基于无线的物联智能家居控制系统设计

陈荣军,罗文聪,郑林彬,许嘉龙

（1.中山大学 信息科学与技术学院,广东 广州 510006；2.中山大学 南方学院,广东 广州 510970）

在当今以计算机、网络、卫星通信为特征的信息社会，人们对家居设施的要求越来越高，“智能家居”和“物联网”成为研究热点[1-4]。在现代化高档小区中，人们越来越重视居住环境的安全监控，尤其希望对危及生命财产安全(如火灾、煤气泄漏、外人非法入侵等情况)的有效监控,并能及时将异常情况告知户主或相关的机构。随着手机、掌上电脑等设备的普及,通过GSM/GPRS、无线WLAN、3G、WiFi等无线网络不断推进监控家居技术的革新,目前国内外一些企业也已开始研究智能家居相关产品，但主要集中在价格比较高的高端产品，很难使智能家居进入寻常百姓家。

本文设计了PXA270和nRF24L01的无线物联智能家居控制系统，为家居智能监控技术发展提供了一个很好的应用方案。设计基于nRF24L01和STC89C52的家居无线终端，可以方便地将原有家居设备汇聚到智能家居系统网络的节点上进行无线控制。采用高低端控制器，实现无线遥控、嵌入式系统、手机远程、PC远程分级的独立控制，便于实际应用，可以满足各类客户需求，有着很好的技术推广与市场应用前景。

1 系统方案设计

系统结构如图1所示，嵌入式系统是整个系统的核心。无线传感网络控制在实现家居设备独立控制的同时也将各家居信息传输给嵌入式系统，通过操作触摸屏和视频模块即可完成对家居的监控。系统接入Internet,在PC机上登录家居监控系统进行远程监控，系统带有移动通信模块，可实现手机端的远程监控。

图1 系统结构图

2 硬件设计

2.1 嵌入式控制模块

基于ARMv5E的Xscale核心,嵌入式核心采用的PXA270芯片最高频率可达624 MHz，外围控制器众多。内置了Intel的无线MMX技术，能够显著地提升多媒体性能，此外PXA270也包含了 Intel的SpeedStep技术，能够根据需要动态调节CPU的性能，真正实现了低功耗，高性能[5]。嵌入式外围电路采用EELiod270开发平台，其中包括 CPU、Flash、SDRAM、CPLD核心系统部分和外围接口。

2.2 无线网路控制

通常控制网络的组网方案分为有线传输和无线传输两种。有线传输方式依靠电缆连接，优点是连接稳定，信息交换速率和效率高，但需专用线缆，导致安装维护成本高。在无线传输的方式中，包含315 MHz、蓝牙技术和ZigBee技术。315 MHz频段通信易受干扰,造成蓝牙技术和ZigBee技术成本高，且协议开销大。综合考虑以上因素,本设计采用nRF24L01芯片提供数据交互以组建无线网络。nRF24L01是挪威NORDIC公司的2.4 GHz无线收发一体芯片,有多达125个频道可供选择，支持1 Mb/s和2 Mb/s传输速率[6]。此芯片可通过SPI写入数据,并有自动应答和自动再发射功能,芯片功耗非常低,多种低功率工作模式使节能设计更方便。

基于nRF24L01芯片与STC89C52单片机设计了无线网络控制中的无线终端，通过设置好的协议进行无线操作。如图2所示，无线网络控制主模块通过无线终端与监控家居设备（窗帘、窗体、门禁、安防检测、家用电器、备用插座等）、家居设备的开关状态、报警等物理信息及无线终端传送给无线网络控制主模块。同时，系统也可通过无线遥控或PXA270平台上的触屏方便、快捷地操作家居设备工作。

2.3 安防传感器检测设计

如图3所示，烟雾、煤气泄漏、红外等传感器的报警信号通过光电耦合接入无线终端上STC89C52的P2口。传感器没有报警信号时，光电耦合芯片处于截止状态，与之相接的单片机端口为低电平；传感器有报警信号时，输出高电平，此时,光电耦合芯片导通。与之相接的单片机端口为高电平，由STC89C52对报警信号进行采集并做出相应处理，通过nRF24L01无线终端将设定好的信号发送到无线网络总控制器。

2.4 移动通信和视频监控

移动通信模块可以选用最新的3G模块，但考虑目前市场上的3G模块都只能支持TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000之一的网络标准，而且价格比较高，本系统从性价比上考虑选择GSM模块，采用西门子MC35 GSM/GPRS无线模块。该模块支持EGSM900和GSM1800双频，支持数字、语音、短消息和传真，使用AT指令控制发送短消息。并采用9 V直流电源供电，通过RS-232串行端口与EELiod270平台连接进行通信。

视频采集模块采用基于中星微(Vimicro)公司ZC0301P芯片的摄像头，硬件最高支持VGA分辨率（640×480），支持ISO/IEC 10918-1(JPEG)标准图像压缩。在VGA模式下速率可达15 F/s，在CIF（352×288）和SIF(320×240)模式下速率可达30F/s,并通过USB接口连接到EELiod270平台。

3 系统软件设计

3.1 客户端软件设计

本系统的客户端选用Linux下的开发工具QT，客户端主要功能包括GSM、视频、嵌入式平台与无线网络控制通信及各类终端控制。

3.1.1 GSM模块设计

GSM控制模块实现了远程安全监控家电设备和自动报警的功能。系统采用定时器方式读取串口内容。本系统在PXA270平台上实现了烟雾红外传感器的报警信息和视频数据的采集，借助于GSM网络，基本达到了远程监控的目的。结合有线或无线网络，也可以将相关数据自动传输到远程服务器端进行处理，充分发挥智能家居系统远程监控的功能。

3.1.2 视频模块设计

本视频功能是为了方便用户和服务器端的监视。视频的显示与传输时以图像为主，即拍摄某一瞬间的画面进行显示，通过瞬间的一幅幅画面来实现视频功能。

3.1.3 嵌入式平台与无线网络控制通信设计

嵌入式平台与无线网络控制通信实现了客户端对底层的无线终端控制以及对部分反馈信息进行处理。设计流程图如图4所示，其中报警信息是以"#$#"为标示，如果检测到"#$#1"信号则表明红外警报被触发；"#$#2"表明烟雾警报被触发；"#$#3"表明煤气警报被触发；当有警报被触发时，系统自动启动短信自动报警。各家电设备的状态信息是以"#&"作为起始标志，"！"作为结束标记，设计时需充分考虑到安全稳定问题。

图4 嵌入式平台与无线网络控制通信流程图

3.2 服务器端软件

本服务端程序基于Redhat 9.0的QT软件平台下开发,通过有线网络将EELiod270平台的视频和所有设备的状态信息数据传输到小区的监控服务端，并将所有的状态信息保存到日志文件中。

服务器端接收的数据主要为所有设备和传感器的状态信息数据以及视频数据，在接收时利用信息头加以区分。对于状态信息的数据内容较小，在接收过程中不存在网络阻塞而丢数据包的情况。但是对于视频数据而言，由于视频数据较大，在接收过程中由于网络阻塞而丢失数据包，最终导致视频无法恢复。因此在视频数据接收过程中采用分块接收的方法，即将需要传输的视频数据分成n个数据块，每个数据块的传输进行通信握手，当一块数据完全传输到服务器后，向客户端回送握手信号，客户端再发送下一个数据块数据。当一帧视频传输完毕后，再将视频数据进行合成。服务器端界面如图5所示，服务器端最主要的是接收来自客户端的信息，并对其进行处理。

4 系统调试

4.1 嵌入式系统调试环境

本系统的调试环境是：

PC主机：CPU：AMD ALTHLON(速龙)1 G;内存：1GB;操作系统：Red Hat Linux 9.0操作系统;内核版本：2.4.20;开发平台：EELiod PXA270;SDRAM：64 MB;Flash：32 MB;嵌入式 Linux内核版本：2.4.21;本地编译工具：gcc，g++;交叉编译工具：arm-linux-gcc、arm-linux-g++。

4.2 系统整体测试

测试方法：分别用手机、ARM人机交互系统及遥控系统，通过无线网络控制各个功能模块的工作,从而达到对网络的稳定性及各个功能稳定性的检查。图6所示为PC监控软件测试结果达到预期稳定效果界面。

本系统从智能化家居的理念出发，利用无线芯片、嵌入式与单片机及移动通信等技术控制，实现了对家居设备物理状态、安防检测、视频信息的智能化控制。经过实验测试，系统工作可靠，设计的家居无线终端能方便汇聚家居设备到系统无线控制网络；采用高低端控制器实现无线遥控、嵌入式系统、手机远程及PC远程分级独立控制，便于实际应用，满足了各类客户需求，有很好的技术推广与市场应用前景。

[1]ERDEM H,UNER A.A multi-channel remote controller for homeand office appliances[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics,2009,55(4):2184-2189.

[2]Yang Yongquan,Wei Zhiqiang,Jia Dongning,et al.A cloud architecture based on smart home[C].Second International Workshop on Education Technology and Computer Science,2010:6-7,440-443.

[3]BRDICZKA O,CROWLEY J L,REIGNIER P.Learningsituation models in a smart home[J].IEEE Transactions on Systems,Man,and Cybernetics,Part B:Cybernetics,2009,39(1):56-63.

[4]曾国敬,宋跃,何志辉.一种智能家居远程控制系统的硬件设计[J].电子技术应用,2011,37(4):81-84.

[5]王金莉,苏宛新.基于PXA270的嵌入式系统设计[J].微计算机信息,2008,24(4-2):11-13.

[6]何伟,陈锋,张玲,等.基于 nRF24L01和 Actel FPGA的智能探测系统设计[J].电子技术应用,2010,36(10):111-116.