三网协同智能家居系统研究与设计

长春理工大学电子信息工程学院 樊 斌 尹高峰



三网协同智能家居系统研究与设计

长春理工大学电子信息工程学院 樊 斌 尹高峰

【摘要】本文采用嵌入式技术，开发了基于无线传感网络、3G手机网络、Internet网络的“三网”协同的智能家居系统，可以做到分别使用室内无线传感网络终端、3G手机终端及Internet网络终端。智能家居系统由硬件和软件两部分组成，硬件上将系统划分为三个相互独立的家庭主控模块、WSN模块和WSN终端模块，家庭主控系统的控制器采用控制器芯片为S5PV210的ARM。软件上移植了安卓系统，开发基于安卓平台的家庭主控APP软件以及基于Windows平台的PC端软件。

【关键词】智能家居；无线传感网；Internet网络；3G网络

0 绪论

智能家居是近几年来的一个新兴概念，有非常高的研究利用价值。目前国内的各种智能化产品较多，但各个产品之间都是相互独立的，集成度较低，而且市场上使用安卓操作系统的智能家居系统还很少，现在，安卓已经成为个人电子产品的主要系统。本文就依据智能家居的核心概念，结合安卓系统和Zigbee技术，统筹了各种设备模块和控制器之间的通信，优化人机交互界面，实现了超强的功能与用户体验[1]。

1 智能家居系统总体架构设计

系统主要由主控制器、Zigbee模块、GSM/GPRS模块、网络服务器、客户端这五部分构成。主控制器以cpu型号为S5PV210的芯片作为核心[2]。Zigbee模块通过部署各类传感器，采用无线ZigBee技术传输数据至系统平台，系统根据设定的参数标准，进行家电控制。GSM/GPRS模块具有发送短消息、通话、数据传输等功能，通过AT指令实现各种通信功能。网络服务器主要是运营商统一管理用户信息和提供便捷增值业务的服务器。终端可以是phone、pad、无线遥控器等等。PC上的客户端软件可以通过局域网或者是互联网访问网络服务器或者直接访问家庭主控设备，用来随时随地的了解家庭的情况并可以远程控制家用电器。智能家居系统的实现框图如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 主控模块

S5PV210采用了ARM CortexTM-A8内核，ARM V7指令集，主频可达1GHZ，64/32位内部总线结构，32/32KB的数据/指令一级缓存，512KB的二级缓存，S5PV210包含很多强大的硬件编解码功能。用S5PV210作为主控处理器，主控板上有LCD电容触摸屏、红外接收器、用户按键、音视频模块等人机交互模块，并且通过各种协议总线与Zigbee主节点模块、Wifi模块、DM9000模块、GSM/ GPRS模块等通信模块相连，用以和其他模块进行远程通信。在节点模块硬件设计中，各种传感器和执行机构通过与CC2530模块相连，进而与主控节点进行通信。

图1 系统总体实现框图

2.2 ZigBee模块

采用CC2530作为ZigBee模块的主芯片[3]。CC2530是一个兼容IEEE 802.15.4的真正的片上系统，支持专有的802.15.4协议以及Zigbee标准。它具有大小为101dB的衡量数据包丢失的链路质量，反应灵敏的接收器和抗干扰性强的优点，并且包括两个串口、212的AD转换和21个IO口。闪存选择具有256KB的CC2530F256，它结合Zigbee协议栈，可以提供了一个功能性强完整度高的通信方案。

2.3 GSM/GPRS模块

GPRS是建立在GSM系统之上的通用分组无线服务技术，由于引入了分组交换和分组传输的概念，因此GPRS具有资源共享、频带利用率高、数据传输率高等特点，而且只有在用户进行数据传输时才占有系统资源，且在数据传输时能够同时占有多个无线信道，提高了通信质量。当系统运行时，主控制器主要负责根据系统的通信协议将数据打包，并通过GPRS模块将打包好的数据发送到系统监控主机，当接收数据时，主控制器负责对数据帧进行解析，根据解析出的数据产生控制动作。如判断有警告发生时，监控主机通过控制GMS模块向系统预先设置的联系人的手机号码发送告警短信，通知联系人家中有警情发生[4]。同时，监控主机还将把告警事件的详细信息以日志的形式记录存档，便于联系人事后对告警信息进行查询。GPRS模块通过串口连接到主机，实现收发短信，拨打电话，发送彩信等功能，可作为实时监控报警系统的无线终端。

2.4 节点模块

节点包括与主机通信的射频模块、感知环境状况的传感器模块、系统电源模块、程序调试和烧写接口模块以及其他辅助和可扩展电路等。由CC2530EM与PCB天线构成的射频通信模块是整个系统节点的核心，负责与主机的通信链接。传感器模块主要将监测到的环境数据传递给CC2530EM内置的微处理器，对数据编码压缩之后再发送出去，微处理器的核心是8051增强型单片机，因此可以根据系统中的程序对数据进行一定地处理。如对于传感器监测实际的数据不在预先设定的工作范围之内，不管是超出还是低于预设值，则将该数据以接力的方式先发送的主节点中，再由主节点发送到主机系统中，由系统进行进一步的判读、处理。然后射频通信模块根据主机反馈的操作命令经主节点发回原节点产生行相应的操作，以保证达到预定值。调试和烧写接口模块用来调试和烧写完成上述功能的软件。

3 智能家居系统软件设计

智能家居系统的软件设计主要是指家庭主控器的上位机软件设计和无线节点通信、控制软件设计[5]。其中家庭主控器的软件设计，需要移植安卓操作系统平台，再针对安卓操作系统平台编写上层主控器APK软件。

图2 主控制器的软件开发流程图

安卓系统上的应用程序是智能家居控制端中的家居控制端，连接了智能家居服务器，接收手机客户端与PC客户端发送的控制查询消息，更重要的是它解析控制消息后要向硬件设备发送指令，完成对家庭中不同电器的控制，达到监控家居安全的目的。主控制器的流程图如2所示。

4 智能家居系统服务器端设计

系统服务器采用Apache MINA2框架。它是一个开发高性能和高可伸缩性网络应用程序的应用框架，解决系统内各子系统之间同步消息的问题。提供了一个抽象的事件驱动异步API，可使用TCP/IP、UDP/IP、串口和虚拟机内部的管道等传输方式链接不同的子系统。此服务器采用了于TCP/IP传输服务。

MINA框架较好的解决了I/O数据传输的异步性和实时性，可以高效快速的反映智能家居的实时状态，同步了不同客户端的数据，保证同一家庭不同用户对同一电器状态的掌控。MINA框架使得安卓客户端和PC客户端可以使用相同的I/O消息类型同服务器通信，从而屏蔽了两种不同子系统不同客户端之间的通信差异，方便它们之间的信息通信。

5 结论

本文提出了以S5PV210高性能芯片作为主要控制器的智能家居网络的设计构建方案，使用低功耗ZigBee模块通信将各个节点连接在一起，形成了一个家庭的局域网，全方位的监控家居系统的运行状态，控制家居环境，提供各种家庭智能服务的网络服务系统。解决了传感器数据量提升时，中心控制系统数据处理能力、控制力不足的问题。并充分发挥了手机高效便携的优势以及互联网的便捷性的特点。

参考文献

[1]吴志军.基于ARM与安卓的智能家居系统设计与实现[Z].嵌入式网络技术与应用,2012.

[2]刘述,孙明俊.家庭网关在家庭网络中的作用与功能[J].电信网技术,2005,6:9-12.

[3]李俊斌,胡永忠.基于CC2530的Zigbee通信网络的应用设计[J].电子设计工程,2011(16):108-111.

[4]CE Adams.Home area network technologies[J].BT Technology,Journal April 2002.

[5]Pat Richards.A CAN Physical Layer Discussion[J]. Microchip,2006.