息及圖片傳送至用戶，使得用戶可以隨時(shí)查看家居情況；

6） 具有數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)功能，設(shè)防、撤防功能，可供用戶事后查看；

7） 家居系統(tǒng)應(yīng)該操作簡(jiǎn)便、美觀隱蔽、易于安裝維護(hù)。

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)由網(wǎng)關(guān)設(shè)備、傳輸設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備3個(gè)部分組成，使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將網(wǎng)關(guān)設(shè)備、傳輸設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備組成簇樹(shù)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

檢測(cè)設(shè)備以房間為單位組成星形網(wǎng)絡(luò)，主要是各種傳感器檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，如：紅外、浸水、光強(qiáng)、燃?xì)狻熿F、濕度、溫度等傳感器，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量可以根據(jù)實(shí)際房間需要布置。

傳輸設(shè)備完成數(shù)據(jù)的上傳下達(dá)功能，包括接收節(jié)點(diǎn)（SINK）、路由節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)。

網(wǎng)關(guān)設(shè)備是智能家居系統(tǒng)的核心部件，主要實(shí)現(xiàn)圖像的采集處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)輸入及數(shù)據(jù)本地保存等功能，并完成對(duì)整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的路由表進(jìn)行管理，將多個(gè)的相互獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，接受并執(zhí)行業(yè)主所發(fā)的指令以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；同時(shí)對(duì)來(lái)自傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將這些數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS傳送給業(yè)主。

2.3 系統(tǒng)工作流程

家庭中根據(jù)需要布設(shè)一定規(guī)模的檢測(cè)設(shè)備和傳輸設(shè)備，檢測(cè)設(shè)備與傳輸設(shè)備組成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)有非法侵入、浸水、火災(zāi)、燃?xì)庑孤兜染o急情況發(fā)生時(shí)，檢測(cè)設(shè)備將檢測(cè)結(jié)果通過(guò)傳輸設(shè)備發(fā)送給網(wǎng)關(guān)設(shè)備，網(wǎng)關(guān)設(shè)備對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行處理后發(fā)送短信至業(yè)主。業(yè)主接到短信后可發(fā)短信至網(wǎng)關(guān)設(shè)備，控制網(wǎng)關(guān)的報(bào)警短信發(fā)送和攝像頭圖像的采集。業(yè)主需要傳輸現(xiàn)場(chǎng)情況圖片時(shí)，網(wǎng)關(guān)設(shè)備將抓拍圖片發(fā)送彩信至業(yè)主，業(yè)主可發(fā)送短信至網(wǎng)關(guān)設(shè)備查詢檢測(cè)設(shè)備的工作情況和檢測(cè)信息。

3 智能網(wǎng)關(guān)的硬件

智能網(wǎng)關(guān)以微處理器為核心， GPRS模塊和射頻模塊及其他外設(shè)接口，如圖2所示。

3.1 微處理器

主芯片采用最新的MSP430F5438，是MSP430系列超低功耗單片機(jī)中的最高端型號(hào)，具有16位精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)，硬件乘法器支持32位操作數(shù)，單片機(jī)處于運(yùn)行模式的功耗為160 mA /MHZ，一共有100引腳，其中有87通用IO， 具有256K片上 flash、16K 片上RAM、25MHz運(yùn)行頻率，大量片上模塊，速度超出MSP430F149兩倍以上，資源超出4倍以上，完全滿足復(fù)雜應(yīng)用需求。

3.2 GPRS模塊

GPRS模塊采用SIMCom推出新款緊湊型產(chǎn)品—SIM900A. 它屬于雙頻GSM/GPRS模塊，完全采用SMT封裝形式，工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸，通信接口采用RS232接口，支持AT命令控制，支持通信速率從1200bps-11500bps，天線接口采用SMA接口，下行速度最大達(dá)到85.6kps，上傳速度最大達(dá)到42.8kps，內(nèi)嵌有TCPIP協(xié)議，支持UDP/TCP通信，非常適合本系統(tǒng)。

3.3 射頻模塊

射頻模塊采用TI公司射頻芯片CC1100，具有最高+10dBm發(fā)射功率和-110dBm高接收靈敏度，使用ISM頻段，頻點(diǎn)為433MHz， 254個(gè)頻率間隔200KHz的可選信道數(shù)，具有 較低的電流消耗（RX中，15.6mA，2.4kbps，433MHz），較高靈敏度（1.2kbps下-110dDm，0.1%數(shù)據(jù)包誤碼率可程控8個(gè)發(fā)射功率和最高500kbps的射頻數(shù)據(jù)傳輸速率，并可軟件修改波特率，開(kāi)闊地傳輸最遠(yuǎn)距離達(dá)到 300-500米，具有無(wú)線喚醒等功能，且內(nèi)置硬件CRC 檢錯(cuò)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信地址控制。

3.4 溫度采集模塊

溫度傳感器采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，采用3.0V～5.5V供電，程序設(shè)定9～12位的分辨率，，感應(yīng)精度范圍：± 0.5°C，感溫范圍寬 -55℃ ～ +125℃，無(wú)需外部元件，獨(dú)特的單總線接口，輸出引線有3條（紅色VCC，黃色DATA，黑色GND）。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度采集，每次采集溫度之前都需要對(duì)DS18B20復(fù)位，然后再發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換指令，最后發(fā)送讀取溫度數(shù)值指令完成溫度的采集。

3.5 光敏傳感模塊

采用一個(gè)精密可調(diào)電阻一個(gè)光敏電阻串聯(lián)還有LM358， 在這個(gè)模塊用一個(gè)電阻與光敏電阻串聯(lián)，先把信號(hào)傳給比較器，再送入處理器內(nèi)，完成信號(hào)傳輸。這里把光敏產(chǎn)生的信號(hào)送給比較器，主要是用它來(lái)整形，在比較器的反向輸入端，用電阻分壓，作為基準(zhǔn)電壓，使得經(jīng)過(guò)比較器后的電壓，只有兩種狀態(tài)，即高電平和低電平。這樣處理器就可以有效的識(shí)別信號(hào)了，提高了準(zhǔn)確性，用一個(gè)精密可調(diào)電阻和一個(gè)光敏電阻串聯(lián)，光敏電阻通過(guò)向光、遮光的電壓與1/2Vcc經(jīng)過(guò)比較器比較，再加個(gè)電壓跟隨器輸出穩(wěn)定電壓。向光輸出低電平，遮光輸出高電平，使其輸出信號(hào)輸入處理器。

3.6 功率控制模塊

采用MOC3061系列光電雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器， 要用處理器控制各種各樣的高壓、大電流負(fù)載，如電動(dòng)機(jī)、電磁鐵、繼電器、燈泡等，不能用處理器的I/O線來(lái)直接驅(qū)動(dòng)，而必須通過(guò)各種驅(qū)動(dòng)電路和開(kāi)關(guān)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)。MOC3061系列光電雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器是一種新型的光電耦合器件，它可用直流電壓、小電流來(lái)控制交流高電壓、大電流。用該器件觸發(fā)晶閘管，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、觸發(fā)可靠等優(yōu)點(diǎn)。

3.7 存儲(chǔ)模塊

FLASH選用三星的K9F1G08U0B，其為64M的NAND型FLASH ，SDRAM選用兩片Hynix公司的HY57V561620，SD卡及USB主機(jī)提供本地存儲(chǔ)功能，USB設(shè)備及RS232進(jìn)行調(diào)試測(cè)試用及同PC的連接。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)從編碼可讀性、正確性、可移植性、可測(cè)試性、模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化等環(huán)節(jié)考慮提高軟件的可維護(hù)性和可靠性。

整個(gè)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)以下功能：整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞木S護(hù)和管理，檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)信息的收集，對(duì)檢測(cè)、傳輸設(shè)備的控制和查詢，攝像頭的控制和圖像采集，本地存儲(chǔ)及布防、撤防功能，與業(yè)主移動(dòng)終端的信息交互，協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行和其他擴(kuò)展功能。其中對(duì)GPRS鏈路維護(hù)是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)，上行任務(wù)中的鏈路維護(hù)模塊包括：GPRS網(wǎng)絡(luò)登陸、鏈路狀態(tài)檢測(cè)以及心跳維護(hù)等，其中GPRS網(wǎng)絡(luò)登陸程序流程如圖3所示。

在GPRS通信鏈路建立后，如果長(zhǎng)時(shí)間無(wú)數(shù)據(jù)傳輸，則GPRS網(wǎng)絡(luò)連接將被斷開(kāi)，所以必須在一定時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)幀至主站，確認(rèn)主站應(yīng)答后說(shuō)明鏈路狀態(tài)正常。不同品牌GPRS模塊的AT指令集不同，因此在編程之前必須熟悉相關(guān)GPRS模塊的指令集，以實(shí)現(xiàn)鏈路的建立和維護(hù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)的智能家居網(wǎng)關(guān)利用GPRS技術(shù)作為遠(yuǎn)程人機(jī)交互手段，利用無(wú)線射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)短距離的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信，將家庭內(nèi)部的各種設(shè)備連接成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)人居的高度和諧融合。目前的樓宇智能化系統(tǒng)以布線式的設(shè)計(jì)作為系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，受到布線的限止，樓宇智能化系統(tǒng)存在著施工困難、系統(tǒng)調(diào)試復(fù)雜、可靠性低等諸多不利因素，文中將無(wú)線技術(shù)引用到智能家居布線系統(tǒng)中，充分體現(xiàn)無(wú)線技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

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