基于多種無線通訊技術的智能家居控制系統(tǒng)

引言

隨著網(wǎng)絡技術和通信技術的不斷發(fā)展以及人們對生活要求的不斷提高，實現(xiàn)家庭智能控制已經(jīng)成為必然的趨勢。國家建設部住宅產(chǎn)業(yè)化促進中心提出住宅小區(qū)要實現(xiàn)六項智能化要求，其中包括實行安全防范自動化監(jiān)控管理：對住宅的火災、有害氣體的泄漏實行自動報警;防盜報警系統(tǒng)應安裝紅外或微波等各種類型報警探測器;系統(tǒng)應能與計算機安全綜合管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng);計算機系統(tǒng)能對防盜報警系統(tǒng)進行集中管理和控制。

在智能家居系統(tǒng)中，將無線網(wǎng)絡技術應用于家庭網(wǎng)絡已成為勢不可擋的趨勢。這不僅僅是因為無線網(wǎng)絡可以提供更大的靈活性、流動性，省去花在綜合布線上的費用和精力，而且更因為它符合家庭網(wǎng)絡的通訊特點。隨著無線網(wǎng)絡技術的進一步發(fā)展，必將大大促進家庭網(wǎng)絡智能化的進程。

本文介紹的智能家居控制系統(tǒng)采用ARM 嵌入式系統(tǒng)設計，利用ZigBee 通訊模塊構(gòu)建智能家居無線網(wǎng)絡系統(tǒng)，跟各個子控制模塊進行通訊。系統(tǒng)通過藍牙接口與手機或PC 連接，使用手機作為用戶操控終端。當前手機的功能相當強大，大多數(shù)手機已經(jīng)內(nèi)置Java 虛擬機，利用Java 開發(fā)工具設計功能非常強大管理軟件，與傳統(tǒng)的鍵盤加液晶屏的人機界面相比，操作更靈活、方便。系統(tǒng)通過藍牙接口，搜索用戶手機，判斷用戶是否在本地，而自動進行布防和設防已及切換到GPRS 網(wǎng)絡，進行遠程監(jiān)控，防止用戶忘記布防而令監(jiān)控系統(tǒng)失去作用。

1 智能家居控制系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)功能

本文介紹的家居系統(tǒng)具備以下功能。家用設備的數(shù)據(jù)采集：采集家用設備包括室內(nèi)溫度，燈具家電，防盜門等設備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)控制器處理后反饋給用戶。本地控制：用戶通過人機界面，對家用設備進行監(jiān)控。遠程控制：遠程用戶可以通過發(fā)送手機短信或通過互聯(lián)網(wǎng)對家庭系統(tǒng)進行控制和查詢。自動報警：當控制器檢測到非法闖入或溫度超高等報警信號時，及時觸發(fā)室內(nèi)報警裝置，并通過發(fā)送報警短信等方式及時通知用戶。門禁系統(tǒng)：手機內(nèi)置藍牙模塊都具有全球唯一識別碼，利用它識別用戶身份。用戶再不需記密碼，或帶其他的IC卡。家電控制：接收用戶命令，通過紅外發(fā)射電路控制電視、空調(diào)等紅外可控的家電設備。其它燈具等開關量控制：接收用戶命令控制燈具等開關量設備。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本控制系統(tǒng)分兩部分：主控制器，各控制終端。系統(tǒng)框圖如圖1 所示：

主控制器相當于家庭網(wǎng)關，由GPRS、藍牙、ZigBee 通訊模塊構(gòu)成。負責接收各控制終端的數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后傳給用戶手機，同時接收用戶手機發(fā)出的指令，經(jīng)解析后分發(fā)到各個控制終端。

1.3 主控制器的硬件設計

主控制器的CPU 采用NXP 微控制器LPC2378，它使用了一個高性能的32 位ARM7 內(nèi)核，可以在高達72MHz 的頻率下操作。LPC2378含有高達512KB 的片內(nèi)Flash 和58KB 的片內(nèi)SRAM 存儲器，而且有4個16C550UART(1個帶有IrDA)、3 個I2C總線接口、3 個SPI/SSP接口和1個I2S 接口。多個串行通信接口增強了設計的靈活性，提供了更大的緩沖區(qū)，并且具有更高的處理能力。

GPRS通信模塊采用西門子公司的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊MC35i，支持數(shù)據(jù)、短信、語音和傳真業(yè)務。MC35i是新一代GSM/GPRS 雙模模塊，完全兼容上一代的MC35、TC35i;采用緊湊型設計，為用戶提供了簡單、內(nèi)嵌式的無線GPRS 連接。

MC35i的GPRS 永久在線功能提供了最快的數(shù)據(jù)傳輸速率。

ZigBee 無線網(wǎng)絡通信模塊采用赫利訊的IP_Link1270 模塊。ZigBee(IEEE802.15.4)技術是最近發(fā)展起來的一種近距離、低功耗、低數(shù)據(jù)率、低成本的雙向短距離無線通信技術，被業(yè)界認為是最能應用在工控場合的無線方式。

藍牙模塊采用Ericsson公司的ROK 101 007/1,該藍牙模塊集成度高，功耗小，完全兼容藍牙協(xié)議V1.1，可嵌入任何需要藍牙功能的設備中。該模塊包括基帶控制器，無線收發(fā)器，閃存等部件，可提供高至HCI(主機控制接口)層的功能。此外，該模塊還提供有USB、UART 和PCM 接口，因而能方便地與主機(host)進行通信，另外，該模塊還同時支持藍牙語音和數(shù)據(jù)傳輸，且其輸出功率能滿足藍牙2 級操作的要求。

1.4 主控制器的嵌入式軟件設計

家庭智能主控制器軟件是對遠程和本地通訊協(xié)議的解析執(zhí)行及實時控制整個系統(tǒng)有序工作。主要部分包括對各個控制終端的數(shù)據(jù)采集，經(jīng)處理分析后，提供給用戶查詢。并且實時監(jiān)測各模塊的報警信息，實施聯(lián)動控制。軟件通過藍牙接口，定時搜索用戶手機，判斷用戶是否在本地，而自動進行布防和設防已及切換到GPRS 網(wǎng)絡，以便及時通知用戶系統(tǒng)信息。

1.5 基于手機的控制終端軟件設計

目前大部分手機已經(jīng)內(nèi)嵌Java 虛擬機，支持Java 程序開發(fā)。手機所以非常適合作為家居系統(tǒng)的控制終端。本軟件采用SUN 公司提供的通用的開發(fā)包J2ME Wireless ToolKit 2.2。本軟件主要部分包括要是顯示系統(tǒng)的各種信息，包括溫度數(shù)據(jù)、各電器、照明設備的使用狀態(tài)、各種報警信息。設置系統(tǒng)各種參數(shù)，如定時開關電器、防盜報警的設防和撤防、消防報警聯(lián)動。

發(fā)指令控制各種電器、照明設備。

1.6 控制終端設計

控制終端需要根據(jù)家居裝修布局的情況來具體設計。控制終端的功能要求比較單一，安裝比較分散。如家庭電器/ 照明控制、煤氣/ 煙霧探測、防盜報警等。因此采用無線通訊可以大大節(jié)省精力和費用。控制終端一般需要實現(xiàn)脈沖量數(shù)據(jù)采集，可采集水、電、氣三表數(shù)據(jù);安防傳感器開關量數(shù)據(jù)采集，可進行設防/ 撤防報警、安防報警(紅外幕簾、門磁、窗磁、玻璃破碎等);模擬量數(shù)據(jù)采集;模擬量數(shù)據(jù)輸出;繼電器觸點輸出;CPU可以采用通用8 位的單片機即可，根據(jù)具體控制要求靈活配置。而ZigBee 通訊接口模塊則統(tǒng)一使用赫立訊公司的IP_Linkl270。

2 結(jié)語

本文介紹智能家居控制系統(tǒng)使用多種先進的無線通訊技術：ZigBee、藍牙和GPRS。主要是充分考慮家庭內(nèi)部的特點，提供更大的靈活性、擴展性，省去花在綜合布線上的費用和精力。使用手機作為的操作終端，是本系統(tǒng)的一大特色。用戶只需用手機就可以隨時隨地監(jiān)控整個系統(tǒng)。利用手機的強大功能，系統(tǒng)可以增加更多人性化的設計，應用前景廣闊。