基于嵌入式的無線智能家居近遠程監(jiān)控系統(tǒng)

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、遠程化、無線化的特點。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模塊通知遠方主人作出相應(yīng)處理，減少財產(chǎn)損失。本設(shè)計對于進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

進入21世紀以后，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。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標準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)與單片機主控的通信方便快捷，選用ATmega16L單片機。本方案把ATmega16L單片機的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電機驅(qū)動芯片來進行對直流減速電機控制。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：可燃氣體傳感器、防盜傳感器、溫度傳感器、濕敏傳感器?？扇細怏w傳感器采用MQ2可燃氣體傳感器。它是一種將某種氣體體積分數(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)，濕敏電阻的特點是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當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或微型計算機進行處理，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)過單片機或微型計算機進行數(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)備的遠程遙控。GSM模塊是智能家居遠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，設(shè)定ARM串口的波特率為9600/bps。利用ASCII嗎進行短消息的發(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)定法進行，并利用滑動平均濾波的法，以提高報警的準確性。當有危情出現(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。