基于場景模式的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳玉嶺，章 杰，程樹英

(福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州350108)

在歐美等西方經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的國家，智能家居已經(jīng)相當(dāng)普及。在中國，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，智能家居也將成為家居發(fā)展的必然趨勢[1]。

目前部分智能家居集控裝置一般不具有場景模式功能，每次都需要對家電進(jìn)行單獨(dú)控制；同時(shí)部分具有場景模式功能的智能家居集控裝置中場景模式下的各個(gè)參數(shù)通常是固定不變的，使用極為不便[2]。

本文設(shè)計(jì)的基于場景模式的智能家居系統(tǒng)不僅具有場景控制功能，而且用戶可以根據(jù)自己的需求設(shè)置場景模式的參數(shù)。因此，本設(shè)計(jì)將為人們提供一個(gè)更加舒適的居住環(huán)境。

本文將無線組網(wǎng)技術(shù)與Android應(yīng)用開發(fā)相結(jié)合，通過以S3C2440為核心的家庭網(wǎng)關(guān)將Android手機(jī)與家庭設(shè)備節(jié)點(diǎn)進(jìn)行整合，從而實(shí)現(xiàn)基于場景模式的智能家居系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)主要由監(jiān)控終端、智能家庭網(wǎng)關(guān)和家庭設(shè)備節(jié)點(diǎn)組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

監(jiān)控終端可以顯示和控制家庭內(nèi)部設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；家庭網(wǎng)關(guān)是監(jiān)控終端和家庭內(nèi)部設(shè)備之間通信的樞紐，并存儲(chǔ)整個(gè)系統(tǒng)的配置文件，是整個(gè)系統(tǒng)的核心；家庭設(shè)備節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的實(shí)際監(jiān)控。

2 家庭設(shè)備節(jié)點(diǎn)

2.1 節(jié)點(diǎn)硬件組成

系統(tǒng)家庭內(nèi)部組網(wǎng)所用的無線模塊是nRF24LE1。nRF24LE1采用了Nordic最新的無線和超低功耗技術(shù)，在一個(gè)極小封裝中集成了包括2.4 GHz無線傳輸、增強(qiáng)型51 Flask高速單片機(jī)、豐富外設(shè)及接口等的單片F(xiàn)lash芯片，是一個(gè)綜合了性能及成本的完美結(jié)合，很適合應(yīng)用于各種2.4 GHz的產(chǎn)品設(shè)計(jì)[3]。

設(shè)備節(jié)點(diǎn)的組成如圖2所示。

節(jié)點(diǎn)中無線模塊用來接收網(wǎng)關(guān)發(fā)送的無線控制命令，并將監(jiān)控電路上傳的參數(shù)無線發(fā)送給家庭網(wǎng)關(guān)；監(jiān)控電路是真正監(jiān)控家庭設(shè)備的功能實(shí)現(xiàn)體，其作用就是根據(jù)命令實(shí)施具體控制或者為用戶提取設(shè)備狀態(tài)；家庭設(shè)備包含家電設(shè)備（燈、空調(diào)等）、機(jī)械設(shè)備（水閥、機(jī)械按鈕等）和消防安防設(shè)備（如煙霧傳感、紅外人體感應(yīng)等）。

下面的示例節(jié)點(diǎn)可以簡單地說明設(shè)備節(jié)點(diǎn)的硬件組成及工作原理。

圖2 設(shè)備節(jié)點(diǎn)組成

圖3為照明控制節(jié)點(diǎn)原理圖。照明控制節(jié)點(diǎn)的無線控制模塊為nRF24LE1；控制電路由繼電器HRS4H-SDC 5 V、三極管C8050和電阻R組成；家庭設(shè)備為一盞照明用燈。nRF24LE1內(nèi)部集成單片機(jī)的P0.0引腳向控制電路輸出0或1的控制信號，進(jìn)而控制照明燈供電線路的通斷。

圖3 照明控制節(jié)點(diǎn)原理圖

圖3中的nRF24LE1代表完整的nRF24LE1應(yīng)用電路，包含了芯片外圍器件及線路。

2.2 無線模塊組網(wǎng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中所采用的無線模塊nRF24LE1內(nèi)置了點(diǎn)對點(diǎn)無線通信協(xié)議控制和CRC糾錯(cuò)硬件電路，數(shù)據(jù)編解碼和CRC產(chǎn)生及校驗(yàn)均由硬件完成。

但nRF24LE1不像ZigBee那樣有著成熟的組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。雖然Nordic為無線桌面及其他應(yīng)用設(shè)計(jì)推出了一套完整的無線通信協(xié)議——Gazell協(xié)議，但其所能承受的網(wǎng)絡(luò)最多為1個(gè)主機(jī)和6個(gè)外設(shè)，且主機(jī)只有收到外設(shè)數(shù)據(jù)包后才能發(fā)送數(shù)據(jù)到外設(shè)。其他研究機(jī)構(gòu)也有發(fā)表相關(guān)通信協(xié)議的論文，但他們所述的協(xié)議一般適用于數(shù)據(jù)量大、需要連續(xù)傳輸時(shí)的情況[3]。而此系統(tǒng)通信的特點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)多、數(shù)據(jù)量小。

所以，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)適用于此系統(tǒng)的簡單組網(wǎng)協(xié)議。鑒于此無線模塊所具有的一些通信協(xié)議功能，系統(tǒng)組網(wǎng)協(xié)議主要從沖突避免的角度來考慮。設(shè)備節(jié)點(diǎn)的上傳數(shù)據(jù)流程如圖4所示。

無線模塊的常態(tài)為接收模式，在此狀態(tài)下無線模塊不會(huì)對無線網(wǎng)絡(luò)造成影響。而當(dāng)節(jié)點(diǎn)要上傳數(shù)據(jù)時(shí)，無線模塊一定要避免與其他節(jié)點(diǎn)發(fā)生碰撞。所以要采取發(fā)送權(quán)申請的方式來上傳數(shù)據(jù)。

為避免網(wǎng)絡(luò)沖突，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)中定義一個(gè)net_stat。子節(jié)點(diǎn)的net_stat等于2時(shí)可以向協(xié)調(diào)器申請發(fā)送數(shù)據(jù)，等于1時(shí)說明申請到發(fā)送權(quán)，等于0時(shí)不可以申請發(fā)送；協(xié)調(diào)器的net_stat等于1時(shí)可以發(fā)送數(shù)據(jù)，等于0說明子節(jié)點(diǎn)已經(jīng)申請到數(shù)據(jù)發(fā)送權(quán)，要等到子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢（收到結(jié)尾符），net_stat才會(huì)置1。

圖4 子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)上傳流程圖

3 家庭網(wǎng)關(guān)

如前所述，智能家庭網(wǎng)關(guān)是整個(gè)系統(tǒng)的中樞，擔(dān)負(fù)著網(wǎng)關(guān)和配置記錄的功能。

以三星公司的S3C2440處理器配合Linux2.6內(nèi)核作為家庭網(wǎng)關(guān)平臺，其硬件組成如圖5所示[4-5]。

圖5 智能家庭網(wǎng)關(guān)

微處理器S3C2440為用戶提供了低價(jià)格、低功耗、高性能的小型微控制器解決方案。通過提供一套完整的通用系統(tǒng)外設(shè)，S3C2440減少了整體系統(tǒng)成本，無需配置額外的組件[6]。

處理器上所運(yùn)行的Linux系統(tǒng)支持多用戶、多任務(wù)，具有良好的用戶界面和豐富的網(wǎng)絡(luò)功能，能夠可靠、穩(wěn)定、安全地運(yùn)行[7]。

家庭網(wǎng)關(guān)中的協(xié)調(diào)器與設(shè)備節(jié)點(diǎn)中的無線模塊同樣也是nRF24LE1。它一方面通過無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)設(shè)備節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行與通信，另一方面還通過串口與網(wǎng)關(guān)處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

USB無線網(wǎng)卡和GPRS模塊為兩種外界通信路徑。無線網(wǎng)卡避免了網(wǎng)線對家庭環(huán)境的破壞；GPRS為用戶提供了另外一種不依賴于因特網(wǎng)的監(jiān)控方式，使得用戶在任何移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)普及的場所（當(dāng)下移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)幾乎已經(jīng)遍布每個(gè)角落）都能實(shí)現(xiàn)家庭監(jiān)控。

網(wǎng)關(guān)程序的流程如圖6所示。初始化包括串口初始化、網(wǎng)絡(luò)初始化和GPRS初始化。初始化完成后，網(wǎng)關(guān)服務(wù)器就會(huì)進(jìn)入等待用戶連接請求的循環(huán)中。

網(wǎng)關(guān)會(huì)為每個(gè)登錄用戶創(chuàng)建一個(gè)處理線程。因此，此網(wǎng)關(guān)支持多用戶同時(shí)操作。

圖6 網(wǎng)關(guān)主流程圖

4 監(jiān)控終端

本系統(tǒng)采用一部Android手機(jī)作為監(jiān)控終端。在Windows系統(tǒng)搭建Android開發(fā)環(huán)境的步驟為：安裝JAVA JDK，解壓Eclipse，解壓Android SDK，在Eclipse下安裝ADT，設(shè)置Android SDK路徑。

用戶要監(jiān)控家庭設(shè)備，就必須與家庭網(wǎng)關(guān)建立連接。網(wǎng)關(guān)登錄界面如圖7所示。

圖7 監(jiān)控終端登錄界面

界面輸入信息中除了網(wǎng)關(guān)的IP和port，還有用于驗(yàn)證用戶信息的用戶名和密碼。這樣可以有效提高系統(tǒng)的安全等級。

網(wǎng)關(guān)登錄分為網(wǎng)絡(luò)登錄和短信登錄。在有WIFI信號時(shí)，可以直接用網(wǎng)絡(luò)登錄。但是在一些沒有無線網(wǎng)絡(luò)可用的場合，用戶就只能通過短信的方式登錄網(wǎng)關(guān)。在短信登錄時(shí)，用戶只需輸入正確的用戶名和密碼即可。

當(dāng)用戶成功登錄到家庭網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)就會(huì)為用戶建立服務(wù)線程。此時(shí)，用戶可以在監(jiān)控界面對家庭設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。

為了方便用戶操作，將控制、監(jiān)測、場景和設(shè)置分為4個(gè)界面，并將其放在一個(gè)TabHost中，如圖8所示。

圖8 TabHost界面

本系統(tǒng)中，用戶可以在控制界面單獨(dú)控制每個(gè)家電，可以在監(jiān)測界面采集家庭溫濕度、獲取家庭煙霧和人體感應(yīng)的報(bào)警信息。

場景界面是根據(jù)用戶的點(diǎn)擊進(jìn)入相應(yīng)場景模式，并控制相應(yīng)家庭設(shè)備進(jìn)入這一種場景進(jìn)行協(xié)調(diào)運(yùn)作。

設(shè)置界面是設(shè)定每一種場景模式可監(jiān)控哪些家電設(shè)備，在界面上可對每一種設(shè)備添加或刪除。這種添加或刪除通過修改網(wǎng)關(guān)的配置文件來實(shí)現(xiàn)。

5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)與結(jié)論

本系統(tǒng)共實(shí)現(xiàn)7個(gè)節(jié)點(diǎn)：燈（3盞）、窗簾、空調(diào)、投影儀、煙霧報(bào)警、溫濕度傳感、紅外人體感應(yīng)；共設(shè)計(jì)6種模式：起床、上班、下班、晚餐、影院和睡眠。

在每一種模式下，對應(yīng)不同的電器協(xié)調(diào)運(yùn)作方式。如起床模式：1號燈打開，窗簾打開，安防系統(tǒng)撤防。當(dāng)某一模式不符合用戶需求時(shí)，用戶可以根據(jù)自身要求來修改模式內(nèi)容。而進(jìn)入場景模式是通過簡單的Android手機(jī)界面按鍵觸發(fā)。所以，本文中的基于場景模式的智能家居系統(tǒng)，不但具有了一般智能家居系統(tǒng)的智能化監(jiān)控功能，還更加符合人性化需求。

[1]葉國偉.智能家居市場現(xiàn)狀與趨勢[J].中國建設(shè)信息，2012(9)：54-55.

[2]廈門萬安智能股份有限公司.具有環(huán)境適應(yīng)情景模式的智能家居集控裝置：中國，201110425089.2[P].2011.12.19.

[3]譚暉.nRF無線SOC單片機(jī)原理與高級應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[4]蔣增文.一種基于nRF24xx的混合無線通信協(xié)議[J].通信技術(shù)，2010，10（43）：78-80.

[5]Samsung.S3C2440 user’s manual[S].2004.

[6]劉海亮，曹家年，郭逢麗.嵌入式智能家居安防系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].應(yīng)用科技，2011，38(2)：61-66.

[7]蔡俊宇.基于Linux的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2010.