基于ARM及GPRS的智能家居系統(tǒng)的實現(xiàn)

　　主要介紹了一種基于嵌入式處理器ARM平臺以及GPRS網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)。

　　該系統(tǒng)核心部分主要包括住宅小區(qū)的家居安防監(jiān)控，圖像監(jiān)控以及遠程抄表的實現(xiàn)。利用當(dāng)前較為成熟的GPRS技術(shù)實現(xiàn)對住宅小區(qū)用戶進行集中的安防監(jiān)控與管理。給出了系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)以及硬件原理框圖和軟件設(shè)計思路。

　　引言

　　近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，電子技術(shù)，計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對生活質(zhì)量提出了更高的要求，現(xiàn)代化的家居環(huán)境也備受人們的關(guān)注。目前，國內(nèi)的智能家居系統(tǒng)主要集中在對單個住宅分散的子系統(tǒng)的控制上，這些子系統(tǒng)功能上比較單一，很難實現(xiàn)信息共享，不便于進行集中管理。本文針對目前國內(nèi)智能家居系統(tǒng)的局限性，提出一種基于GPRS無線技術(shù)的智能家居系統(tǒng)，不僅能對小區(qū)多個住宅內(nèi)的安全狀況進行實時監(jiān)控，還實現(xiàn)了“三表”(即水表、電表、燃氣表)的遠程抄送。

　　1.GPRS技術(shù)簡介

　　GPRS(General Packet Radio Service)，即通用無線分組業(yè)務(wù)，是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，面向用戶提供移動分組的IP或者X.25連接。與GSM電路交換數(shù)據(jù)相比，GPRS在數(shù)

　　據(jù)業(yè)務(wù)的承載和支持上具有非常明顯的優(yōu)勢：資源共享，頻帶利用率高，用戶只有在進行數(shù)據(jù)傳輸時才占有系統(tǒng)資源;數(shù)據(jù)傳輸率高，GPRS采用分組交換技術(shù)，每個用戶能同時占用多個無線信道，同一無線信道又可由多個用戶共享。理論上，GPRS最高傳輸率可達171.2kbit/s;支持X.25協(xié)議和IP協(xié)議，可與現(xiàn)有的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進行互通互連;用戶永遠在線且按流量、時間計費，通信成本低。由此可見，將GPRS技術(shù)應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸是最理想的選擇。

　　2.系統(tǒng)功能及總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　2.1系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

　　該系統(tǒng)主要是針對普通住宅小區(qū)家庭用戶而設(shè)計的，它可以對小區(qū)內(nèi)用戶住宅內(nèi)安全狀況進行集中監(jiān)控和管理，同時還實現(xiàn)了門禁及抄表功能。用戶可以根據(jù)自己需要進行監(jiān)控狀態(tài)、監(jiān)控參數(shù)的設(shè)置。系統(tǒng)實現(xiàn)了以下功能：

　　(1)家居安防監(jiān)控：當(dāng)小偷闖入住宅或者有火災(zāi)、燃氣泄漏等危急事件發(fā)生時，監(jiān)控終端能實時地監(jiān)測到險情，向監(jiān)控中心發(fā)送告警信息，監(jiān)控中心則以GSM短信的方式通知戶主。

　　(2)家居安全狀況遠程實時監(jiān)控與查詢：主人離家在外，可通過發(fā)送手機短信的方式來查詢家中安全狀況信息。

　　(3)現(xiàn)場圖像抓拍功能：在設(shè)防狀態(tài)下，當(dāng)紅外傳感器或者門磁觸發(fā)告警時，系統(tǒng)將啟動圖像抓拍器，對現(xiàn)場進行拍攝，所拍攝的圖像通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中心的主機上進行備份。用戶也可以通過發(fā)送送機短信的方式來啟動圖像抓拍的功能。

　　(4)“三表”遠程自動抄送與門禁功能：可以定時或主動讀取用戶家中的水表、電表、煤氣表的用量，并根據(jù)相應(yīng)價格計算費用。當(dāng)有刷卡開門事件時，判斷卡合法則允許進入。

　　2.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　智能家居系統(tǒng)由監(jiān)控終端，GSM短信收發(fā)模塊，監(jiān)控主機三部分組成。監(jiān)控終端硬件采用ARM7平臺，軟件采用嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks。監(jiān)控主機是一臺運行監(jiān)控管理軟件的PC機，一般置于小區(qū)的物業(yè)管理中心。圖1是整個系統(tǒng)架構(gòu)圖。

　　圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

　　系統(tǒng)工作時，監(jiān)控終端循環(huán)檢測安裝在室內(nèi)的門磁、紅外、煙霧、燃氣監(jiān)測等傳感器，當(dāng)檢測到有異常情況發(fā)生時，終端控制警笛發(fā)出告警聲音，提醒戶主及物業(yè)管理人員有險情發(fā)生并采取防范措施。另外，監(jiān)控終端還通過GPRS網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)控中心發(fā)送告警信息。當(dāng)終端檢測到門磁或紅外告警時，將啟動圖像抓拍器，對用戶室內(nèi)現(xiàn)場進行連續(xù)拍照，拍攝到的圖像終端先進行緩存，再通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控主機，監(jiān)控主機將圖像以文件的形式進行備份。

　　監(jiān)控終端還循環(huán)接收監(jiān)控主機下發(fā)的數(shù)據(jù)請求命令，終端對這些命令進行解析。如果是查詢傳感器及門磁狀態(tài)，監(jiān)控終端對相應(yīng)傳感器的狀態(tài)進行檢測，向監(jiān)控主機返回傳感器的狀態(tài)信息;如果是查詢水表、電表或者煤氣表的用量命令，監(jiān)控終端根據(jù)“三表”的RS-485協(xié)議，構(gòu)造查詢幀命令,發(fā)送相應(yīng)的查詢命令，將“三表”返回的數(shù)據(jù)按照系統(tǒng)的通信協(xié)議打包，通過終端上內(nèi)置的GPRS模塊發(fā)送到監(jiān)控主機。監(jiān)控主機接收到終端發(fā)送的數(shù)據(jù)后，先對數(shù)據(jù)幀進行解析。若是告警信息，則監(jiān)控主機將根據(jù)不同的告警播放相應(yīng)的告警提示音，提醒管理員作出處理。當(dāng)有告警發(fā)生時，監(jiān)控主機通過RS232接口輸出AT指令，控制外置GMS模塊向系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置好的住宅主人的手機號碼發(fā)送告警短信，通知戶主家中有警情發(fā)生。同時，監(jiān)控主機還將把告警事件以日志的形式記錄下來，以便事后對告警信息進行查詢;當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)幀是抄表命令返回的數(shù)據(jù)時，主機將把數(shù)據(jù)寫入到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。同時，在顯示界面上彈出一個新窗口，顯示戶主信息、查詢時間、表的用量、相應(yīng)費用等信息。

　　3.系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　監(jiān)控終端的原理圖如圖2所示。

　　圖2 終端原理圖

　　終端硬件采用的是嵌入式硬件平臺，CPU選用三星公司的基于ARM7TDMI內(nèi)核的S3C440X微處理器，該處理器是三星公司專為PDA和一般應(yīng)用開發(fā)提供的高性價比和高性能的解決方案。經(jīng)過性能與成本的綜合考慮,GPRS模塊選用明基公司的 M22模塊。該模塊可工作在三種頻率下：900/1800/1900MHz。支持語音通信，具有GPRS、USSD和CSD三種數(shù)據(jù)方式及SMS和FAX功能;內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，軟件支持標(biāo)準(zhǔn)AT 指令并遵循3GPP 27.07/27.05規(guī)范。

　　S3C44B0的IO口的D口擴展了三個按鍵，它們是設(shè)防鍵、開門鍵、消告警鍵。按下設(shè)防鍵，CPU檢測到IO口為低電平，系統(tǒng)進入監(jiān)控狀態(tài)。該狀態(tài)下，系統(tǒng)將循檢測門磁及所有已經(jīng)安裝的傳感器。由于選用的傳感器輸出電平為0V或12V,而S3C44B0的外圍接口電平為0V~3.3V，傳感器的輸出需經(jīng)光耦隔離后連接至CPU的IO引腳。采用光耦隔離還有一個作用：在雷雨天氣，傳感器輸出導(dǎo)線很容易引入雷電，導(dǎo)線上會有瞬時高壓脈沖，用光耦將傳感器的輸出與CPU的IO口隔離后，起到保護CPU的作用。當(dāng)監(jiān)測到開門鍵按下，電控鎖吸合，門將打開，此時為合法開門狀態(tài)，不會產(chǎn)生告警。

　　如果是在監(jiān)控狀態(tài)下，門被強行打開，則門磁輸出由低電平變?yōu)楦唠娖?，CPU檢測到門磁傳感器輸出高電平，產(chǎn)生告警，CPU控制GPD3口輸出低電平，觸發(fā)警鈴產(chǎn)生告警音。告警發(fā)生時，CPU通過UART0發(fā)送AT指令來控制GPRS模塊，經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)向系統(tǒng)監(jiān)控主機發(fā)送告警信息，監(jiān)控主機對告警信息進行分析處理。M22模塊與CPU采用115200bps的波特率進行通信。它們之間的接口比較簡單，只需要將接收和發(fā)送兩個引腳進行連接?？紤]到本系統(tǒng)運行過程中需要保存大量的事件日志，如“三表”查詢的數(shù)據(jù)、告警事件日志以及告警抓拍到的50張圖像等，系統(tǒng)擴展了大容量的外部存儲器HY57V641620(容量為8MB的SDRAM)，SST39VF1601(2MB的FLASH)。其中SDRAM主要負責(zé)程序運行以及中間數(shù)據(jù)的保存，2MB的FLASH主要負責(zé)源程序的保存以及一些掉電需要保存的歷史數(shù)據(jù)，事件日志、圖像數(shù)據(jù)等。

　　圖像抓拍器的主要作用是當(dāng)有盜情發(fā)生時，進行現(xiàn)場抓拍。目前在國內(nèi)市場上已經(jīng)有很多該類型的產(chǎn)品。我們選擇了深圳安信陽光科技有限公司的彩眼 HRM600GJ圖像抓拍器。HRM600GJ自帶以太網(wǎng)接口。HRM600GJ在接收到S3C44B0發(fā)來的拍照命令包后進行連續(xù)拍照，所拍攝的圖像為靜態(tài)JPEG格式圖象，解析度為320×240，圖像經(jīng)過網(wǎng)口發(fā)送給ARM處理器等待處理。由于S3C44B0片內(nèi)并不帶以太網(wǎng)接口，因此必須擴展一片以太網(wǎng)接口芯片實現(xiàn)彩眼和 ARM處理器之間的互連。這里我們選用比較常見的也是性價比相對較高的RTL8019AS作為以太網(wǎng)接口芯片。

　　SN75LBC184是RS485驅(qū)動芯片。我們將S3C44B0的第二個串口(UART1)擴展為系統(tǒng)的RS485總線接口。該接口是CPU與“三表”及刷卡器等設(shè)備的通信接口。CPU按照主從模式與“三表”進行通信。CPU定義為主設(shè)備，“三表”為從設(shè)備。主從設(shè)備都有唯一的設(shè)備地址，通信時，主設(shè)備向指定地址的從設(shè)備發(fā)查詢命令，從設(shè)備返回當(dāng)前數(shù)據(jù)給主設(shè)備。

　　4.系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　4.1終端軟件

　　傳統(tǒng)的單片機程序設(shè)計基本上都采用順序結(jié)構(gòu)，實時性低且CPU對資源的利用率不高。這里，我們采用了嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks，它是美國風(fēng)河(WindRiver)公司于1983年設(shè)計開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)(RTOS)。終端軟件設(shè)計包括針對系統(tǒng)硬件平臺進行的操作系統(tǒng)的移植和在VxWorks平臺上應(yīng)用程序的設(shè)計兩部分。操作系統(tǒng)的移植的重點也即難點是BSP(Board Support Package)的設(shè)計。VxWorks本身提供了針對許多處理器的BSP，但針對S3C44B0的BSP并未提供。在設(shè)計系統(tǒng)BSP時，我們首先仔細研究了其中一種BSP代碼范例，了解并掌握了BSP的結(jié)構(gòu)，然后在風(fēng)河公司針對ARM處理器提供給用戶的BSP模板的基礎(chǔ)上設(shè)計了本系統(tǒng)的BSP，限于篇幅，對操作系統(tǒng)的移植部分本文將不作闡述。

　　監(jiān)控終端的應(yīng)用程序采用模塊化的設(shè)計思想。由于VxWorks支持多任務(wù)，我們將每個功能模塊以一個任務(wù)來實現(xiàn)。從時間上看，各個任務(wù)處于并行運行的狀態(tài)，極大地提高了系統(tǒng)對事件響應(yīng)的速度，有效地提高了CPU對資源的利用率。終端應(yīng)用程序包含五個任務(wù)，分別是：消息處理任務(wù)、傳感器檢測任務(wù)、GPRS通信任務(wù)、RS485總線設(shè)備通信任務(wù)、按鍵檢測及處理任務(wù)。除消息處理任務(wù)以外，其它五個任務(wù)優(yōu)先級相同。VxWorks中任務(wù)優(yōu)先級從0到255，0為最高優(yōu)先級，255為最低優(yōu)先級。我們將消息處理任務(wù)優(yōu)先級設(shè)定為90，其它四個任務(wù)優(yōu)先級都設(shè)定為100。這樣可使消息處理任務(wù)盡快的處理其它任務(wù)發(fā)送來的消息，提高系統(tǒng)對外部事件的響應(yīng)速度。下面分別對各個任務(wù)所實現(xiàn)的功能進行簡要的介紹。

　　(1)消息處理任務(wù)

　　該任務(wù)循環(huán)檢測自己的消息隊列，當(dāng)有其它任務(wù)發(fā)送來的消息時，讀取消息，對消息進行解析，確定事件類型，然后調(diào)用事件相應(yīng)的處理函數(shù)進行處理。本系統(tǒng)定義了多種事件類型，主要有如下幾種事件：傳感器告警事件、設(shè)置終端參數(shù)事件、傳感器狀態(tài)請求事件、刷卡開門事件、水表數(shù)據(jù)查詢事件、電表數(shù)據(jù)查詢事件、煤氣表數(shù)據(jù)查詢事件和按鍵設(shè)置事件。

　　(2)傳感器檢測任務(wù)

　　在任務(wù)運行的時間片內(nèi)，首先判斷系統(tǒng)當(dāng)前所的處狀態(tài)，如果系統(tǒng)處于設(shè)防狀態(tài)，那么CPU將對室內(nèi)所有已安裝傳感器進行循環(huán)檢測。如果系統(tǒng)工作在撤防狀態(tài)下，那么只對煙霧、煤氣傳感器進行檢測。當(dāng)任務(wù)檢測到某一傳感器的輸出達到系統(tǒng)設(shè)定的告警閾值時，將向消息處理任務(wù)的消息隊列發(fā)送一條傳感器告警消息，消息中包含傳感器通道編號。

　　(3)GPRS通

　　信任務(wù)此任務(wù)完成GPRS模塊的初始化、終端與監(jiān)控中心建立連接以及數(shù)據(jù)通信功能。

　　(4)RS485總線設(shè)備通信任務(wù)

　　任務(wù)完成“三表”數(shù)據(jù)的讀取以及用戶刷卡檢測功能。

　　(5)按鍵檢測及處理任務(wù)

　　該任務(wù)完成對終端上三個功能鍵的掃描。當(dāng)其中某個按鍵被按下時，CPU檢測到鍵值，向消息處理任務(wù)發(fā)送消息，消息任務(wù)將調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù)進行處理。

　　4.3監(jiān)控中心軟件

　　監(jiān)控中心軟件采用Borland C++ Builder 6.0開發(fā)。它使用WinSock控件接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。中心軟件采用模塊化的設(shè)計思想，分別實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、操作員權(quán)限管理、用戶管理、告警事件處理、數(shù)據(jù)庫的維護以及數(shù)據(jù)打印和系統(tǒng)幫助等功能。

　　5.結(jié)束語

　　本系統(tǒng)實現(xiàn)了對住宅小區(qū)內(nèi)多用戶室內(nèi)安全狀況的集中監(jiān)控與管理，還實現(xiàn)了對用戶家中的水表、電表、煤氣表的遠程無線抄送。該系統(tǒng)在實用性、可靠性以及成本等方面取得了較為滿意的效果。目前，本系統(tǒng)已經(jīng)完成最后調(diào)試，即將進入現(xiàn)場試運行。由于系統(tǒng)在硬件設(shè)計上充分考慮到了不同的應(yīng)用場合，留有較大的擴展空間，因此相信該系統(tǒng)將會有較為廣闊的應(yīng)用前景。

　　參考文獻

　　[1]鐘章隊、蔣文怡、李紅君等.GPRS通用分組無線業(yè)務(wù)，人民郵電出版社。2001.12.

　　[2]王慶剛，楊佃福. GPRS技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 微計算機信息，2005，21-5：69-70.

　　[3]Samsung Electronics. Samsung S3C44B0 RISC microprocessor Reference.

　　[4] BenQ Corporate. M22 GSM/GPRS module datesheet.2005.6.