淺析基于GPRS無線智能家居系統(tǒng)解決方案 - 全文

　　通信技術(shù)的不斷發(fā)展以及人們對生活要求的不斷提高，實(shí)現(xiàn)家庭智能的遠(yuǎn)程控制已經(jīng)成為必然的趨勢。國家建設(shè)部住宅產(chǎn)業(yè)化促進(jìn)中心提出住宅小區(qū)要實(shí)現(xiàn)六項(xiàng)智能化要求，其中包括實(shí)行安全防范自動化監(jiān)控管理：對住宅的火災(zāi)、有害氣體的泄漏實(shí)行自動報警；防盜報警系統(tǒng)應(yīng)安裝紅外或微波等各種類型報警探測器；系統(tǒng)應(yīng)能與計算機(jī)安全綜合管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)；計算機(jī)系統(tǒng)能對防盜報警系統(tǒng)進(jìn)行集中管理和控制。

　　由于目前無線通訊技術(shù)的不成熟、運(yùn)行費(fèi)用高等弊端，智能家居控制器與外網(wǎng)無線通訊技術(shù)成為導(dǎo)致市場接受度低的重要因素，而GPRS系統(tǒng)的特點(diǎn)能夠很好的解決該問題。GPRS網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)是通訊公司推出的一項(xiàng)數(shù)據(jù)傳輸通信業(yè)務(wù)，在GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)，傳輸距離不受限制，通信費(fèi)用相對低廉，傳輸速率較快。本文涉及家庭智能系統(tǒng)及GPRS技術(shù)相關(guān)背景，分析了其各自基本特點(diǎn)和所要實(shí)現(xiàn)的基本功能，并在此基礎(chǔ)上提出了基于GPRS無線智能家居系統(tǒng)的總體解決方案。最后總結(jié)系統(tǒng)核心GPRS芯片軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。

　　系統(tǒng)總體架構(gòu)

　　網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的普及以及各種信息家電的產(chǎn)生都使得在家庭內(nèi)部對Internet的訪問不再局限于單個PC，每個家庭都將面臨如何在家庭內(nèi)部傳送Internet數(shù)據(jù)以及如何將各種家電設(shè)備連接起來的問題，基于此，智能家居網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。智能家居網(wǎng)絡(luò)是信息社會的基本單元。未來的家庭中，各種家電設(shè)備將組成一個家庭局域網(wǎng)，并通過智能家居控制器接入互聯(lián)網(wǎng)。智能家居網(wǎng)絡(luò)的市場發(fā)展?jié)摿O其可觀，幾家大的廠商Intel、IBM、Microsoft及Sony都早已涉及其中。

　　智能家居控制器是智能家居系統(tǒng)的核心處理模塊，是系統(tǒng)的心臟，包括可以聯(lián)入寬帶網(wǎng)絡(luò)的單片機(jī)，內(nèi)置的HUB，若干防區(qū)安防輸入以及一條RS485的家庭控制擴(kuò)展數(shù)據(jù)總線。

　　智能家居網(wǎng)絡(luò)指的是在一個家居中建立一個通信網(wǎng)絡(luò)，將各種家電設(shè)備互相連接起來，實(shí)現(xiàn)對所有智能家居網(wǎng)絡(luò)上的家電設(shè)備的遠(yuǎn)程使用和控制及任何要求的信息交換，如音樂、電視或數(shù)據(jù)等。智能家居網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)架包括家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、智能家居控制器以及智能家居網(wǎng)絡(luò)與外部Internet網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通信。其中，智能家居控制器是智能家庭網(wǎng)絡(luò)的一個重要組成部分，起到核心的管理、控制和與外部網(wǎng)絡(luò)通訊作用。它是通過家庭管理平臺與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的一個系統(tǒng)，也是連接家庭智能內(nèi)部和外部網(wǎng)絡(luò)的物理接口，完成家庭內(nèi)部同外部通信網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換功能，同時還負(fù)責(zé)家庭設(shè)備的管理和控制。

　　智能家居控制器一方面需要為家庭內(nèi)部布線提供通訊接口，能夠采集家庭設(shè)備的信息，并進(jìn)行處理，自動控制和調(diào)節(jié)；另一方面智能家居控制器作為家庭網(wǎng)關(guān)，也為外部提供網(wǎng)絡(luò)接口，連通家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部Internet網(wǎng)絡(luò)，使得用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)等方式訪問家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)視和控制。此外智能家居控制器還應(yīng)當(dāng)具備自動報警等功能，即當(dāng)發(fā)現(xiàn)報警信號如：有人惡意闖入，溫度超高等，控制器能立即處理并向用戶發(fā)出報警信號。

　　智能家居控制器為系統(tǒng)的核心，可采用ARM嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，能夠自動運(yùn)行、處理數(shù)據(jù)，通過RS485總線管理和控制各控制終端。并且控制器通過GPRS模塊，實(shí)現(xiàn)家庭系統(tǒng)與外部網(wǎng)絡(luò)的通訊，使用戶可以通過短信和互聯(lián)網(wǎng)等方式實(shí)現(xiàn)家庭系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，同時，控制器還通過鍵盤和顯示屏為用戶提供人機(jī)界面，方便用戶實(shí)現(xiàn)本地控制?？刂平K端為單片機(jī)組成若干小的控制系統(tǒng)控制各家用設(shè)備，并通過控制總線將這些小的控制系統(tǒng)組成網(wǎng)絡(luò)，連接到智能家居控制器，受智能家居控制器控制。

　　智能家居控制器的具體功能包括：

　　家用設(shè)備的數(shù)據(jù)采集：采集家用設(shè)備包括室內(nèi)溫度，燈具家電，防盜門等設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)控制器處理后反饋給用戶。

　　本地控制：用戶通過控制器上的鍵盤和顯示屏，對家用設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。

　　遠(yuǎn)程控制：遠(yuǎn)程用戶可以通過發(fā)送手機(jī)短信或通過互聯(lián)網(wǎng)對家庭系統(tǒng)進(jìn)行控制和查詢。

　　自動報警：當(dāng)控制器檢測到非法闖入或溫度超高等報警信號時，及時觸發(fā)室內(nèi)報警裝置，并通過發(fā)送報警短信等方式及時通知用戶。

　　溫度查詢：用戶可以通過控制器查詢室內(nèi)溫度。

　　防盜門密碼設(shè)置：用戶可以通過本地或遠(yuǎn)程方式修改防盜門的密碼，在門外輸入正確密碼后才可打開門。

　　紅外家電控制：接收用戶命令，通過紅外發(fā)射電路控制電視、空調(diào)等紅外可控的家電設(shè)備。

　　其它燈具等開關(guān)量控制：接收用戶命令控制燈具等開關(guān)量設(shè)備。

　　智能家居控制器通過GPRS模塊，實(shí)現(xiàn)家庭系統(tǒng)與外部網(wǎng)絡(luò)的通訊為系統(tǒng)核心部分，解決以前智能家居系統(tǒng)瓶頸的關(guān)鍵技術(shù)。GPRS（通用分組無線業(yè)務(wù)）的簡稱，是在現(xiàn)有的GSM系統(tǒng)上新增新GGSN（網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)）和SGSN（服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)）節(jié)點(diǎn)發(fā)展出來的一種新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)。GPRS與現(xiàn)有的GSM系統(tǒng)最根本的區(qū)別是，GPRS是一種分組交換系統(tǒng)，特別適用于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹饕獌?yōu)點(diǎn)有：永遠(yuǎn)在線、按流量計費(fèi)、快速登錄、高速傳輸、覆蓋范圍內(nèi)不受限制（傳輸距離、地形、天氣等）、數(shù)據(jù)傳輸可靠等。

　　主要功能

　　·內(nèi)置若干路數(shù)字量（DIGITAL INPUT）輸入，可以是開關(guān)觸點(diǎn)（常開/常閉的安防探頭），也可以是脈沖信號（《500Hz，用來接脈沖輸出的遠(yuǎn)傳三表）。輸入方式可選擇，提供+12V的電源輸出，可以直接接入包括煙霧、瓦斯、門磁、紅外和求助在內(nèi)的安防探頭，同樣、水電煤三表的接入也會非常方便；

　　·內(nèi)置若干個RJ45接口的HUB，可以接入PC、Cable modem、ADSL Modem（可以內(nèi)置）、社區(qū)局域網(wǎng)、IP可視電話、數(shù)字機(jī)頂盒和其它信息家電，實(shí)現(xiàn)SOHO辦公；

　　·內(nèi)置網(wǎng)頁，可以通過Internet在遠(yuǎn)端實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理；

　　·支持TCP/IP和UDP互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，方便接入各種城市寬帶網(wǎng)絡(luò)；

　　·可以接收處理來自社區(qū)管理平臺和城市網(wǎng)管發(fā)送的數(shù)據(jù)廣播和短消息，并轉(zhuǎn)發(fā)給家庭無線遙控器顯示。

　　·基于 RS485協(xié)議的數(shù)據(jù)總線通訊接口是系統(tǒng)內(nèi)部通訊的統(tǒng)一接口，可以在此總線上接入無線收發(fā)和家庭自動化控制模塊，從而實(shí)現(xiàn)多種通訊方式，在此總線上采用了統(tǒng)一供電的方式，使模塊接入更加容易；

　　·統(tǒng)一有線和無線的通訊協(xié)議，使接入模塊方式自由選擇；

　　·存儲家庭自動化控制模式程序，包括直接控制模式（如開啟幾個回路的照明或是開啟一個大功率電器）、時間控制模式（按照一定的時間順序執(zhí)行某串控制指令）和邏輯控制模式（按照一定的邏輯統(tǒng)計關(guān)系作出相應(yīng)分析判斷）。

　　·在系統(tǒng)發(fā)生報警時，及時將警情傳送到社區(qū)管理平臺或有關(guān)部門，并將其存放在系統(tǒng)的歷史記錄中。

　　基于ARM及GPRS智能家居控制器的軟硬件實(shí)現(xiàn)

　　GPRS通信模塊安裝在智能家居控制器中，主要功能為通過GPRS網(wǎng)絡(luò)連接到Internet網(wǎng)絡(luò)，并主動與監(jiān)控中心建立通信鏈路，進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信。GPRS通信模塊設(shè)計采用了Freescale公司生產(chǎn)的內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議的G24GPRSOEM。該模塊尺寸小，功耗低，便于集成。

　　GPRS通信終端收發(fā)模塊主要由G24模塊、天線、SIM卡、相關(guān)的電平轉(zhuǎn)換電路和RS232串口組成。模塊的供電電壓為5V，可采用USB端口供電。GPRS通信模塊通過RS232串行口與智能家居控制器ARM進(jìn)行通信。

　　G24收發(fā)模塊采用AT指令操作，通過RS232串行口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。GPRS網(wǎng)絡(luò)通信原理為：首先通過SGSN節(jié)點(diǎn)使通信終端模塊附在GPRS網(wǎng)絡(luò)上；然后通過GGSN節(jié)點(diǎn)由PPP（PointtoPointProtocol）協(xié)議獲得一個隨機(jī)分配的IP地址，連接到Internet上；最后通信終端模塊通過Internet，按照監(jiān)控中心設(shè)定的端口號與監(jiān)控中心建立通信鏈路。

　?。?）測試G24通信是否正常。首先選擇串行口并設(shè)置波特率，G24波特率的范圍為600到460800bit/s，支持自動波特率偵聽，能夠自動與監(jiān)控中心通訊模塊的波特率保持一致。發(fā)送“AT”，如果模塊返回“OK”，則通信正常，否則重發(fā)。

　?。?）接入Internet。首先測試當(dāng)?shù)厥欠裼蠫PRS覆蓋，向模塊發(fā)送“AT+CGPRS？”，如果返回“+CGPRS：1”，則有GPRS覆蓋，否則隔5秒鐘后再次檢測。然后發(fā)送“AT+CGATT=1”使模塊附在GPRS網(wǎng)絡(luò)上。最后發(fā)送“AT+MIPCALL=1，cmnet”通過PPP協(xié)議建立與GGSN的無線連接，獲得一個動態(tài)的IP地址，接入Internet。

　?。?）連接監(jiān)控中心。向模塊發(fā)送“AT+MIPOPEN=，《“DestinationAddress”》，”建立與監(jiān)控中心通信連接。如果返回“+MIPOPEN：SocketID，1”，則說明與監(jiān)控中心建立了通信連接，如果返回“+MIPSTAT：1，1”，則說明有物理鏈接中斷，須重新進(jìn)行連接。其中對AT+MIPOPEN指令的參數(shù)作以下說明：

　　SocketID：G24通信連接的ID號，G24有4個可用Socket，每個Socket有1372Byte緩沖區(qū)。

　　SourcePort：G24的數(shù)據(jù)傳輸端口號，其值為0~65535。建議采用1024以上的端口號。

　　DestinationAddress：目標(biāo)端的IP地址，也就是監(jiān)控中心監(jiān)控服務(wù)器的IP地址。

　　DestinationPort：目標(biāo)端的數(shù)據(jù)傳輸端口號，即監(jiān)控中心監(jiān)控服務(wù)器設(shè)定的傳輸端口號。

　　Protocol：傳輸通信協(xié)議，0表示TCP方式，1表示UDP方式。

　?。?）數(shù)據(jù)收發(fā)。與監(jiān)控中心建立通信連接后，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)了。發(fā)送數(shù)據(jù)用“AT+MIPSEND=1，’Data’；+MIPPUSH=1”?！癉ata”表示要發(fā)送的數(shù)據(jù)，本設(shè)計采用了G24默認(rèn)的ASCII碼編碼，須用十六進(jìn)制的ASCII碼形式表示。一旦有數(shù)據(jù)到達(dá)，G24模塊就會通過RS232串行口返回“+MIPRTCP：，”。其中Left是一個十進(jìn)制的數(shù)字，表示還有多少個字符在協(xié)議棧中尚未接收，如果數(shù)據(jù)全部接收，則Left為0；接收到的數(shù)據(jù)“Data”是十六進(jìn)制的ASCII碼形式。

　?。?）斷開通信連接。向模塊發(fā)送“AT+MIPCLOSE=SocketID”，模塊返回“OK”，表示斷開成功。

　　主要功能

　　液晶顯示：全中文菜單操作，聲音提示，軟鍵盤；

　　工作頻率范圍：260~434MHz，發(fā)射功率極低，無須批準(zhǔn)；

　　信息功能：顯示和接受來自社區(qū)管理平臺和互連網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)廣播和短消息；

　　查詢狀態(tài)：·可查詢系統(tǒng)安防系統(tǒng)報警與布撤防狀態(tài)； 　·可查詢系統(tǒng)電器控制狀態(tài)；

　　設(shè)置布撤防：·設(shè)置系統(tǒng)布撤防；

　　設(shè)置參數(shù)：·設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和模式控制參數(shù)；

　　發(fā)送指令：·直接控制指令發(fā)送：實(shí)現(xiàn)對照明電器的開關(guān)控制和調(diào)光控制，對家電設(shè)備的開關(guān)控制； 　　·時間控制和邏輯控制程序啟動：可以定時開啟一些控制模式或按照一定的邏輯關(guān)系啟動系統(tǒng)控制指令； 　　·照明場景控制：可以通過場景控制命令實(shí)現(xiàn)照明設(shè)備的群控，如開啟一定數(shù)量的燈光創(chuàng)造一種特定的燈光氛圍。

　　該系統(tǒng)的液晶控制面板是另一個主要的人機(jī)界面，它采用有線的方式接入485總線， 起到系統(tǒng)設(shè)置和功能控制的功能。

　　另外，安裝在家庭電腦中的智能家居控制軟件也是一個主要的人機(jī)界面，通過該軟件就可以方便地通過電腦實(shí)現(xiàn)對家庭各種設(shè)備的控制和查詢，還可以對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，例如信息開關(guān)的模式和場景的設(shè)置。由于電腦軟件可以通過各種電子地圖，甚至類似游戲一樣的三維界面來制作，所以使用起來會更加有趣和方便。

　　監(jiān)控節(jié)點(diǎn)模塊

　　所有智能家居系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)控制模塊通過RS485家庭控制總線， 并遵循統(tǒng)一的家庭控制網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，與系統(tǒng)信息控制中心相連，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊。 在一條總線上可以掛接256個模塊，從而實(shí)現(xiàn)家庭自動化控制的各種功能，模塊類型包括：

　　無線收發(fā)基站模塊

　　主要為了配合無線遙控器模塊使用，是系統(tǒng)的必配件，作為無線收發(fā)基站，它將遙控器傳送來信息通過家庭控制網(wǎng)絡(luò)傳給系統(tǒng)信息控制中心，再將系統(tǒng)信息控制中心的指令和短消息信息通過無線射頻信號傳給無線遙控器，是無線信息轉(zhuǎn)化成有線家庭控制網(wǎng)絡(luò)信息的地方；

　　繼電器開關(guān)控制模塊

　　低功率回路控制，采用高性能固態(tài)繼電器進(jìn)行控制。在接到智能家居控制器的指令后，對家庭中的低功率電器，主要是燈光（還包括各種音響系統(tǒng)、電視機(jī)、電動窗簾）進(jìn)行開關(guān)控制，控制功率為每回路100瓦； 　　大功率電器控制模塊：也是采用固態(tài)繼電器進(jìn)行控制，但是其功率較大，且只有單路，在接到智能家居控制器的指令后，可對家中的大功率電器（如空調(diào)、熱水器）進(jìn)行開關(guān)控制，控制功率為單回路最大2，500瓦；

　　可控硅調(diào)光控制模塊

　　采用可控硅進(jìn)行低功率回路控制。在接到智能家居控制器的指令后，其功能主要是對家庭中的燈光進(jìn)行調(diào)光控制，控制功率為每回路100瓦，調(diào)光范圍分為5檔棗0、25%、50%、75%、100%；

　　信息開關(guān)模塊

　　信息開關(guān)徹底改變了原有的開關(guān)概念，用開關(guān)信息點(diǎn)來完成原有開關(guān)的功能，使得原有開關(guān)功能固定單一的不足，可通過設(shè)置相關(guān)控制參數(shù)，對任一控制點(diǎn)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)群控功能。 　　除此之外，未來的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)模塊還可以包括家庭環(huán)境檢測模塊、住戶健康檢測模塊等

　　結(jié)語

　　本文提出了基于GPRS無線智能家居系統(tǒng)的總體解決方案。該方案主要是采用GPRS無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程終端對家庭系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制；采用RS485總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)家庭系統(tǒng)的組網(wǎng)；采用嵌入式系統(tǒng)方案搭建智能家居控制器的開發(fā)平臺，并通過該平臺實(shí)現(xiàn)對家用設(shè)備的智能管理和控制。最后本文提供系統(tǒng)核心GPRS芯片軟硬件實(shí)現(xiàn)方法，為后續(xù)及相關(guān)工作提供技術(shù)基礎(chǔ)。