物联网分布式网络数据传输技术——智能家居系统设计

汪建春，胡晓进

0 引言

随着计算机技术、网络技术和自动控制技术的迅猛发展，家庭智能化和信息化应运而生，它为人们提供集信息安全、生活舒适、通讯快捷为一体的居住空间，使家居智能化、信息化、数字化及网络化成为现实。随着3G、4G时代的到来，移动数据传输能力得到提高，使得人们通过移动终端实时、快速监测家居环境成为可能[1,2]。

移动终端远程控制作为一个崭新课题与常规的遥控方式相比，显示出一定的优越性。短消息、彩信通过GSM(Global System for Mobile Communication)或GPRS(General Packet Radio Service)服务中心提供文本信息、多媒体信息的收发服务，其中服务中心完成存储和转发功能。利用服务中心进行无线通信具有双向数据传输功能，性能稳定，为远程数据传输和监控设备的通信提供一个强大的支持平台[3,4]。

1 智能家居监控系统设计要求

图1为智能家居系统架构示意图。当移动终端想获取家居控制系统实时数据，通过GSM网络发送文本短消息SMS到控制器。控制器根据文本内容，控制器选择不同IP地址和网络端口，通过局域网将控制数据包发送到各监控设备。监控设备根据控制数据包进行监控动作，并将数据进行打包，回送给控制器。控制器获得数据后解包并将相应的数据通过GPRS网络发送到移动终端。

当各监控设备检测到异常情况时，通过局域网络将监测到异常数据，如家中有人闯入、电器设备异常等，发送到控制器。控制器通过GPRS将异常发送到移动终端。

图1 智能家居系统架构示意图

2 系统总体结构设计

整体硬件架构如图所示，控制器采用嵌入式S3C2440模块通过串口与TC35模块实现数据传输。TC35模块通过GPRS/GSM网络将监控数据传输到移动终端。各监控设备通过S3C2440模块的网络端口与控制器S3C2440模块网络端口组建局域网络，实现数据的传输与交互，如图2所示。

2.1 无线通信TC35模块

图2 数据传输与交互

TC35是西门子推出的一款无线通信模块，设计紧凑。TC35与GSM 2/2+兼容，双频(GSM900/GSM1800)工作，带有RS232数据口。符合ETSI标准GSM0707和GSM0705，且易于升级为GPRS模块。该模块集射频电路和基带于一体，向用户提供标准的AT命令接口，为数据、语音和短消息提供快速、可靠、安全的传输，方便用户的应用开发及设计。在系统中S3C2440通过RS232与其相连。

图3 系统流程图

2.2 控制器及监控设备核心S3C2440芯片

嵌入式处理芯片S3C2440芯片是三星公司以ARM为架构所推出的ARM920T的微处理器核心。具备16KB的指令缓存和16KB 数据缓存。内存管理单元协处理器进行内存存储管理，外部存储控制器进行SDRAM控制和片选控制。提供1通道LCD控制器并支持DMA数据传输。3通道通用异步接受发送器UART。8通道10位模数转换和触摸屏接口，130个通用I/O口和24通道外部中断源。系统电源管理模块具备普通，慢速，空闲和掉电模式，使系统运行更省电。

3 系统软件设计

控制器及监控设备软件是基于LINUX操作系统上开发，LINUX操作系统是一款源代码开放的自由软件。LINUX具有良好的软件开发工具、可移植性并支持多线程和多进程编程[5]。针对系统特点，软件采用多线程编程方式，多线程具备并发执行、共享主进程资源等特性。

3.1 系统流程图

系统上电后，初始化串口、TC35无线通讯模块。通过函数pthread_create创建TC35监控及局域网络监控子线程。利用条件变量pthread_cond_init实现子线程的调度。主控制器通过循环监测各子线程的条件变量，当TC35模块收到信息，系统解析信息内容，并判断终端想获取的监控模块数据。主控制器停止TC35监控线程、网络监控线程的运行。通过局域网向监控模块发出数据请求。监控模块通过局域网将监控数据回传给系统，主控制器将数据通过串口将数据经TC35无线通讯模块发送到移动终端。重新启动TC35监控线程、网络监控线程。

当监控模块检测到异常，向上请求数据传输。网络监控子线程接受到异常信号后，主控制器暂停TC35监控线程、网络监控线程，并获得异常监控设备的IP地址及终端号。主进程通过IP地址及端口号，与监控设备建立网络联结，进行监控数据传输。主控制器将获得的数据通过TC35模块发送到移动终端，如图3所示。

3.2 网络数据传输

系统依靠局域网络，通过TCP/IP编程实现监控模块与主控制器实现数据传输。通过函数socket创建面向TCP/IP协议、流套接字，bind函数套接字绑定在一个固定的端口上，listen函数将套接字转换为被动倾听套接字，accept函数从建立连接的队列中接受一个连接，read/write函数用于数据接收和发送，如图4所示。

图4 数据接收和发送

4 结束语

本文叙述一种新型的智能家居系统架构。通过主控制器控制无线通讯模块，和移动终端实现数据交互。主控制器通过局域网络与监控设备数据交互，从而实现了移动终端与监控设备双向互动，即监控设备监测到异常，主控制器主动发送监控数据到移动终端；和移动终端想获得监控数据，发送文本短消息到主控制器，主控制器启动监控设备，并将监控数据回送移动终端。

[1] 董翠英. 基于ARM与GSM的智能家居控制器设计[J]. 唐山学院学报. 2010, 23(3): 37-39.

[2] 马鸿雁. 我国智能化住宅小区发展综述[J]. 北京建筑工程学院学报, 2003, 19(1): 88-93.

[3] 王艺. 基于GPRS的嵌入式智能家居终端的设计与实现[J]. 微计算机信息, 2007(26): 23-25.

[4] 黄尔烈, 等. GSM技术的智能家居控制[J].辽宁工程技术大学学报: 自然科学版, 2008(27): 239-241.

[5] 杨水清, 等. ARM潜入式Linux系统开发技术详解[M]. 北京: 电子工业出版社, 2008.