嵌入式無線技術在智能家居中的應用

嵌入式無線技術在智能家居中的應用姓名：學號：指導老師：摘要：隨著嵌入式技術、網絡及信息技術的開展，智能家居的理念漸漸深入人心，與此同時，無線技術也在逐步開展，目前已比擬成熟的無線連接方式包含了藍牙連接、紅外連接(IR)和無線(RF)連接三種方式，近幾年Wi-Fi的開展迅猛，但實踐根底還不夠完善。智能家居這一概念提出已久，大局部的智能家居是基于嵌入式系統并且在有線技術的輔助下完成，但由于有線技術布線困難、投資大等缺點，基于嵌入式無線技術的智能家居便應運而生。對于大局部穩定性要求不是很高的家電而言，無線技術完全可以保證系統的順利平安進行，這樣無論是利用PC還是均用戶均可以在不同地點不同時刻甚至是遠程控制家中的智能電器。本文將從幾種不同的無線技術著手，分別介紹嵌入式技術在這幾種無線接入技術下實現的智能家電控制系統，進一步闡述嵌入式無線技術的重要性。關鍵詞：嵌入式技術；無線技術；智能家居1、引言：隨著科學技術的迅速開展,住宅智能化是人類住宅一場新的革命,現代社會的家庭正在以家庭智能化帶來多元化信息和平安、舒適、便利的生活環境,更加輕松、有序、高效的現代生活方式,作為一個理想的目標來永恒追求。目前,智能產業在世界各地已經迅速開展,在不久的將來,沒有智能家居系統的住宅將會象當今不能上網住宅那樣不合潮流。因此,家居智能化將是大勢所趨。我國的智能家居技術與歐美國家相比大概要滯后2～3年,國外的智能家居產品占據著國內高端產品市場[1]。例如,HAI(美國海益)智能家居系統在安防保護、溫度控制和燈光自動控制方面提供了簡捷、可靠、平安的操作,但是沒有提供遠程控制方面的功能。此外，對于一些老房子，由于在新建時未考慮布線的問題，那么無法或很難實現智能家居的改造。在這樣的背景下,無線技術下的智能家居便應運而生，本文針對不同無線技術下的智能家居控制裝置的實現進行了剖析，以到達更深的理解研究。無線知識概述藍牙[2]藍牙技術是一種無線數據與語音通信的開放性全球標準，它以低本錢的近距離無線連接為根底，為固定與移動設備通信環境建立一個特別連接。其程序寫在一個9x9mm的微芯片中。藍牙無線技術主要包括一種在2.4ISM頻段用于個人區域網絡(PAN)的低本錢、低功率無線接口，實時傳輸數字數據和語音信號，其數據速率為1Mb/s。時分雙工傳輸方案被用來實現全雙工傳輸。使用IEEE802.15協議。紅外技術[3]×105GHz，紅外數據協會(IrDA)制定了一種標準的紅外通信方法。這種方法包括通常用在移動、筆記本電腦和掌上電腦中。紅外通信也是被設計用于短距離、低功率、無許可證的通信。無線射頻技術無線射頻技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低本錢的無線通信技術。這種技術的優點是局部產品無需重新布線，利用點對點的射頻技術，實現對家電和燈光的控制，安裝設置都比擬方便，主要應用于實現對某些特定電器或燈光的控制，本錢適中[4]。普通家用或商用接收器，通常使用紅外線，信號收發要求直線路徑，容易受外物遮擋。使用無線射頻技術，信號收發不受外物遮擋，凡在系統覆蓋范圍內，不管任何方位或角度，接收皆準確可靠。此外，信號根據使用地區的不同，由315M或434MHz無線頻率傳輸，穿墻越壁，不受任何外物遮擋。[5]系統在開放環境中，覆蓋范圍可達100m。加上無線射頻耗電量低，覆蓋面廣，任何角落，均可操控。ZigBee技術ZigBee技術是一種新型的無線、短距離、低功耗組網通訊技術，具有低復雜度、低功耗、低本錢、高效率，可靠度高和網絡覆蓋面積廣等技術優勢，工作在免費的2.4GHz-2.5GHzISM微波段，具有較強的抗干擾性和設備聯絡功能，能夠實現1500m的全向識別，傳輸速率最高可達10Mbit/s，它支持3種主要的自組織無線網絡類型，即星狀結構、網狀結構和族狀結構，這些網絡具有較強的網絡健壯性和系統可靠性。2.5Wi-Fi技術[6]Wi-Fi技術，即“WirelessFideLity〞的簡稱，意思是無線保真技術，是一種符合IEEE標準的無線接入技術，是一種可以將個人電腦、手持設備〔如PDA、〕等終端以無線方式互相連接的技術。利用Wi-Fi無線通信技術將PC等設備連接起來，以幫助用戶訪問電子郵件、Web和流式媒體等，為互相通信、實現資源共享的網絡提供快速、便攜的途徑。3、智能家居概述智能家居〔SmartHome〕是利用計算機技術、網絡通信技術、綜合布線技術和傳感技術等，依照人體工程學原理，將家居生活中的各類電子設備有機的結合在一起，通過網絡化綜合智能控制和管理的一種嵌入式系統。[7]智能家居控制系統的具體功能包括：家居電器的綜合監控：對所控制的家居電器進行開關、工作參數的設置和工作狀態的檢測。室內環境信息采集：采集家居環境的溫度、濕度信息和煤氣、煙氣等有毒氣體的檢測。自動報警：當檢測到家居環境的溫度、濕度、煤氣、煙氣等超標，或檢測到有陌生人強行開啟室門或進入室內時就自動報警，告知居室主人。本地控制：用戶在本地可通過計算機或家居電器本身的操作鍵對家居電器進行監控。遠程控制：用戶遠程可以通過短息或互聯網對家居電器進行控制或工作狀況查詢。平安防盜：家居中的所有與控制系統連接的電器設備均可實現與主人通信，一旦盜賊對某設備進行操作，或某設備工作狀態異常時，系統將立即通知主人，以到達平安和防盜的目的。4嵌入式無線技術在智能家居中的應用4.1無線智能家居總體控制系統設計本無線智能家居控制系統主要包括ARM9核心控制模塊，無線通信模塊、LCD觸摸屏模塊和家居電器，另外還有傳感檢測，語音報警和電源等模塊。系統總體結構模型圖如圖1所示。圖1系統總體結構設計其中ARM是整個系統的控制核心，通過GPRS和ZigBee無線通信網絡收發控制指令實現對家居電器進行綜合監控，同時提供防火墻的功能，阻止外界對家庭內部設備的非法訪問和攻擊。無線通信模塊分為本地和遠程兩局部，本地通信主要通過新型的ZigBee無線通信技術實現系統與家居電器的通信，到達對其控制；遠程通信是利用通過GPRS通信網絡或利用計算機通過互聯網實現人與控制系統的通信，進而到達對家居電器的遠程監控。采用無線通信技術省去了布線使家居布局更加靈活，遠程控制使家居電器工作更加貼近人們的工作和生活要求。[8]系統硬件主要由ARM9微處理器、GPRS通信網絡、ZigBee通信技術、LCD觸摸屏、語音報警和電源等模塊組成。4.1.1.1ARM9微處理器微處理器采用三星公司的ARM9(S3C2440)。S3C2440是一款高性能32位RISC微處理器,采用了ARM920T的內核，0.13um的CMOS標準宏單元和存儲器單元，最高主頻可以到達400MHz，提供多款液晶屏配置。ARM920T實現了MMU，AMBABUS和Harvard高速緩沖體系結構，這一結構具有獨立的16Kb指令Cache和16Kb數據Cache，每個都是由具有8字長的行組成。通過提供一套完整的通用系統外設，無需配置額外的組件從而減少整體系統本錢，為手持設備和一般類型應用提供了低價格、低功耗、高性能小型微控制器的解決方案。GPRS網絡是覆蓋范圍最廣，性能較為完善的無線網絡，GPRS網絡本身具有較強的數據糾錯能力，數據傳輸速率最高可達128Kb/s，能夠保證數據傳輸的可靠性和實時性。ZigBee技術組成的無線傳感器網絡結構簡單、體積小、本錢低；采用GPRS網絡進行數據傳輸的模塊體積小、功耗低，適合作為無線傳感器網絡的數據節點，ZigBee技術與GPRS通信網絡相結合組成新的無線通信網絡。GPRSDTU無線通信模塊采用成都眾山電子的ZSD2110GPRSDTU。ZSD2110是一款使用GPRS網絡進行數據無線透明傳輸的嵌入式DTU模塊。內置工業級GPRS引擎和嵌入式處理器。支持PPP、TCP、UDP、ICMP等眾多復雜網絡協議和SOCKET標準，提供全透明數據傳輸和用戶自由控制傳輸兩種模式。同時支持點對點、點對多點、設備間、設備與中心間等各種不同的通訊模式。用戶不用關心復雜的網絡協議，使用TTL串行通信接口，就可以進行無線數據收發，使系統能夠隨時隨地接入Internet[9]。基于ZigBee的特點，ZigBee廣泛應用于智能家居控制、工業控制系統。本設計采用的CC2430是一種真正的系統芯片〔SoC〕CMOS解決方案，這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為根底的2.4GHzISM波段應用及對低本錢，低功耗的要求，它結合一個高性能2.4GHzDSS〔S直接序列擴頻〕射頻收發器核心，ZigBee核心模塊圖如圖2所示。圖2ZigBee核心模塊傳感器包括煤氣、煙霧等有毒氣體檢測器，人體紅外探測器，門窗磁開關，溫度、濕度、光照度傳感器等，所有的傳感器都與無線傳輸模塊P1R2000連接，構成無線傳感器網絡并與控制系統實現實時通信。顯示模塊選用低電壓低功耗的LCDl2832液晶顯示屏，LCDl2832是一款分辨率為128×32的中英文圖形液晶〔黃色背光〕顯示模塊，具有4位/8位并行2線或3線串行多種接口方式，內部置有8192個16×16點陣的一級、二級簡體漢字和128個16×8點ASCII字符集，用來顯示8×2行16×16點陣的漢字對話信息，構成全中文人機交互圖形界面并顯示當前時間、日期、星期、濕度、溫度、定時提醒等信息和煤氣等有毒的含量超標時報警提示的輸出信息。整個智能家居控制系統以ARM9微處理器為核心，支持C語言和匯編語言，本系統采用C語言與匯編語言混合編程。低層驅動由匯編語言編寫，對外留C語言接口，人機交換采用Linux嵌入式實時操作系統。系統軟件由系統主程序、初始化子程序、ZigBee通信子程序、GPRS通信子程序、傳感檢測子程序、顯示子程序、報警子程序、數據處理子程序和遠程控制子程序等模塊組成，程序軟件流程圖如圖3所示。圖3系統軟件流程圖本系統基于ARM9的無線嵌入式智能家居控制系統的總體解決方案，該方案主要以微處理器ARM9為核心，采用ZigBee和GPRS無線通信技術、傳感技術和互聯網技術，實現了對家居電器進行本地和遠程的無線監控，克服了傳統的僅限于有線和本地的家居監控方式，優化了人們的生活方式，具有較高的實用價值。其中采用ZigBee和GPRS無線通信技術來到達家庭內部控制和遠程控制的功能還可以采用其他無線與嵌入式結合的方式解決。4.2無線智能家居網關控制[10]系統主要包括ARM9處理器S3C2440A(家庭網關)、ZigBee模塊(協調器)、Wi-Fi模塊、ZigBee終端設備(如紅外探測器、門磁開關和火災探測器和煙感燃氣探測器等)，其結構如圖4所示。在ARM9處理器中移植Web效勞器Boa作為家庭網關，負責對整個智能家居設備的管理以及遠程監控。由于智能家居中許多家電設備都是通過ZigBee無線傳感網絡來工作的，因此必須在處理器中保存數據并對ZigBee無線傳感網絡進行數據融合處理，協調器負責家庭內部Zigbee網絡的管理與控制。Wi-Fi模塊用來傳輸大容量信息，通過無線訪問節點(AccessPoint，AP)路由器與以太網連接，實現家庭內部網絡與Internet的通信。圖4系統結構系統處理根本流程如下:系統內部由Zigbee星型網絡組成，家中電器開關狀態和傳感器的控制信息在網絡中自由傳輸，經由協調器(Zigbee模塊)傳送至Web效勞器的網關，再由網關通過Wi-Fi經無線路由連接到外部以太網，用戶可以通過遠程用戶界面端了解家中電器狀態;家庭網關可以通過無線網絡對遠程用戶的控制命令作出判斷和響應，從而開啟或關閉家中的電器。4.2.22嵌入式技術在網關硬件平臺設計中的作用網關硬件電路主要由控制器模塊(S3C2440A)、存儲單元(64MBSDRAM、64MBNandFlash和2MBNorFlash)、通信模塊(Zigbee模塊和Wi-Fi模塊)和顯示模塊(LCD)等組成[8]，其硬件電路結構框圖如圖5所示。圖5系統硬件電路控制器是整個嵌入式家庭網關的核心，用來對ZigBee通信模塊進行相應配置并接收ZigBee終端節點的數據，利用Wi-Fi協議將網關通過Wi-Fi模塊連接到Internet網絡。為了能到達高性能、低功耗的目的，設計的嵌入式網關采用以ARM920T為核心的32位的RISC微處理器S3C2440A作為主控制器，該處理器集成了LCD控制器、USBHost、NAND控制器、BUS控制器、中斷控制、功率控制、存儲控制、UART、SPI和GPIO等豐富的外圍資源，通過外擴存儲器、串口、USB接口和JTAG調試接口等構成硬件平臺。ZigBee模塊上述已經介紹過，在此不再贅述。Wi-Fi通信模塊用來實現家庭網關與Internet連接。Wi-Fi模塊采用威盛的VT6656芯片實現數據的遠程傳輸，VT6656芯片內嵌TCP/IP協議棧，降低了設計的難度，同時大大提高了主控制器處理其他數據的能力。VT6656與S3C2440A的連接非常簡單，二者可以通過標準的USB接口直接相連。通過本無線智能家居網關控制的設計便可完成上述所涉及智能家居整體系統中的在家庭內部實現對智能家電的無線控制功能。而要完成遠程控制，那么可采用無線串口通信與嵌入式結合實現此功能。[11]這是一種基于Internet和GSM網絡的無線智能家庭網絡的設計方案。采用嵌入式系統作為家庭網關,將Internet網和GSM網連入智能家庭網絡,可實現PC機和短信對家電設備的遠程控制和管理。我們采用無線連接的方式。這里的重點仍然是家庭網關的設計。嵌入式系統具有低本錢、低功耗、可靠性高、軟件代碼小、高度自動化、響應速度快等特點。因此,為了適應普通用戶,采用嵌入式系統作為智能家庭網關。家庭網關的硬件系統設計是以一款基于ARM920T內核的嵌入式微處理器S3C2410為核心,通過外擴存儲器(Flash/SDRAM)、以太網接口模塊、GSM模塊、無線串口收發模塊、LCD顯示模塊和鍵盤控制模塊等來構建硬件平臺。家庭網關的硬件平臺如圖6所示。圖6家庭網關的硬件平臺S3C2410芯片處理速度快、功耗極低,與其他ARM芯片相比,具有豐富的片內外圍接口。支持從NANDFlash啟動,NANDFlash具有容量大、比NORFlash價格低等特點。本設計采用一片K9F1208作為NANDFlash存儲器系統,容量大小為64MB,用來存放操作系統、應用程序和其他數據;采用一片HY57V561620CT作為SDRAM,容量大小為32MB。S3C2410芯片內部沒有以太網控制器,需要外接獨立的以太網控制器,以實現以太網的接入。采用Davicom公司的10M/100M高速以太網控制芯片DM9000,可提供10M/100M以太網的接入。為實現短信控制家電設備這一功能,需要在家庭網關中連接GSM模塊,作為家庭網關與GSM網絡的接口。模塊采用Siemens公司推出的新一代無線通信GSM模塊TC35。TC35有AT命令集接口,支持文本和PDU模式的短消息。GSM模塊可連接到S3C2410所提供的三個異步串口之一上。無線串口收發模塊采用2.4GHz無線單片收發一體芯片nRF2401。nRF2401是業界體積和功耗最小、外圍元件最少的低本錢射頻收發芯片。芯片工作于全球開放的2.4GHz自由頻段;支持多點通信,最高傳輸速率超過1Mbit/s;發射功率、工作頻率等所有工作參數全部通過軟件設置完成;沒有復雜的通信協議,且對用戶透明,同種產品之間可以自由通信;nRF2401能用同一天線同時接收兩個不同頻道的數據;內置CRC糾檢錯硬件電路和協議,可使用戶的產品穩定可靠。將nRF2401無線收發芯片上的標準RS232串行接口與S3C2410的一個異步串口相連,從而實現家庭網絡內部的無線串口通信。LCD顯示模塊采用三星3.5英寸液晶屏LTV350QV-F05,它是256色、分辨率為240*320的TFT液晶屏,帶觸摸屏。鍵盤控制模塊:S3C2410提供了117個通用I/O口,本系統設置了8個按鍵。此外,S3C2410擴展了USB外部接口,可連接鍵盤使用。采用嵌入式Linux作為家庭網關的操作系統，用C++語言編寫相應的軟件。為了實現遠程控制,家庭網關需要接收由外部網絡發來的控制信息,為此,程序的設計分成兩個線程:一個線程是基于TCP/IP協議,等待接收通過Internet發來的指令;另一個線程是基于的AT指令,等待接收發來的短消息控制指令。家庭網關接收到控制指令后,通過對指令的分析,判斷出用戶想要執行的操作,并按照通信協議標準生成相應的控制幀,通過無線串口收發模塊發送給被控端。應用程序流程圖如圖7所示。圖7家庭網關的應用程序流程(1)PC機遠程控制家電。在PC機這一端,采用VB語言編寫用戶操作界面。用戶通過輸入家庭網關的IP地址來實現與家庭網關的通信。(2)短信遠程控制家電。用短信編寫控制指令要遵循規定的指令格式。如短消息系統發送的控制指令格式為:<控制命令><空格><被控對象><空格>[參數]。其中,控制命令、被控對象和參數是預先規定好的、家庭網關應用程序可識別的一組詞,用戶只能在規定的詞中選擇,例如,編輯短消息:開電飯鍋保溫,那么表示要把電飯鍋翻開到保溫狀態。短消息控制指令不能隨意編寫,否那么家庭網關將不能正確解析控制命令,導致用戶操作失敗。圖8遠程控制智能家庭網關的系統結構通過Internet和GSM網絡與嵌入式結合設計的無線智能家庭網絡，可以完成遠程控制智能家用電器。五、嵌入式與無線技術結合實現的智能家居案例[12]下列圖為一個三室兩廳智能家居的案例：三室兩廳：主臥、次臥、書房、客廳、餐廳。家居智能家電、照明系統；遠程智能控制家電系統〔、網絡〕；家庭安防系統；可視對講系統。圖中最左邊兩條豎虛線表示紅外遙控信號；其它虛線表示射頻遙控信號；帶箭頭實黑線為安防信號；箭頭方向為信號傳遞方向。在這個圖中，我們主要關注家庭局部，小區局部為整體小區工程實施使用。智能網關A家庭平安防范功能提供14路有線防區接入，2路輸出；無線撤布防，緊急求助等功能；和網絡進行布防，具有聯動控制功能。B可視對講〔可選〕通過與門口機的連接，實現用戶與訪客之間的視頻對講、開鎖。C遠程控制智能網關嵌入語音模塊，通過用戶線路實現報警功能；通過網關語音模塊可進行遠程布防等平安操作；對家電、照明系統進行遠程控制。D網絡遠程控制通過網絡對家居內的家電、燈光、插座、安防探測器進行遠程網絡控制；家居內安防系統進行遠程布撤防、消警、報警查詢等功能。E家庭語音留言錄制語音留言。F郵件效勞電子郵件的收發功能。信息家電控制器實現家庭內部所有本地遙控操作，與智能插座、開關、DVD遙控器、電視遙控器，窗簾控制器等直接對碼實現控制。是真正意