1 引言

　　人們生活水平的提高以及科技的進(jìn)步，特別是計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，智能家居將慢慢成為未來家居生活的發(fā)展方向。1984年在美國誕生了世界上第一座智能家居建筑，從此以后，世界上的各大公司和科研單位不斷加速在智能家居方面的研究，他們分別提出了自己的智能家居解決方案，其中以新加坡提出的技術(shù)方案最具代表性，他的智能家居系統(tǒng)包括三表抄送、安防報警、家電控制、家庭智能控制面板、監(jiān)控中心等功能，目標(biāo)在于將家庭中與信息相關(guān)的通信設(shè)備、家用電器和家庭安防裝置通過總線技術(shù)連接到家庭智能化系統(tǒng)上，從而進(jìn)行集中或遠(yuǎn)程控制和管理。在未來，智能家居不僅要為用戶提供健康、舒適安全和安全的生活環(huán)境，而且用戶還能夠

　　遠(yuǎn)程控制家庭電器設(shè)備和監(jiān)控自己的家居狀態(tài)。因此，本系統(tǒng)家從遠(yuǎn)程要滿足這樣的需求，一方面需要把家庭無線網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)，因為互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)滲透到我們生活的各個角落，通過互聯(lián)網(wǎng)可以隨時隨地的遠(yuǎn)程控制家庭電器設(shè)備和監(jiān)控自己的家居狀態(tài)；另一方面在家庭內(nèi)部采用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這樣可以提供更大的靈活性、流動性，更符合家庭網(wǎng)絡(luò)簡潔性、靈活性、模塊化、擴(kuò)展性及獨立性的通信特點。因此本系統(tǒng)將從網(wǎng)絡(luò)化和無線化兩方面著手來構(gòu)建智能家居系統(tǒng)。

　　2 系統(tǒng)的總體設(shè)計

　　為了讓智能家居控制系統(tǒng)之間實現(xiàn)無線通信，以及為了方便以后擴(kuò)展外圍模塊去實現(xiàn)更多的功能，本設(shè)計基于嵌入式智能家居監(jiān)測控制系統(tǒng)在擬采用模塊化設(shè)計，擬由4個子系統(tǒng)組成：ARM控制中心、協(xié)調(diào)器、節(jié)點1、節(jié)點2，其系統(tǒng)總體如圖1所示。

　　ARM控制中心主要完成的工作有：處理協(xié)調(diào)器發(fā)過來的信息，并且將相關(guān)的控制信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器；其內(nèi)部安裝嵌入式 WEB服務(wù)器，主人可以通過網(wǎng)頁獲取各個節(jié)點的工作狀態(tài)和控制各個節(jié)點的工作。此外，它還要處理火災(zāi)，盜賊闖入燈異常信息，然后通過GPRS模塊用短信把相應(yīng)的報警信息發(fā)送給主人。

　　協(xié)調(diào)器主要負(fù) 責(zé)ARM控制中心和各個節(jié)點之間的無線通信。一方面接收節(jié)點1和節(jié)點2的數(shù)據(jù)，然后通過串口送入到ARM控制中心進(jìn)行處理；另一方面可以把前端的控制指令轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的節(jié)點。

　　節(jié)點1的功能：把傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)實時的通過無線傳輸給協(xié)調(diào)器；當(dāng)有火情和盜賊闖入的時候，蜂鳴器立即報警并把相應(yīng)的信息通過無線發(fā)送給協(xié)調(diào)器；實現(xiàn)對點燈的控制。

　　節(jié)點2完成 “電器”的定時控制功能。定時器的定時時間可以通過客戶機(jī)來設(shè)定，并且可以通過網(wǎng)絡(luò)查詢定時器的剩余時間；在此，實現(xiàn)濕度的監(jiān)測。

　　3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

　　3.1 控制中心的設(shè)計

　　本設(shè)計中采用的ARM芯片為 S3C2440，S3C2440是由三星公司生產(chǎn)的一種性價比很高的ＣＰＵ芯片，由于該芯片價格低、功耗低和體積小等顯著的特點，主要用于手持設(shè)備和一般類型應(yīng)用的設(shè)備。

　　控制中心硬件電路主要有主控模塊（S3C2440）、存儲單元（64M SDRAN 和64M Nand Flash）、以太網(wǎng)接口、串行通信接口等，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　3.2 手機(jī)短消息模塊

　　系統(tǒng)采用的是SIM300模塊，該模塊是SICOM公司研制和生產(chǎn)的 ＧＳＭ／ＧＰＲＳ無線通信模塊，其可以實現(xiàn)的功能有 ＧＰＲＳ網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)、語音通話、短信收發(fā)、彩信收發(fā)等［５］。本系統(tǒng)主要用到的功能是短信的發(fā)送，當(dāng)有火災(zāi)或者盜賊 闖 入 的 時 候，系統(tǒng)會議短信的方式告訴主人。

　　SIM300和S3C2440之間是通過串口通信的。其短信數(shù)據(jù)傳輸硬件組成如圖3所示。

　　3.3 nRF24L01無線模塊

　　目前比較流行的無線通信技術(shù)有 Z－Wave和 Zigbee技術(shù)。Z－Wave是一種高可靠性、低 成 本、低 功的短距離無線傳輸技術(shù)，其信號室內(nèi)傳輸距離為30ｍ，室外可達(dá)100ｍ，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)906ｋ／ｓ；單 一 家 庭 網(wǎng) 絡(luò) 可達(dá) 到232個節(jié)點，可滿足一般家庭的需要。目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了關(guān)于Z－Wave的智能家居產(chǎn)品，但是Z－Wave聯(lián)盟沒有開放它的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，阻礙了關(guān)于產(chǎn)品的開發(fā)和擴(kuò)展。

　　ZigBee技術(shù)是一種基于IEEE802.15.4協(xié)議的短距離通信標(biāo)準(zhǔn)。一 個ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以包 含65536個 節(jié)點，并且各個節(jié)點間的通信非常可靠，除此外，ZigBee標(biāo)準(zhǔn)是一個開放的標(biāo)準(zhǔn)。但是ZigBee器件的成本是相當(dāng)?shù)陌嘿F。為了克服上面的問 題，本系統(tǒng)現(xiàn)選擇了nRF24L01無線通信模塊，該塊工作在2.4g頻段，價格低廉，配合 ATmeａ16單 片 機(jī)使用不經(jīng)可以節(jié)省成本，而且可以減低開發(fā)難度。nRF24L01模 塊的系統(tǒng)原理如圖4所示。

　　4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括6部分，分別為遠(yuǎn)程控制WEB前端設(shè)計 、手機(jī)短消息模塊 、控制中心程序的設(shè) 計 、協(xié)調(diào)器的程序設(shè)計 、節(jié) 點1和節(jié)點2的程序設(shè) 計 。

　　4.1 遠(yuǎn)程控制WEB前端的程序設(shè)計

　　系統(tǒng)頁面主要由htm語言、javascript腳本語言設(shè)計而成，完成的主要功能有顯示家電的狀態(tài)，顯示室內(nèi)環(huán)境的參數(shù)如：溫濕度，控制家電等。系統(tǒng)的控制頁面如圖５所示。

　　4.2 控制中心程序的設(shè)計

　　本系統(tǒng)上面用到的操作系統(tǒng)是linux，其上面移植有BOA服務(wù)器 ，BOA服務(wù)器非常適合單任務(wù)的HTTP服務(wù)，并且其支持CGI接口 。CGI程 序 可 以 采用she腳本語言、pre、php、c語言等語言來實現(xiàn) ，但是由于c語言的兼用性表較好 ，以及用C語 言編寫的CGI程序可以直接在boa服務(wù)器面執(zhí)行且比較小，因此 ，本系統(tǒng)用c語言作為CGI程序的開發(fā)語言。用Ｃ語言編寫CGI程序設(shè)計到字符串的處理 ，因此是一個非常復(fù)雜且容易出錯的過程 ，但幸運(yùn)的是可以借助第三方庫CGI來 編 寫CGI程 序。 如圖6所示控制中心程序的流程。系統(tǒng)采用的是雙線程并行執(zhí)行的 ，一條進(jìn)程用來讀取串口發(fā)送過來的信息并重定向顯示到網(wǎng)頁上 ，另一條進(jìn)程用來解析網(wǎng)頁中的控制信息，并將相關(guān)信息發(fā)送出去 。線程１和線程２的流程如圖6a和b所示 。

　　4.3 手機(jī)短消息模塊程序設(shè)計

　　SIM300和S3C2440之間是通過串口通信的。中 文短信的發(fā)送要進(jìn)過如下步驟：1）變換號碼；2）短信內(nèi)容編碼；3）PDU格式編碼；4）短信的發(fā)送。根據(jù)這4部分 在Linux環(huán)境下編寫了如下短信發(fā)送程序。

　　4.4 協(xié)調(diào)器的程序設(shè)計

　　協(xié)調(diào)器主要完成的功能有，將nRF24L01接受到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給ARM；將串口接受到的數(shù)據(jù)通過nRF24L01發(fā)送出去。協(xié)調(diào)器的主函數(shù)程序流程如圖7所示。

　　在此函數(shù)中中斷有2個，1個是串口接受中斷 ，1個是INT2中斷 。串口接受中斷函數(shù)的主要功能是將串口接受到的控制信息發(fā)送給相應(yīng)的目標(biāo)板 ；INT2中斷函數(shù)的功能是將無線模塊接受到的信息通過串口 傳給ARM。

　　4.5 節(jié)點1的程序流程

　　發(fā)送機(jī)1的功能：完成與協(xié)調(diào)器之間無線通信；定時采集溫度信息；當(dāng)有火情出現(xiàn)時，蜂鳴器立即報警，并立即向接收機(jī)0發(fā)送無線數(shù)據(jù)；當(dāng)有盜賊闖入的時候，蜂鳴器報警，并立即接收 機(jī)０發(fā) 送 無 線 數(shù) 據(jù)；同時接收接收機(jī)０發(fā)送過來的無線數(shù)據(jù)，通過解碼后去控制LED燈的亮滅。節(jié)點1的函數(shù)流程圖如圖8所示。

　　4.6 節(jié)點2的程序設(shè)計

　　節(jié)點2主要完成的功能是完成同協(xié)調(diào)器的無線通信通過按鍵來定時；通過WEB前端來定時，顯定時器的剩余信息。節(jié)點2的程序設(shè)計流程如圖9所示

　　5 系統(tǒng)測試

　　要對系統(tǒng)的性能和功能有個全面的了解，看起是否滿足現(xiàn)實什么的需要，就必須對系統(tǒng)進(jìn)行。整個系統(tǒng)的測試采用分模塊的測試辦法進(jìn)行。

　　5.1 射頻發(fā)射模塊的測試

　　對該模塊的測試，首先需要個節(jié)點部分的nRF24L01工作在發(fā)射狀態(tài) ，連續(xù)不斷的發(fā)射數(shù)據(jù)，然后驗證協(xié)調(diào)器部分的nRF24L01射頻模塊能否接收到正確的數(shù)據(jù) 。協(xié)調(diào)器通過串口與上位機(jī)相 連 接 ，通 過 查 看securecrt的 打印信息來驗證接收到的數(shù)據(jù)。經(jīng)過以上測試可以驗證智能家居 的無線部分是否正常工作 。

　　理論上nRF24L01無線模塊的傳輸距離是100ｍ。經(jīng)測量nRF24L01在無障礙的情況下的傳輸距離是45m；如果中間有一個障礙物的話，實際的傳輸距離迅速遞減到15m。表1是傳輸50個字節(jié)的數(shù)據(jù)。

? ? ? ?節(jié)點2主要完成的功能是完成同協(xié)調(diào)器的無線通信通過按鍵來定時；通過WEB前端來定時定時器的剩余信息。節(jié)點2的程序設(shè)計流 程如圖9所 示

　　以100m2的住宅為例，兩點之間最遠(yuǎn)的地方為14m，因此nrf24l01無線射頻模塊可以滿足智能家居各個節(jié)點之間的無線傳輸需求。

　　5.2 溫度檢測模塊的測試

　　將節(jié)點1和市面上常用的溫度計放在裝有空調(diào)的房間中進(jìn)行測試，通過調(diào)節(jié)空調(diào)的溫度來控制室內(nèi)的溫度，然后將檢測的溫度同溫度計上面顯示的溫度進(jìn)行比較。通過6次實驗，得到6組不同的實驗。實驗數(shù)據(jù)表2所示。

　　通過上面數(shù)據(jù)可以看出系統(tǒng)測量的溫度與溫度計所測的溫度非常接近，最大的溫差為0.4°，平局誤差約為0.3°例外，將該模塊放在冰箱的冷凍室和剛燒開的開水中，分別測 得溫度為 —105和98°。因 此 ，可以看出該模塊能很好的反映實際 的環(huán)境溫 度 。

　　5.3 紅外報警系統(tǒng)的測試

　　首先將紅外報警所在的節(jié)點1放在離地面1.5m左右的桌子上面，測試30次，未發(fā)生錯誤報警的情況。實驗表明，報警范圍在室內(nèi)是30m左右，在 室外到50ｍ。

　　5.4 火災(zāi)報警系統(tǒng)的測試

　　本實驗參考，國家標(biāo)準(zhǔn)GB4515《點型感煙火災(zāi)探測器技術(shù)要求及試驗方法》的要求，布置了一個火災(zāi)實驗室，活在設(shè)在實驗室的中心地面上，由于 MQ2煙霧傳感器在節(jié)點2上面，所以將節(jié)點２安置在距離活在3m的上空。采用國標(biāo) GB4515中的標(biāo)準(zhǔn)試驗火SH2－90根棉繩點火進(jìn)行實驗。將棉繩綁在節(jié)點1所在的支架上面，點燃后迅速熄滅火焰，使棉繩產(chǎn)生持續(xù)的煙霧。表3是6次實驗采集的數(shù)據(jù)。

　　從以上數(shù)據(jù)可以看出火災(zāi)報警系統(tǒng)能夠?qū)馂?zāi)產(chǎn)生準(zhǔn)確的響應(yīng)。

　　5.5 對電器的控制

　　由于本系統(tǒng)沒有連接實際的電器，對點燈的控制本系統(tǒng)才有4個LED燈做替代。對空調(diào)的控制，無非就是設(shè)定的定時時間、控制溫度。因此，本系統(tǒng)有一個思維數(shù)碼管做一個替代空調(diào)。通過實驗，可以看到，可以達(dá)到通過網(wǎng)頁對它們的控制。

　　結(jié)論

　　設(shè)計了一種基于BOA和nRF24l01的智能家居系統(tǒng)。實現(xiàn)了通過web對家庭環(huán)境的監(jiān)測，闖入的監(jiān)測 ，對火災(zāi)的監(jiān)測和對家電的遠(yuǎn)程控制等功能 。本系統(tǒng)能基本滿足一般家庭的需要， 具有智能、成本低廉等優(yōu)點 。此外，本系統(tǒng)經(jīng)過簡單的改進(jìn)之后可以應(yīng)用在智能交通監(jiān)測體統(tǒng) ，森林防火系統(tǒng)以及智能用電家居系統(tǒng)中。因此本系統(tǒng)具有非常廣闊的應(yīng)用前景 。