基于A(yíng)RM-Linux平臺及GPRS技術(shù)的家庭智能控制系統設計

摘 要： 主要介紹了一種基于嵌入式系統的ARM-Linux 平臺及GPRS 技術(shù)的家庭智能控制系統。采用ZigBee技術(shù)組建家庭無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現ARM 控制器與各家庭智能模塊的無(wú)線(xiàn)連接；戶(hù)主通過(guò)手機利用GPRS網(wǎng)絡(luò )對ARM 控制器發(fā)送控制命令，ARM 控制器通過(guò)ZigBee 模塊對各家庭智能模塊進(jìn)行無(wú)線(xiàn)控制，從而實(shí)現對整個(gè)家庭智能系統的遠程控制。

　　隨著(zhù)生活節奏的不斷加快，人們希望即使在工作或外出時(shí)也能及時(shí)了解家中的情況并控制家中的各種設備。各種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，使家庭智能系統的遠程控制成為一種現實(shí)。本文結合ARM9 處理器功能強大、GPRS 技術(shù)永遠在線(xiàn)，接入范圍廣，功耗低以及ZigBee 無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)，設計實(shí)現了一種基于嵌入式系統的無(wú)線(xiàn)家庭智能控制系統。

1 系統體系結構及主要功能

　　系統主要由家庭智能控制模塊、圖像處理單元、ARM 中央控制平臺、ZigBee 無(wú)線(xiàn)傳輸、GPRS 無(wú)線(xiàn)通信和以太網(wǎng)通信等部分組成，其體系結構如圖1 所示。

圖1 系統體系結構

　　其中家庭智能控制模塊主要包括家電控制模塊、窗簾控制模塊、燈光控制模塊及安防控制模塊。各控制模塊通過(guò)ZigBee 模塊與ARM 中央控制平臺實(shí)現無(wú)線(xiàn)連接，組成一個(gè)星型家庭無(wú)線(xiàn)智能控制網(wǎng)絡(luò )。同時(shí)ARM 中央控制平臺連接一個(gè)USB 攝像頭，實(shí)現對家庭環(huán)境的實(shí)時(shí)監視。ARM 控制器通過(guò)GPRS 和以太網(wǎng)實(shí)現與外部遠程連接。即使出門(mén)在外，也可以實(shí)現對家庭智能系統的遠程控制。比如上班時(shí)，戶(hù)主可以通過(guò)電腦或手機觀(guān)察家中的情況；在回家的路上就可以通過(guò)手機打開(kāi)空調和熱水器，開(kāi)啟窗簾或燈具等。當探測到有非法人員入侵或發(fā)生火災等緊急情況時(shí)，ARM 控制器就會(huì )通過(guò)短信向戶(hù)主發(fā)出報警信息，同時(shí)控制攝像來(lái)捕捉視頻圖像，然后進(jìn)行圖像處理并將數據通過(guò)以太網(wǎng)傳給PC 機，或通過(guò)GPRS 以彩信形式傳到戶(hù)主手機。

2 系統硬件設計

　　本系統硬件電路框圖如圖2 所示，主要由ARM9控制器，電源及復位模塊，觸摸屏顯示模塊，USB 攝像頭，以太網(wǎng)接口模塊，GPRS 模塊，ZigBee 無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，各家庭控制模塊等組成。

圖2 系統硬件電路框圖。

2.1 ARM 中央控制模塊

　　ARM 中央控制模塊由ARM9 控制器、FLASH、SDRAM、電源及復位模塊、LCD 觸摸屏及相關(guān)外圍電路組成。系統選用SAMSUNG 的基于A(yíng)RM920T 內核的16/32 位RISC 處理器S3C2440 作為控制器。

　　S3C2440 處理器功能強大、性?xún)r(jià)比高、功耗低，除具有一般嵌入式芯片所具有的總線(xiàn)、SDRAM 控制器以外，還具有豐富的擴展功能接口，內部集成了TFT/STN LCD 和觸摸屏控制器、SD MMC 存儲卡接口和攝像頭接口等大量的功能模塊，便于構建外圍電路，視頻處理能力非常強。系統采用64M 的NAND 型Flash K29F2808 來(lái)存放系統啟動(dòng)代碼、內核代碼及根文件系統；SDRAM 選用2 片HY57V561620CTP-H 構成容量為64MB 高速動(dòng)態(tài)隨機存儲器。

　　2.2 ZigBee 模塊

　　為了滿(mǎn)足家庭智能系統簡(jiǎn)潔、方便的要求，系統采用ZigBee 無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)組建家庭網(wǎng)絡(luò )。ZigBee 是一種新興的短距離、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。ZigBee 模塊采用支持IEEE802.15.4 協(xié)議，技術(shù)成熟的CC2430 芯片。經(jīng)測試，室內有效傳輸距離為30~40m,完全能夠覆蓋普通家庭環(huán)境。下面從抗干擾及功耗兩方面闡述本設計的可行性。

　　2.2.1 Zigbee 抗干擾性能分析

　　ZigBee 技術(shù)的抗干擾特性主要是指抗同頻干擾。

　　IEEE802.15.4 標準中提供了很多抗干擾機制[2],比如：空閑信道評估，動(dòng)態(tài)信道選擇，信道算法等。實(shí)驗證明，正確選擇信道，增大頻偏，ZigBee 與Wi-Fi可以近距離（小于2m）共存；藍牙采用調頻技術(shù)，對ZigBee 的干擾很小，兩者能很好的共存；WirelessUSB可以根據干擾環(huán)境自動(dòng)變換信道，因此完全可以同ZigBee 共存；此外，為了減小無(wú)繩電話(huà)（2.4GHz）對ZigBee 的干擾，設計中ZigBee 設備放置在離客廳中心較遠的地方，使干擾源盡量遠離ZigBee 網(wǎng)絡(luò )，經(jīng)測試可行；當微波爐與ZigBee 設備距離大于1m 時(shí)，干擾則可以忽略不計。因此ZigBee 在2.4GHz 頻段能可靠地與Wi-Fi、藍牙、WirelessUSB 以及家用無(wú)繩電話(huà)和微波爐共存。

　　2.2.2 Zigbee 功耗分析

　　ZigBee 模塊支持多種工作模式，包括運行（發(fā)送與接收）、空閑和休眠等。通過(guò)監測傳感器節點(diǎn)的正常工作，發(fā)現節點(diǎn)大部分時(shí)間處于空閑狀態(tài)。而空閑模式的功率消耗與運行模式大體相同，收發(fā)模塊長(cháng)期處于空閑模式會(huì )消耗大量能量。因此，當節點(diǎn)空閑時(shí)應使其處于休眠狀態(tài)。當需要節點(diǎn)工作時(shí)，通過(guò)外部中斷或定時(shí)中斷將其喚醒，進(jìn)入運行狀態(tài)。本設計經(jīng)測試，系統運行一個(gè)月后，電池電壓變化輕微，實(shí)際應用中兩節普通5 號干電池使用壽命超過(guò)一年。

　　2.3 GPRS 模塊

　　GPRS（General Packet Radio Service），即通用分組無(wú)線(xiàn)服務(wù)技術(shù)，是一種以GSM 為基礎的數據傳輸技術(shù)。GPRS 采用分組交換技術(shù)，支持資源共享，頻帶利用率高，數據傳輸率高。GPRS 最高傳輸率可達171.2kbit/s,支持X.25 協(xié)議和IP 協(xié)議；用戶(hù)永遠在線(xiàn)且按流量、時(shí)間計費，通信成本低。因此，將GPRS技術(shù)應用于家庭智能控制系統的無(wú)線(xiàn)數據傳輸是最佳選擇。

　　GPRS 模塊主要功能是通過(guò)GPRS 網(wǎng)絡(luò )實(shí)現ARM控制器與戶(hù)主手機之間的數據交換。經(jīng)過(guò)性能與成本的綜合考慮，系統選用西門(mén)子公司的MC55 GPRS 模塊。

　　MC55 集成了完整的射頻電路和GPRS 基帶處理器，提供了完整的GSM 和GPRS 無(wú)線(xiàn)接口；支持數據、語(yǔ)音、短消息和傳真等多種通信方式，采用TCP/IP 網(wǎng)絡(luò )協(xié)議進(jìn)行通信，GPRS 數據包最高可達1.5K;GPRS 模塊與ARM 控制器采用AT 指令集通過(guò)串口進(jìn)行數據通信。

圖3 ARM 控制器與GPRS 模塊連接圖。

　　如圖3 所示，系統采用SP3238 芯片實(shí)現電平轉換，S3C2440 通過(guò)UART1 控制MC55,通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )采用短信或撥打電話(huà)的方式與用戶(hù)手機進(jìn)行通信來(lái)實(shí)現對家庭智能系統的遠程控制。

3 系統軟件設計

　　軟件部分的設計主要是基于A(yíng)RM-Linux,與其他嵌入式操作系統相比，Linux 操作系統具有完整的TCP/IP 協(xié)議，良好的穩定性和實(shí)時(shí)性，很好的滿(mǎn)足了家庭智能控制系統對系統可靠性的要求；此外，Linux易于移植裁減、內核小、效率高、源代碼開(kāi)放并有眾多的開(kāi)發(fā)者，為系統的開(kāi)發(fā)提供了良好的技術(shù)支持。

　　系統開(kāi)發(fā)首先要建立交叉編譯環(huán)境，然后引導bootloader,移植操作系統，裝載文件系統，開(kāi)發(fā)圖形界面，最后編寫(xiě)應用程序。Bootloader 主要實(shí)現系統的快速引導，將Linux 內核加載到內存，并進(jìn)行內核初始化。Linux2.6 內核具有強大的進(jìn)程、中斷、內存和設備管理，支持各種文件系統。

　　系統主程序流程如圖4 所示，主程序由一系列用來(lái)實(shí)現相應功能的子程序組成，主要包括ZigBee 無(wú)線(xiàn)通信程序、各智能模塊控制程序、GPRS 無(wú)線(xiàn)通信程序、圖像采集壓縮程序、和以太網(wǎng)通訊程序等。限于篇幅，這里主要闡述GPRS 無(wú)線(xiàn)通信的實(shí)現。

圖4 系統主程序流程。

　　GPRS 模塊程序設計主要用AT 指令編寫(xiě)，結合一些主要函數來(lái)實(shí)現GPRS 模塊各項功能，包括GPRS模塊初始化、GPRS 網(wǎng)絡(luò )參數配置、AT 命令的收發(fā)、短信收發(fā)、撥打電話(huà)和發(fā)送彩信等。

　　3.1 GPRS 模塊的初始化

　　系統啟動(dòng)之后，通過(guò)調用gprs_init（）函數實(shí)現基本的初始化工作，包括串口初始化，MC55 的狀態(tài)設置等。通過(guò)調用char gprs_getkey（）函數獲取鍵盤(pán)輸入值。

　　3.2 AT 命令的接受和發(fā)送

　　GPRS 模塊通過(guò)UART1 與S3C2440 進(jìn)行通訊，S3C2440 通過(guò)串口發(fā)送AT 命令到GPRS 模塊并讀取GPRS 模塊的輸入。S3C2440 通過(guò)調用int send_gprs_cmd（int fd,char*send_buf）函數發(fā)送AT 命令到GPRS 模塊中，并通過(guò)int read_gprs_datas（intfd,char*rcv_buf）函數讀取GPRS 模塊的數據。如果通信成功返回GPRS_OK,否則返回GPRS_ERR.

　　3.3 短信的收發(fā)及彩信的發(fā)送

　　GPRS 模塊向戶(hù)主手機發(fā)送的短信是設定好的，模塊初始化時(shí)短信的內容、服務(wù)中心號碼及目標手機號碼都已設置完畢，出現緊急情況時(shí)，系統只需調用AT 指令即可完成短信的收發(fā)。AT+CMGS=n,發(fā)送長(cháng)度為n的一條短信；命令發(fā)出后，GPRS 模塊回送">",處理器收到提示符即將短信內容發(fā)給GPRS 模塊，發(fā)送成功返回" OK ", 否則返回" ERR ".接收短信由AT+CMCR=Index>CR>指令來(lái)實(shí)現，然后處理器再根據收到的短信指令去控制各家庭智能模塊。

　　彩信的功能主要是當家庭出現緊急情況時(shí)，將攝像頭的截圖以彩信形式發(fā)送到用戶(hù)手機。其功能函數如下：

　　intmms_send（char*fro,char*to,char*subj,char*cont,char*img, long len）

　　參數fro 為模塊SIM 卡號碼；to 為戶(hù)主手機號碼；subj 為彩信標題；cont 為彩信的文字信息；img 為圖片的地址指針；len 為圖片字節數。發(fā)送成功返回MMS_OK,否則返回MMS_ERR.

4 結語(yǔ)

　　本文介紹了一種基于A(yíng)RM 與GPRS的家庭智能控制系統，給出了詳細的系統架構方案，從軟、硬件兩方面闡述了設計思路和實(shí)現方法。系統采用GPRS 技術(shù)實(shí)現了家庭智能系統的遠程控制；采用ZigBee 技術(shù)組建家庭無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，很好的解決了主控制器與各家庭控制模塊之間的通信問(wèn)題，避免了繁瑣的布線(xiàn)；有很好的實(shí)際運用價(jià)值，是未來(lái)家庭智能系統發(fā)展的一個(gè)趨勢。