基于GPRS的智能家居无线监控系统设计

童耀南, 陈 松, 李春来

(1.湖南理工学院 信息与通信工程学院,湖南 岳阳 414006;2.湖南理工学院 物理与电子学院,湖南 岳阳 414006)

基于GPRS的智能家居无线监控系统设计

童耀南1, 陈 松1, 李春来2

(1.湖南理工学院 信息与通信工程学院,湖南 岳阳 414006;2.湖南理工学院 物理与电子学院,湖南 岳阳 414006)

分析了将GPRS无线网络应用到智能家居监控系统的可行性.采用先进的嵌入式ARM9微处理器作为主控制器,利用成熟的GPRS短信业务作为通信方式,设计了一个无线监控报警系统.给出了详细的硬件设计和软件设计思路,提供了关键程序的流程图.系统具有操作简单、运行成本低、全天在网等特点.

ARM;GPRS;智能家居;无线监控

智能家居技术于20世纪70年代中期在美国诞生.随着智能家居在国际市场的不断膨胀,21世纪初,它悄然进入了中国市场.现在,国内许多从事智能家居行业的公司正在蓬勃兴起,关于智能家居的研究方兴未艾.

从技术层面看,目前智能家居离“智能化”还有很长的距离,智能家居的发展趋势有以下几个方向:网络化、智能化、人性化、节能环保、一体化、规范化、标准化、成本低廉化[1].其中“网络化”除了加强传统有线网络在其中的应用之外,无线网络将是智能家居发展的一条快捷方便之道.GPRS除了个人数据业务之外,近几年来在许多领域都有非常出色的应用,如应用于油田数据采集[2],车载无线数据传输[3]和水纹自动测报[4]等方面.可见,将GPRS应用在智能家居领域,以实现无线远程监控,在技术方面具有可行性,并具有较好的市场应用前景.

1 总体设计

监控系统的硬件部分分成电器设备接口模块、处理器模块和通信接口模块三大部分,电器接口模块实现空调、电视等的控制,以及烟雾和煤气等传感器的检测;处理器模块处理现场数据、协调任务、执行用户指令等功能;通信接口模块以公用的GSM/GPRS网络作为通道,以SMS(Short Message Service ,短信业务)作为通信手段,实现系统与用户之间的数据或指令传输.在上述硬件的基础上,基于 Linux操作系统,实现防盗报警、环境监控和情景模拟三大功能.监控系统总体结构如图1所示.

图1 系统总体结构框图

2 系统硬件设计

根据上述总体设计思路,规划系统硬件接口电路如图2所示.

图2 系统硬件接口示意图

2.1 ARM微处理器

系统选用了三星公司的 S3C2410芯片作为 CPU.这是一款基于ARM920T内核的16/32位RISC嵌入式微处理器,主要面向手持设备及高性价比,低功耗的应用,运行频率可达203MHz.采用 ARM 处理器,避免了传统单片机资源有限、运行速率慢、难以运行操作系统和实现多任务调度等不足.

S3C2410集成了包括存储器接口、USB主从接口,三个RS232接口,A/D转换器,JTAG接口,LCD接口等,利用其丰富的硬件资源,可简化外围设备的硬件连接,从而提高系统的稳定性和可靠性.S3C2410内部集成了一个10位的COMS A/D转换器,具有8个模拟输入通道,转换速度最大达500KSPS,完全能满足系统外接温度传感器、烟雾传感器、煤气探测器、门禁压力传感器和触摸屏等的需求.系统与电视、空调、照明、电动窗等信息家电采用RS485总线相连接.

2.2 GPRS通信模块

通讯模块采用法国WAVECOM公司的GPRS无线传输模块Q2403A.ARM处理器与GPRS模块彼此通过 RS232 接口相连接.具体连接时,将 S3C2410的串口 UART0接芯片 MAX232,实现 TTL电平到RS232电平的转换,再与GPRS模块Q2403A相连接(Q2403A模块提供RS232标准接口).

2.3 系统其它硬件

设计 UART接口和 JTAG口方便系统开发调试.SDRAM由两片K4S561632组成,工作在32位的模式下,总容量达到 64M 字节.另外,为了满足程序和数据存储的需要,扩展了2M字节的Nor Flash和64M字节的NAND Flash,Nor Flash选用SST39VF1601,工作在16位的模式下,NAND Flash采用K9F1208.为方便使用时人机交互,设计了LCD显示屏,选用三星公司出品的 LTS350Q1-PE1,规格为 3.5英寸,分辨率为320×240,带触摸面板.

3 系统软件设计

系统软件主要包括引导加载程序Bootloader、操作系统、文件系统和用户应用程序四部分[5].本文仅限于用户应用程序的设计.用户应用程序包含监控系统主程序和信息家电终端程序两大部分,其中监控系统主程序又包括传感器检测程序、信息家电控制程序、GPRS通信程序等.监控系统主程序流程如图3所示.采用消息通信机制,将传感器溢出信号和用户遥控信号都按一定的规范和优先级编码成消息,主循环不断检测消息,一旦有消息就按优先级进行消息解析和后续操作.

图3 监控系统主程序

3.1 防盗报警功能设计

在程序运行的时间片内,CPU通过查询的方式对室内所有已安装传感器进行循环检测.当检测到某一传感器的输出达到系统设定的告警阈值时,将向消息处理任务的消息队列发送一条报警消息,消息中必须包含传感器通道编号.

当监测到火警、盗警、煤气泄漏等紧急情况发生时,进行声光报警,并向用户或小区管理中心发出警报.给监控手机发送报警信号时,将报警消息编码翻译成对应的含义再发送,方便用户阅读.防盗报警功能消息编号见表1.

表1 防盗报警功能消息编号

3.2 环境监测功能设计

在主人外出期间,可以通过短信的方式查询室内的温度、门禁系统状态、家电状态等.环境监测功能消息编号见表2.当监控系统收到主人发送来的操作命令后,解析环境监测命令消息编号内容,执行行相应的操作.当收到CJD命令消息时,系统依次对挂载在 RS485总线上的所有信息家电进行查询,并将查询结果汇总发送回用户手机.

表2 环境监测功能消息编号

3.3 情景模拟功能设计

现代家居对安全性要求越来越高,在外出期间,主人常常担心被盗,因此考虑将电灯、电视机和电动窗帘等以RS485总线的方式挂载在系统上,主人在外出期间可以通过短信方式启动或关闭这些设备的运行,来模拟主人在家的场景,做到有效防盗.另外,在主人回家之前,可通过 GPRS短信遥控室内空调开启或灯光开启,以便回家后有一个舒适的环境.情景模拟功能消息编号见表3.KDG1/0表示当系统收到KDG1则开启灯光,当收到KDG0则关闭灯光.

表3 情景模拟功能消息编号

3.4 信息家电终端程序

信息家电都是系统监控的对象.要完成与监控系统的通信以及执行系统发来的指令,每一台家电都需要设计一个电源接口监控模块.由于功能简单,我们采用性价比高的8位AVR单片机ATTINY13V.监控系统当作主机,信息家电终端当作从机,两者之间采用主机查询、从机中断的通信方式.信息家电终端程序以中断服务方式设计.当总线上收到信息时各个家电终端产生串口终端,进入中断服务程序.如果收到的地址与从机地址匹配则打开接收端口,准备接收主机发来的命令.当主机发送命令时只有该从机才会接收.

3.5 GPRS通信程序

GPRS通信程序完成GPRS模块的初始化、系统与用户监控手机建立连接,以及完成SMS短信通信功能,这是本系统设计的核心.编写GPRS通信程序,首先要熟悉执行SMS操作的AT命令以及短信发送和接受模式.SMS 操作常用AT命令见表4.

表4 SMS操作常用AT命令[6]

短信发送和接受模式共有3种模式:Block模式;Text模式;PDU模式.PDU已成为目前主流的短信编码模式.PDU模式下,消息正文经过16进制编码后进行传送.在收发短信的操作中,核心是PDU串的编码和解码.通常,PUD编码串主要由短信中心地址,目的地电话号码,消息内容和SMS说明信息共4个部分组成.解码是编码的逆过程.

GPRS通信程序要能完成以下三方面的任务:

(1)当系统出现煤气泄漏等异常情况时将异常情况以短信的方式发送到用户手机;

(2)执行完远程用户指令后将指令执行结果反馈到用户手机;

(3)接收用户发来的短信,并根据短信的内容执行相关操作.当收到非预设手机号发来的短信时不执行任何操作.

短信发送和接收主要是通过向GPRS模块发送一系列的AT指令来实现的.实现短信发送和接收的流程如图4所示.

图4 GPRS短信操作流程

4 结束语

基于嵌入式ARM和GPRS无线通信技术设计的智能家居监控系统,充分利用了GPRS网络廉价的SMS短信息资源,不仅能实现安防方面的迅速报警、记录证据,还能实现远程监控室内信息家电等功能,系统具有操作简单、运行成本低、全天监控、报警准确等特点,具有一定的实际应用价值.

[1]张鸿恺,伍 超.智能家居及其发展研究[J].黑龙江信息科技,2008,(32):266

[2]匡国防,吴良杰,丛会智.油田GPRS 远程数据监测系统[J].计算机工程,2007,33(13):266～267

[3]农 毅.基于CAN总线和GPRS 的无线车载数据传输[J].计算机工程,2008,34(18):239～242

[4]吴秋兰,梁 勇,张承明,等.基于GPRS的无线水文自动测报系统的设计[J].计算机工程,2007,33(02):280～282

[5]潘巨龙.ARM9嵌入式Linux系统构建与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006

[6]ETSI.GSM 03.38 (Version 5.3.0):Digital cellular telecommunications system;Alphabets and language-specific information[S].ETSI.1996

[7]李驹光,郑 耿,江泽明.嵌入式Linux系统开发详解[M].北京:清华大学出版社,2006

Design of Smart Home Wireless Supervision System Based on GPRS

TONG Yao-nan1,CHEN Song1,LI Chun-lai2
(1.College of Information &Telecommunications Engineering,Hunan Institute of Science and Technology,Yueyang 414006；2.College of Physics &Electronics,Hunan Institute of Science and Technology,Yueyang 414006,China)

The effectiveness of taking GPRS to smart home supervision system is analyzed.A home wireless supervision system is presented based on advanced ARM9 microprocessor and mature GPRS short message service,and the consideration in detail about the design of the hardware and software is introduced,and key program flowcharts are provided.The system has the advantages of simple operation,low cost,24-hour supervision and so on.

ARM;GPRS;smart home;wireless supervision

TP311

A

1672-5298(2011)01-0072-04

2010-11-18

湖南理工学院资助项目(2009Y05,2008Y47)

童耀南(1977− ),男,湖南平江人,硕士,湖南理工学院信息与通信工程学院讲师.主要研究方向:嵌入式系统,信号与信息处理