嵌入式无线技术在智能家居中的应用

嵌入式无线技术在智能家居中的应用姓名：学号：指导老师：摘要：随着嵌入式技术、网络及信息技术的发展，智能家居的理念渐渐深入人心，与此同时，无线技术也在逐步发展，目前已比较成熟的无线连接方式包含了蓝牙连接、红外连接(IR)和无线(RF)连接三种方式，近几年Wi-Fi的发展迅猛，但实践基础还不够完善。智能家居这一概念提出已久，大部分的智能家居是基于嵌入式系统并且在有线技术的辅助下完成，但由于有线技术布线困难、投资大等缺点，基于嵌入式无线技术的智能家居便应运而生。对于大部分稳定性要求不是很高的家电而言，无线技术完全可以保证系统的顺利安全进行，这样无论是利用PC还是手机均用户均可以在不同地点不同时刻甚至是远程控制家中的智能电器。本文将从几种不同的无线技术着手，分别介绍嵌入式技术在这几种无线接入技术下实现的智能家电控制系统，进一步阐述嵌入式无线技术的重要性。关键词：嵌入式技术；无线技术；智能家居1、引言：随着科学技术的迅速发展,住宅智能化是人类住宅一场新的革命,现代社会的家庭正在以家庭智能化带来多元化信息和安全、舒适、便利的生活环境,更加轻松、有序、高效的现代生活方式,作为一个理想的目标来永恒追求。目前,智能产业在世界各地已经迅速发展,在不久的将来,没有智能家居系统的住宅将会象当今不能上网住宅那样不合潮流。因此,家居智能化将是大势所趋。我国的智能家居技术与欧美国家相比大概要滞后2～3年,国外的智能家居产品占据着国内高端产品市场[1]。例如,HAI(美国海益)智能家居系统在安防保护、温度控制和灯光自动控制方面提供了简捷、可靠、安全的操作,但是没有提供远程控制方面的功能。此外，对于一些老房子，由于在新建时未考虑布线的问题，则无法或很难实现智能家居的改造。在这样的背景下,无线技术下的智能家居便应运而生，本文针对不同无线技术下的智能家居控制装置的实现进行了剖析，以达到更深的理解研究。2、无线知识概述2.1蓝牙[2]蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。其程序写在一个9x9mm的微芯片中。蓝牙无线技术主要包括一种在2.4ISM频段用于个人区域网络(PAN)的低成本、低功率无线接口，实时传输数字数据和语音信号，其数据速率为1Mb/s。时分双工传输方案被用来实现全双工传输。使用IEEE802.15协议。2.2红外技术[3]红外无线数据通讯技术是以红外线作为通信媒质的特定应用，也是一个技术规范。相比之下，红外无线技术比蓝牙技术更加成熟，其标准化进程相对要早了许多，最早是1979年IBM公司的F.R.Gfeller发表了一篇较有影响的关于室内红外无线通信设计与实验的论文。红外无线接入技术是以红外线作为通信媒质的特定应用。其工作频段为3.409～3.529×105GHz，红外数据协会(IrDA)制定了一种标准的红外通信方法。这种方法包括通常用在移动电话、笔记本电脑和掌上电脑中。红外通信也是被设计用于短距离、低功率、无许可证的通信。2.3无线射频技术无线射频技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线通信技术。这种技术的优点是部分产品无需重新布线，利用点对点的射频技术，实现对家电和灯光的控制，安装设置都比较方便，主要应用于实现对某些特定电器或灯光的控制，成本适中[4]。普通家用或商用接收器，通常使用红外线，信号收发要求直线路径，容易受外物遮挡。使用无线射频技术，信号收发不受外物遮挡，凡在系统覆盖范围内，不论任何方位或角度，接收皆准确可靠。此外，信号根据使用地区的不同，由315M或434MHz无线频率传输，穿墙越壁，不受任何外物遮挡。[5]系统在开放环境中，覆盖范围可达100m。加上无线射频耗电量低，覆盖面广，任何角落，均可操控。2.4ZigBee技术ZigBee技术是一种新型的无线、短距离、低功耗组网通讯技术，具有低复杂度、低功耗、低成本、高效率，可靠度高和网络覆盖面积广等技术优势，工作在免费的2.4GHz-2.5GHzISM微波段，具有较强的抗干扰性和设备联络功能，能够实现1500m的全向识别，传输速率最高可达10Mbit/s，它支持3种主要的自组织无线网络类型，即星状结构、网状结构和族状结构，这些网络具有较强的网络健壮性和系统可靠性。2.5Wi-Fi技术[6]Wi-Fi技术，即“WirelessFideLity”的简称，意思是无线保真技术，是一种符合IEEE标准的无线接入技术，是一种可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。利用Wi-Fi无线通信技术将PC等设备连接起来，以帮助用户访问电子邮件、Web和流式媒体等，为互相通信、实现资源共享的网络提供快速、便携的途径。3、智能家居概述智能家居（SmartHome）是利用计算机技术、网络通信技术、综合布线技术和传感技术等，依照人体工程学原理，将家居生活中的各类电子设备有机的结合在一起，通过网络化综合智能控制和管理的一种嵌入式系统。[7]智能家居控制系统的具体功能包括：家居电器的综合监控：对所控制的家居电器进行开关、工作参数的设置和工作状态的检测。室内环境信息采集：采集家居环境的温度、湿度信息和煤气、烟气等有毒气体的检测。自动报警：当检测到家居环境的温度、湿度、煤气、烟气等超标，或检测到有陌生人强行开启室门或进入室内时就自动报警，告知居室主人。本地控制：用户在本地可通过计算机或家居电器本身的操作键对家居电器进行监控。远程控制：用户远程可以通过手机短息或互联网对家居电器进行控制或工作状况查询。安全防盗：家居中的所有与控制系统连接的电器设备均可实现与主人通信，一旦盗贼对某设备进行操作，或某设备工作状态异常时，系统将立即通知主人，以达到安全和防盗的目的。4嵌入式无线技术在智能家居中的应用4.1无线智能家居总体控制系统设计本无线智能家居控制系统主要包括ARM9核心控制模块，无线通信模块、LCD触摸屏模块和家居电器，另外还有传感检测，语音报警和电源等模块。系统总体结构模型图如图1所示。图1系统总体结构设计其中ARM是整个系统的控制核心，通过GPRS和ZigBee无线通信网络收发控制指令实现对家居电器进行综合监控，同时提供防火墙的功能，阻止外界对家庭内部设备的非法访问和攻击。无线通信模块分为本地和远程两部分，本地通信主要通过新型的ZigBee无线通信技术实现系统与家居电器的通信，达到对其控制；远程通信是利用手机通过GPRS通信网络或利用计算机通过互联网实现人与控制系统的通信，进而达到对家居电器的远程监控。采用无线通信技术省去了布线使家居布局更加灵活，远程控制使家居电器工作更加贴近人们的工作和生活要求。[8]4.1.1系统硬件实现系统硬件主要由ARM9微处理器、GPRS通信网络、ZigBee通信技术、LCD触摸屏、语音报警和电源等模块组成。4.1.1.1ARM9微处理器微处理器采用三星公司的ARM9(S3C2440)。S3C2440是一款高性能32位RISC微处理器,采用了ARM920T的内核，0.13um的CMOS标准宏单元和存储器单元，最高主频可以达到400MHz，提供多款液晶屏配置。ARM920T实现了MMU，AMBABUS和Harvard高速缓冲体系结构，这一结构具有独立的16Kb指令Cache和16Kb数据Cache，每个都是由具有8字长的行组成。通过提供一套完整的通用系统外设，无需配置额外的组件从而减少整体系统成本，为手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。4.1.1.2无线通信网络GPRS网络是覆盖范围最广，性能较为完善的无线网络，GPRS网络本身具有较强的数据纠错能力，数据传输速率最高可达128Kb/s，能够保证数据传输的可靠性和实时性。ZigBee技术组成的无线传感器网络结构简单、体积小、成本低；采用GPRS网络进行数据传输的模块体积小、功耗低，适合作为无线传感器网络的数据节点，ZigBee技术与GPRS通信网络相结合组成新的无线通信网络。GPRSDTU无线通信模块采用成都众山电子有限公司的ZSD2110GPRSDTU。ZSD2110是一款使用GPRS网络进行数据无线透明传输的嵌入式DTU模块。内置工业级GPRS引擎和嵌入式处理器。支持PPP、TCP、UDP、ICMP等众多复杂网络协议和SOCKET标准，提供全透明数据传输和用户自由控制传输两种模式。同时支持点对点、点对多点、设备间、设备与中心间等各种不同的通讯模式。用户不用关心复杂的网络协议，使用TTL串行通信接口，就可以进行无线数据收发，使系统能够随时随地接入Internet[9]。基于ZigBee的特点，ZigBee广泛应用于智能家居控制、工业控制系统。本设计采用的CC2430是一种真正的系统芯片（SoC）CMOS解决方案，这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHzISM波段应用及对低成本，低功耗的要求，它结合一个高性能2.4GHzDSS（S直接序列扩频）射频收发器核心，ZigBee核心模块图如图2所示。图2ZigBee核心模块4.1.1.3传感器与显示模块传感器包括煤气、烟雾等有毒气体检测器，人体红外探测器，门窗磁开关，温度、湿度、光照度传感器等，所有的传感器都与无线传输模块P1R2000连接，构成无线传感器网络并与控制系统实现实时通信。显示模块选用低电压低功耗的LCDl2832液晶显示屏，LCDl2832是一款分辨率为128×32的中英文图形液晶（黄色背光）显示模块，具有4位/8位并行2线或3线串行多种接口方式，内部置有8192个16×16点阵的一级、二级简体汉字和128个16×8点ASCII字符集，用来显示8×2行16×16点阵的汉字对话信息，构成全中文人机交互图形界面并显示当前时间、日期、星期、湿度、温度、定时提醒等信息和煤气等有毒的含量超标时报警提示的输出信息。4.1.2系统软设计整个智能家居控制系统以ARM9微处理器为核心，支持C语言和汇编语言，本系统采用C语言与汇编语言混合编程。低层驱动由汇编语言编写，对外留C语言接口，人机交换采用Linux嵌入式实时操作系统。系统软件由系统主程序、初始化子程序、ZigBee通信子程序、GPRS通信子程序、传感检测子程序、显示子程序、报警子程序、数据处理子程序和远程控制子程序等模块组成，程序软件流程图如图3所示。图3系统软件流程图本系统基于ARM9的无线嵌入式智能家居控制系统的总体解决方案，该方案主要以微处理器ARM9为核心，采用ZigBee和GPRS无线通信技术、传感技术和互联网技术，实现了对家居电器进行本地和远程的无线监控，克服了传统的仅限于有线和本地的家居监控方式，优化了人们的生活方式，具有较高的实用价值。其中采用ZigBee和GPRS无线通信技术来达到家庭内部控制和远程控制的功能还可以采用其他无线与嵌入式结合的方式解决。4.2无线智能家居网关控制4.2.1网关总体设计和工作流程[10]系统主要包括ARM9处理器S3C2440A(家庭网关)、ZigBee模块(协调器)、Wi-Fi模块、ZigBee终端设备(如红外探测器、门磁开关和火灾探测器和烟感燃气探测器等)，其结构如图4所示。在ARM9处理器中移植Web服务器Boa作为家庭网关，负责对整个智能家居设备的管理以及远程监控。由于智能家居中许多家电设备都是通过ZigBee无线传感网络来工作的，因此必须在处理器中保存数据并对ZigBee无线传感网络进行数据融合处理，协调器负责家庭内部Zigbee网络的管理与控制。Wi-Fi模块用来传输大容量信息，通过无线访问节点(AccessPoint，AP)路由器与以太网连接，实现家庭内部网络与Internet的通信。图4系统结构系统处理基本流程如下:系统内部由Zigbee星型网络组成，家中电器开关状态和传感器的控制信息在网络中自由传输，经由协调器(Zigbee模块)传送至Web服务器的网关，再由网关通过Wi-Fi经无线路由连接到外部以太网，用户可以通过远程用户界面端了解家中电器状态;家庭网关可以通过无线网络对远程