基于GPRS的無線智能家居控制系統(tǒng)方案

　　引言

　　隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展以及人們對(duì)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(dòng)化監(jiān)控管理：對(duì)住宅的火災(zāi)、有害氣體的泄漏實(shí)行自動(dòng)報(bào)警；防盜報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)安裝紅外或微波等各種類型報(bào)警探測器；系統(tǒng)應(yīng)能與計(jì)算機(jī)安全綜合管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能對(duì)防盜報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行集中管理和控制。但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(duì)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無線家庭智能控制系統(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(duì)Internet的訪問不再局限于單個(gè) PC，每個(gè)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(huì)的基本單元。未來的家庭中，各種家電設(shè)備將組成一個(gè)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。

　　智能家居網(wǎng)絡(luò)指的是在一個(gè)家居中建立一個(gè)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(duì)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(gè)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(tái)與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的一個(gè)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(shí)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(dòng)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(dòng)報(bào)警等功能，即當(dāng)發(fā)現(xiàn)報(bào)警信號(hào)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(bào)警信號(hào)。

　　如圖1所示，智能家居控制器為系統(tǒng)的核心?？刹捎肁RM嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠自動(dòng)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(shí)，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(duì)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(duì)家庭系統(tǒng)進(jìn)行控制和查詢。

　　·自動(dòng)報(bào)警：當(dāng)控制器檢測到非法闖入或溫度超高等報(bào)警信號(hào)時(shí)，及時(shí)觸發(fā)室內(nèi)報(bào)警裝置，并通過發(fā)送報(bào)警短信等方式及時(shí)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(jì)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。
　　
　　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(dòng)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(jì)采用了Freescale公司生產(chǎn)的內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議的G24 GPRS OEM。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(Point to Point Protocol)協(xié)議獲得一個(gè)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(hào)與監(jiān)控中心建立通信鏈路。軟件流程如圖2所示。

　　(1) 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(dòng)波特率偵聽，能夠自動(dòng)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)。

　　(2)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(gè)動(dòng)態(tài)的IP地址，接入Internet。

　　(3) 連接監(jiān)控中心。向模塊發(fā)送“AT+MIPOPEN= <Socket ID>,<Source Port>,<"Destination Address">,<Destination Port>, <Protocol>”建立與監(jiān)控中心通信連接。如果返回“+MIPOPEN: Socket ID,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(duì)AT+MIPOPEN指令的參數(shù)作以下說明：

　　·Socket ID：G24通信連接的ID號(hào)，G24有4個(gè)可用Socket，每個(gè)Socket有1372Byte緩沖區(qū)。

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

　　·Destination Address：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。

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

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

　　(4)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”。“Data”表示要發(fā)送的數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)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(huì)通過RS232串行口返回“+MIPRTCP: <Socket ID>,<Left>,<Data>”。其中Left是一個(gè)十進(jìn)制的數(shù)字，表示還有多少個(gè)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。

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

　　結(jié)語

　　本文提出了基于GPRS無線家庭智能控制系統(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(duì)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(tái)，并通過該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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)。