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智能家居系統架構\實現與藍牙技術應用展望

放大字體  縮小字體 發布日期:2012-09-05  瀏覽次數:422
  【摘要】文章介紹家具智能化系統的結構、軟硬件實現以及藍牙技術應用等幾個方面;充分說明智能家居系統的優勢,并分析了其各自基本特點和所要實現的基本功能,并在此基礎上提出了基于GPRS無線智能家居系統的總體解決方案,以及藍牙技術應用展望。
  【關鍵詞】無線智能家居系統;智能家居控制器;軟硬件實現;結構;藍牙技術
  隨著網絡技術和通信技術的不斷發展以及人們對生活要求的不斷提高,實現家庭智能的遠程控制已經成為必然的趨勢。國家建設部住宅產業化促進中心提出住宅小區要實現六項智能化要求,其中包括實行安全防范自動化監控管理:對住宅的火災、有害氣體的泄漏實行自動報警;防盜報警系統應安裝紅外或微波等各種類型報警探測器;系統應能與計算機安全綜合管理系統聯網;計算機系統能對防盜報警系統進行集中管理和控制。但由于目前無線通訊技術的不成熟、運行費用高等弊端,智能家居控制器與外網無線通訊技術成為導致市場接受度低的重要因素,而GPRS系統的特點能夠很好的解決該問題。GPRS網絡通信業務是通訊公司推出的一項數據傳輸通信業務,在GPRS網絡覆蓋區域內,傳輸距離不受限制,通信費用相對低廉,傳輸速率較快。
  一、系統總體架構
  網絡應用的普及以及各種信息家電的產生都使得在家庭內部對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部傳送Internet數據以及如何將各種家電設備連接起來的問題,基于此,智能家居網絡應運而生。智能家居網絡是信息社會的基本單元。未來的家庭中,各種家電設備將組成一個家庭局域網,并通過智能家居控制器接入互聯網。智能家居網絡的市場發展潛力極其可觀,幾家大的廠商Intel、IBM、Microsoft及Sony都早已涉及其中。
  智能家居網絡指的是在一個家居中建立一個通信網絡,將各種家電設備互相連接起來,實現對所有智能家居網絡上的家電設備的遠程使用和控制及任何要求的信息交換,如音樂、電視或數據等。智能家居網絡的構架包括家庭內部網絡系統、智能家居控制器以及智能家居網絡與外部Internet網絡之間的數據通信。其中,智能家居控制器是智能家庭網絡的一個重要組成部分,起到核心的管理、控制和與外部網絡通訊作用。它是通過家庭管理平臺與家居生活有關的各種子系統有機結合的一個系統,也是連接家庭智能內部和外部網絡的物理接口,完成家庭內部同外部通信網絡之間的數據交換功能,同時還負責家庭設備的管理和控制。
  智能家居控制器一方面需要為家庭內部布線提供通訊接口,能夠采集家庭設備的信息,并進行處理,自動控制和調節;另一方面智能家居控制器作為家庭網關,也為外部提供網絡接口,連通家庭內部網絡和外部Internet網絡,使得用戶可以通過網絡等方式訪問家庭內部網絡,實現監視和控制。此外智能家居控制器還應當具備自動報警等功能,即當發現報警信號如:有人惡意闖入,溫度超高等,控制器能立即處理并向用戶發出報警信號。
  可采用ARM嵌入式系統設計,能夠自動運行、處理數據,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,實現家庭系統與外部網絡的通訊,使用戶可以通過短信和互聯網等方式實現家庭系統的遠程控制,同時,控制器還通過鍵盤和顯示屏為用戶提供人機界面,方便用戶實現本地控制。控制終端為單片機組成若干小的控制系統控制各家用設備,并通過控制總線將這些小的控制系統組成網絡,連接到智能家居控制器,受智能家居控制器控制。
  二、基于ARM及GPRS智能家居控制器的軟硬件實現
  GPRS通信模塊安裝在智能家居控制器中,主要功能為通過GPRS網絡連接到Internet網絡,并主動與監控中心建立通信鏈路,進行雙向數據通信。GPRS通信模塊設計采用了Freescale公司生產的內嵌TCP/IP協議的G24 GPRS OEM。該模塊尺寸小,功耗低,便于集成。GPRS通信終端收發模塊主要由G24模塊、天線、SIM卡、相關的電平轉換電路和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收發模塊采用AT指令操作,通過RS232串行口進行數據通信。GPRS網絡通信原理為:首先通過SGSN節點使通信終端模塊附在GPRS網絡上;然后通過GGSN節點由PPP(Point to Point Protocol)協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,按照監控中心設定的端口號與監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,能夠自動與監控中心通訊模塊的波特率保持一致。發送“AT”,如果模塊返回“OK”,則通信正常,否則重發。
  (2)接入Internet。首先測試當地是否有GPRS覆蓋,向模塊發送“AT+CGPRS?”,如果返回“+CGPRS:1”,則有GPRS覆蓋,否則隔5秒鐘后再次檢測。然后發送“AT+CGATT=1”使模塊附在GPRS網絡上。最后發送“AT+MIPCALL=1,cmnet”通過PPP協議建立與GGSN的無線連接,獲得一個動態的IP地址,接入Internet。
  (3)連接監控中心。向模塊發送“AT+MIP
  OPEN=,,<”Destination Address”>,,”建立與監控中心通信連接。如果返回“+MIPOPEN:Socket ID,1”,則說明與監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指令的參數作以下說明:
  Socket ID:G24通信連接的ID號,G24有4個可用Socket,每個Socket有1372Byte緩沖區。
  Source Port:G24的數據傳輸端口號,其值為0~65535。建議采用1024以上的端口號。
  Destination Address:目標端的IP地址,也就是監控中心監控服務器的IP地址。
  Destination Port:目標端的數據傳輸端口號,即監控中心監控服務器設定的傳輸端口號。
  Protocol:傳輸通信協議,0表示TCP方式,1表示UDP方式。
  (4)數據收發。與監控中心建立通信連接后,就可以進行數據收發了。發送數據用“AT+MIPSEND=1,’Data’;+MIPPUSH=1”。“Data”表示要發送的數據,本設計采用了G24默認的ASCII碼編碼,須用十六進制的ASCII碼形式表示。一旦有數據到達,G24模塊就會通過RS232串行口返回“+MIPRTCP:,,”。其中Left是一個十進制的數字,表示還有多少個字符在協議棧中尚未接收,如果數據全部接收,則Left為0;接收到的數據“Data”是十六進制的ASCII碼形式。
  (5)斷開通信連接。向模塊發送“AT+MIPCLOSE=Socket ID”,模塊返回“OK”,表示斷開成功。
  三、智能家居系統與藍牙技術的應用展望
  藍牙的思想最早產生于1994年,隨后包括因特爾、3COM、摩托羅拉、微軟、朗訊、東芝等全球很多公司開展了藍牙技術的研究,并于1999年7月發表了藍牙規范1.0,目前已有藍牙1.1A、1.1B、2.0版本。藍壓技術是通過把一塊小且功耗低的無線電收發芯片嵌入到傳統的電子設備中而實現通訊功能。
  藍牙設備中完成主要工作的部分,例如打印機、繪圖儀等稱為主機,藍牙硬件和軟件稱為藍牙模塊(Bluetooth Module)。藍牙鏈路管理軟件(Bluetooth Link Manager Software)和藍牙模塊主機控制器(HC:Host Controller)處理主機和藍牙模塊之間的通訊。
  不同廠家生產的藍牙模塊具有互操作性,藍牙規范定義了可用于所有藍牙模塊以及采用藍牙技術主機設備的標準接口和通訊協議。在規范中,當藍牙模塊完全集成在主機設備中則不需要主機控制器接口(HCI:Host Controller Interface)。如果藍牙模塊是附件或者是作為插卡與主機相連,則需要主機控制器接口。藍牙采用TCP/IP協議與連接因特網的設備相連。
  藍牙通訊使用射頻信號,目前流行的射頻頻段主要有:
  (1)535KHz,-1.7MHz;調幅廣播;
  (2)5.9-26.IMHz短頻廣播;
  (3)88-108MHz;FM調頻廣播;
  (4)824-849MHz蜂窩電話;
  (5)902-928MHz新式900 MHz無繩電話。
  藍牙無線電收發器使用的無線電頻段在2.4-2.48GHz之間,其射頻信號可以穿透大多數固體物體。
  藍牙通訊的干擾小,可靠性高。藍牙無線收發器采用擴展頻譜跳頻技術。擴展頻譜指的是用頻率、時間或其它方法分割可用無線帶寬的幾種不同的技術。跳頻是擴展頻譜常用的方法之一,在一次傳輸過程中,信號從一個頻率跳到另一個頻率,這樣藍牙傳輸不會長時間保持在一個頻率上,也就不會受到該頻率信號的干擾。
  藍牙具有自動同步、自動連網功能。藍牙技術支持各種設備之間的短距離無線通訊,包括數據和語音的通訊。這種通訊不需要用戶的直接干涉,一旦一個支持藍牙的設備發覺另一個同樣支持藍牙的設備,它們就自動同步,并建立一種無線網絡。
  藍牙采用時分gg-r(TDD:Time Division Duplex)方式實現全雙工傳輸。每個頻率被分割成時隙,每時隙長625ms,分配相臨時隙用于發送和接收。
  藍牙功耗少,它的通訊距離選定在10m范圍內。當傳輸范圍為10m時,最大發送功率為lmw(當今移動電話的最大發送功率為3w),10m的范圍是距離、尺寸、功耗的綜合考慮的結果,而且設備相距越近功耗越小。也有100m的藍牙配件,但是它的發射功率很大,功耗也比較大。所有沒有連接的藍牙設備一開始都處于待機狀態,此時每1.28s監聽一次其它設備的消息,當它主動參與微網通訊或收發數據時就處于激活模式,當它需要與網絡保持連接但不參與當前的數據流時,則處于低功耗的休眠狀態。
  藍牙產品具有全球通用性。任何一個公司開發的藍牙產品都具有兼容性能,不同的國家開發的藍牙產品之間不需要任何調整就可以相互通訊,而且藍牙產品在任何國家都可以使用。藍牙具有廣闊的應用前景。由于它的無線電收發器的小尺寸、低價格使得藍牙技術可以在各種各樣的電子設備中應用。使用藍牙模塊的家用電器,包括家庭影院網絡、計算機子系統、電話子系統、生活用電器,將具有極好的通訊兼容性能、可靠性高、功耗小,使得人們的生活極為方便。
  四、家電化——家居智能化控制系統的發展方向
  過去,我們要不自覺地夸大了家居智能控制系統的作用。其實,我們所強調的智能系統發展下去,它的出路就是家電。以計算機為例,早期的計算機,是一個神秘的龐然大物,它在科研院所內,由高級技術人員操作,復雜的程序,笨拙的穿孔紙帶輸入方法,一批特制的硬件,專用的接口,這一系列造成了計算機價格居高不下。隨著技術進步,標準化工作的推進,制造技術的發展,個人計算機誕生了。個人計算機進入家庭,這里有三點應引起注意:
  pc的標準化已經實現,軟、硬件產品的供應也已社會化;pc的連接、擴展及操作界面都十分簡潔、方便,可以給用戶極大的選擇空間;與pc關聯的外部網絡和服務是社會化的。
  智能系統一旦產品進入成熟期,就會失去神秘感和困惑。美國已經把個人計算機(pc)列為家電,就是一個例證。家居智能控制產品有些已變成了家用電器,有些正在變成家用電器,it廠商和家電廠商傾力推出的“網絡家電”就是網絡與家電結合的產物。家居智能控制系統家電化應具備以下特征:它應該是家庭生活中的必需品,而不僅僅是一種裝飾;控制器自身應具有標準化和通用化的接口并聯結至社區公眾網絡;它的家庭應用末端應在專賣店或商場可以輕易購到;它的連線和安裝可以請非供應商的專業人員安裝;它的服務是社會化的;它的軟件可由第三方企業提供。
  參考文獻
  [1]李磊,林曉杰.智能家居的標準與協議[J].數字社區&智能家居,2008,01.
  [2]廖高華,謝矗.智能家居系統網絡的構架與實現[J].現代建筑電氣,2011,07.
  [3]趙繼春.基于GPRS無線智能家居安防系統的研究與實現[J].河北工程大學,2007.
  [4]劉晶.普及智能家居知識—快速解讀X10技術[J].電腦知識與技術(學術交流),2006,Z1.
  
 
 
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