基于嵌入式的智能家居系统的设计

【摘要】本文将嵌入式技术和ZigBee无线通信技术应用到智能家庭无线网络系统的设计中，给出了智能家庭无线网络系统的总体方案和各部分软硬件的设计，并对红外学习终端、PDA以及通信协议等关键问题进行了研究设计。在室内，用户通过PDA遥控家庭设备执行相应操作，同时可把状态信息反馈给用户手持终端PDA，在远程也可以通过GSM短信技术实现对家庭设备的管理和监控。整个系统符合开放性、实用性、普及化、简洁易用、模块化的设计原则。

【关键词】ZigBee；智能家庭网络；嵌入式技术；红外学习终端；PDA

1.引言

21世纪是信息时代，随着通信技术、计算机技术、网络技术、控制技术的迅猛发展与提高，促使了家庭实现了生活现代化，居住环境舒适化、安全化。这些高科技已经影响到人们生活的方方面面，改变了人们生活习惯，提高了人们生活质量，家居智能化也正是在这种形势下应运而生的。智能家居控制系统的主要功能包括通信、设备自动控制、安全防范三个方面。随着新技术和自动化的发展，传感器的使用数量越来越大，功能也越来越强，各种传感器都已经标准化、模块化这给智能家居控制系统的设计提供极大方便。

2.智能家庭网络系统方案

智能家庭无线网络系统是通过终端控制器发出控制指令，经过无线信号传输到数据主机处理后，再由不同指令控制家居中不同的设备。每台电器（控制对象）都有一个唯一的地址编码，同时每一个动作（如开、关、播放等）也有一个唯一的编码。远程也可以监控、操作家中电器。文中提出的智能家庭无线网络系统由基于UC/OS II的ARM7中控主机、基于Windows CE的ARM9手持PDA、红外设备终端、通用开关设备终端、GSM联网系统、RFID射频电子锁、ZigBee无线通信模块等部分组成。系统主体构架如图1所示。

图1 系统主体构架

用户刷卡打开RFID电子锁时，电子锁终端通过ZigBee网络将命令传送到室内中控主机，中控主机中的解防任务、情景模式任务、环境任务、设备动作任务便被激活，各家居设备根据先前用户设定好的情景模式进入相应工作状态。作为家庭网络中的控制中心部分，中控主机担任着内外异构网络的协议解释、转换、分发和监视、控制各节点的工作。并且通过ZigBee网络将各命令传达给目的ZigBee终端节点，相应的节点再把命令下达给目标设备，完成命令执行功能。用户在室内，可通过PDA和嵌入式智能家居信息化综合管理软件平台进行模式与参数设置，并对各家居设备进行在线监控。在远程，通过GSM联网使整个系统接入到移动网络，对家居系统设备进行监控和操作。红外设备中转终端作为一个特殊的设备终端控制器专门对如电视、空调、DVD等红外设备进行控制。

3.单元模块硬件组成及其工作原理

3.1 RFID射频电子锁

RFID射频电子锁的核心芯片采用同欣智能科技的TX125系列非接触IC控制芯片。该芯片的射频读卡采用125kHz射频，读卡距离为50～150mm，完全支持对EM、TEMIC、TK及其兼容卡的操作。RFID电子锁电路中，MODE1接高电平选为波特率9600，MODE3接高电平选为串口输出，MODE4接高电平选为主动模式，其中TX125的“TXD”与MSP430的P3.7连接，P3.7的工作模式设置为串口1的接收状态，打开串口1的接收中断，使RFID的读卡实时性达到最高；TX1，TX2连接感应天线，“STATUS”与MSP430的普通IO口P1.2连接，用于读取TX125的工作状态；MSP430的普通IO口P1.3设置为输出状态，通过继电器控制电子锁的动作电机，用以完成开门和锁门等工作，TX125其它管脚默认空载。RFID电子锁电路如图2所示：

图2 RFID电子锁电路

3.2 红外设备终端及通用开关设备终端

由于各厂商的红外设备之间没有统一的接口标准，即使属于同一种红外设备，其对应功能的红外编码也不一定相同。而且大多数厂家的红外编码是不对外开放的，所以采取对其遥控器进行红外学习解码的方案。

红外终端采用MSP430F147与CC2430做为主处理芯片实现功能运算与通信，其电源电压都适应于1.8-3.6V。MSP430F147具有超低耗电特性，能为ZigBee应用提供良好的支持，而且该芯片定时器具有捕获模式，可以通过该功能实现各种测量，红外设备终端便是利用了芯片的这个特性进行解码存储，红外学习终端硬件组成模块框图如图3所示：

图3 红外学习终端硬件模块图

3.3 中控主机

作为系统的核心主机，控制管理整个通信系统。其由ARM7核心处理器LPC2106，并辅以通用按键、液晶显示、Zigbee模块组成。本系统对中控主机嵌入的UC/OSII操作系统主要设计了5个实时任务，分别为GSM通信任务、Zigbee系统通信任务、报警输出与LCD在线状态输出任务、按键扫描任务和系统总任务。其中GSM通信任务主管中控主机和GSM模块的通信，以及远程短信的收发、电话报警、远程手机系统监控处理等，主机通过串口与GSM模块连接。ZigBee系统通信任务实现中控主机和Zigbee协调器模块的通信，处理系统的各种通信数据以及协助Zigbee协调器转发数据，当获取到系统的异常情况，由报警输出任务启动中控主机的蜂鸣器进行报警，并由GSM通信任务发出报警信号到手机。主机通过SPI接口与Zigbee模块连接，各种系统切换状态皆可通过LCD在线显示出来。按键扫描任务通过中控主机可对整个系统进行开关机、模式切换、添加删除设备等操作。系统总任务设定各个任务优先级，协调各任务的有序工作。预留另一个串口与个人电脑PC机连接，用于做参数设置及系统升级扩展。

4.系统软件架构设计

4.1 中控主机软件设计流程

图4 中控主机软件设计流程