基于ARM-Linux平臺及GPRS技術的家庭智能控制系統設計

摘 要： 主要介紹了一種基于嵌入式系統的ARM-Linux 平臺及GPRS 技術的家庭智能控制系統。采用ZigBee技術組建家庭無線網絡，實現ARM 控制器與各家庭智能模塊的無線連接；戶主通過手機利用GPRS網絡對ARM 控制器發送控制命令，ARM 控制器通過ZigBee 模塊對各家庭智能模塊進行無線控制，從而實現對整個家庭智能系統的遠程控制。

　　隨著生活節奏的不斷加快，人們希望即使在工作或外出時也能及時了解家中的情況并控制家中的各種設備。各種無線通信技術的不斷發展，使家庭智能系統的遠程控制成為一種現實。本文結合ARM9 處理器功能強大、GPRS 技術永遠在線，接入范圍廣，功耗低以及ZigBee 無線組網技術等優點，設計實現了一種基于嵌入式系統的無線家庭智能控制系統。

1 系統體系結構及主要功能

　　系統主要由家庭智能控制模塊、圖像處理單元、ARM 中央控制平臺、ZigBee 無線傳輸、GPRS 無線通信和以太網通信等部分組成，其體系結構如圖1 所示。

圖1 系統體系結構

　　其中家庭智能控制模塊主要包括家電控制模塊、窗簾控制模塊、燈光控制模塊及安防控制模塊。各控制模塊通過ZigBee 模塊與ARM 中央控制平臺實現無線連接，組成一個星型家庭無線智能控制網絡。同時ARM 中央控制平臺連接一個USB 攝像頭，實現對家庭環境的實時監視。ARM 控制器通過GPRS 和以太網實現與外部遠程連接。即使出門在外，也可以實現對家庭智能系統的遠程控制。比如上班時，戶主可以通過電腦或手機觀察家中的情況；在回家的路上就可以通過手機打開空調和熱水器，開啟窗簾或燈具等。當探測到有非法人員入侵或發生火災等緊急情況時，ARM 控制器就會通過短信向戶主發出報警信息，同時控制攝像來捕捉視頻圖像，然后進行圖像處理并將數據通過以太網傳給PC 機，或通過GPRS 以彩信形式傳到戶主手機。

2 系統硬件設計

　　本系統硬件電路框圖如圖2 所示，主要由ARM9控制器，電源及復位模塊，觸摸屏顯示模塊，USB 攝像頭，以太網接口模塊，GPRS 模塊，ZigBee 無線收發模塊，各家庭控制模塊等組成。

圖2 系統硬件電路框圖。

2.1 ARM 中央控制模塊

　　ARM 中央控制模塊由ARM9 控制器、FLASH、SDRAM、電源及復位模塊、LCD 觸摸屏及相關外圍電路組成。系統選用SAMSUNG 的基于ARM920T 內核的16/32 位RISC 處理器S3C2440 作為控制器。

　　S3C2440 處理器功能強大、性價比高、功耗低，除具有一般嵌入式芯片所具有的總線、SDRAM 控制器以外，還具有豐富的擴展功能接口，內部集成了TFT/STN LCD 和觸摸屏控制器、SD MMC 存儲卡接口和攝像頭接口等大量的功能模塊，便于構建外圍電路，視頻處理能力非常強。系統采用64M 的NAND 型Flash K29F2808 來存放系統啟動代碼、內核代碼及根文件系統；SDRAM 選用2 片HY57V561620CTP-H 構成容量為64MB 高速動態隨機存儲器。

　　2.2 ZigBee 模塊

　　為了滿足家庭智能系統簡潔、方便的要求，系統采用ZigBee 無線通信技術組建家庭網絡。ZigBee 是一種新興的短距離、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術。ZigBee 模塊采用支持IEEE802.15.4 協議，技術成熟的CC2430 芯片。經測試，室內有效傳輸距離為30~40m,完全能夠覆蓋普通家庭環境。下面從抗干擾及功耗兩方面闡述本設計的可行性。

　　2.2.1 Zigbee 抗干擾性能分析

　　ZigBee 技術的抗干擾特性主要是指抗同頻干擾。

　　IEEE802.15.4 標準中提供了很多抗干擾機制[2],比如：空閑信道評估，動態信道選擇，信道算法等。實驗證明，正確選擇信道，增大頻偏，ZigBee 與Wi-Fi可以近距離（小于2m）共存；藍牙采用調頻技術，對ZigBee 的干擾很小，兩者能很好的共存；WirelessUSB可以根據干擾環境自動變換信道，因此完全可以同ZigBee 共存；此外，為了減小無繩電話（2.4GHz）對ZigBee 的干擾，設計中ZigBee 設備放置在離客廳中心較遠的地方，使干擾源盡量遠離ZigBee 網絡，經測試可行；當微波爐與ZigBee 設備距離大于1m 時，干擾則可以忽略不計。因此ZigBee 在2.4GHz 頻段能可靠地與Wi-Fi、藍牙、WirelessUSB 以及家用無繩電話和微波爐共存。

　　2.2.2 Zigbee 功耗分析

　　ZigBee 模塊支持多種工作模式，包括運行（發送與接收）、空閑和休眠等。通過監測傳感器節點的正常工作，發現節點大部分時間處于空閑狀態。而空閑模式的功率消耗與運行模式大體相同，收發模塊長期處于空閑模式會消耗大量能量。因此，當節點空閑時應使其處于休眠狀態。當需要節點工作時，通過外部中斷或定時中斷將其喚醒，進入運行狀態。本設計經測試，系統運行一個月后，電池電壓變化輕微，實際應用中兩節普通5 號干電池使用壽命超過一年。

　　2.3 GPRS 模塊

　　GPRS（General Packet Radio Service），即通用分組無線服務技術，是一種以GSM 為基礎的數據傳輸技術。GPRS 采用分組交換技術，支持資源共享，頻帶利用率高，數據傳輸率高。GPRS 最高傳輸率可達171.2kbit/s,支持X.25 協議和IP 協議；用戶永遠在線且按流量、時間計費，通信成本低。因此，將GPRS技術應用于家庭智能控制系統的無線數據傳輸是最佳選擇。

　　GPRS 模塊主要功能是通過GPRS 網絡實現ARM控制器與戶主手機之間的數據交換。經過性能與成本的綜合考慮，系統選用西門子公司的MC55 GPRS 模塊。

　　MC55 集成了完整的射頻電路和GPRS 基帶處理器，提供了完整的GSM 和GPRS 無線接口；支持數據、語音、短消息和傳真等多種通信方式，采用TCP/IP 網絡協議進行通信，GPRS 數據包最高可達1.5K;GPRS 模塊與ARM 控制器采用AT 指令集通過串口進行數據通信。

圖3 ARM 控制器與GPRS 模塊連接圖。

　　如圖3 所示，系統采用SP3238 芯片實現電平轉換，S3C2440 通過UART1 控制MC55,通過GPRS網絡采用短信或撥打電話的方式與用戶手機進行通信來實現對家庭智能系統的遠程控制。

3 系統軟件設計

　　軟件部分的設計主要是基于ARM-Linux,與其他嵌入式操作系統相比，Linux 操作系統具有完整的TCP/IP 協議，良好的穩定性和實時性，很好的滿足了家庭智能控制系統對系統可靠性的要求；此外，Linux易于移植裁減、內核小、效率高、源代碼開放并有眾多的開發者，為系統的開發提供了良好的技術支持。

　　系統開發首先要建立交叉編譯環境，然后引導bootloader,移植操作系統，裝載文件系統，開發圖形界面，最后編寫應用程序。Bootloader 主要實現系統的快速引導，將Linux 內核加載到內存，并進行內核初始化。Linux2.6 內核具有強大的進程、中斷、內存和設備管理，支持各種文件系統。

　　系統主程序流程如圖4 所示，主程序由一系列用來實現相應功能的子程序組成，主要包括ZigBee 無線通信程序、各智能模塊控制程序、GPRS 無線通信程序、圖像采集壓縮程序、和以太網通訊程序等。限于篇幅，這里主要闡述GPRS 無線通信的實現。

圖4 系統主程序流程。

　　GPRS 模塊程序設計主要用AT 指令編寫，結合一些主要函數來實現GPRS 模塊各項功能，包括GPRS模塊初始化、GPRS 網絡參數配置、AT 命令的收發、短信收發、撥打電話和發送彩信等。

　　3.1 GPRS 模塊的初始化

　　系統啟動之后，通過調用gprs_init（）函數實現基本的初始化工作，包括串口初始化，MC55 的狀態設置等。通過調用char gprs_getkey（）函數獲取鍵盤輸入值。

　　3.2 AT 命令的接受和發送

　　GPRS 模塊通過UART1 與S3C2440 進行通訊，S3C2440 通過串口發送AT 命令到GPRS 模塊并讀取GPRS 模塊的輸入。S3C2440 通過調用int send_gprs_cmd（int fd,char*send_buf）函數發送AT 命令到GPRS 模塊中，并通過int read_gprs_datas（intfd,char*rcv_buf）函數讀取GPRS 模塊的數據。如果通信成功返回GPRS_OK,否則返回GPRS_ERR.

　　3.3 短信的收發及彩信的發送

　　GPRS 模塊向戶主手機發送的短信是設定好的，模塊初始化時短信的內容、服務中心號碼及目標手機號碼都已設置完畢，出現緊急情況時，系統只需調用AT 指令即可完成短信的收發。AT+CMGS=n,發送長度為n的一條短信；命令發出后，GPRS 模塊回送">",處理器收到提示符即將短信內容發給GPRS 模塊，發送成功返回" OK ", 否則返回" ERR ".接收短信由AT+CMCR=Index>CR>指令來實現，然后處理器再根據收到的短信指令去控制各家庭智能模塊。

　　彩信的功能主要是當家庭出現緊急情況時，將攝像頭的截圖以彩信形式發送到用戶手機。其功能函數如下：

　　intmms_send（char*fro,char*to,char*subj,char*cont,char*img, long len）

　　參數fro 為模塊SIM 卡號碼；to 為戶主手機號碼；subj 為彩信標題；cont 為彩信的文字信息；img 為圖片的地址指針；len 為圖片字節數。發送成功返回MMS_OK,否則返回MMS_ERR.

4 結語

　　本文介紹了一種基于ARM 與GPRS的家庭智能控制系統，給出了詳細的系統架構方案，從軟、硬件兩方面闡述了設計思路和實現方法。系統采用GPRS 技術實現了家庭智能系統的遠程控制；采用ZigBee 技術組建家庭無線網絡，很好的解決了主控制器與各家庭控制模塊之間的通信問題，避免了繁瑣的布線；有很好的實際運用價值，是未來家庭智能系統發展的一個趨勢。