基于GPRS的智能家居無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

童耀南, 陳 松, 李春來

(1.湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院,湖南 岳陽 414006;2.湖南理工學(xué)院 物理與電子學(xué)院,湖南 岳陽 414006)

基于GPRS的智能家居無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

童耀南1, 陳 松1, 李春來2

(1.湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院,湖南 岳陽 414006;2.湖南理工學(xué)院 物理與電子學(xué)院,湖南 岳陽 414006)

分析了將GPRS無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的可行性.采用先進(jìn)的嵌入式ARM9微處理器作為主控制器,利用成熟的GPRS短信業(yè)務(wù)作為通信方式,設(shè)計(jì)了一個(gè)無線監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng).給出了詳細(xì)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)思路,提供了關(guān)鍵程序的流程圖.系統(tǒng)具有操作簡單、運(yùn)行成本低、全天在網(wǎng)等特點(diǎn).

ARM;GPRS;智能家居;無線監(jiān)控

智能家居技術(shù)于20世紀(jì)70年代中期在美國誕生.隨著智能家居在國際市場(chǎng)的不斷膨脹,21世紀(jì)初,它悄然進(jìn)入了中國市場(chǎng).現(xiàn)在,國內(nèi)許多從事智能家居行業(yè)的公司正在蓬勃興起,關(guān)于智能家居的研究方興未艾.

從技術(shù)層面看,目前智能家居離“智能化”還有很長的距離,智能家居的發(fā)展趨勢(shì)有以下幾個(gè)方向:網(wǎng)絡(luò)化、智能化、人性化、節(jié)能環(huán)保、一體化、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、成本低廉化[1].其中“網(wǎng)絡(luò)化”除了加強(qiáng)傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)在其中的應(yīng)用之外,無線網(wǎng)絡(luò)將是智能家居發(fā)展的一條快捷方便之道.GPRS除了個(gè)人數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)之外,近幾年來在許多領(lǐng)域都有非常出色的應(yīng)用,如應(yīng)用于油田數(shù)據(jù)采集[2],車載無線數(shù)據(jù)傳輸[3]和水紋自動(dòng)測(cè)報(bào)[4]等方面.可見,將GPRS應(yīng)用在智能家居領(lǐng)域,以實(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)程監(jiān)控,在技術(shù)方面具有可行性,并具有較好的市場(chǎng)應(yīng)用前景.

1 總體設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)的硬件部分分成電器設(shè)備接口模塊、處理器模塊和通信接口模塊三大部分,電器接口模塊實(shí)現(xiàn)空調(diào)、電視等的控制,以及煙霧和煤氣等傳感器的檢測(cè);處理器模塊處理現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、協(xié)調(diào)任務(wù)、執(zhí)行用戶指令等功能;通信接口模塊以公用的GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)作為通道,以SMS(Short Message Service ,短信業(yè)務(wù))作為通信手段,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與用戶之間的數(shù)據(jù)或指令傳輸.在上述硬件的基礎(chǔ)上,基于 Linux操作系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)防盜報(bào)警、環(huán)境監(jiān)控和情景模擬三大功能.監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述總體設(shè)計(jì)思路,規(guī)劃系統(tǒng)硬件接口電路如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)硬件接口示意圖

2.1 ARM微處理器

系統(tǒng)選用了三星公司的 S3C2410芯片作為 CPU.這是一款基于ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC嵌入式微處理器,主要面向手持設(shè)備及高性價(jià)比,低功耗的應(yīng)用,運(yùn)行頻率可達(dá)203MHz.采用 ARM 處理器,避免了傳統(tǒng)單片機(jī)資源有限、運(yùn)行速率慢、難以運(yùn)行操作系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)多任務(wù)調(diào)度等不足.

S3C2410集成了包括存儲(chǔ)器接口、USB主從接口,三個(gè)RS232接口,A/D轉(zhuǎn)換器,JTAG接口,LCD接口等,利用其豐富的硬件資源,可簡化外圍設(shè)備的硬件連接,從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性.S3C2410內(nèi)部集成了一個(gè)10位的COMS A/D轉(zhuǎn)換器,具有8個(gè)模擬輸入通道,轉(zhuǎn)換速度最大達(dá)500KSPS,完全能滿足系統(tǒng)外接溫度傳感器、煙霧傳感器、煤氣探測(cè)器、門禁壓力傳感器和觸摸屏等的需求.系統(tǒng)與電視、空調(diào)、照明、電動(dòng)窗等信息家電采用RS485總線相連接.

2.2 GPRS通信模塊

通訊模塊采用法國WAVECOM公司的GPRS無線傳輸模塊Q2403A.ARM處理器與GPRS模塊彼此通過 RS232 接口相連接.具體連接時(shí),將 S3C2410的串口 UART0接芯片 MAX232,實(shí)現(xiàn) TTL電平到RS232電平的轉(zhuǎn)換,再與GPRS模塊Q2403A相連接(Q2403A模塊提供RS232標(biāo)準(zhǔn)接口).

2.3 系統(tǒng)其它硬件

設(shè)計(jì) UART接口和 JTAG口方便系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試.SDRAM由兩片K4S561632組成,工作在32位的模式下,總?cè)萘窟_(dá)到 64M 字節(jié).另外,為了滿足程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需要,擴(kuò)展了2M字節(jié)的Nor Flash和64M字節(jié)的NAND Flash,Nor Flash選用SST39VF1601,工作在16位的模式下,NAND Flash采用K9F1208.為方便使用時(shí)人機(jī)交互,設(shè)計(jì)了LCD顯示屏,選用三星公司出品的 LTS350Q1-PE1,規(guī)格為 3.5英寸,分辨率為320×240,帶觸摸面板.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括引導(dǎo)加載程序Bootloader、操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)和用戶應(yīng)用程序四部分[5].本文僅限于用戶應(yīng)用程序的設(shè)計(jì).用戶應(yīng)用程序包含監(jiān)控系統(tǒng)主程序和信息家電終端程序兩大部分,其中監(jiān)控系統(tǒng)主程序又包括傳感器檢測(cè)程序、信息家電控制程序、GPRS通信程序等.監(jiān)控系統(tǒng)主程序流程如圖3所示.采用消息通信機(jī)制,將傳感器溢出信號(hào)和用戶遙控信號(hào)都按一定的規(guī)范和優(yōu)先級(jí)編碼成消息,主循環(huán)不斷檢測(cè)消息,一旦有消息就按優(yōu)先級(jí)進(jìn)行消息解析和后續(xù)操作.

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)主程序

3.1 防盜報(bào)警功能設(shè)計(jì)

在程序運(yùn)行的時(shí)間片內(nèi),CPU通過查詢的方式對(duì)室內(nèi)所有已安裝傳感器進(jìn)行循環(huán)檢測(cè).當(dāng)檢測(cè)到某一傳感器的輸出達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的告警閾值時(shí),將向消息處理任務(wù)的消息隊(duì)列發(fā)送一條報(bào)警消息,消息中必須包含傳感器通道編號(hào).

當(dāng)監(jiān)測(cè)到火警、盜警、煤氣泄漏等緊急情況發(fā)生時(shí),進(jìn)行聲光報(bào)警,并向用戶或小區(qū)管理中心發(fā)出警報(bào).給監(jiān)控手機(jī)發(fā)送報(bào)警信號(hào)時(shí),將報(bào)警消息編碼翻譯成對(duì)應(yīng)的含義再發(fā)送,方便用戶閱讀.防盜報(bào)警功能消息編號(hào)見表1.

表1 防盜報(bào)警功能消息編號(hào)

3.2 環(huán)境監(jiān)測(cè)功能設(shè)計(jì)

在主人外出期間,可以通過短信的方式查詢室內(nèi)的溫度、門禁系統(tǒng)狀態(tài)、家電狀態(tài)等.環(huán)境監(jiān)測(cè)功能消息編號(hào)見表2.當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)收到主人發(fā)送來的操作命令后,解析環(huán)境監(jiān)測(cè)命令消息編號(hào)內(nèi)容,執(zhí)行行相應(yīng)的操作.當(dāng)收到CJD命令消息時(shí),系統(tǒng)依次對(duì)掛載在 RS485總線上的所有信息家電進(jìn)行查詢,并將查詢結(jié)果匯總發(fā)送回用戶手機(jī).

表2 環(huán)境監(jiān)測(cè)功能消息編號(hào)

3.3 情景模擬功能設(shè)計(jì)

現(xiàn)代家居對(duì)安全性要求越來越高,在外出期間,主人常常擔(dān)心被盜,因此考慮將電燈、電視機(jī)和電動(dòng)窗簾等以RS485總線的方式掛載在系統(tǒng)上,主人在外出期間可以通過短信方式啟動(dòng)或關(guān)閉這些設(shè)備的運(yùn)行,來模擬主人在家的場(chǎng)景,做到有效防盜.另外,在主人回家之前,可通過 GPRS短信遙控室內(nèi)空調(diào)開啟或燈光開啟,以便回家后有一個(gè)舒適的環(huán)境.情景模擬功能消息編號(hào)見表3.KDG1/0表示當(dāng)系統(tǒng)收到KDG1則開啟燈光,當(dāng)收到KDG0則關(guān)閉燈光.

表3 情景模擬功能消息編號(hào)

3.4 信息家電終端程序

信息家電都是系統(tǒng)監(jiān)控的對(duì)象.要完成與監(jiān)控系統(tǒng)的通信以及執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)來的指令,每一臺(tái)家電都需要設(shè)計(jì)一個(gè)電源接口監(jiān)控模塊.由于功能簡單,我們采用性價(jià)比高的8位AVR單片機(jī)ATTINY13V.監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)作主機(jī),信息家電終端當(dāng)作從機(jī),兩者之間采用主機(jī)查詢、從機(jī)中斷的通信方式.信息家電終端程序以中斷服務(wù)方式設(shè)計(jì).當(dāng)總線上收到信息時(shí)各個(gè)家電終端產(chǎn)生串口終端,進(jìn)入中斷服務(wù)程序.如果收到的地址與從機(jī)地址匹配則打開接收端口,準(zhǔn)備接收主機(jī)發(fā)來的命令.當(dāng)主機(jī)發(fā)送命令時(shí)只有該從機(jī)才會(huì)接收.

3.5 GPRS通信程序

GPRS通信程序完成GPRS模塊的初始化、系統(tǒng)與用戶監(jiān)控手機(jī)建立連接,以及完成SMS短信通信功能,這是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心.編寫GPRS通信程序,首先要熟悉執(zhí)行SMS操作的AT命令以及短信發(fā)送和接受模式.SMS 操作常用AT命令見表4.

表4 SMS操作常用AT命令[6]

短信發(fā)送和接受模式共有3種模式:Block模式;Text模式;PDU模式.PDU已成為目前主流的短信編碼模式.PDU模式下,消息正文經(jīng)過16進(jìn)制編碼后進(jìn)行傳送.在收發(fā)短信的操作中,核心是PDU串的編碼和解碼.通常,PUD編碼串主要由短信中心地址,目的地電話號(hào)碼,消息內(nèi)容和SMS說明信息共4個(gè)部分組成.解碼是編碼的逆過程.

GPRS通信程序要能完成以下三方面的任務(wù):

(1)當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)煤氣泄漏等異常情況時(shí)將異常情況以短信的方式發(fā)送到用戶手機(jī);

(2)執(zhí)行完遠(yuǎn)程用戶指令后將指令執(zhí)行結(jié)果反饋到用戶手機(jī);

(3)接收用戶發(fā)來的短信,并根據(jù)短信的內(nèi)容執(zhí)行相關(guān)操作.當(dāng)收到非預(yù)設(shè)手機(jī)號(hào)發(fā)來的短信時(shí)不執(zhí)行任何操作.

短信發(fā)送和接收主要是通過向GPRS模塊發(fā)送一系列的AT指令來實(shí)現(xiàn)的.實(shí)現(xiàn)短信發(fā)送和接收的流程如圖4所示.

圖4 GPRS短信操作流程

4 結(jié)束語

基于嵌入式ARM和GPRS無線通信技術(shù)設(shè)計(jì)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng),充分利用了GPRS網(wǎng)絡(luò)廉價(jià)的SMS短信息資源,不僅能實(shí)現(xiàn)安防方面的迅速報(bào)警、記錄證據(jù),還能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控室內(nèi)信息家電等功能,系統(tǒng)具有操作簡單、運(yùn)行成本低、全天監(jiān)控、報(bào)警準(zhǔn)確等特點(diǎn),具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.

[1]張鴻愷,伍 超.智能家居及其發(fā)展研究[J].黑龍江信息科技,2008,(32):266

[2]匡國防,吳良杰,叢會(huì)智.油田GPRS 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程,2007,33(13):266～267

[3]農(nóng) 毅.基于CAN總線和GPRS 的無線車載數(shù)據(jù)傳輸[J].計(jì)算機(jī)工程,2008,34(18):239～242

[4]吳秋蘭,梁 勇,張承明,等.基于GPRS的無線水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程,2007,33(02):280～282

[5]潘巨龍.ARM9嵌入式Linux系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006

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[7]李駒光,鄭 耿,江澤明.嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)詳解[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006

Design of Smart Home Wireless Supervision System Based on GPRS

TONG Yao-nan1,CHEN Song1,LI Chun-lai2
(1.College of Information &Telecommunications Engineering,Hunan Institute of Science and Technology,Yueyang 414006；2.College of Physics &Electronics,Hunan Institute of Science and Technology,Yueyang 414006,China)

The effectiveness of taking GPRS to smart home supervision system is analyzed.A home wireless supervision system is presented based on advanced ARM9 microprocessor and mature GPRS short message service,and the consideration in detail about the design of the hardware and software is introduced,and key program flowcharts are provided.The system has the advantages of simple operation,low cost,24-hour supervision and so on.

ARM;GPRS;smart home;wireless supervision

TP311

A

1672-5298(2011)01-0072-04

2010-11-18

湖南理工學(xué)院資助項(xiàng)目(2009Y05,2008Y47)

童耀南(1977? ),男,湖南平江人,碩士,湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院講師.主要研究方向:嵌入式系統(tǒng),信號(hào)與信息處理