基于3G网络的智能家居控制系统

李靖平

(黎明职业大学信息与电子工程学院, 福建 泉州 362000)

基于3G网络的智能家居控制系统

李靖平

(黎明职业大学信息与电子工程学院, 福建 泉州 362000)

随着 3G 网络时代的到来, 无线网络环境得到较大的改善, 而智能家居系统在其带动下也得到了较大的发展,其功能性也更加强大.于是以3G技术作为依托, 将其用于智能家居系统中, 利用ARM和单片机为主CPU以及协处理器创建了硬件系统, 并利用Linux系统平台来研发软件, 对家居进行远程控制, 从而实现其智能化.

3G网络; 智能家居; 远程控制

随着经济的发展, 人们的生活水平得到了较大的改善, 与此同时, 人们对生活设施的智能化也越来越重视;而智能家居由于其安全性、便捷性等特点, 也备受人们的青睐; 但由于我国现阶段对智能家居系统的技术并不成熟, 其功能相对较简单, 因此使用范围并不广泛.随着3G时代的到来, 很有必要将3G引入到智能家居系统中,使系统的功能更加强大, 应用范围也更加广泛.

1 智能家居系统的功能介绍

安装智能家居系统后, 用户仅需要使用手机等一些终端移动设备便可以对家中的设备, 比如灯、窗帘或是燃气等实施控制, 而这些操作在进行时是具有一定的要求的, 那就是要实时进行操作; 也就是说当用户在对某一程控进行相应的操作时, 设备端对于所执行的操作是有一定的时间接受范围的, 如果等待的时间过长, 那么也就失去了最初设计该系统的意义了.此外, 智能家居系统还有一个特点, 那就是操作简单; 当用户想要对门窗等家居进行控制时, 前期是不需要准备太多的工作就可以进入到智能系统中的; 对于实现智能系统这两个特点,这里在对远程进行控制时采取的是与拨打IP电话相类似的方法, 用户只需借助拨打电话便可以进入到系统中去,在系统中可以按提示音的指示来进行下一步的操作, 这样的操作较为简单; 而且利用拨打电话的方式, 在按键过程中系统便进行了实时操作; 图1为智能家居远程控制系统的功能图：

图1 智能家居远程控制功能图

2 智能家居控制系统的设计

2.1 硬件设计

在对硬件进行设计时, 要对系统中的各个模块进行考虑, 而且在进行设计时也要对后期的扩展功能进行考虑, 提前预留出接口.

2.1.1 顶层电路设计

在对硬件进行设计时, 一般会先根据需求对系统进行整体设计, 之后才对各个模块分别进行调试; 图2为系统的硬件结构图：

图2 系统硬件结构图

通过图 2也可以看出, 在本系统中, 选取的是三星公司生产的 S3C2416作为系统的主 CPU, 这款主 CPU性价比较高, 并且耗能较低, 在操作过程中处理速度较快, 是比较适合电子类产品使用的; S3C2416在系统中作为主 CPU, 主要是对其他外围器件所传送回来的信息进行处理, 因此也被称为是电路中的“心脏”; 远程监控的摄像头主要是利用USB接口与主CPU进行连接, 并将其所收集到的图像信息传送到S3C2416中; 此外, 为了降低主 CPU运行中的载荷, 在电路中又设计了一个协处理器, 该处理器主要是针对一些外围信号, 比如灯、门窗等一些电器等进行控制; 并对一些传感器等也实施监控, 当出现危险情况时, 协处理器会及时将相关信息高速传送到主CPU; 与此同时, 协处理器还可接受DTMF信息并对其进行处理.

由图2还可以看出, 主CPU主要是利用USB接口和串口来实现与3G模块的通信, 在系统中, 串口主要是用来将实施控制的信息进行传输, 而 USB接口则主要是将监控到的信息进行传输; 在设计的系统中, 主要是选用华为生产的EM770W来作为3G模块的, 该模块利用3G网络来实现与服务器的通信, 并利用TCP来将实施控制的信息进行传送, 并利用TCP和UDP将图像信息进行同时传送.

2.1.2 3G模块接口电路设计

在系统中, 利用3G网络模块来实现无线通信, 选取的是华为 EM770W, 该模块与 WCDMA兼容, 可以在HSUPA/HSDPA 协议上进行工作; 支持FPTA功能以及内置TCP/IP; 并利用AT的标准命令以及华为的扩展AT指令集来对其进行操作; 系统中的信号的输入以及输出, 电源的管理都是在该模块所提供的PCI接口中体现的;采用主集、分集的天线接口, 并支持EFR、AMR和FR等多种语音编码; 并支持来电显示和自动应答的功能, 以及TEXT和PDU的短信息模式.

在智能系统中, WCDMA的功能、UART 串口控制、用户识别模块、USB 数据传输以及MIC等均会用到EM770W, 图3为智能家居系统中EM770W无线模块的结构图.

图3 EM770W 无线模块的结构图

EM770W能够实现两个UART通用, UART1可用于全串口的模式, 能够实现数据的传送, 也就是说, 能够进行AT命令, 比如实现PPP拨号、发送信息以及拨打电话等; 而UART2则不能用于全串口的模式, 所以不能接收AT命令; 因此, 在该系统中, 主要是利用UART1来进行电话的自动接听以及拨号等, 从而实现AT命令.

2.1.3 DTMF电路的实现

在设计该系统中, 还专门设置了用于公共网络的服务器, 主要是用来对系统的ARM终端以及用户所使用的设备进行连接, 所以, 在进行远程控制时, 一般是通过公网服务器来进行的, 用户在网页上对家居中的灯和门窗等下达命令, 从而实现远程控制, 但这种控制的实现是需要经过两个过程：进行ARM终端的网络连接、用户进行登陆, 但这两个过程所花费的时间都比较长, 而且其操纵也较为复杂, 这无疑增加了实时操作的实现性; 因此,在该系统中, 选择利用DTMF的方式来进行远程控制, 从而提高了操作实现的速度.

图4 MT8870/HT9200 电路图

由图4可以看出, 在该系统中, 主要是利用MT8870以及HT9200实现对DTMF的译码, 这两种芯片都是与3G模块以及协处理器进行连接, 其中, HT9200专门是针对DTMF信号的, 它主要是利用DTMF来对引脚信号实现接收, 图中的DTMF-O是在EM770W中引出来, 并与MT8870共同使用同一个时钟信号.

MT8870则主要是对DTMF进行翻译, 将接收的DTMF信号进行分解, 分成高频和低频两种, 并将这种频率的DTMF信号送入到数字译码器, 在对其进行翻译后, 将其结果送到Q1～Q4总线中并进行输出, 从而产生脉冲信号; 并将Q1～Q4数据总线与89C52的四个I/O端口进行连接, 从而将89C52中的中断管脚与STD进行连接,当DTMF译码后的结果送到Q1～Q4总线中时, STD端口的触发单片机就会中断, 并将相关的引脚进行读取后,再以MT8870的编码方式来对软件进行译码, 最终利用串口将这些译码传送至主CPU.

2.1.4 灯、门锁等设备的控制以及传感器电路

在系统中, 主要是利用协处理器中的继电器来对灯、门窗等设备的开关进行控制, 继电器本身就是一个开关元件, 只需要一个较小的电压, 就可以对继电器进行操作, 来实现它的开与关; 而对于灯的开关来说, 其原理其实就是继电器的打开与闭合, 而窗帘则主要是利用电机的正向和反向的转动来进行控制的, 电机正向转动则是打开窗帘, 反向则是关闭窗帘, 若窗帘处于静止不动的状态, 此时静电器则为掉电的状况.

房门也是利用继电器的断开与连接来对其实现控制的, 但是与灯光不同的是, 对应房门的继电器的终端是电子锁, 主要用于在规定的时间内实现房门的自动关闭; 所以, 房门对应的继电器的状态是有时间控制要求的.

传感器则主要是利用烟雾、气体或是震动等相应的传感器来对可能发生的火灾、燃气或是偷盗等信号进行收集, 一般是与协处理器进行连接的; 其中, 烟感传感器主要是利用无线接收模块对其发出的信号进行自动定位, 而煤气传感器中则增设了A/D, 对收集到的煤气的浓度进行信号的转换, 从而实现报警.

图5 控制信号和传感器结构图

2.2 软件设计

2.2.1 系统软件顶层设计

在该智能家居系统的设计中, 主要是利用了两种方式相结合, 即循环和中断; 启动系统时, 会建立一个主线程, 主要是对系统的初始化以及出现的错误进行相应的处理, 它主要是对系统中的各个标志进行循环检查, 当查询到有错误时, 便会在相应的出错段进行位置的标记; 此外, 主线程还会主动创建几个子线程, 这些子线程在系统中是一直都生存的, 比如串口程序、串口线程以及Qt通信程序等.

剩下的线程则不会在系统中处于一直存在的状态, 它们在需要时会被动的被创建, 而不需要时怎会被动的被消灭; 如用户安装在阳台上的摄像头, 只有在需要的时候, 这个线程才会被创建, 当用户的需求结束后, 则该线程就会被动的被消灭, 其目的是为下一个任务来释放更多的空间和资源.

2.2.2 DTMF 远程控制设计

图6 DTMF 的控制流程图

图6可以看出, 用户在通过DTMF来对系统进行控制时, 其操纵是分层的, 在第一层中主要是选择进行开门的操作还是其他操作, 第二层则在第一层的基础上再进行操作, 对DTMF操作的层数最多为五层; 所以, 这里可以将对DTMF整体的操作看成是一个层深为五的树, 不同的层以及不同的节点所组合起来就是用户所选择的相应的操作.

在这里, 因为按键有时候会重复使用, 所以对每个层中的节点都设置了相应的功能函数, 对于 DTMF所传送过来的按键号, 每个节点函数都可以单独对其进行处理; 用户在不同的层以及不同的节点中, 其节点函数也是不一样的; 所以, 利用这一功能函数实现了对按键重复使用的功能.

此外, 在智能家居系统中, 安全是至关重要的, 所以, 在使用DTMF操作时, 可以考虑设置一些密码保护等,来确保家居系统的安全性.

首先, ARM的客户端是不能接听任意电话的, 用户应该利用QT的界面对其进行设置, 输入n组电话, 这个电话在后期是可以更改的; 当有电话接入时, 系统会对其进行判断, 如果这个号码是那n个号码中的一个, 则在响铃次数达到设定次数后便会自动进行接听, 如果不是其中的号码, 则系统会自动挂断该电话.

其次, 用户在使用手机等对家居进行远程控制时, 可以先在 DTMF中设置一定的密码, 在使用时需要进行密码的确认才能被允许进行相关的操作; 这样的做法主要是为了避免手机等终端设备落入他人手中或是丢失而产生的危险.

在 ARM 终端, 会将用户所设置的电话号码以及其他的密码等以结构体的形式存于文件中, 并且用 fwrite以二进制的方式来进行写入, 从而提高了系统的安全性能.

2.2.3 远程视频传输系统的设计

在该智能家居系统中, 主要是采用B/S 架构来实现对远程视频的传输, ARM客户端利用3G网络将数据传送到服务器上, 用户可以通过相关的网页来进行观看, 系统还为用户手机设计了 C/S 模式, 以方便他们使用手机来进行观看, 他们仅需安装特定的软件即可; 在该系统中, ARM客户端主要是利用Socket来实现与服务器的连接的, 用线程对摄像头进行操作, 并将其收集到的资料通过 Socket 句柄传送到服务器上; 而服务器则主要具备下面功能：

(1)利用3G网络来实现远程控制;

(2)将收集到的视频图片等进行接收, 并提供给用户观看;

(3)用于客户的登陆信息的管理.

用户处理利用DTMF来实现对灯和门窗等的远程控制外, 也可以利用网站来完成相应的操作, 服务器所具备的最主要的功能就是对家中进行实时监控, 所以, 服务器的程序负荷是相对较高的.

在设计程序中, “C 服务器”建立子线程, 并在该子线程中执行文件创建消息队列, 对“Java_web 服务器”发过来的命令进行接收, 并将其发送至消息队列中, 在接受另一个“Java_web 服务器”的子线程, 则主要是针对“特征值”类型的消息进行接收, 并将其发送至“客户端”.

对于“C 服务器”程序来说, 仅需要调用“Socket本地”套接字并可以将“客户端”的命令进行接收, 并发送至“Java_web 服务器”.

图7为多个用户实现数据交互的流程图

图7 多用户数据交互流程图

在该系统中, 主要是利用本地 Socket来将Java 和 C的信息进行传送, 客户端利用WEB将命令进行传送,客户接收到该信息后通过本地 Socket将其传送至“C 服务器”, 并在系统中设置所有的命令为固定长度, 为本地Socket接收提供便利.

3 智能家居系统的实现

图8是利用WEB 网页进行实时监控的界面, 中间部分为系统中所设置的其中一个摄像头所监控到的情况,用户也可以通过上访的按键来对系统进行远程控制, 通过左下方的按键对监控摄像头进行切换.图 9是用户终端操作主界面, 在此界面上, 用户可以实现对家居的智能操作.

图8 实时监控界面

图9 QT终端界面

4 结论

本文主要针对基于3G网络的智能家居实现远程控制进行了研究, 利用 Linux 平台的相关工具来实现系统的整体构架, 并利用ARM和单片机, 共同为主CPU和协处理器创建硬件系统, 利用EM770W 为 3G 平台构建远程控制系统, 从而实现了智能家居的控制, 同时也提高了其性能.

但该系统在其设计中仍然存在一些问题, 比如现阶段Linux下 TCP 端口号所连接的数量最多只允许在20个, 所以, 如何创建一个支持更多用户的服务器还是一个有待解决的问题.

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Intelligent home control system based on 3G network

LI Jing-ping
(Liming Vocatiohal University, Fujian Quanzhou, 362000 P.R.C)

With the advent of the era of 3G networks, Wi-Fi environment has been greatly improved, and with the development of the Wi-Fi, the smart home system has also developed considerably.Its function is also more powerful.In this paper, as the basis of 3G technology, 3G will be used in smart home system, and the use of ARM-based microcontroller CPU and coprocessor hardware system is created and Linux systems platform is used to develop software for remote control of homes in order to achieve its intelligence.

3G network; intelligent home; remote control

TP273+.5

A

1003-4271(2014)02-0281-07

10.3969/j.issn.1003-4271.2014.02.22

2014-01-02

李靖平(1981-), 男, 福建泉州人, 讲师, 主要从事电子技术及计算机技术方向的研究.

泉州市科技局科技资助项目(2008G16); 泉州市技术研究与开发项目高校协同创新科技项目(2012Z131).