基于无线网络的智能家居网关设计

郑立玲　谢锡锋

摘要：提出一种新的基于无线网络的智能家居网络终端设计方案，利用GPRS技术作为远程人机交互手段，利用无线射频技术实现短距离的无线网络通信，详细阐述了各硬件模块的功能和实现方法。

关键词：无线技术；智能家居；无线射频；GPRS

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）08-1840-03

1 概述

无线智能家居网络通过红外线、蓝牙、GPRS、ZigBee、RFID等技术实现各类电子设备的互联互通与智能控制， 具有低成本，低功耗的特点，符合“低碳生活”的绿色智能家居概念， 是未来居住模式的必然发展趋势。

2 智能家居系统设计方案

2.1 系统功能需求

1） 对紧急情况（如：燃气泄露、火灾、浸水、非法侵入等）实现自动报警，实现安全防范功能；

2） 对家居环境条件（如光强、温度、湿度等）进行检测，确保良好的家居环境；

3） 对家庭现场情况进行图像采集并进行计算处理，分析出家庭现场存在的安全隐患；

4） 采用无线网络将检测设备的检测结果智能家居网关；

5） 通过互联网或移动通信网络将檢测信息及图片传送至用户，使得用户可以随时查看家居情况；

6） 具有数据本地存储功能，设防、撤防功能，可供用户事后查看；

7） 家居系统应该操作简便、美观隐蔽、易于安装维护。

2.2 系统总体设计方案

系统由网关设备、传输设备、检测设备3个部分组成，使用无线网络将网关设备、传输设备、检测设备组成簇树结构，如图1所示。

检测设备以房间为单位组成星形网络，主要是各种传感器检测节点，如：红外、浸水、光强、燃气、烟雾、湿度、温度等传感器，网络节点数量可以根据实际房间需要布置。

传输设备完成数据的上传下达功能，包括接收节点（SINK）、路由节点和中继节点。

网关设备是智能家居系统的核心部件，主要实现图像的采集处理、数据显示、数据输入及数据本地保存等功能，并完成对整个无线网络的路由表进行管理，将多个的相互独立的网络连接起来，接受并执行业主所发的指令以实现自动控制；同时对来自传感器网络节点的数据进行处理，并将这些数据通过GPRS传送给业主。

2.3 系统工作流程

家庭中根据需要布设一定规模的检测设备和传输设备，检测设备与传输设备组成无线网络。当有非法侵入、浸水、火灾、燃气泄露等紧急情况发生时，检测设备将检测结果通过传输设备发送给网关设备，网关设备对检测结果进行处理后发送短信至业主。业主接到短信后可发短信至网关设备，控制网关的报警短信发送和摄像头图像的采集。业主需要传输现场情况图片时，网关设备将抓拍图片发送彩信至业主，业主可发送短信至网关设备查询检测设备的工作情况和检测信息。

3 智能网关的硬件

智能网关以微处理器为核心， GPRS模块和射频模块及其他外设接口，如图2所示。

3.1 微处理器

主芯片采用最新的MSP430F5438，是MSP430系列超低功耗单片机中的最高端型号，具有16位精简指令集结构，硬件乘法器支持32位操作数，单片机处于运行模式的功耗为160 mA /MHZ，一共有100引脚，其中有87通用IO， 具有256K片上 flash、16K 片上RAM、25MHz运行频率，大量片上模块，速度超出MSP430F149两倍以上，资源超出4倍以上，完全满足复杂应用需求。

3.2 GPRS模块

GPRS模块采用SIMCom推出新款紧凑型产品—SIM900A. 它属于双频GSM/GPRS模块，完全采用SMT封装形式，工作频率为GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输，通信接口采用RS232接口，支持AT命令控制，支持通信速率从1200bps-11500bps，天线接口采用SMA接口，下行速度最大达到85.6kps，上传速度最大达到42.8kps，内嵌有TCPIP协议，支持UDP/TCP通信，非常适合本系统。

3.3 射频模块

射频模块采用TI公司射频芯片CC1100，具有最高+10dBm发射功率和-110dBm高接收灵敏度，使用ISM频段，频点为433MHz， 254个频率间隔200KHz的可选信道数，具有 较低的电流消耗（RX中，15.6mA，2.4kbps，433MHz），较高灵敏度（1.2kbps下-110dDm，0.1%数据包误码率可程控8个发射功率和最高500kbps的射频数据传输速率，并可软件修改波特率，开阔地传输最远距离达到 300-500米，具有无线唤醒等功能，且内置硬件CRC 检错和点对多点通信地址控制。

3.4 温度采集模块

温度传感器采用DS18B20数字温度传感器，采用3.0V～5.5V供电，程序设定9～12位的分辨率，，感应精度范围：± 0.5°C，感温范围宽 -55℃ ～ +125℃，无需外部元件，独特的单总线接口，输出引线有3条（红色VCC，黄色DATA，黑色GND）。为了实现对温度采集，每次采集温度之前都需要对DS18B20复位，然后再发送温度转换指令，最后发送读取温度数值指令完成温度的采集。

3.5 光敏传感模块

采用一个精密可调电阻一个光敏电阻串联还有LM358， 在这个模块用一个电阻与光敏电阻串联，先把信号传给比较器，再送入处理器内，完成信号传输。这里把光敏产生的信号送给比较器，主要是用它来整形，在比较器的反向输入端，用电阻分压，作为基准电压，使得经过比较器后的电压，只有两种状态，即高电平和低电平。这样处理器就可以有效的识别信号了，提高了准确性，用一个精密可调电阻和一个光敏电阻串联，光敏电阻通过向光、遮光的电压与1/2Vcc经过比较器比较，再加个电压跟随器输出稳定电压。向光输出低电平，遮光输出高电平，使其输出信号输入处理器。

3.6 功率控制模块

采用MOC3061系列光电双向可控硅驱动器， 要用处理器控制各种各样的高压、大电流负载，如电动机、电磁铁、继电器、灯泡等，不能用处理器的I/O线来直接驱动，而必须通过各种驱动电路和开关电路来驱动。MOC3061系列光电双向可控硅驱动器是一种新型的光电耦合器件，它可用直流电压、小电流来控制交流高电压、大电流。用该器件触发晶闸管，具有结构简单、成本低、触发可靠等优点。

3.7 存储模块

FLASH选用三星的K9F1G08U0B，其為64M的NAND型FLASH ，SDRAM选用两片Hynix公司的HY57V561620，SD卡及USB主机提供本地存储功能，USB设备及RS232进行调试测试用及同PC的连接。

4 系统软件设计

软件设计从编码可读性、正确性、可移植性、可测试性、模块化和标准化等环节考虑提高软件的可维护性和可靠性。

整个系统需要实现以下功能：整个网络拓扑的维护和管理，检测设备检测信息的收集，对检测、传输设备的控制和查询，摄像头的控制和图像采集，本地存储及布防、撤防功能，与业主移动终端的信息交互，协调整个系统的运行和其他扩展功能。其中对GPRS链路维护是实现网络通信的基础，上行任务中的链路维护模块包括：GPRS网络登陆、链路状态检测以及心跳维护等，其中GPRS网络登陆程序流程如图3所示。

在GPRS通信链路建立后，如果长时间无数据传输，则GPRS网络连接将被断开，所以必须在一定时间间隔内发一个数据帧至主站，确认主站应答后说明链路状态正常。不同品牌GPRS模块的AT指令集不同，因此在编程之前必须熟悉相关GPRS模块的指令集，以实现链路的建立和维护。

5 结束语

本设计的智能家居网关利用GPRS技术作为远程人机交互手段，利用无线射频技术实现短距离的无线网络通信，将家庭内部的各种设备连接成网络，实现人居的高度和谐融合。目前的楼宇智能化系统以布线式的设计作为系统的神经网络，受到布线的限止，楼宇智能化系统存在着施工困难、系统调试复杂、可靠性低等诸多不利因素，文中将无线技术引用到智能家居布线系统中，充分体现无线技术的优势。

参考文献：

[1] 黄涛.嵌入式无线互连系统开发从实践到提高[M].北京：中国电力出版社，2007.

[2] 周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[3] 周洪.智能家居控制系统[M].北京：中国电力出版社，2006.

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