基于ARM-Linux平臺及GPRS技術(shù)的家庭智能控制系統(tǒng)-設(shè)計應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯基于ARM-Linux平臺及GPRS技術(shù)的家庭智能控制系統(tǒng)-設(shè)計應(yīng)用摘要：主要介紹了一種基于嵌入式系統(tǒng)的ARM-Linux平臺及GPRS技術(shù)的家庭智能控制系統(tǒng)。采用ZigBee技術(shù)組建家庭無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)對ARM控制器發(fā)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(xiàn)對整個家庭智能系統(tǒng)的遠程控制。

隨著生活節(jié)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(shè)備。各種無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，使家庭智能系統(tǒng)的遠程控制成為一種現(xiàn)實。本文結(jié)合ARM9處理器功能強大、GPRS技術(shù)永遠在線，接入范圍廣，功耗低以及ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)等優(yōu)點，設(shè)計實現(xiàn)了一種基于嵌入式系統(tǒng)的無線家庭智能控制系統(tǒng)。

1系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及主要功能

系統(tǒng)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(wǎng)通信等部分組成，其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

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(xiàn)無線連接，組成一個星型家庭無線智能控制網(wǎng)絡(luò)。同時ARM中央控制平臺連接一個USB攝像頭，實現(xiàn)對家庭環(huán)境的實時監(jiān)視。ARM控制器通過GPRS和以太網(wǎng)實現(xiàn)與外部遠程連接。即使出門在外，也可以實現(xiàn)對家庭智能系統(tǒng)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(diào)和熱水器，開啟窗簾或燈具等。當(dāng)探測到有非法人員入侵或發(fā)生火災(zāi)等緊急情況時，ARM控制器就會通過短信向戶主發(fā)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(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳給PC機，或通過GPRS以彩信形式傳到戶主手機。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

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

圖2系統(tǒng)硬件電路框圖。

2.1ARM中央控制模塊

ARM中央控制模塊由ARM9控制器、FLASH、SDRAM、電源及復(fù)位模塊、LCD觸摸屏及相關(guān)外圍電路組成。系統(tǒng)選用SAMSUNG的基于ARM920T內(nèi)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(nèi)部集成了TFT/STNLCD和觸摸屏控制器、SDMMC存儲卡接口和攝像頭接口等大量的功能模塊，便于構(gòu)建外圍電路，視頻處理能力非常強。系統(tǒng)采用64M的NAND型FlashK29F2808來存放系統(tǒng)啟動代碼、內(nèi)核代碼及根文件系統(tǒng)；SDRAM選用2片HY57V561620CTP-H構(gòu)成容量為64MB高速動態(tài)隨機存儲器。

2.2ZigBee模塊

為了滿足家庭智能系統(tǒng)簡潔、方便的要求，系統(tǒng)采用ZigBee無線通信技術(shù)組建家庭網(wǎng)絡(luò)。ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)。ZigBee模塊采用支持IEEE802.15.4協(xié)議，技術(shù)成熟的CC2430芯片。經(jīng)測試，室內(nèi)有效傳輸距離為30~40m,完夠覆蓋普通家庭環(huán)境。下面從抗干擾及功耗兩方面闡述本設(shè)計的可行性。

2.2.1Zigbee抗干擾性能分析

ZigBee技術(shù)的抗干擾特性主要是指抗同頻干擾。

IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中提供了很多抗干擾機制[2],比如：空閑信道評估，動態(tài)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(diào)頻技術(shù)，對ZigBee的干擾很小，兩者能很好的共存；WirelessUSB可以根據(jù)干擾環(huán)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(shè)計中ZigBee設(shè)備放置在離客廳中心較遠的地方，使干擾源盡量遠離ZigBee網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)測試可行；當(dāng)微波爐與ZigBee設(shè)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。

2.2.2Zigbee功耗分析

ZigBee模塊支持多種工作模式，包括運行（發(fā)送與接收）、空閑和休眠等。通過監(jiān)測傳感器節(jié)點的正常工作，發(fā)現(xiàn)節(jié)點大部分時間處于空閑狀態(tài)。而空閑模式的功率消耗與運行模式大體相同，收發(fā)模塊長期處于空閑模式會消耗大量能量。因此，當(dāng)節(jié)點空閑時應(yīng)使其處于休眠狀態(tài)。當(dāng)需要節(jié)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(tài)。本設(shè)計經(jīng)測試，系統(tǒng)運行一個月后，電池電壓變化輕微，實際應(yīng)用中兩節(jié)普通5號干電池使用壽命超過一年。

2.3GPRS模塊

GPRS（GeneralPacketRadioService），即通用分組無線服務(wù)技術(shù)，是一種以GSM為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。GPRS采用分組交換技術(shù)，支持資源共享，頻帶利用率高，數(shù)據(jù)傳輸率高。GPRS傳輸率可達171.2kbit/s,支持X.25協(xié)議和IP協(xié)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(shù)應(yīng)用于家庭智能控制系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳輸是選擇。

GPRS模塊主要功能是通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)ARM控制器與戶主手機之間的數(shù)據(jù)交換。經(jīng)過性能與成本的綜合考慮，系統(tǒng)選用西門子公司的MC55GPRS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(shù)據(jù)、語音、短消息和傳真等多種通信方式，采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行通信，GPRS數(shù)據(jù)包可達1.5K;GPRS模塊與ARM控制器采用AT指令集通過串口進行數(shù)據(jù)通信。

圖3ARM控制器與GPRS模塊連接圖。

如圖3所示，系統(tǒng)采用SP3238芯片實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，S3C2440通過UART1控制MC55,通過GPRS網(wǎng)絡(luò)采用短信或撥打電話的方式與用戶手機進行通信來實現(xiàn)對家庭智能系統(tǒng)的遠程控制。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件部分的設(shè)計主要是基于ARM-Linux,與其他嵌入式操作系統(tǒng)相比，Linux操作系統(tǒng)具有完整的TCP/IP協(xié)議，良好的穩(wěn)定性和實時性，很好的滿足了家庭智能控制系統(tǒng)對系統(tǒng)可靠性的要求；此外，Linux易于移植裁減、內(nèi)核小、效率高、源代碼開放并有眾多的開發(fā)者，為系統(tǒng)的開發(fā)提供了良好的技術(shù)支持。

系統(tǒng)開發(fā)首先要建立交叉編譯環(huán)境，然后引導(dǎo)bootloader,移植操作系統(tǒng)，裝載文件系統(tǒng)，開發(fā)圖形界面，編寫應(yīng)用程序。Bootloader主要實現(xiàn)系統(tǒng)的快速引導(dǎo)，將Linux內(nèi)核加載到內(nèi)存，并進行內(nèi)核初始化。Linux2.6內(nèi)核具有強大的進程、中斷、內(nèi)存和設(shè)備管理，支持各種文件系統(tǒng)。

系統(tǒng)主程序流程如圖4所示，主程序由一系列用來實現(xiàn)相應(yīng)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(wǎng)通訊程序等。限于篇幅，這里主要闡述GPRS無線通信的實現(xiàn)。

圖4系統(tǒng)主程序流程。

GPRS模塊程序設(shè)計主要用AT指令編寫，結(jié)合一些主要函數(shù)來實現(xiàn)GPRS模塊各項功能，包括GPRS模塊初始化、GPRS網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置、AT命令的收發(fā)、短信收發(fā)、撥打電話和發(fā)送彩信等。

3.1GPRS模塊的初始化

系統(tǒng)啟動之后，通過調(diào)用gprs_init（）函數(shù)實現(xiàn)基本的初始化工作，包括串口初始化，MC55的狀態(tài)設(shè)置等。通過調(diào)用chargprs_getkey（）函數(shù)獲取鍵盤輸入值。

3.2AT命令的接受和發(fā)送

GPRS模塊通過UART1與S3C2440進行通訊，S3C2440通過串口發(fā)送AT命令到GPRS模塊并讀取GPRS模塊的輸入。S3C2440通過調(diào)用intsend_gprs_cmd（intfd,char*send_buf）函數(shù)發(fā)送AT命令到GPRS模塊中，并通過intread_gprs_datas（intfd,char*rcv_buf）函數(shù)讀取GPRS模塊的數(shù)據(jù)。如果通信成功返回GPRS_OK,否則返回GPRS_ERR.

3.3短信的收發(fā)及彩信的發(fā)送

GPRS模塊向戶主手機發(fā)送的短信是設(shè)定好的，模塊初始化時短信的內(nèi)容、服務(wù)中心號碼及目標(biāo)手機號碼都已設(shè)置完畢，出現(xiàn)緊急情況時，系統(tǒng)只需調(diào)用AT指令即可完成短信的收發(fā)。AT+CMGS=n,發(fā)送長度為n的一條短信；命令發(fā)出后，GPRS模塊回送"",處理器收到提示符即將短信內(nèi)容發(fā)給GPRS模塊，發(fā)送成功返回"OK",否則返回"ERR".接收短信由AT+CMCR=IndexCR指令來實現(xiàn)，然后處理器再根據(jù)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(dāng)家庭出現(xiàn)緊急情況時，將攝像頭的截圖以彩信形式發(fā)送到用戶手機。其功能函數(shù)如下：

intmms_send（char*fro,char*to,char*subj,char*cont,char*img,longlen）

參數(shù)fro為模塊SIM卡號碼；to為戶主手機號碼；subj為彩信標(biāo)題；cont為彩信的文字信息；img為圖片的地址指針；len