唐松泉， 赵祚喜， 吕永青， 揭钊越

（华南农业大学 广东 广州 510642）

进入21 世纪以后，借助网络和信息技术的发展，信息家电已越来越多地出现在人们的生活之中，而这一切的发展最终目的都是为了方便人们的生活。智能家居的出现体现了人们对人居环境尽善尽美的追求，它无疑带给大家一种全新的完美生活理念，让我们的居住环境更加舒适和人性化。传统的有线连接系统面临着布线复杂不利于扩容和二次开发、受线缆的限制不能移动不能及时控制、电线需要外设或穿墙影响美观等诸多缺点。然而在世界通讯业和信息产业高度发展的今天，无线通讯以其“随时、随地、随身“的服务优势，开启了个性化信息时代，造就了不可逆转的发展趋势。 基于以上考虑，本设计建立了一个采用ARM嵌入式控制系统与GSM 全球移动通讯系统短消息相结合的方式，以及各类传感器的自适应控制，实现对家居的智能化。

1 系统设计

1.1 硬件设计

1.1.1 系统结构层次设计

该控制系统从结构上分为前向通道和后向通道。前向通道主要以ARM9 系列的S3C2440 为核心的主控制器构成。 后向通道主要由GSM TC35 远程无线网络通信模块为核心的数据通信单元构成。控制单元主要是对室内的环境因素进行监控，并能够发出相应的控制指令，实现对家居设备的控制。 数据通信单元主要完成两个任务：一是有险情发生时将当前家居设备的状态以短信的方式， 借助GSM 网络发送给用户； 二是接收来自用户手机发出的短信，翻译出其控制要求，输出到前向通道，完成相应的控制功能。 结合上述硬件设计方案，整个控制系统框图如图1所示。

图1 系统结构框图Fig. 1 The system structure diagram

1.1.2 功能电路实现

1.1.2.1 主控制器

本方案以mini2440 开发板（原理图如图2）作为主控服务器。 它采用Samsung S3C2440A 为微处理器，并采用专业稳定的CPU 内核电源芯片和复位芯片来保证系统运行时的稳定性。 mini2440 的PCB 采用沉金工艺的四层板设计。Samsung S3C2440A 采用了ARM920T 内核，0.13 μm 的CMOS标准宏单元和存储器单元[1]。

图2 Samsung S3C2440A 内部组织结构图Fig. 2 Samsung S3C2440A The internal organization structure chart

1.1.2.2 无线组网硬件电路

本方案利用nRF24L01 无线通信模块设计一个无线数据传输系统，实现组网通信。由于nRF24L01 模块带有SPI 口，为了实现与单片机主控的通信方便快捷， 选用ATmega16L 单片机。 本方案把ATmega16L 单片机的PA0-PA5 连接nRF24L01的控制信号和检测信号，用于nRF24L01 的模式切换以及通信过程中必须的信号指示接口。 另外ATmega16L 可工作在较低电压，可与nRF2401 共用同一电源。 硬件电路如图3 所示。

1.1.2.3 其他电路设计

其他电路主要包括： 主控制器电路设计、 电磁阀控制，LED 灯管、窗帘控制、声光灯等电路的设计。 RM 主控服务器是通过通用输入输出口（GPIO）与各电器相连的。电磁阀是可以用电控制开关的水阀。 本方案中使用5 V 脉冲式电磁阀，不需要持续供电，由于是双稳态，断电后能保持先前状态。 由于电磁阀瞬间电流需求较大， 开启/关闭时需要正反双向电流。 LED 灯管是12 V 驱动的LED 灯，单粒LED 灯的驱动电压为3.3 V。 对窗帘的开关控制是利用L298N 电机驱动芯片来进行对直流减速电机控制。 调光电路由由主控芯片Atmega16 将通过无线模块接收到的信号进行控制PWM 输出，从而控制灯管亮度。

1.1.3 传感器选型及电路设计

1.1.3.1 传感器选型

本系统涉及的传感器有：可燃气体传感器、防盗传感器、温度传感器、湿敏传感器。 可燃气体传感器采用MQ2 可燃气体传感器。 它是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。 防盗传感器采用热释电红外探测器，热释电红外探测器是BISS0001 配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成的被动式红外传感器。 该模块可以通过GSM、WIFI 和ARM 来控制其工作。 温度传感器采用LM35 温度传感器，由于它采用内部补偿，所以输出可以从0 ℃开始。 湿敏传感器采用的是电阻式高分子湿度传感器（GY—HR00X），湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。

1.1.3.2 传感器数据采集与数据分析

传感器是将外界信息转换成电信号的装置， 其中的电信号包括数字信号和模拟信号， 数字信号可以通过电气隔离直接送给单片机或微型计算机进行处理， 模拟信号则利用数据采集系统将多路被测量值转换成数字量， 再经过单片机或微型计算机进行数据处理，实现实时测控。 数据采集电路如图4 所示。

1.1.4 GSM 无线通讯模块

图3 无线组网硬件电路Fig. 3 Wireless networking hardware circuit

图4 数据采集电路Fig. 4 Data acquisition circuit

本方案的智能家居远程控制器， 是利用GSM（Global System for Mobile Communications）移动通讯网络中的手机短信业务来实现家居环境的遥控与遥测。 主要功能包括对家居环境安防的监测以及对家用电器设备的远程遥控。GSM 模块是智能家居远程控制器与用户手指设备交互的核心模块，该模块在MCU 控制下工作。 GSM 模块采用西门子公司的TC35。 由于TC35 具有波特率自适应的特点，设定ARM 串口的波特率为9600/bps。利用ASCII 吗进行短消息的发送，实现家居环境参数的传递；对短消息内容进行解码，根据命令约定，可实现对家用电器开关的控制。 系统上电后，首先检测SIM 卡的有效性，在确定GSM 正常工作后，对家居环境下的传感器进行依次检测。 对于数字量传感器，只需要判断传感器输出电平的状态就可以了。对模拟量传感器异常的判定依据，则利用阀值设定法进行，并利用滑动平均滤波的法，以提高报警的准确性。 当有危情出现时，ARM 利用AT 指令，通过TC35完成短信的发送，并判断短信是否成功发送。 在用户接收到报警信息后，可以利用短信控制某路电器的开关状态。 例如， 在本系统中如果出现煤气泄漏，MQ2 传感器要一边向ARM 发出信号切断煤气通道， 一边向GSM 模块发出信号通知主人[3-4]。

1.1.5 wifi 无线通讯

Wifi（wireless fidelity，无 线 保 真 技 术）即IEEE802.11 协议，是一种断成无线传输技术，能够在数百英尺范围内支持互联网接入的无线信号。 它的无线电波的覆盖范围广，半径可达100 米，甚至可以覆盖整栋大楼。 此外，wifi 的传输速度很快，最高可达54 Mbps。

wifi 定义了两种类型的设备。 一种是无线站，通常通过一台PC 机加上一块无线网卡构成。 另一种称为无线接入点（Access Point，AP），它的作用是提供无线和有线网络之间的桥梁。Wifi 定义了两种模式：infrastructure 模式和ad hoc 模式。 Infrastructure模式，即无线网络至少有一个有线网络连接的无线接入点，还包括一系列无线的终端站。 Ad hoc 模式，也称为点对点模式（pear to pear 模式）或IBSS（Independent Basic Service Set）[5-7]。

1.1.6 nRF24L01 无线组网方案

整个系统采用星形拓扑结构， 以一个嵌入式微处理器和主控无线模块为中心，各个家电端为被控端。 组网方案如下图

图5 无线组网方案Fig. 5 Wireless network

1.2 控制系统软件设计

1.2.1 操作系统与开发环境

ARM 嵌入式服务器采用微软的WindowsCE 5.0 系统。服务器采用Microsoft Embedded Visual C++ 4.0 开发。 这个软件是微软公司针对WinCE 系统推出的开发工具。

1.2.2 端口映射

GPIO 是ARM 芯片最基本的输入输出通道，是控制各种电器的通道。 在ARM9 平台上，Windows CE 系统将GPIO 的实地址（例如2440 的GPIO 的基地址为0x56000000）映射到虚拟地址空间（GPIO 对应为0xB1600000），这样，通过对这段虚拟地址空间的操作， 就能够完成对GPIO 或者其他片内资源的控制、输入输出工作。

1.2.3 网络通信

本系统运用TCP/IP 网络的API，通过UDP 连接，利用数据报式套接字Socket（SOCK_DGRAM）进行数据传输。服务器和终端都具有发送和接收功能，可以实现双工通信，从而远程监测和改变用电器使用状态[2]。

1.2.4 手机与PC 上的程序

由于服务器是对消息产生相应，手机和PC 只需利用SOCKET套接字，发送相应的网络消息即可。 但要实现实时监测功能，手机和PC 也需要能够接收网络消息。手机的系统是Windows Mobile 6.0，开发环境是Microsoft Visual Studio 2005 开发。 PC的系统是WindowsXP，开发环境是Microsoft Visual C++ 6.0。

2 系统测试方案及测试结果

系统在调试过程中，先进行各部分的调试，再进行统调。以下为统调后的测试方案及测试结果。

nRF24l01 无线组网测试：NRF24L01 无线通信点对点通信收发程序，据实测，该无线通信板，没有加PA，通信距离室内60 米左右，室外空旷地带可达80 米。 由于防止其他组别的nRF24L01 通讯干扰，采用跳频通讯，也达到同上点对点的实测效果。 在有障碍物的情况下，基本能达到本项目的传输控制距离要求。

PWM 调节LED 灯管测试： 从示波器观测， 通过对nRF24L01 无线模块传输过来的特征值进而改变Atmega16L的OCR0 能在固定的频率调节占空比， 占空比变化明显，实测对LED 灯的PWM 控制也达到预期效果。

声控灯测试：当把光敏二极管给遮住时，用手拍一下掌，此时灯就会亮；当把用光照光敏二极管时，无论外界的声音响声有多大，灯都不会点亮。 此外，灯还可以通过开光、WIFI和GSM 来开启和关闭。 声控灯的测试达到预期的效果。

ARM 主控器测试：通过软件调用底层BSP 驱动，能很好地对GPIO 口进行控制，达到预期效果。

传感器检测： 应用Atmega16L 单片机对传感器进行采样，然后经过数据处理，能驱动蜂鸣器等报警电路，达到预期效果。

3 结 论

家居智能化是社会发展的必然趋势，而要实现完全高度的智能化控制要求，在很大程度上取决于其控制系统的智能化。 而本设计主要是利用GSM 模块和嵌入式系统相结合的平台，实现通过手机短信和触摸屏查询家居环境参数，并控制室内家具设备的功能，建立了一个对家居环境进行远程监控实现家居智能化的系统。 本设计的方案能够在实现智能控制的同时，达到了远程遥控的目的，改变了以往智能家居系统只监不控的弊端。

[1] 康光华，陈大钦，张琳. 电子模拟技术基础.模拟部分[M].北京:高等教育出版社，2006.

[2] 莫满春. 射频路由算法的研究及智能家居无线控制系统的实现[D]. 广州: 中山大学，2008.

[3] 臧大进， 刘增良.基于物联网的智能家居系统设计与实现[J].襄樊学院学报，2010，31（11）:38－39.

[4] 陈桥云，贾金玲. 基于智能手机与PC 机的智能家居系统设计[J]. 电子设计工程，2009，17（9）:25－27.

[5] 徐友武. SQL Server 2005 触发器应用研究[J]. 计算机与信息技术，2009（9）:105－106.

[6] 殷华英， 杨红梅. 使用Java 编写基于C/S 模式的网络通信程序[J]. 计算机信息与技术，2006（6）:23－24.

[7] 李兰英， 杨晨. 基于S3C44B0X 的智能家居终端控制系统的设计与实现[J]. 哈尔滨理工大学学报，2007，12（3）:85－86.