基于GPRS的無線智能家居控制系統(tǒng)方案

　　引言

　　隨著網絡技術和通信技術的不斷發(fā)展以及人們對生活要求的不斷提高，實現家庭智能的遠程控制已經成為必然的趨勢。國家建設部住宅產業(yè)化促進中心提出住宅小區(qū)要實現六項智能化要求，其中包括實行安全防范自動化監(jiān)控管理：對住宅的火災、有害氣體的泄漏實行自動報警；防盜報警系統(tǒng)應安裝紅外或微波等各種類型報警探測器；系統(tǒng)應能與計算機安全綜合管理系統(tǒng)聯(lián)網；計算機系統(tǒng)能對防盜報警系統(tǒng)進行集中管理和控制。但由于目前無線通訊技術的不成熟、運行費用高等弊端，智能家居控制器與外網無線通訊技術成為導致市場接受度低的重要因素，而GPRS系統(tǒng)的特點能夠很好的解決該問題。GPRS網絡通信業(yè)務是通訊公司推出的一項數據傳輸通信業(yè)務，在GPRS網絡覆蓋區(qū)域內，傳輸距離不受限制，通信費用相對低廉，傳輸速率較快。本文涉及家庭智能系統(tǒng)及GPRS技術相關背景，分析了其各自基本特點和所要實現的基本功能，并在此基礎上提出了基于GPRS無線家庭智能控制系統(tǒng)的總體解決方案。最后總結系統(tǒng)核心GPRS芯片軟硬件實現方法。

　　系統(tǒng)總體架構

　　網絡應用的普及以及各種信息家電的產生都使得在家庭內部對Internet的訪問不再局限于單個 PC，每個家庭都將面臨如何在家庭內部傳送 Internet 數據以及如何將各種家電設備連接起來的問題，基于此，智能家居網絡應運而生。智能家居網絡是信息社會的基本單元。未來的家庭中，各種家電設備將組成一個家庭局域網，并通過智能家居控制器接入互聯(lián)網。智能家居網絡的市場發(fā)展?jié)摿O其可觀，幾家大的廠商 Intel、IBM、Microsoft 及 Sony 都早已涉及其中。

　　智能家居網絡指的是在一個家居中建立一個通信網絡，將各種家電設備互相連接起來，實現對所有智能家居網絡上的家電設備的遠程使用和控制及任何要求的信息交換，如音樂、電視或數據等。智能家居網絡的構架包括家庭內部網絡系統(tǒng)、智能家居控制器以及智能家居網絡與外部Internet網絡之間的數據通信。其中，智能家居控制器是智能家庭網絡的一個重要組成部分，起到核心的管理、控制和與外部網絡通訊作用。它是通過家庭管理平臺與家居生活有關的各種子系統(tǒng)有機結合的一個系統(tǒng)，也是連接家庭智能內部和外部網絡的物理接口，完成家庭內部同外部通信網絡之間的數據交換功能，同時還負責家庭設備的管理和控制。

　　智能家居控制器一方面需要為家庭內部布線提供通訊接口，能夠采集家庭設備的信息，并進行處理，自動控制和調節(jié)；另一方面智能家居控制器作為家庭網關，也為外部提供網絡接口，連通家庭內部網絡和外部Internet 網絡，使得用戶可以通過網絡等方式訪問家庭內部網絡，實現監(jiān)視和控制。此外智能家居控制器還應當具備自動報警等功能，即當發(fā)現報警信號如：有人惡意闖入，溫度超高等，控制器能立即處理并向用戶發(fā)出報警信號。

　　如圖1所示，智能家居控制器為系統(tǒng)的核心。可采用ARM嵌入式系統(tǒng)設計，能夠自動運行、處理數據，通過 RS485 總線管理和控制各控制終端。并且控制器通過 GPRS模塊，實現家庭系統(tǒng)與外部網絡的通訊，使用戶可以通過短信和互聯(lián)網等方式實現家庭系統(tǒng)的遠程控制，同時，控制器還通過鍵盤和顯示屏為用戶提供人機界面，方便用戶實現本地控制?？刂平K端為單片機組成若干小的控制系統(tǒng)控制各家用設備，并通過控制總線將這些小的控制系統(tǒng)組成網絡，連接到智能家居控制器，受智能家居控制器控制。

　　智能家居控制器的具體功能包括：

　　·家用設備的數據采集：采集家用設備包括室內溫度，燈具家電，防盜門等設備的狀態(tài)數據，經控制器處理后反饋給用戶。

　　·本地控制：用戶通過控制器上的鍵盤和顯示屏，對家用設備進行監(jiān)控。

　　·遠程控制：遠程用戶可以通過發(fā)送手機短信或通過互聯(lián)網對家庭系統(tǒng)進行控制和查詢。

　　·自動報警：當控制器檢測到非法闖入或溫度超高等報警信號時，及時觸發(fā)室內報警裝置，并通過發(fā)送報警短信等方式及時通知用戶。

　　·溫度查詢：用戶可以通過控制器查詢室內溫度。

　　·防盜門密碼設置：用戶可以通過本地或遠程方式修改防盜門的密碼，在門外輸入正確密碼后才可打開門。

　　·紅外家電控制：接收用戶命令，通過紅外發(fā)射電路控制電視、空調等紅外可控的家電設備。

　　·其它燈具等開關量控制：接收用戶命令控制燈具等開關量設備。

　　智能家居控制器通過 GPRS模塊，實現家庭系統(tǒng)與外部網絡的通訊為系統(tǒng)核心部分，解決以前智能家居系統(tǒng)瓶頸的關鍵技術。GPRS(通用分組無線業(yè)務)的簡稱，是在現有的GSM 系統(tǒng)上新增新GGSN(網關支持節(jié)點)和SGSN(服務支持節(jié)點)節(jié)點發(fā)展出來的一種新的分組數據承載業(yè)務。GPRS 與現有的 GSM 系統(tǒng)最根本的區(qū)別是，GPRS 是一種分組交換系統(tǒng)，特別適用于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數據傳輸，也適用于偶爾的大數據量傳輸。GPRS網絡傳輸的主要優(yōu)點有：永遠在線、按流量計費、快速登錄、高速傳輸、覆蓋范圍內不受限制(傳輸距離、地形、天氣等)、數據傳輸可靠等。
　　
　　基于ARM及GPRS智能家居控制器的軟硬件實現

　　GPRS通信模塊安裝在智能家居控制器中，主要功能為通過GPRS網絡連接到Internet網絡，并主動與監(jiān)控中心建立通信鏈路，進行雙向數據通信。GPRS通信模塊設計采用了Freescale公司生產的內嵌TCP/IP協(xié)議的G24 GPRS OEM。該模塊尺寸小，功耗低，便于集成。

　　GPRS通信終端收發(fā)模塊主要由G24模塊、天線、SIM卡、相關的電平轉換電路和RS232串口組成。模塊的供電電壓為5V，可采用USB端口供電。GPRS通信模塊通過RS232串行口與智能家居控制器ARM進行通信。

　　G24收發(fā)模塊采用AT指令操作，通過RS232串行口進行數據通信。GPRS 網絡通信原理為：首先通過SGSN節(jié)點使通信終端模塊附在GPRS網絡上；然后通過GGSN節(jié)點由PPP(Point to Point Protocol)協(xié)議獲得一個隨機分配的IP地址，連接到Internet上；最后通信終端模塊通過Internet，按照監(jiān)控中心設定的端口號與監(jiān)控中心建立通信鏈路。軟件流程如圖2所示。

　　(1) 測試G24通信是否正常。首先選擇串行口并設置波特率，G24波特率的范圍為600到460800bit/s，支持自動波特率偵聽，能夠自動與監(jiān)控中心通訊模塊的波特率保持一致。發(fā)送“AT”，如果模塊返回“OK ”，則通信正常，否則重發(fā)。

　　(2)接入Internet。首先測試當地是否有GPRS覆蓋，向模塊發(fā)送 “AT+CGPRS?”，如果返回“+CGPRS:1”，則有GPRS覆蓋，否則隔5秒鐘后再次檢測。然后發(fā)送“AT+ CGATT=1”使模塊附在GPRS網絡上。最后發(fā)送“AT+MIPCALL=1,cmnet”通過PPP協(xié)議建立與GGSN的無線連接，獲得一個動態(tài)的IP地址，接入Internet。

　　(3) 連接監(jiān)控中心。向模塊發(fā)送“AT+MIPOPEN= <Socket ID>,<Source Port>,<"Destination Address">,<Destination Port>, <Protocol>”建立與監(jiān)控中心通信連接。如果返回“+MIPOPEN: Socket ID,1”，則說明與監(jiān)控中心建立了通信連接，如果返回“+MIPSTAT: 1,1”，則說明有物理鏈接中斷，須重新進行連接。其中對AT+MIPOPEN指令的參數作以下說明：

　　·Socket ID：G24通信連接的ID號，G24有4個可用Socket，每個Socket有1372Byte緩沖區(qū)。

　　·Source Port：G24的數據傳輸端口號，其值為0~65535。建議采用1024 以上的端口號。

　　·Destination Address：目標端的IP地址，也就是監(jiān)控中心監(jiān)控服務器的IP地址。

　　·Destination Port：目標端的數據傳輸端口號，即監(jiān)控中心監(jiān)控服務器設定的傳輸端口號。

　　·Protocol：傳輸通信協(xié)議，0表示TCP方式，1表示UDP方式。

　　(4)數據收發(fā)。與監(jiān)控中心建立通信連接后，就可以進行數據收發(fā)了。發(fā)送數據用“AT+MIPSEND=1, ’Data’; +MIPPUSH=1”。“Data”表示要發(fā)送的數據，本設計采用了G24 默認的ASCII碼編碼,須用十六進制的ASCII碼形式表示。一旦有數據到達，G24模塊就會通過RS232串行口返回“+MIPRTCP: <Socket ID>,<Left>,<Data>”。其中Left是一個十進制的數字，表示還有多少個字符在協(xié)議棧中尚未接收，如果數據全部接收，則Left為0；接收到的數據“Data”是十六進制的ASCII碼形式。

　　(5)斷開通信連接。向模塊發(fā)送“AT+ MIPCLOSE=Socket ID”，模塊返回“OK”,表示斷開成功。

　　結語

　　本文提出了基于GPRS無線家庭智能控制系統(tǒng)的總體解決方案。該方案主要是采用 GPRS 無線通信技術實現遠程終端對家庭系統(tǒng)的遠程控制；采用RS485 總線技術實現家庭系統(tǒng)的組網；采用嵌入式系統(tǒng)方案搭建智能家居控制器的開發(fā)平臺，并通過該平臺實現對家用設備的智能管理和控制。最后本文提供系統(tǒng)核心GPRS芯片軟硬件實現方法，為后續(xù)及相關工作提供技術基礎。