系統(tǒng)總體架構(gòu)
網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的普及以及各種信息家電的產(chǎn)生都使得在家庭內(nèi)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(nèi)部傳送Internet數(shù)據(jù)以及如何將各種家電設(shè)備連接起來的問題，基于此，智能家居網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運而生。智能家居網(wǎng)絡(luò)是信息社會的基本單元。未來的家庭中，各種家電設(shè)備將組成一個家庭局域網(wǎng)，并通過智能家居控制器接入互聯(lián)網(wǎng)。智能家居網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)指的是在一個家居中建立一個通信網(wǎng)絡(luò)，將各種家電設(shè)備互相連接起來，實現(xiàn)對所有智能家居網(wǎng)絡(luò)上的家電設(shè)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(shù)據(jù)等。智能家居網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)架包括家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、智能家居控制器以及智能家居網(wǎng)絡(luò)與外部Internet網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通信。其中，智能家居控制器是智能家庭網(wǎng)絡(luò)的一個重要組成部分，起到核心的管理、控制和與外部網(wǎng)絡(luò)通訊作用。它是通過家庭管理平臺與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機結(jié)合的一個系統(tǒng)，也是連接家庭智能內(nèi)部和外部網(wǎng)絡(luò)的物理接口，完成家庭內(nèi)部同外部通信網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換功能，同時還負責(zé)家庭設(shè)備的管理和控制。
智能家居控制器一方面需要為家庭內(nèi)部布線提供通訊接口，能夠采集家庭設(shè)備的信息，并進行處理，自動控制和調(diào)節(jié)；另一方面智能家居控制器作為家庭網(wǎng)關(guān)，也為外部提供網(wǎng)絡(luò)接口，連通家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部Internet網(wǎng)絡(luò)，使得用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)等方式訪問家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)監(jiān)視和控制。此外智能家居控制器還應(yīng)當具備自動報警等功能，即當發(fā)現(xiàn)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。
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(shè)計，能夠自動運行、處理數(shù)據(jù)，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(xiàn)家庭系統(tǒng)與外部網(wǎng)絡(luò)的通訊，使用戶可以通過短信和互聯(lián)網(wǎng)等方式實現(xiàn)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(xiàn)本地控制。控制終端為單片機組成若干小的控制系統(tǒng)控制各家用設(shè)備，并通過控制總線將這些小的控制系統(tǒng)組成網(wǎng)絡(luò)，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(shè)備的數(shù)據(jù)采集：采集家用設(shè)備包括室內(nèi)溫度，燈具家電，防盜門等設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)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(shè)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(wǎng)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(nèi)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(nèi)溫度。
防盜門密碼設(shè)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(diào)等紅外可控的家電設(shè)備。
其它燈具等開關(guān)量控制：接收用戶命令控制燈具等開關(guān)量設(shè)備。
智能家居控制器通過GPRS模塊，實現(xiàn)家庭系統(tǒng)與外部網(wǎng)絡(luò)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(guān)鍵技術(shù)。GPRS(通用分組無線業(yè)務(wù))的簡稱，是在現(xiàn)有的GSM系統(tǒng)上新增新GGSN(網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點)和SGSN(服務(wù)支持節(jié)點)節(jié)點發(fā)展出來的一種新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)。GPRS與現(xiàn)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(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹饕獌?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(nèi)不受限制(傳輸距離、地形、天氣等)、數(shù)據(jù)傳輸可靠等。
基于ARM及GPRS智能家居控制器的軟硬件實現(xiàn)
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(wǎng)絡(luò)連接到Internet網(wǎng)絡(luò)，并主動與監(jiān)控中心建立通信鏈路，進行雙向數(shù)據(jù)通信。GPRS通信模塊設(shè)計采用了Freescale公司生產(chǎn)的內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議的G24GPRSOEM。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(guān)的電平轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)通信。GPRS網(wǎng)絡(luò)通信原理為：首先通過SGSN節(jié)點使通信終端模塊附在GPRS網(wǎng)絡(luò)上；然后通過GGSN節(jié)點由PPP(PointtoPointProtocol)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(shè)定的端口號與監(jiān)控中心建立通信鏈路。
(1)測試G24通信是否正常。首先選擇串行口并設(shè)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?shù)厥欠裼蠫PRS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(wǎng)絡(luò)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=，，<"DestinationAddress">，，”建立與監(jiān)控中心通信連接。如果返回“+MIPOPEN：SocketID，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(shù)作以下說明：
SocketID：G24通信連接的ID號，G24有4個可用Socket，每個Socket有1372Byte緩沖區(qū)。
SourcePort：G24的數(shù)據(jù)傳輸端口號，其值為0~65535。建議采用1024以上的端口號。
DestinationAddress：目標端的IP地址，也就是監(jiān)控中心監(jiān)控服務(wù)器的IP地址。
DestinationPort：目標端的數(shù)據(jù)傳輸端口號，即監(jiān)控中心監(jiān)控服務(wù)器設(shè)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(shù)據(jù)收發(fā)。與監(jiān)控中心建立通信連接后，就可以進行數(shù)據(jù)收發(fā)了。發(fā)送數(shù)據(jù)用“AT+MIPSEND=1，’Data’；+MIPPUSH=1”。“Data”表示要發(fā)送的數(shù)據(jù)，本設(shè)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(shù)據(jù)到達，G24模塊就會通過RS232串行口返回“+MIPRTCP：，，”。其中Left是一個十進制的數(shù)字，表示還有多少個字符在協(xié)議棧中尚未接收，如果數(shù)據(jù)全部接收，則Left為0；接收到的數(shù)據(jù)“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=SocketID”，模塊返回“OK”，表示斷開成功。
結(jié)語
本文提出了基于GPRS無線智能家居系統(tǒng)的總體解決方案。該方案主要是采用GPRS無線通信技術(shù)實現(xiàn)遠程終端對家庭系統(tǒng)的遠程控制；采用RS485總線技術(shù)實現(xiàn)家庭系統(tǒng)的組網(wǎng)；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(xiàn)對家用設(shè)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(xiàn)方法，為后續(xù)及相關(guān)工作提供技術(shù)基礎(chǔ)。