基于无线的物联网智能家居控制系统设计

张海波

(南充职业技术学院 637000)

1 系统方案设计

嵌入式系统是整个控制系统的关键部分，由此，将各个家居信息传输给嵌入式系统，通过操作触摸屏和视频模块即可完成对家居的监控[1]，使得无线传感网络系统控制能够实现家居设备的独立控制。系统在实现手机端的远程监控时，通过接入Internet， 在PC 机上进行登录，建立移动通信模块，由此可以通过通信模块来进行远程的监控。

2 硬件设计方案

2.1 嵌入式控制模块

基于ARMv5E 的Xscale核心, 嵌入式核心采用的PXA270芯片最高频率可达624 MHz， 也包含了SpeedStep在Intel的技术，通过需要调节CPU的动态性能，实现真正技术应用上的低功耗、高性能[2]。其中CPU、SDRAM、Flash 、CPLD 的核心系统和外围接口是通过嵌入式外围电路采用EELiod270 开发平台来实现的。

2.2 对于无线网络的控制

常规情况下，物联网智能家居的控制是通过有线和无线两种传输方式进行控制的。有线的传输是依靠电缆的连接来进行传输，其具有信息交换速率高和连接稳定的优点，但同时由于其需要专用的缆线，这就导致了安装维护的成本较高。无线的传输方式，包含了蓝牙技术、315 MHz、和ZigBee 技术。但是，315 MHz频段通信常常容易受到外界环境的干扰, 造成技术在应用中的成本和协议开销的加大。经过种种技术上的测试和以上各方面因素的考虑,本设计方案决定采用nRF24L01 芯片在技术上的优势来提供交互式数据，并以此来组建无线网络。挪威NORDIC 公司的2.4 GHz无线收发一体芯片是通过nRF24L01来实现的,其有130个频道可供选择，并且同时支持2 Mb/s和1Mb/s的传输速率[3]。2.4 GHz无线收发一体芯片可通过SPI 写入数据,同时可以自动的应答和发射, 此芯片的功耗非常的低,这种多种低功率的工作模式能使设计在节约能源上更加方便。

2.3 对于传感器检测安防的设计

传感器的报警信号通过光电耦合接入使烟雾、红外线、煤气泄漏等接入无线终端上。当传感器上的报警信号没有显示时，光电的耦合芯片是处于一种停止运行状态，同时，低电平是相接部位，是传感器的单片机端口；传感器在运行状态时，会输出高电平，此时, 光电耦合芯片会通电。与其相连接的单片机端口为高电平，报警信号是由STC89C52 发出信号，再通过采集并做出相应处理，通过nRF24L01的无线终端，将设定好的信号发送到无线网络总控制器上。

2.4 视频监控和移动通信

市场上的3G模块是移动通信模块中最新的,但是目前市场上的3G模块的网络标准，通常只支持WCDMA、TD-SCDMA和CDMA2000其中之一，而且它们的性价比都比较高，从性价比上考虑，本系统决定采用GSM 模块，利用西门子MC35GSM/GPRS 无线模块来进行设计。GSM1800双频和GSM900 不仅支持语音、数字、传真和短消息并且能够通过AT指令来控制短消息的发送。同时，此设计采用的9V直流供电也能通过RS-232系统连接EELiod270平台和端口来进行通信连接。

3 系统方面的软件设计

3.1 客户端的软件设计

本系统通过选用Linux下的QT开发工具对客户端的系统进行设计，客户端的功能主要包括SM、嵌入式平台、视频和无线网络控制通信以及各类终端控制。

（1）GSM 模块设计

GSM 控制模块使得远程安全监控系统中对家电设备以及自动报警系统功能的应用得以实现。此系统利用定时器的方式来读取串口内容。在PXA270的应用平台上，此系统实现了视频数据和对传感器的报警应用系统信息的采集，通过借助GSM 网络，从而达到对于远程监督控制的目的。利用有线或无线网络相结合的应用，将相关系统数据自动传输到远程服务器端进行处理，使智能家居系统远程监控的功能得以更好地发挥。

（2）嵌入式平台与无线网络控制通信设计

无线网络控制通信和嵌入式平台实现了客户端对底层的无线终端控制以及对个别的反馈信息进行处理。进行设计流程图制作，其中它的报警提示是以”#$#” 为标示，若是检测到”#$#1”的信号就说明红外警报有人触摸；”#$#2”就说明烟雾警报有人触摸；”#$#3” 就说明煤气警报有人触摸； 当有警报被触发时，本系统将有专门的启动系统进行提示。各家电设备的起始标志是以”#&” 作为显示的，”！”作为结束标记，设计时对于安全稳定的问题需要充分考虑到。

（3）nRF24L01的设计原理

nRF24L01的设计原理是将其相关的配置作为发射模式，将接受的节点地址TX-ADDR和邮箱的TX-PLD数据写入nRF24L01的缓存区，然后同CE置为高点平运用，比保持其运作10μs以上，延迟130μs之后再发射数据。收到应答之后便可以认为是通信成功。具体设计原理如下图。

3.2 服务器终端软件

服务器终端软件程序是通过Redhat 9.0 的QT软件进行开发的, 有线网络将EELiod270 平台上所有设备运行状态下的信息数据传送到小区的监控服务系统中，并同时将在系统中的信息状态保存到特定的日志文件中。在服务器端所接收到的数据大多数是视频数据和传感器的运行数据为主的，在接收信息的同时，利用信息的标头加以区别和划分，来实现信息的整合。很多时候信息在运行的状态下，其数据内容内存显得很小。在接收的过程中，由于网络阻塞而导致丢失数据包的几率将会减少。但是有一点是要注意的，视频数据在运行的情况下，其数据值是比较大的，在接收数据的过程中，面对网络阻塞而常常丢失数据包，在这种情况下就常常会导致视频无法恢复。因此在视频数据接收过程中，就需要将传输的视频数据分成多个数据块，再将每个数据块的传输进行通信连接。这样，在数据接到完全传输到服务器的命令后，向客户端回送信号，客户端就能够再一次的发送下一个数据块的视频数据。当一帧视频传输完毕后，再将视频数据进行合成。

4 系统调试

4.1 嵌入式系统调试环境

本系统的调试环境是，PC 主机： CPU：AMD ALTHLON(速龙)1G；内存1GB；操作系统：Red Hat Linux 9.0 操作系统；内核版本：2.4.20;开发平台：EELiod PXA270;SDRAM：64 MB;Flash：32 MB；嵌入式Linux 内核版本：2.4.21；本地编译工具：gcc，g++；交叉编译工具：arm -linux -gcc、arm-linux-g++。

4.2 系统整体测试

测试方法：分别用手机、ARM人机交互系统及遥控系统，通过无线网络控制各个功能模块的工作，从而达到对网络的稳定性及各个功能稳定性的检查。

5 结语

本系统从智能化家居的理念出发，利用无线芯片、单片机、嵌入式、电信技术等技术控制，实现对家庭居室设备上的物理状态、安防检测、视频信息方面的智能控制。经过科学的实验测试，系统工作更加可靠，无线终端技术能更加方便的汇聚家居设备到系统无线控制网络上；实现无线遥控、手机远程、嵌入式系统及PC远程系统在分级独立控制上利用高低端控制器实现的目的，便于实际应用，满足了各类客户需求，有很好的技术推广与市场应用前景。

[1] 王金莉，苏宛新.基于PXA270 的嵌入式系统设计[J]微计算机信息,2008,24(4-2) 11-13.

[2] 何伟,陈锋,张玲等.基于nRF24L01 和Actel FPGA 的智能探测系统设计[J].电子技术应用, 2010 36(10):111-116.

[3] 曾国敬,宋跃,何志辉.一种智能家居远程控制系统的硬件设计[J].电子技术应用,2011,37(4):81-84.