一．研究背景與意義

隨著智能電網(wǎng)理念的提出，基于家庭智能交互終端的電能計(jì)量和營(yíng)銷(xiāo)方案已逐步形成，這意味著家居控制將邁向智能化。智能家居是近幾年產(chǎn)生并迅速崛起的一種新型家居住宅，家居的智能化為住戶(hù)提供了一種更加安全、舒適、方便、快捷和開(kāi)放的智能化、信息化的生活空間，極大的方便了用戶(hù)。因此，組建一套以家庭交互終端為核心的家居控制系統(tǒng)，對(duì)智能電網(wǎng)的改造和實(shí)施有重大的意義。

但目前的家居智能化系統(tǒng)存在一個(gè)很大的局限，即只是實(shí)現(xiàn)了局部的智能化。而真正意義上的家居智能化則應(yīng)該是擁有一個(gè)集中的終端控制系統(tǒng)，通過(guò)該終端對(duì)家居的所有設(shè)備進(jìn)行智能化的控制和監(jiān)控，這也將是智能家居系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展方向。

本設(shè)計(jì)以MIPS公司的32位處理器為核心來(lái)組建智能顯示終端，并以具備無(wú)線通訊的智能插座為被控節(jié)點(diǎn)，搭建了一套簡(jiǎn)易的智能家居控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可通過(guò)遠(yuǎn)程（手機(jī)短信），和本地（智能顯示終端）兩種方式進(jìn)行控制。下面將對(duì)本系統(tǒng)的構(gòu)成和實(shí)現(xiàn)方案，以及各模塊中涉及的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行分析。

二．系統(tǒng)的構(gòu)成與工作原理

1 系統(tǒng)構(gòu)成與原理

本系統(tǒng)由手機(jī)，智能顯示終端，智能插座構(gòu)成。手機(jī)與智能顯示終端之間通過(guò)GSM模塊進(jìn)行通訊，智能顯示終端和智能插座之間采用Zigbee進(jìn)行通訊。

智能插座作為基本的控制單元，能夠?qū)崟r(shí)采集每個(gè)房間的用電信息，并將信息實(shí)時(shí)傳送到智能顯示終端。當(dāng)發(fā)現(xiàn)用電異常時(shí)，智能插座自動(dòng)斷電并將執(zhí)行結(jié)果發(fā)送到智能顯示終端。智能顯示終端也將這一結(jié)果發(fā)送到用戶(hù)手機(jī)。

手機(jī)實(shí)現(xiàn)用戶(hù)的遠(yuǎn)程控制和信息接收。用戶(hù)外出時(shí)，通過(guò)手機(jī)發(fā)送的指令（如預(yù)啟動(dòng)，預(yù)關(guān)閉，限時(shí)供電等）將被智能終端接收并下發(fā)到智能插座。另外，智能插座的所有執(zhí)行動(dòng)作都將通過(guò)智能顯示終端發(fā)送到手機(jī)。

智能顯示終端既能夠接收手機(jī)發(fā)送的指令，也能夠接收智能插座發(fā)送的數(shù)據(jù)。智能顯示終端接受智能插座上傳的數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)將被存儲(chǔ)下來(lái)。當(dāng)用戶(hù)啟動(dòng)查詢(xún)功能時(shí)，智能顯示終端將調(diào)用這些數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析計(jì)算，將各種類(lèi)型的用電信息顯示出來(lái)。

2 功能簡(jiǎn)介

1 實(shí)時(shí)用電監(jiān)控

2 用電器的預(yù)啟動(dòng)和預(yù)關(guān)閉

3 限時(shí)供電

4 限功率供電

5 溫度監(jiān)控

6 故障報(bào)警

7 短信遠(yuǎn)程操控

8 本地觸摸屏操控

9 各種類(lèi)型的查詢(xún)功能。包括月用電，日用電，時(shí)段用電，任意時(shí)段累計(jì)用電，以及任一單個(gè)用電器的用電情況。

10 人性化的觸摸屏操作和語(yǔ)音輸出

三．項(xiàng)目技術(shù)方案

1 系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)設(shè)備主要由三部分組成：手機(jī)，智能顯示終端，智能插座。如圖1.1所示。

圖1.1 系統(tǒng)示意圖

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)設(shè)備主要由三部分組成：手機(jī)，智能顯示終端，智能插座。

根據(jù)戶(hù)主的是否在家，設(shè)計(jì)了兩種方式進(jìn)行控制。

1 手機(jī)短信。這種方式主要針對(duì)戶(hù)主出差在外的情況而設(shè)計(jì)，便于遠(yuǎn)程操控。手機(jī)可向智能顯示終端下發(fā)命令，智能顯示終端接收到命令后，對(duì)命令進(jìn)行解碼并向各個(gè)智能插座下發(fā)命令。智能插座接收到控制命令后，執(zhí)行對(duì)應(yīng)操作，并將執(zhí)行結(jié)果反饋至智能顯示終端，智能顯示終端再將接收到的信息發(fā)送給手機(jī)。

2 本地觸摸屏。這種方式針對(duì)戶(hù)主居家的情況而設(shè)計(jì)。戶(hù)主可直接在觸摸屏上完成相應(yīng)操作，根據(jù)界面提示，進(jìn)行操控。

其中智能顯示終端和手機(jī)通過(guò)GSM模塊進(jìn)行通訊，智能顯示終端和智能插座之間通過(guò)Zigbee進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

系統(tǒng)框圖如圖1.2所示：

圖1.2 系統(tǒng)總體框圖

1.2 功能描述

1通過(guò)該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的實(shí)時(shí)監(jiān)控，定時(shí)啟動(dòng)，限功率供電等重要功能，輕松對(duì)各個(gè)房間的用電設(shè)備進(jìn)行管理。

2 通過(guò)智能插座和在智能顯示終端的無(wú)線通信，用戶(hù)可以查看家中每個(gè)用電設(shè)備的詳細(xì)用電信息。用戶(hù)可以對(duì)每個(gè)設(shè)備的每月，每天，甚至某個(gè)時(shí)段的用電量進(jìn)行查詢(xún)。

3本地遠(yuǎn)程操作。即便是出差在外也能對(duì)家中的用電情況了如指掌。各部分實(shí)現(xiàn)的功能如圖1.3所示：

圖1.3 系統(tǒng)功能框圖

2 關(guān)鍵模塊分析

本設(shè)計(jì)擬采用Digilent Cerebot? 32MX4開(kāi)發(fā)板的32位控制芯片。Cerebot 32MX4的主要特點(diǎn)是具有一個(gè)全新Microchip? PIC32?微控制器。PIC32可提供工作頻率80MHz的32位MIPS處理器內(nèi)核、512KB的編程FLASH、32KB的RAM內(nèi)存以及眾多的外圍設(shè)備，包括USB控制器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口控制器、A/D轉(zhuǎn)換器以及更多的設(shè)備。

該板具有大量的I/O接口可以滿(mǎn)足本系統(tǒng)的需求，另外USB電源，以及與Microchip MPLAB開(kāi)發(fā)軟件相兼容的內(nèi)置編程使得調(diào)試電路非常方便。

本系統(tǒng)中RTCC和AD電路采用單片機(jī)內(nèi)置的模塊，無(wú)需單獨(dú)設(shè)計(jì)，下面就其他模塊的軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

2.1 GSM模塊分析

2.1.1 硬件設(shè)計(jì)

GSM的短信息業(yè)務(wù)SMS利用信令信道傳輸，提供了一種有保證的雙向服務(wù)，這是GSM通信網(wǎng)所特有的。它不用撥號(hào)建立連接，把要發(fā)的信息加上目的地址發(fā)送到短消息服務(wù)中心，經(jīng)服務(wù)中心完成存儲(chǔ)后再發(fā)送給最終的信宿。所以即使當(dāng)目的GSM終端沒(méi)開(kāi)機(jī)時(shí)信息也不會(huì)丟失。發(fā)送方發(fā)出一條短消息后，得到一條傳遞成功或失敗的消息，以及不可到達(dá)的原因。每個(gè)短消息的信息量限制為140字節(jié)。

目前GSM芯片和GSM收發(fā)模塊的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，市場(chǎng)上也已經(jīng)有現(xiàn)成的模塊可供選用。這些芯片和模塊一般都具備GSM無(wú)線通信的全部功能，提供標(biāo)準(zhǔn)的RS一232接口，支持GSM07.05所定義的AT命令集的指令，很容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成，二次開(kāi)發(fā)也比較方便，本設(shè)計(jì)選擇了一款性?xún)r(jià)比較高的西門(mén)子MC39i無(wú)線收發(fā)模塊。

MC39i是西門(mén)子的新一代雙頻GSM/GPRS無(wú)線模塊，是目前使用廣泛的MC39i模塊的環(huán)保型升級(jí)換代產(chǎn)品。它采用緊湊型設(shè)計(jì)，為用戶(hù)提供了簡(jiǎn)單、內(nèi)嵌式的無(wú)線連接。MC39i有豐富的AT命令，功能強(qiáng)大，操作靈活方便，是傳統(tǒng)調(diào)制解調(diào)器與GSM無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)相結(jié)合的一種數(shù)據(jù)終端設(shè)備。該模塊集射頻電路和基帶于一體，向用戶(hù)提供標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，為傳輸數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、短消息、和傳真提供快速、可靠、安全的傳輸，方便用戶(hù)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)及設(shè)計(jì)。

主要性能：

支持EGSM900/GSM1800雙頻；

適用于GSM2/2+；

輸出功率：功率級(jí)4（2W），EGSM900；功率級(jí)1（IW），GSM1800；

數(shù)據(jù)傳輸GPRS模式；

最大下行傳輸速率85.6kbps；

最大上行傳輸速率42.8kbps；

標(biāo)準(zhǔn)RS232雙向接口；

AT命令控制；

電源電壓為單一電壓3.3～4.8V；

電流消耗：3.0 mA（睡眠）、10.0 mA（閑置）

MC39i模塊內(nèi)部框圖如圖2.1所示，從功能上看主要由四部分組成：GSM基帶處理器、GSM射頻部分、電源、存儲(chǔ)器。GSM基帶處理器是整個(gè)模塊的核心，它由一個(gè)C166CPU和一個(gè)DSP處理器內(nèi)核控制著模塊內(nèi)各種信號(hào)的傳輸、轉(zhuǎn)換、放大等處理過(guò)程。GSM射頻部分是一個(gè)單片收發(fā)器，它由一個(gè)外差式接收器、上變頻調(diào)制環(huán)路發(fā)送器、一個(gè)射頻鎖相環(huán)路和一個(gè)全集成中頻合成器4個(gè)功能塊組成，共同完成對(duì)射頻信號(hào)的接收和發(fā)送等處理。

圖2.1 Mc39i結(jié)構(gòu)框圖

該模塊主要硬件設(shè)計(jì)包括下面兩部分。

1 用戶(hù)識(shí)別卡（SIM卡）。

Mc39i的基帶處理器集成了一個(gè)與ISO 7816-3 IC Card標(biāo)準(zhǔn)兼容的SIM接口。為了適合外部的SIM接口，該接口通過(guò)ZIF連接器連接到Mc39i的第24～29引腳。Mc39i在ZIF連接器上為SIM卡接口預(yù)留了6個(gè)引腳，所添加的CCIN引腳用來(lái)檢測(cè)SIM卡支架中是否插有SIM卡。當(dāng)插入SIM卡，該引腳置為高電平，系統(tǒng)方可進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

2 SYNC信號(hào)及電路設(shè)計(jì)。

在本電路設(shè)計(jì)中利用SYNC信號(hào)來(lái)控制一個(gè)狀態(tài)燈以檢測(cè)MC39i模塊當(dāng)前處于何種狀態(tài)。由于MC39i模塊SYNC引腳輸出的驅(qū)動(dòng)能力不夠，所以設(shè)計(jì)采用一個(gè)三極管對(duì)輸入電流進(jìn)行放大以提高驅(qū)動(dòng)能力。

部分硬件設(shè)計(jì)圖如下：

圖2.2 SYNC信號(hào)原理圖

圖2.3 SIM卡接口

圖2.4 GSM部分硬件框圖

2.1.2 軟件設(shè)計(jì)

SMS短消息采用AT命令的PDU ModePDU模式是發(fā)送或接收手機(jī)SMS信息的一種方法，PDU串表面上是一串ASCII碼，由‘0’～‘9’、‘A’～‘F’這些數(shù)字和字母組成。它們是8位字節(jié)的十六進(jìn)制數(shù)，或者BCD碼十進(jìn)制數(shù)。PDU串不僅包含可顯示的消息本身，還包含很多其它信息，如SMS服務(wù)中心號(hào)碼、目標(biāo)號(hào)碼、回復(fù)號(hào)碼、編碼方式和服務(wù)時(shí)間等。短信息正文經(jīng)過(guò)十六進(jìn)制編碼后被傳送出去。

PDU相當(dāng)于一個(gè)數(shù)據(jù)包，它由構(gòu)成消息（SMS）的信息組成。作為一種數(shù)據(jù)單一元，它必須包含源／目的地址、保護(hù)（有效）時(shí)間、數(shù)據(jù)格式、協(xié)議類(lèi)型和正文，正文長(zhǎng)度可達(dá)140字節(jié)，它們都以十六進(jìn)制表示。PDU結(jié)構(gòu)根據(jù)短消息由移動(dòng)終端發(fā)起或以移動(dòng)終端為目的而不同。

1 移動(dòng)終端發(fā)起時(shí)，PDU的格式為：

SMSC PDU類(lèi)型脈DA PID DCS VP UDL UD（0~1400cted）

2 移動(dòng)終端為目的時(shí)，PDU的格式為：

SMSC PDU類(lèi)型OA PID DCS SCTS UDL LID（0~400cted）

其中，SMSC為短消息業(yè)務(wù)中心地址，DA／OA為源／目的地址，PID為協(xié)議識(shí)別，DCS為數(shù)據(jù)編碼，UDL為用戶(hù)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，UD為用戶(hù)數(shù)據(jù)，VP為有效時(shí)間，LID指明是發(fā)出信息，SCTS指明短消息到達(dá)業(yè)務(wù)中心的時(shí)間。

本系統(tǒng)中發(fā)送的短消息包含中文漢字和數(shù)字，所以選擇PDU串的用戶(hù)信息編碼方式TP-DCS是08，表示UCS2編碼方式，UCS2編碼是將每個(gè)字符（1-2個(gè)字節(jié)）按照ISO／IECl0646的規(guī)定，轉(zhuǎn)變?yōu)?6位的Unicode寬字符。但在GSM標(biāo)準(zhǔn)中，中文編碼采用UTF一8的編碼方式，不是目前國(guó)內(nèi)常用的GB一2312編碼，故還需要進(jìn)行中文編碼的轉(zhuǎn)換，才能與采用GB-2313漢字庫(kù)相配合顯示漢字字型。由于UTF-8和GB-2312編碼之間不存在一一對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系，因此只能采用查表的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

在消息發(fā)送前，要將消息中ASCII字符及漢字統(tǒng)一編碼成UCS2碼，以PDU數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送。接收到的數(shù)據(jù)是以7b的編碼形式存儲(chǔ)在Mc39i模塊或SIM卡內(nèi)，在數(shù)據(jù)讀取時(shí)直接從Mc39i模塊中得到符合GSM規(guī)范的數(shù)據(jù)，需經(jīng)過(guò)提取得到7b編碼的有用數(shù)據(jù)。然而，這些7b編碼數(shù)據(jù)是以ASCII字符的形式存在的，要轉(zhuǎn)換成8位的十六進(jìn)制形式的7b編碼，再解碼成可用的ASCII碼數(shù)據(jù)，這樣得到GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送來(lái)的原始數(shù)據(jù)，如圖2.5所示。

圖2.5 SMS數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程

MC39i開(kāi)機(jī)后首先選擇端口，然后檢查SIM是否插入，成功檢測(cè)到SIM卡后即可啟動(dòng)串口發(fā)送，并點(diǎn)亮狀態(tài)燈。接著設(shè)置短消息中心，并進(jìn)行連接測(cè)試，連接成功后發(fā)送開(kāi)機(jī)成功短信到主控器。如果以上步驟沒(méi)有執(zhí)行成功，則轉(zhuǎn)向出錯(cuò)處理。Mc39i模塊工作流程圖如圖2.6所示。

圖2.6 Mc39i工作流程圖

2.2 Zigbee通訊模塊分析

Zigbee是一種低速短距離無(wú)線通信技術(shù)，是一種拓展性強(qiáng)、易布建的低成本無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，低耗電、雙向傳輸，適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備，如今已被廣泛應(yīng)用于家庭自動(dòng)化領(lǐng)域。

Zigbee技術(shù)有以下特點(diǎn)：

n 省電。由于工作周期很短、收發(fā)信息功耗較低，并且采用了休眠模式。

n 時(shí)延短。設(shè)備搜索時(shí)延典型值為30 ms，休眠激活時(shí)延典型值15 ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15 ms。

n 節(jié)點(diǎn)通信設(shè)置易于配置。

n 近距離。傳輸范圍一般介于10～100 m 之間。

n 網(wǎng)絡(luò)容量大。Zigbee可以采用星形、網(wǎng)狀、串狀結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，而且可以通過(guò)任一節(jié)點(diǎn)連接組成更大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

n 安全。Zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES128，同時(shí)各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。

n 全球通用性和完好的開(kāi)放性。Zigbee標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，使Zigbee設(shè)備間的通信成為輕而易舉的事情。

本系統(tǒng)中智能插座和智能終端需要進(jìn)行無(wú)線通訊，雙向傳輸命令或數(shù)據(jù)，進(jìn)而控制家電，而Zigbee這種低功耗，低成本的無(wú)線方式，符合家居系統(tǒng)節(jié)能理念。Zigbee的數(shù)據(jù)的傳輸量不大，而我們的指令數(shù)據(jù)也是簡(jiǎn)短的數(shù)據(jù)包，足以滿(mǎn)足需求。另外，Zigbee安全，開(kāi)放的協(xié)議方式使得在此基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)備擴(kuò)充變得簡(jiǎn)單易行，這也為智能家居的多元化的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

2.2.1 硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)（智能插座）決定檢測(cè)區(qū)域的范圍，各終端節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的用電數(shù)據(jù)通過(guò)自組織的多跳路網(wǎng)絡(luò)傳送至智能顯示終端進(jìn)行處理。從短信平臺(tái)或觸摸屏發(fā)送的命令通過(guò)智能顯示終端的分析解碼，在由此廣播傳送至每個(gè)智能插座。

1、芯片選型

本方案采用CC2430為核心構(gòu)造數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，只需要在CC2430芯片外接少量晶振、電容、電阻等無(wú)源器件，不僅能夠滿(mǎn)足整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、無(wú)線通信等功能的需求，而且具有功耗低，電路簡(jiǎn)單，節(jié)點(diǎn)體積小以及成本低廉等優(yōu)勢(shì)。

2、組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

Zigbee網(wǎng)絡(luò)支持星狀，樹(shù)狀和網(wǎng)狀三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

星狀網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器和多個(gè)終端設(shè)備組成，只存在ZigBee協(xié)調(diào)器與終端設(shè)備之問(wèn)的通訊，終端設(shè)備間不能直接通信，都需要通過(guò)ZigBee協(xié)調(diào)器的轉(zhuǎn)發(fā)；樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器和多個(gè)星狀結(jié)構(gòu)連接而成，靈活度高于星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)最為完善，任何網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)均可互聯(lián)，通訊量也最大，但是會(huì)造成存儲(chǔ)空間開(kāi)銷(xiāo)過(guò)大。

考慮到本系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)量不多，網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度不高，因此擬采用較為經(jīng)濟(jì)適用的星狀結(jié)構(gòu)。

本系統(tǒng)中智能顯示終端為協(xié)調(diào)器（即主節(jié)點(diǎn)），智能插座為設(shè)備終端（即子節(jié)點(diǎn)）。硬件框圖如圖2.7所示：

圖2.7節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)框圖