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[導(dǎo)讀]摘要:隨著電子技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展,使得家居控制呈現(xiàn)出智能化、遠(yuǎn)程化、無線化的特點(diǎn)。本設(shè)計以ARM嵌入式平臺作為中心控制裝置,利用GSM網(wǎng)絡(luò)、WI—FI無線通訊技

摘要:隨著電子技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展,使得家居控制呈現(xiàn)出智能化、遠(yuǎn)程化、無線化的特點(diǎn)。本設(shè)計以ARM嵌入式平臺作為中心控制裝置,利用GSM網(wǎng)絡(luò)、WI—FI無線通訊技術(shù)、nRF24l01無線組網(wǎng)技術(shù)、以及基于單片杌Atmega16的各類傳感器組建了一個智能家居的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。一方面在本地可以按照需要調(diào)整電器狀態(tài),另一方面各類傳感器可以監(jiān)控家居的安防情況,一旦發(fā)現(xiàn)險情,系統(tǒng)通過GSM模塊通知遠(yuǎn)方主人作出相應(yīng)處理,減少財產(chǎn)損失。本設(shè)計對于進(jìn)一步提高智能家居控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用水平和相關(guān)研究具有一定借鑒意義。

關(guān)鍵詞:智能家居;GSM;nRF24l01;無線通訊;嵌入式;WI—FI

進(jìn)入21世紀(jì)以后,借助網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)的發(fā)展,信息家電已越來越多地出現(xiàn)在人們的生活之中,而這一切的發(fā)展最終目的都是為了方便人們的生活。智能家居的出現(xiàn)體現(xiàn)了人們對人居環(huán)境盡善盡美的追求,它無疑帶給大家一種全新的完美生活理念,讓我們的居住環(huán)境更加舒適和人性化。傳統(tǒng)的有線連接系統(tǒng)面臨著布線復(fù)雜不利于擴(kuò)容和二次開發(fā)、受線纜的限制不能移動不能及時控制、電線需要外設(shè)或穿墻影響美觀等諸多缺點(diǎn)。然而在世界通訊業(yè)和信息產(chǎn)業(yè)高度發(fā)展的今天,無線通訊以其“隨時、隨地、隨身“的服務(wù)優(yōu)勢,開啟了個性化信息時代,造就了不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢?;谝陨峡紤],本設(shè)計建立了一個采用ARM嵌入式控制系統(tǒng)與GSM全球移動通訊系統(tǒng)短消息相結(jié)合的方式,以及各類傳感器的自適應(yīng)控制,實現(xiàn)對家居的智能化。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 硬件設(shè)計

1.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次設(shè)計

該控制系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上分為前向通道和后向通道。前向通道主要以ARM9系列的S3C2440為核心的主控制器構(gòu)成。后向通道主要由GSM TC35遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊為核心的數(shù)據(jù)通信單元構(gòu)成??刂茊卧饕菍κ覂?nèi)的環(huán)境因素進(jìn)行監(jiān)控,并能夠發(fā)出相應(yīng)的控制指令,實現(xiàn)對家居設(shè)備的控制。數(shù)據(jù)通信單元主要完成兩個任務(wù):一是有險情發(fā)生時將當(dāng)前家居設(shè)備的狀態(tài)以短信的方式,借助GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給用戶;二是接收來自用戶手機(jī)發(fā)出的短信,翻譯出其控制要求,輸出到前向通道,完成相應(yīng)的控制功能。結(jié)合上述硬件設(shè)計方案,整個控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

 

 

1.1.2 功能電路實現(xiàn)

1.1.2.1 主控制器

本方案以mini2440開發(fā)板(原理圖如圖2)作為主控服務(wù)器。它采用Samsung S3C2440A為微處理器,并采用專業(yè)穩(wěn)定的CPU內(nèi)核電源芯片和復(fù)位芯片來保證系統(tǒng)運(yùn)行時的穩(wěn)定性。mini2440的PCB采用沉金工藝的四層板設(shè)計。SamsungS3C2440A采用了ARM920T內(nèi)核,0.13μm的CMOS標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲器單元。

 

 

1.1.2.2 無線組網(wǎng)硬件電路

本方案利用nRF24L01無線通信模塊設(shè)計一個無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),實現(xiàn)組網(wǎng)通信。由于nRF24L01模塊帶有SPI口,為了實現(xiàn)與單片機(jī)主控的通信方便快捷,選用ATmega16L單片機(jī)。本方案把ATmega16L單片機(jī)的PA0—PA5連接nRF24L01的控制信號和檢測信號,用于nRF24L01的模式切換以及通信過程中必須的信號指示接口。另外ATmega16L可工作在較低電壓,可與nRF24L01共用同一電源。硬件電路如圖3所示。

 

 

1.1.2.3 其他電路設(shè)計

其他電路主要包括:主控制器電路設(shè)計、電磁閥控制,LED燈管、窗簾控制、聲光燈等電路的設(shè)計。RM主控服務(wù)器是通過通用輸入輸出口(GPIO)與各電器相連的。電磁閥是可以用電控制開關(guān)的水閥。本方案中使用5 V脈沖式電磁閥,不需要持續(xù)供電,由于是雙穩(wěn)態(tài),斷電后能保持先前狀態(tài)。由于電磁閥瞬間電流需求較大,開啟/關(guān)閉時需要正反雙向電流。LED燈管是12 V驅(qū)動的LED燈,單粒LED燈的驅(qū)動電壓為3.3 V。對窗簾的開關(guān)控制是利用L298N電機(jī)驅(qū)動芯片來進(jìn)行對直流減速電機(jī)控制。調(diào)光電路由由主控芯片Atmega 16將通過無線模塊接收到的信號進(jìn)行控制PWM輸出,從而控制燈管亮度。

1.1.3 傳感器選型及電路設(shè)計

1.1.3.1 傳感器選型

本系統(tǒng)涉及的傳感器有:可燃?xì)怏w傳感器、防盜傳感器、溫度傳感器、濕敏傳感器??扇?xì)怏w傳感器采用MQ2可燃?xì)怏w傳感器。它是一種將某種氣體體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成對應(yīng)電信號的轉(zhuǎn)換器。防盜傳感器采用熱釋電紅外探測器,熱釋電紅外探測器是BISS0001配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構(gòu)成的被動式紅外傳感器。該模塊可以通過GSM、WIFI和ARM來控制其工作。溫度傳感器采用LM35溫度傳感器,由于它采用內(nèi)部補(bǔ)償,所以輸出可以從0℃開始。濕敏傳感器采用的是電阻式高分子濕度傳感器(GY--HR00X),濕敏電阻的特點(diǎn)是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜,當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時,元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化,利用這一特性即可測量濕度。

1.1.3.2 傳感器數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析

傳感器是將外界信息轉(zhuǎn)換成電信號的裝置,其中的電信號包括數(shù)字信號和模擬信號,數(shù)字信號可以通過電氣隔離直接送給單片機(jī)或微型計算機(jī)進(jìn)行處理,模擬信號則利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將多路被測量值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,再經(jīng)過單片機(jī)或微型計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,實現(xiàn)實時測控。數(shù)據(jù)采集電路如圖4所示。

1.1.4 GSM無線通訊模塊

本方案的智能家居遠(yuǎn)程控制器,是利用GSM(Global System for Mobile Communications)移動通訊網(wǎng)絡(luò)中的手機(jī)短信業(yè)務(wù)來實現(xiàn)家居環(huán)境的遙控與遙測。主要功能包括對家居環(huán)境安防的監(jiān)測以及對家用電器設(shè)備的遠(yuǎn)程遙控。GSM模塊是智能家居遠(yuǎn)程控制器與用戶手指設(shè)備交互的核心模塊,該模塊在MCU控制下工作。GSM模塊采用西門子公司的TC35。由于TC35具有波特率自適應(yīng)的特點(diǎn),設(shè)定ARM串口的波特率為9600/bps。利用ASCII嗎進(jìn)行短消息的發(fā)送,實現(xiàn)家居環(huán)境參數(shù)的傳遞;對短消息內(nèi)容進(jìn)行解碼,根據(jù)命令約定,可實現(xiàn)對家用電器開關(guān)的控制。系統(tǒng)上電后,首先檢測SIM卡的有效性,在確定GSM正常工作后,對家居環(huán)境下的傳感器進(jìn)行依次檢測。對于數(shù)字量傳感器,只需要判斷傳感器輸出電平的狀態(tài)就可以了。對模擬量傳感器異常的判定依據(jù),則利用閥值設(shè)定法進(jìn)行,并利用滑動平均濾波的法,以提高報警的準(zhǔn)確性。當(dāng)有危情出現(xiàn)時,ARM利用AT指令,通過TC35完成短信的發(fā)送,并判斷短信是否成功發(fā)送。在用戶接收到報警信息后,可以利用短信控制某路電器的開關(guān)狀態(tài)。例如,在本系統(tǒng)中如果出現(xiàn)煤氣泄漏,MQ2傳感器要一邊向ARM發(fā)出信號切斷煤氣通道,一邊向GSM模塊發(fā)出信號通知主人。[!--empirenews.page--]

1.1.5 wifi無線通訊

Wifi(wireless fidelity,無線保真技術(shù))即IEEE802.11協(xié)議,是一種斷成無線傳輸技術(shù),能夠在數(shù)百英尺范圍內(nèi)支持互聯(lián)網(wǎng)接入的無線信號。它的無線電波的覆蓋范圍廣,半徑可達(dá)100米,甚至可以覆蓋整棟大樓。此外,wifi的傳輸速度很快,最高可達(dá)54Mbps。

wifi定義了兩種類型的設(shè)備。一種是無線站,通常通過一臺PC機(jī)加上一塊無線網(wǎng)卡構(gòu)成。另一種稱為無線接入點(diǎn)(Access Point,AP),它的作用是提供無線和有線網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁。Wifi定義了兩種模式:infrastructure模式和ad hoc模式。Infrastructure模式,即無線網(wǎng)絡(luò)至少有一個有線網(wǎng)絡(luò)連接的無線接入點(diǎn),還包括一系列無線的終端站。Ad hoc模式,也稱為點(diǎn)對點(diǎn)模式(pearto pear模式)或IBSS(Independent Basic Service Set)。

1.1.6 nRF24L01無線組網(wǎng)方案

整個系統(tǒng)采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),以一個嵌入式微處理器和主控?zé)o線模塊為中心,各個家電端為被控端。組網(wǎng)方案如下圖1.2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

 

 

1.2.1 操作系統(tǒng)與開發(fā)環(huán)境

ARM嵌入式服務(wù)器采用微軟的WindowsCE 5.0系統(tǒng)。服務(wù)器采用Microsoft Embedded Visual C++4.0開發(fā)。這個軟件是微軟公司針對WinCE系統(tǒng)推出的開發(fā)工具。

1.2.2 端口映射

GPIO是ARM芯片最基本的輸入輸出通道,是控制各種電器的通道。在ARM9平臺上,Windows CE系統(tǒng)將GPIO的實地址(例如2440的GPIO的基地址為0x56000000)映射到虛擬地址空間(CPIO對應(yīng)為0xB1600000),這樣,通過對這段虛擬地址空間的操作,就能夠完成對GPIO或者其他片內(nèi)資源的控制、輸入輸出工作。

1.2.3 網(wǎng)絡(luò)通信

本系統(tǒng)運(yùn)用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的API,通過UDP連接,利用數(shù)據(jù)報式套接字Socket(SOCK_DGRAM)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。服務(wù)器和終端都具有發(fā)送和接收功能,可以實現(xiàn)雙工通信,從而遠(yuǎn)程監(jiān)測和改變用電器使用狀態(tài)。

1.2.4 手機(jī)與PC上的程序

由于服務(wù)器是對消息產(chǎn)生相應(yīng),手機(jī)和PC只需利用SOCKEI套接字,發(fā)送相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)消息即可。但要實現(xiàn)實時監(jiān)測功能,手機(jī)和PC也需要能夠接收網(wǎng)絡(luò)消息。手機(jī)的系統(tǒng)是Windows Mobile 6.0,開發(fā)環(huán)境是Microsoft Visual Studio 2005開發(fā)。PC的系統(tǒng)是WindowsXP,開發(fā)環(huán)境是Microsott Visual C++6.0。

2 系統(tǒng)測試方案及測試結(jié)果

系統(tǒng)在調(diào)試過程中,先進(jìn)行各部分的調(diào)試,再進(jìn)行統(tǒng)調(diào)。以下為統(tǒng)調(diào)后的測試方案及測試結(jié)果。

nRF24L01無線組網(wǎng)測試:NRF24L01無線通信點(diǎn)對點(diǎn)通信收發(fā)程序,據(jù)實測,該無線通信板,沒有加PA,通信距離室內(nèi)60米左右,室外空曠地帶可達(dá)80米。由于防止其他組別的nRF24L01通訊干擾,采用跳頻通訊,也達(dá)到同上點(diǎn)對點(diǎn)的實測效果。在有障礙物的情況下,基本能達(dá)到本項目的傳輸控制距離要求。

PWM調(diào)節(jié)LED燈管測試:從示波器觀測,通過對nRF24L01無線模塊傳輸過來的特征值進(jìn)而改變Atmega16L的OCR0能在固定的頻率調(diào)節(jié)占空比,占空比變化明顯,實測對LED燈的PWM控制也達(dá)到預(yù)期效果。

聲控?zé)魷y試:當(dāng)把光敏二極管給遮住時,用手拍一下掌,此時燈就會亮;當(dāng)把用光照光敏二極管時,無論外界的聲音響聲有多大,燈都不會點(diǎn)亮。此外,燈還可以通過開光、WIFI和GSM來開啟和關(guān)閉。聲控?zé)舻臏y試達(dá)到預(yù)期的效果。

ARM主控器測試:通過軟件調(diào)用底層BSP驅(qū)動,能很好地對GPIO口進(jìn)行控制,達(dá)到預(yù)期效果。

傳感器檢測:應(yīng)用Atmega16L單片機(jī)對傳感器進(jìn)行采樣,然后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理,能驅(qū)動蜂嗚器等報警電路,達(dá)到預(yù)期效果。

3 結(jié)論

家居智能化是社會發(fā)展的必然趨勢,而要實現(xiàn)完全高度的智能化控制要求,在很大程度上取決于其控制系統(tǒng)的智能化。而本設(shè)計主要是利用GSM模塊和嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合的平臺,實現(xiàn)通過手機(jī)短信和觸摸屏查詢家居環(huán)境參數(shù),并控制室內(nèi)家具設(shè)備的功能,建立了一個對家居環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控實現(xiàn)家居智能化的系統(tǒng)。本設(shè)計的方案能夠在實現(xiàn)智能控制的同時,達(dá)到了遠(yuǎn)程遙控的目的,改變了以往智能家居系統(tǒng)只監(jiān)不控的弊端。

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