基于ARM-Linux平臺(tái)及GPRS技術(shù)的家庭智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要： 主要介紹了一種基于嵌入式系統(tǒng)的ARM-Linux 平臺(tái)及GPRS 技術(shù)的家庭智能控制系統(tǒng)。采用ZigBee技術(shù)組建家庭無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)ARM 控制器與各家庭智能模塊的無線連接；戶主通過手機(jī)利用GPRS網(wǎng)絡(luò)對(duì)ARM 控制器發(fā)送控制命令，ARM 控制器通過ZigBee 模塊對(duì)各家庭智能模塊進(jìn)行無線控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)家庭智能系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。

　　隨著生活節(jié)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(shè)備。各種無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，使家庭智能系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制成為一種現(xiàn)實(shí)。本文結(jié)合ARM9 處理器功能強(qiáng)大、GPRS 技術(shù)永遠(yuǎn)在線，接入范圍廣，功耗低以及ZigBee 無線組網(wǎng)技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于嵌入式系統(tǒng)的無線家庭智能控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及主要功能

　　系統(tǒng)主要由家庭智能控制模塊、圖像處理單元、ARM 中央控制平臺(tái)、ZigBee 無線傳輸、GPRS 無線通信和以太網(wǎng)通信等部分組成，其體系結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

　　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ZigBee 模塊與ARM 中央控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)無線連接，組成一個(gè)星型家庭無線智能控制網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)ARM 中央控制平臺(tái)連接一個(gè)USB 攝像頭，實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)視。ARM 控制器通過GPRS 和以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與外部遠(yuǎn)程連接。即使出門在外，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭智能系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。比如上班時(shí)，戶主可以通過電腦或手機(jī)觀察家中的情況；在回家的路上就可以通過手機(jī)打開空調(diào)和熱水器，開啟窗簾或燈具等。當(dāng)探測(cè)到有非法人員入侵或發(fā)生火災(zāi)等緊急情況時(shí)，ARM 控制器就會(huì)通過短信向戶主發(fā)出報(bào)警信息，同時(shí)控制攝像來捕捉視頻圖像，然后進(jìn)行圖像處理并將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳給PC 機(jī)，或通過GPRS 以彩信形式傳到戶主手機(jī)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)硬件電路框圖如圖2 所示，主要由ARM9控制器，電源及復(fù)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 無線收發(fā)模塊，各家庭控制模塊等組成。

圖2 系統(tǒng)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(fù)位模塊、LCD 觸摸屏及相關(guān)外圍電路組成。系統(tǒng)選用SAMSUNG 的基于ARM920T 內(nèi)核的16/32 位RISC 處理器S3C2440 作為控制器。

　　S3C2440 處理器功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、功耗低，除具有一般嵌入式芯片所具有的總線、SDRAM 控制器以外，還具有豐富的擴(kuò)展功能接口，內(nèi)部集成了TFT/STN LCD 和觸摸屏控制器、SD MMC 存儲(chǔ)卡接口和攝像頭接口等大量的功能模塊，便于構(gòu)建外圍電路，視頻處理能力非常強(qiáng)。系統(tǒng)采用64M 的NAND 型Flash K29F2808 來存放系統(tǒng)啟動(dòng)代碼、內(nèi)核代碼及根文件系統(tǒng)；SDRAM 選用2 片HY57V561620CTP-H 構(gòu)成容量為64MB 高速動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器。

　　2.2 ZigBee 模塊

　　為了滿足家庭智能系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、方便的要求，系統(tǒng)采用ZigBee 無線通信技術(shù)組建家庭網(wǎng)絡(luò)。ZigBee 是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(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(cè)試，室內(nèi)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(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)中提供了很多抗干擾機(jī)制[2],比如：空閑信道評(píng)估，動(dòng)態(tài)信道選擇，信道算法等。實(shí)驗(yàn)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(lán)牙采用調(diào)頻技術(shù)，對(duì)ZigBee 的干擾很小，兩者能很好的共存；WirelessUSB可以根據(jù)干擾環(huán)境自動(dòng)變換信道，因此完全可以同ZigBee 共存；此外，為了減小無繩電話（2.4GHz）對(duì)ZigBee 的干擾，設(shè)計(jì)中ZigBee 設(shè)備放置在離客廳中心較遠(yuǎn)的地方，使干擾源盡量遠(yuǎn)離ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)測(cè)試可行；當(dāng)微波爐與ZigBee 設(shè)備距離大于1m 時(shí)，干擾則可以忽略不計(jì)。因此ZigBee 在2.4GHz 頻段能可靠地與Wi-Fi、藍(lán)牙、WirelessUSB 以及家用無繩電話和微波爐共存。

　　2.2.2 Zigbee 功耗分析

　　ZigBee 模塊支持多種工作模式，包括運(yùn)行（發(fā)送與接收）、空閑和休眠等。通過監(jiān)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)的正常工作，發(fā)現(xiàn)節(jié)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(yùn)行模式大體相同，收發(fā)模塊長期處于空閑模式會(huì)消耗大量能量。因此，當(dāng)節(jié)點(diǎn)空閑時(shí)應(yīng)使其處于休眠狀態(tài)。當(dāng)需要節(jié)點(diǎn)工作時(shí)，通過外部中斷或定時(shí)中斷將其喚醒，進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。本設(shè)計(jì)經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行一個(gè)月后，電池電壓變化輕微，實(shí)際應(yīng)用中兩節(jié)普通5 號(hào)干電池使用壽命超過一年。

　　2.3 GPRS 模塊

　　GPRS（General Packet Radio Service），即通用分組無線服務(wù)技術(shù)，是一種以GSM 為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸率高。GPRS 最高傳輸率可達(dá)171.2kbit/s,支持X.25 協(xié)議和IP 協(xié)議；用戶永遠(yuǎn)在線且按流量、時(shí)間計(jì)費(fèi)，通信成本低。因此，將GPRS技術(shù)應(yīng)用于家庭智能控制系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳輸是最佳選擇。

　　GPRS 模塊主要功能是通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)ARM控制器與戶主手機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。經(jīng)過性能與成本的綜合考慮，系統(tǒng)選用西門子公司的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 無線接口；支持?jǐn)?shù)據(jù)、語音、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(shù)據(jù)包最高可達(dá)1.5K;GPRS 模塊與ARM 控制器采用AT 指令集通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

圖3 ARM 控制器與GPRS 模塊連接圖。

　　如圖3 所示，系統(tǒng)采用SP3238 芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，S3C2440 通過UART1 控制MC55,通過GPRS網(wǎng)絡(luò)采用短信或撥打電話的方式與用戶手機(jī)進(jìn)行通信來實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭智能系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　軟件部分的設(shè)計(jì)主要是基于ARM-Linux,與其他嵌入式操作系統(tǒng)相比，Linux 操作系統(tǒng)具有完整的TCP/IP 協(xié)議，良好的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，很好的滿足了家庭智能控制系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)可靠性的要求；此外，Linux易于移植裁減、內(nèi)核小、效率高、源代碼開放并有眾多的開發(fā)者，為系統(tǒng)的開發(fā)提供了良好的技術(shù)支持。

　　系統(tǒng)開發(fā)首先要建立交叉編譯環(huán)境，然后引導(dǎo)bootloader,移植操作系統(tǒng)，裝載文件系統(tǒng)，開發(fā)圖形界面，最后編寫應(yīng)用程序。Bootloader 主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速引導(dǎo)，將Linux 內(nèi)核加載到內(nèi)存，并進(jìn)行內(nèi)核初始化。Linux2.6 內(nèi)核具有強(qiáng)大的進(jìn)程、中斷、內(nèi)存和設(shè)備管理，支持各種文件系統(tǒng)。

　　系統(tǒng)主程序流程如圖4 所示，主程序由一系列用來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的子程序組成，主要包括ZigBee 無線通信程序、各智能模塊控制程序、GPRS 無線通信程序、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 無線通信的實(shí)現(xiàn)。

圖4 系統(tǒng)主程序流程。

　　GPRS 模塊程序設(shè)計(jì)主要用AT 指令編寫，結(jié)合一些主要函數(shù)來實(shí)現(xiàn)GPRS 模塊各項(xiàng)功能，包括GPRS模塊初始化、GPRS 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置、AT 命令的收發(fā)、短信收發(fā)、撥打電話和發(fā)送彩信等。

　　3.1 GPRS 模塊的初始化

　　系統(tǒng)啟動(dòng)之后，通過調(diào)用gprs_init（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)基本的初始化工作，包括串口初始化，MC55 的狀態(tài)設(shè)置等。通過調(diào)用char gprs_getkey（）函數(shù)獲取鍵盤輸入值。

　　3.2 AT 命令的接受和發(fā)送

　　GPRS 模塊通過UART1 與S3C2440 進(jìn)行通訊，S3C2440 通過串口發(fā)送AT 命令到GPRS 模塊并讀取GPRS 模塊的輸入。S3C2440 通過調(diào)用int send_gprs_cmd（int fd,char*send_buf）函數(shù)發(fā)送AT 命令到GPRS 模塊中，并通過int read_gprs_datas（intfd,char*rcv_buf）函數(shù)讀取GPRS 模塊的數(shù)據(jù)。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 模塊向戶主手機(jī)發(fā)送的短信是設(shè)定好的，模塊初始化時(shí)短信的內(nèi)容、服務(wù)中心號(hào)碼及目標(biāo)手機(jī)號(hào)碼都已設(shè)置完畢，出現(xiàn)緊急情況時(shí)，系統(tǒng)只需調(diào)用AT 指令即可完成短信的收發(fā)。AT+CMGS=n,發(fā)送長度為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(nèi)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>指令來實(shí)現(xiàn)，然后處理器再根據(jù)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(dāng)家庭出現(xiàn)緊急情況時(shí)，將攝像頭的截圖以彩信形式發(fā)送到用戶手機(jī)。其功能函數(shù)如下：

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

　　參數(shù)fro 為模塊SIM 卡號(hào)碼；to 為戶主手機(jī)號(hào)碼；subj 為彩信標(biāo)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(jié)數(shù)。發(fā)送成功返回MMS_OK,否則返回MMS_ERR.

4 結(jié)語

　　本文介紹了一種基于ARM 與GPRS的家庭智能控制系統(tǒng)，給出了詳細(xì)的系統(tǒng)架構(gòu)方案，從軟、硬件兩方面闡述了設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方法。系統(tǒng)采用GPRS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了家庭智能系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制；采用ZigBee 技術(shù)組建家庭無線網(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題，避免了繁瑣的布線；有很好的實(shí)際運(yùn)用價(jià)值，是未來家庭智能系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。