嵌入式无线技术在智能家居中的应用.doc

《嵌入式课程》论文

题目：嵌入式无线技术在智能家居中的应用

专 业： 农业电气化
班 级： 11级农电
姓 名： 郭鸿强
学 号： 20114072144
教 师： 周正

2014 年 11月

摘要：随着嵌入式技术、网络及信息技术的发展，智能家居的理念渐渐深入人心，与此同时，无线技术也在逐步发展，目前已比较成熟的无线连接方式包含了蓝牙连接、红外连接(IR)和无线(RF)连接三种方式，近几年Wi-Fi的发展迅猛，但实践基础还不够完善。智能家居这一概念提出已久，大部分的智能家居是基于嵌入式系统并且在有线技术的辅助下完成，但由于有线技术布线困难、投资大等缺点，基于嵌入式无线技术的智能家居便应运而生。对于大部分稳定性要求不是很高的家电而言，无线技术完全可以保证系统的顺利安全进行，这样无论是利用PC还是手机均用户均可以在不同地点不同时刻甚至是远程控制家中的智能电器。
关键词：嵌入式技术；无线技术；智能家居
1.引言
随着科学技术的迅速发展,住宅智能化是人类住宅一场新的革命,现代社会的家庭正在以家庭智能化带来多元化信息和安全、舒适、便利的生活环境,更加轻松、有序、高效的现代生活方式,作为一个理想的目标来永恒追求。目前,智能产业在世界各地已经迅速发展,在不久的将来,没有智能家居系统的住宅将会象当今不能上网住宅那样不合潮流。因此,家居智能化将是大势所趋。
2.无线知识概述
2.1蓝牙
蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。其程序写在一个9x9mm的微芯片中。蓝牙无线技术主要包括一种在2.4ISM频段用于个人区域网络(PAN)的低成本、低功率无线接口，实时传输数字数据和语音信号，其数据速率为1Mb/s。
2.2红外技术
红外无线数据通讯技术是以红外线作为通信媒质的特定应用，也是一个技术规范。相比之下，红外无线技术比蓝牙技术更加成熟，其标准化进程相对要早了许多，红外无线接入技术是以红外线作为通信媒质的特定应用。其工作频段为3.409～3.529×105GHz，红外数据协会(IrDA)制定了一种标准的红外通信方法。这种方法包括通常用在移动电话、笔记本电脑和掌上电脑中。红外通信也是被设计用于短距离、低功率、无许可证的通信。
2.3无线射频技术
无线射频技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线通信技术。普通家用或商用接收器，通常使用红外线，信号收发要求直线路径，容易受外物遮挡。使用无线射频技术，信号收发不受外物遮挡，凡在系统覆盖范围内，不论任何方位或角度，接收皆准确可靠。此外，信号根据使用地区的不同，由315M或434MHz无线频率传输，穿墙越壁，不受任何外物遮挡。系统在开放环境中，覆盖范围可达100m。加上无线射频耗电量低，覆盖面广，任何角落，均可操控。
2.4ZigBee技术
ZigBee技术是一种新型的无线、短距离、低功耗组网通讯技术，具有低复杂度、低功耗、低成本、高效率，可靠度高和网络覆盖面积广等技术优势，工作在免费的2.4GHz-2.5GHzISM微波段，具有较强的抗干扰性和设备联络功能，能够实现1500m的全向识别，传输速率最高可达10Mbit/s，它支持3种主要的自组织无线网络类型，即星状结构、网状结构和族状结构，这些网络具有较强的网络健壮性和系统可靠性。
2..5Wi-Fi技术
Wi-Fi技术，即“WirelessFideLity”的简称，意思是无线保真技术，是一种符合IEEE标准的无线接入技术，是一种可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。利用Wi-Fi无线通信技术将PC等设备连接起来，以帮助用户访问电子邮件、Web和流式媒体等，为互相通信、实现资源共享的网络提供快速、便携的途径。
3.智能家居概述
智能家居（Smart Home）是利用计算机技术、网络通信技术、综合布线技术和传感技术等，依照人体工程学原理，将家居生活中的各类电子设备有机的结合在一起，通过网络化综合智能控制和管理的一种嵌入式系统。智能家居控制系统的具体功能包括：
家居电器的综合监控：对所控制的家居电器进行开关、工作参数的设置和工作状态的检测。
室内环境信息采集：采集家居环境的温度、湿度信息和煤气、烟气等有毒气体的检测。
自动报警：当检测到家居环境的温度、湿度、煤气、烟气等超标，或检测到有陌生人强行开启室门或进入室内时就自动报警，告知居室主人。
本地控制：用户在本地可通过计算机或家居电器本身的操作键对家居电器进行监控。
远程控制：用户远程可以通过手机短息或互联网对家居电器进行控制或工作状况查询。
安全防盗：家居中的所有与控制系统连接的电器设备均可实现与主人通信，一旦盗贼对某设备进行操作，或某设备工作状态异常时，系统将立即通知主人，以达到安全和防盗的目的。
4.嵌入式无线技术在智能家居中的应用
4.1无线智能家居总体控制系统设计
本无线智能家居控制系统主要包括ARM9核心控制模块，无线通信模块、LCD触摸屏模块和家居电器，另外还有传感检测，语音报警和电源等模块。系统总体结构模型图如图1所示。

图1 系统总体结构设计
其中ARM是整个系统的控制核心，通过GPRS和ZigBee无线通信网络收发控制指令实现对家居电器进行综合监控，同时提供防火墙的功能，阻止外界对家庭内部设备的非法访问和攻击。无线通信模块分为本地和远程两部分，本地通信主要通过新型的ZigBee无线通信技术实现系统与家居电器的通信，达到对其控制；远程通信是利用手机通过GPRS通信网络或利用计算机通过互联网实现人与控制系统的通信，进而达到对家居电器的远程监控。
4.2系统硬件实现
系统硬件主要由ARM9微处理器、GPRS通信网络、ZigBee通信技术、LCD触摸屏、语音报警和电源等模块组成。
4.3ARM9微处理器
微处理器采用三星公司的ARM9(S3C2440)。S3C2440是一款高性能32位RISC微处理器,采用了ARM920T的内核，0.13um的CMOS标准宏单元和存储器单元，最高主频可以达到400MHz，提供多款液晶屏配置。ARM920T实现了MMU，AMBA BUS和Harvard高速缓冲体系结构，这一结构具有独立的16Kb指令Cache和16Kb数据Cache，每个都是由具有8字长的行组成。
4.4无线通信网络
GPRS网络是覆盖范围最广，性能较为完善的无线网络，GPRS网络本身具有较强的数据纠错能力，数据传输速率最高可达128Kb/s，能够保证数据传输的可靠性和实时性。ZigBee技术组成的无线传感器网络结构简单、体积小、成本低；采用GPRS网络进行数据传输的模块体积小、功耗低，适合作为无线传感器网络的数据节点，ZigBee技术与GPRS通信网络相结合组成新的无线通信网络。本设计采用的CC2430是一种真正的系统芯片（SoC）CMOS解决方案，这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHz ISM波段应用及对低成本，低功耗的要求，它结合一个高性能2.4GHzDSS（S直接序列扩频）射频收发器核心，ZigBee核心模块图如图2所示。

图 2 ZigBee核心模块
4.5传感器与显示模块
所有的传感器都与无线传输模块P1R2000连接，构成无线传感器网络并与控制系统实现实时通信。显示模块选用低电压低功耗的LCDl2832液晶显示屏，LCDl2832是一款分辨率为128×32的中英文图形液晶（黄色背光）显示模块，具有4位/8位并行2线或3线串行多种接口方式，内部置有8192个16×16点阵的一级、二级简体汉字和128个16×8点ASCII字符集，用来显示8×2行16×16点阵的汉字对话信息，构成全中文人机交互图形界面并显示当前时间、日期、星期、湿度、温度、定时提醒等信息和煤气等有毒的含量超标时报警提示的输出信息。
4.6系统软设计
整个智能家居控制系统以ARM9微处理器为核心，支持C语言和汇编语言，本系统采用C语言与汇编语言混合编程。低层驱动由汇编语言编写，对外留C语言接口，人机交换采用Linux嵌入式实时操作系统。系统软件由系统主程序、初始化子程序、ZigBee通信子程序、GPRS通信子程序、传感检测子程序、显示子程序、报警子程序、数据处理子程序和远程控制子程序等模块组成，程序软件流程图如图3所示。
图 3 系统软件流程图
4.7无线智能家居网关控制
本系统基于ARM9的无线嵌入式智能家居控制系统的总体解决方案，该方案主要以微处理器ARM9为核心，采用ZigBee和GPRS无线通信技术、传感技术和互联网技术，实现了对家居电器进行本地和远程的无线监控，克服了传统的仅限于有线和本地的家居监控方式，优化了人们的生活方式，具有较高的实用价值。其中采用ZigBee和GPRS无线通信技术来达到家庭内部控制和远程控制的功能还可以采用其他无线与嵌入式结合的方式解决。
4.8网关总体设计和工作流程
系统主要包括ARM9处理器S3C2440A(家庭网关)、ZigBee模块(协调器)、Wi-Fi模块、ZigBee终端设备，其结构如图4所示。在ARM9处理器中移植Web服务器Boa作为家庭网关，负责对整个智能家居设备的管理以及远程监控。由于智能家居中许多家电设备都是通过ZigBee无线传感网络来工作的，因此必须在处理器中保存数据并对ZigBee无线传感网络进行数据融合处理，协调器负责家庭内部Zigbee网络的管理与控制。Wi-Fi模块用来传输大容量信息，通过无线访问节点(AccessPoint，AP)路由器与以太网连接，实现家庭内部网络与Internet的通信。

图4 系统结构
4.9嵌入式技术在网关硬件平台设计中的作用
网关硬件电路主要由控制器模块(S3C2440A)、存储单元(64MBSDRAM、64MBNandFlash和2MBNorFlash)、通信模块(Zigbee模块和Wi-Fi模块)和显示模块(LCD)等组成，其硬件电路结构框图如图5所示。

图 5 系统硬件电路
控制器是整个嵌入式家庭网关的核心，用来对ZigBee通信模块进行相应配置并接收ZigBee终端节点的数据，利用Wi-Fi协议将网关通过Wi-Fi模块连接到Internet网络。为了能达到高性能、低功耗的目的，设计的嵌入式网关采用以ARM920T为核心的32位的RISC微处理器S3C2440A作为主控制器，该处理器集成了LCD控制器、USBHost、NAND控制器、BUS控制器、中断控制、功率控制、存储控制、UART、SPI和GPIO等丰富的外围资源，通过外扩存储器、串口、USB接口和JTAG调试接口等构成硬件平台。Wi-Fi通信模块用来实现家庭网关与Internet连接。通过本无线智能家居网关控制的设计便可完成上述所涉及智能家居整体系统中的在家庭内部实现对智能家电的无线控制功能。而要完成远程控制，则可采用无线串口通信与嵌入式结合实现此功能。
4.10嵌入式无线智能家庭网络的远程控制
这是一种基于Internet和GSM网络的无线智能家庭网络的设计方案。采用嵌入式系统作为家庭网关,将Internet网和GSM网连入智能家庭网络,可实现PC机和手机短信对家电设备的远程控制和管理。我们采用无线连接的方式。这里的重点仍然是家庭网关的设计。
4.11家庭网关的硬件系统设计
嵌入式系统具有低成本、低功耗、可靠性高、软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点。因此,为了适应普通用户,采用嵌入式系统作为智能家庭网关。家庭网关的硬件系统设计是以一款基于ARM920T内核的嵌入式微处理器S3C2410为核心,通过外扩存储器(Flash/SDRAM)、以太网接口模块、GSM模块、无线串口收发模块、LCD显示模块和键盘控制模块等来构建硬件平台。家庭网关的硬件平台如图6所示。

图6 家庭网关的硬件平台
S3C2410芯片处理速度快、功耗极低,与其他ARM芯片相比,具有丰富的片内外围接口。本设计采用一片K9F1208作为NAND Flash存储器系统,容量大小为64MB,用来存放操作系统、应用程序和其他数据;采用一片HY57V561620CT作为SDRAM,容量大小为32MB。
为实现手机短信控制家电设备这一功能,需要在家庭网关中连接GSM模块,作为家庭网关与GSM网络的接口。模块采用Siemens公司推出的新一代无线通信GSM模块TC35。TC35有AT命令集接口,支持文本和PDU模式的短消息。GSM模块可连接到S3C2410所提供的三个异步串口之一上。
无线串口收发模块采用2.4GHz无线单片收发一体芯片nRF2401。nRF2401是业界体积和功耗最小、外围元件最少的低成本射频收发芯片。将nRF2401无线收发芯片上的标准RS232串行接口与S3C2410的一个异步串口相连,从而实现家庭网络内部的无线串口通信。
LCD显示模块采用三星3.5英寸液晶屏LTV350QV-F05,它是256色、分辨率为240*320的TFT液晶屏,带触摸屏。
键盘控制模块:S3C2410提供了117个通用I/O口,本系统设置了8个按键。此外,S3C2410扩展了USB外部接口,可连接键盘使用。
4.12家庭网关的软件系统设计
采用嵌入式Linux作为家庭网关的操作系统，用C++语言编写相应的软件。为了实现远程控制,家庭网关需要接收由外部网络发来的控制信息,为此,程序的设计分成两个线程:一个线程是基于TCP/IP协议,等待接收通过Internet发来的指令;另一个线程是基于手机的AT指令,等待接收手机发来的短消息控制指令。家庭网关接收到控制指令后,通过对指令的分析,判断出用户想要执行的操作,并按照通信协议规范生成相应的控制帧,通过无线串口收发模块发送给被控端。应用程序流程图如图7所示。

图7家庭网关的应用程序流程

4.13远程用户端的设计
(1)PC机远程控制家电。在PC机这一端,采用VB语言编写用户操作界面。用户通过输入家庭网关的IP地址来实现与家庭网关的通信。
(2)手机短信远程控制家电。用手机短信编写控制指令要遵循规定的指令格式。如短消息系统发送的控制指令格式为:<控制命令><空格><被控对象><空格>[参数]。其中,控制命令、被控对象和参数是预先规定好的、家庭网关应用程序可识别的一组词,用户只能在规定的词中选择,例如,编辑短消息:开 电饭锅 保温,则表示要把电饭锅打开到保温状态。

图 8 远程控制智能家庭网关的系统结构

通过Internet和GSM网络与嵌入式结合设计的无线智能家庭网络，可以完成远程控制智能家用电器。
5.嵌入式与无线技术结合实现的智能家居案例
下图为一个三室两厅智能家居的案例：

5.1户型
三室两厅：主卧、次卧、书房、客厅、餐厅。
5.2实现的功能
家居智能家电、照明系统；远程智能控制家电系统（电话、网络）；家庭安防系统；可视对讲系统。
5.3系统结构图
图中最左边两条竖虚线表示红外遥控信号；其它虚线表示射频遥控信号；带箭头实黑线为安防信号；箭头方向为信号传递方向。
5.4使用到的产品
智能网关
A家庭安全防范功能提供14路有线防区接入，2路输出；无线撤布防，紧急求助等功能；电话和网络进行布防，具有联动控制功能。
B可视对讲（可选） 通过与门口机的连接，实现用户与访客之间的视频对讲、开锁。
C电话远程控制 智能网关嵌入电话语音模块，通过用户电话线路实现电话报警功能；通过网关电话语音模块可进行远程布防等安全操作；对家电、照明系统进行远程电话控制。
D网络远程控制通过网络对家居内的家电、灯光、插座、安防探测器进行远程网络控制；家居内安防系统进行远程布撤防、消警、报警查询等功能。
E家庭语音留言录制语音留言。
F邮件服务电子邮件的收发功能。
5.5系统配置
三室两厅推荐配置
6.结语
社会的全面信息化、数字化、智能化和自动化，家居的智能化必将成为未来家居发展的新方向。而随着无线网络技术的逐渐成熟和嵌入式技术的不断完善，基于嵌入式的无线智能家居必将成为时代的主流。各种不同的无线技术与嵌入式的结合会产生不同种类的智能家居，其性能上必有其优点与不足，将来有一天将不同的无线技术应用到一起，利用各自的优点发展起来的嵌入式无线智能家居一定会受到人民大众的追捧并最终得到普及。
7.参考文献
[1]祝捷，嵌入式软件模块调试方法探讨[J]，电子工程师，2004
[2]奇妙的蓝牙技术[J]，通信与广播电视,2001
[3]张清扬，红外技术[J]，科技风,2010
[4]Steven，无线射频技术介绍[J]，数字社区&智能家居,2007
[5]李志，无线射频技术在智能家居中的应用[J]，智能建筑电气技术,2010