浅析基于GPRS无线智能家居系统解决方案 - 全文

　　通信技术的不断发展以及人们对生活要求的不断提高，实现家庭智能的远程控制已经成为必然的趋势。国家建设部住宅产业化促进中心提出住宅小区要实现六项智能化要求，其中包括实行安全防范自动化监控管理：对住宅的火灾、有害气体的泄漏实行自动报警；防盗报警系统应安装红外或微波等各种类型报警探测器；系统应能与计算机安全综合管理系统联网；计算机系统能对防盗报警系统进行集中管理和控制。

　　由于目前无线通讯技术的不成熟、运行费用高等弊端，智能家居控制器与外网无线通讯技术成为导致市场接受度低的重要因素，而GPRS系统的特点能够很好的解决该问题。GPRS网络通信业务是通讯公司推出的一项数据传输通信业务，在GPRS网络覆盖区域内，传输距离不受限制，通信费用相对低廉，传输速率较快。本文涉及家庭智能系统及GPRS技术相关背景，分析了其各自基本特点和所要实现的基本功能，并在此基础上提出了基于GPRS无线智能家居系统的总体解决方案。最后总结系统核心GPRS芯片软硬件实现方法。

　　系统总体架构

　　网络应用的普及以及各种信息家电的产生都使得在家庭内部对Internet的访问不再局限于单个PC，每个家庭都将面临如何在家庭内部传送Internet数据以及如何将各种家电设备连接起来的问题，基于此，智能家居网络应运而生。智能家居网络是信息社会的基本单元。未来的家庭中，各种家电设备将组成一个家庭局域网，并通过智能家居控制器接入互联网。智能家居网络的市场发展潜力极其可观，几家大的厂商Intel、IBM、Microsoft及Sony都早已涉及其中。

　　智能家居控制器是智能家居系统的核心处理模块，是系统的心脏，包括可以联入宽带网络的单片机，内置的HUB，若干防区安防输入以及一条RS485的家庭控制扩展数据总线。

　　智能家居网络指的是在一个家居中建立一个通信网络，将各种家电设备互相连接起来，实现对所有智能家居网络上的家电设备的远程使用和控制及任何要求的信息交换，如音乐、电视或数据等。智能家居网络的构架包括家庭内部网络系统、智能家居控制器以及智能家居网络与外部Internet网络之间的数据通信。其中，智能家居控制器是智能家庭网络的一个重要组成部分，起到核心的管理、控制和与外部网络通讯作用。它是通过家庭管理平台与家居生活有关的各种子系统有机结合的一个系统，也是连接家庭智能内部和外部网络的物理接口，完成家庭内部同外部通信网络之间的数据交换功能，同时还负责家庭设备的管理和控制。

　　智能家居控制器一方面需要为家庭内部布线提供通讯接口，能够采集家庭设备的信息，并进行处理，自动控制和调节；另一方面智能家居控制器作为家庭网关，也为外部提供网络接口，连通家庭内部网络和外部Internet网络，使得用户可以通过网络等方式访问家庭内部网络，实现监视和控制。此外智能家居控制器还应当具备自动报警等功能，即当发现报警信号如：有人恶意闯入，温度超高等，控制器能立即处理并向用户发出报警信号。

　　智能家居控制器为系统的核心，可采用ARM嵌入式系统设计，能够自动运行、处理数据，通过RS485总线管理和控制各控制终端。并且控制器通过GPRS模块，实现家庭系统与外部网络的通讯，使用户可以通过短信和互联网等方式实现家庭系统的远程控制，同时，控制器还通过键盘和显示屏为用户提供人机界面，方便用户实现本地控制。控制终端为单片机组成若干小的控制系统控制各家用设备，并通过控制总线将这些小的控制系统组成网络，连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体功能包括：

　　家用设备的数据采集：采集家用设备包括室内温度，灯具家电，防盗门等设备的状态数据，经控制器处理后反馈给用户。

　　本地控制：用户通过控制器上的键盘和显示屏，对家用设备进行监控。

　　远程控制：远程用户可以通过发送手机短信或通过互联网对家庭系统进行控制和查询。

　　自动报警：当控制器检测到非法闯入或温度超高等报警信号时，及时触发室内报警装置，并通过发送报警短信等方式及时通知用户。

　　温度查询：用户可以通过控制器查询室内温度。

　　防盗门密码设置：用户可以通过本地或远程方式修改防盗门的密码，在门外输入正确密码后才可打开门。

　　红外家电控制：接收用户命令，通过红外发射电路控制电视、空调等红外可控的家电设备。

　　其它灯具等开关量控制：接收用户命令控制灯具等开关量设备。

　　智能家居控制器通过GPRS模块，实现家庭系统与外部网络的通讯为系统核心部分，解决以前智能家居系统瓶颈的关键技术。GPRS（通用分组无线业务）的简称，是在现有的GSM系统上新增新GGSN（网关支持节点）和SGSN（服务支持节点）节点发展出来的一种新的分组数据承载业务。GPRS与现有的GSM系统最根本的区别是，GPRS是一种分组交换系统，特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。GPRS网络传输的主要优点有：永远在线、按流量计费、快速登录、高速传输、覆盖范围内不受限制（传输距离、地形、天气等）、数据传输可靠等。

　　主要功能

　　·内置若干路数字量（DIGITAL INPUT）输入，可以是开关触点（常开/常闭的安防探头），也可以是脉冲信号（《500Hz，用来接脉冲输出的远传三表）。输入方式可选择，提供+12V的电源输出，可以直接接入包括烟雾、瓦斯、门磁、红外和求助在内的安防探头，同样、水电煤三表的接入也会非常方便；

　　·内置若干个RJ45接口的HUB，可以接入PC、Cable modem、ADSL Modem（可以内置）、社区局域网、IP可视电话、数字机顶盒和其它信息家电，实现SOHO办公；

　　·内置网页，可以通过Internet在远端实现对系统的远程监控和管理；

　　·支持TCP/IP和UDP互联网协议，方便接入各种城市宽带网络；

　　·可以接收处理来自社区管理平台和城市网管发送的数据广播和短消息，并转发给家庭无线遥控器显示。

　　·基于 RS485协议的数据总线通讯接口是系统内部通讯的统一接口，可以在此总线上接入无线收发和家庭自动化控制模块，从而实现多种通讯方式，在此总线上采用了统一供电的方式，使模块接入更加容易；

　　·统一有线和无线的通讯协议，使接入模块方式自由选择；

　　·存储家庭自动化控制模式程序，包括直接控制模式（如开启几个回路的照明或是开启一个大功率电器）、时间控制模式（按照一定的时间顺序执行某串控制指令）和逻辑控制模式（按照一定的逻辑统计关系作出相应分析判断）。

　　·在系统发生报警时，及时将警情传送到社区管理平台或有关部门，并将其存放在系统的历史记录中。

　　基于ARM及GPRS智能家居控制器的软硬件实现

　　GPRS通信模块安装在智能家居控制器中，主要功能为通过GPRS网络连接到Internet网络，并主动与监控中心建立通信链路，进行双向数据通信。GPRS通信模块设计采用了Freescale公司生产的内嵌TCP/IP协议的G24GPRSOEM。该模块尺寸小，功耗低，便于集成。

　　GPRS通信终端收发模块主要由G24模块、天线、SIM卡、相关的电平转换电路和RS232串口组成。模块的供电电压为5V，可采用USB端口供电。GPRS通信模块通过RS232串行口与智能家居控制器ARM进行通信。

　　G24收发模块采用AT指令操作，通过RS232串行口进行数据通信。GPRS网络通信原理为：首先通过SGSN节点使通信终端模块附在GPRS网络上；然后通过GGSN节点由PPP（PointtoPointProtocol）协议获得一个随机分配的IP地址，连接到Internet上；最后通信终端模块通过Internet，按照监控中心设定的端口号与监控中心建立通信链路。

　　（1）测试G24通信是否正常。首先选择串行口并设置波特率，G24波特率的范围为600到460800bit/s，支持自动波特率侦听，能够自动与监控中心通讯模块的波特率保持一致。发送“AT”，如果模块返回“OK”，则通信正常，否则重发。

　　（2）接入Internet。首先测试当地是否有GPRS覆盖，向模块发送“AT+CGPRS？”，如果返回“+CGPRS：1”，则有GPRS覆盖，否则隔5秒钟后再次检测。然后发送“AT+CGATT=1”使模块附在GPRS网络上。最后发送“AT+MIPCALL=1，cmnet”通过PPP协议建立与GGSN的无线连接，获得一个动态的IP地址，接入Internet。

　　（3）连接监控中心。向模块发送“AT+MIPOPEN=，《“DestinationAddress”》，”建立与监控中心通信连接。如果返回“+MIPOPEN：SocketID，1”，则说明与监控中心建立了通信连接，如果返回“+MIPSTAT：1，1”，则说明有物理链接中断，须重新进行连接。其中对AT+MIPOPEN指令的参数作以下说明：

　　SocketID：G24通信连接的ID号，G24有4个可用Socket，每个Socket有1372Byte缓冲区。

　　SourcePort：G24的数据传输端口号，其值为0~65535。建议采用1024以上的端口号。

　　DestinationAddress：目标端的IP地址，也就是监控中心监控服务器的IP地址。

　　DestinationPort：目标端的数据传输端口号，即监控中心监控服务器设定的传输端口号。

　　Protocol：传输通信协议，0表示TCP方式，1表示UDP方式。

　　（4）数据收发。与监控中心建立通信连接后，就可以进行数据收发了。发送数据用“AT+MIPSEND=1，’Data’；+MIPPUSH=1”。“Data”表示要发送的数据，本设计采用了G24默认的ASCII码编码，须用十六进制的ASCII码形式表示。一旦有数据到达，G24模块就会通过RS232串行口返回“+MIPRTCP：，”。其中Left是一个十进制的数字，表示还有多少个字符在协议栈中尚未接收，如果数据全部接收，则Left为0；接收到的数据“Data”是十六进制的ASCII码形式。

　　（5）断开通信连接。向模块发送“AT+MIPCLOSE=SocketID”，模块返回“OK”，表示断开成功。

　　主要功能

　　液晶显示：全中文菜单操作，声音提示，软键盘；

　　工作频率范围：260~434MHz，发射功率极低，无须批准；

　　信息功能：显示和接受来自社区管理平台和互连网络的数据广播和短消息；

　　查询状态：·可查询系统安防系统报警与布撤防状态； 　·可查询系统电器控制状态；

　　设置布撤防：·设置系统布撤防；

　　设置参数：·设置系统参数，包括网络参数和模式控制参数；

　　发送指令：·直接控制指令发送：实现对照明电器的开关控制和调光控制，对家电设备的开关控制； 　　·时间控制和逻辑控制程序启动：可以定时开启一些控制模式或按照一定的逻辑关系启动系统控制指令； 　　·照明场景控制：可以通过场景控制命令实现照明设备的群控，如开启一定数量的灯光创造一种特定的灯光氛围。

　　该系统的液晶控制面板是另一个主要的人机界面，它采用有线的方式接入485总线， 起到系统设置和功能控制的功能。

　　另外，安装在家庭电脑中的智能家居控制软件也是一个主要的人机界面，通过该软件就可以方便地通过电脑实现对家庭各种设备的控制和查询，还可以对系统进行设置，例如信息开关的模式和场景的设置。由于电脑软件可以通过各种电子地图，甚至类似游戏一样的三维界面来制作，所以使用起来会更加有趣和方便。

　　监控节点模块

　　所有智能家居系统的节点控制模块通过RS485家庭控制总线， 并遵循统一的家庭控制网络通讯协议，与系统信息控制中心相连，实现系统数据通讯。 在一条总线上可以挂接256个模块，从而实现家庭自动化控制的各种功能，模块类型包括：

　　无线收发基站模块

　　主要为了配合无线遥控器模块使用，是系统的必配件，作为无线收发基站，它将遥控器传送来信息通过家庭控制网络传给系统信息控制中心，再将系统信息控制中心的指令和短消息信息通过无线射频信号传给无线遥控器，是无线信息转化成有线家庭控制网络信息的地方；

　　继电器开关控制模块

　　低功率回路控制，采用高性能固态继电器进行控制。在接到智能家居控制器的指令后，对家庭中的低功率电器，主要是灯光（还包括各种音响系统、电视机、电动窗帘）进行开关控制，控制功率为每回路100瓦； 　　大功率电器控制模块：也是采用固态继电器进行控制，但是其功率较大，且只有单路，在接到智能家居控制器的指令后，可对家中的大功率电器（如空调、热水器）进行开关控制，控制功率为单回路最大2，500瓦；

　　可控硅调光控制模块

　　采用可控硅进行低功率回路控制。在接到智能家居控制器的指令后，其功能主要是对家庭中的灯光进行调光控制，控制功率为每回路100瓦，调光范围分为5档枣0、25%、50%、75%、100%；

　　信息开关模块

　　信息开关彻底改变了原有的开关概念，用开关信息点来完成原有开关的功能，使得原有开关功能固定单一的不足，可通过设置相关控制参数，对任一控制点进行控制，从而实现群控功能。 　　除此之外，未来的监控节点模块还可以包括家庭环境检测模块、住户健康检测模块等

　　结语

　　本文提出了基于GPRS无线智能家居系统的总体解决方案。该方案主要是采用GPRS无线通信技术实现远程终端对家庭系统的远程控制；采用RS485总线技术实现家庭系统的组网；采用嵌入式系统方案搭建智能家居控制器的开发平台，并通过该平台实现对家用设备的智能管理和控制。最后本文提供系统核心GPRS芯片软硬件实现方法，为后续及相关工作提供技术基础。