基于GSM短信的智能家居控制系統(tǒng)研究

1 引言

　　目前人們的家居生活中應(yīng)用了大量的日用電器，但是這些日用電器都要人們?nèi)ブ苯硬倏?，雖然可以用一些定時(shí)操控，但是功能有限，靈活性很差。而作為移動(dòng)終端的手機(jī)在不斷的普及，開發(fā)它的擴(kuò)展應(yīng)用將是有廣大的配備基礎(chǔ)和廣闊的市場(chǎng)前景的，可以利用手機(jī)終端依托公眾信息網(wǎng)，控制家電，并查詢家中狀況。本文討論的是將信息處理的技術(shù)與對(duì)設(shè)備的操控結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字家居的一種嘗試，使人們能享受到信息革命給生活帶來(lái)的便利。本文創(chuàng)新點(diǎn)在于用ZigBee技術(shù)進(jìn)行家庭組網(wǎng)結(jié)合DSP技術(shù)與短信方式來(lái)完成遠(yuǎn)程設(shè)備與用戶之間的通信。這樣網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，實(shí)現(xiàn)控制與監(jiān)測(cè)時(shí)具有不需撥號(hào)、價(jià)格便宜、覆蓋范圍廣等優(yōu)勢(shì)，而且不必重新布電網(wǎng)，可以節(jié)約財(cái)力、物力和人力穩(wěn)定可靠，易于實(shí)現(xiàn)。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　智能家居系統(tǒng)具有對(duì)家庭中的各種設(shè)備遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程查詢、集中管理功能，為用戶提供更為舒適，方便的生活方式。本設(shè)計(jì)主要針對(duì)的是家電控制。ZigBee通信子節(jié)點(diǎn)需具備脈沖量數(shù)據(jù)采集、開關(guān)量數(shù)據(jù)采集、模擬量數(shù)據(jù)采集、繼電器觸點(diǎn)輸出等功能，而主節(jié)點(diǎn)實(shí)際上是一個(gè)功能齊全的FFD設(shè)備，對(duì)家庭子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的管理，并與家居服務(wù)器通信，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器和子節(jié)點(diǎn)的信息交互本設(shè)計(jì)中家庭內(nèi)部節(jié)點(diǎn)主要由射頻芯片CC2430和TMS320VC5402芯片組成，CC2430是符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)（MAC、和PHY層）的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊。TMS320VC5402芯片用來(lái)控制CC2430ZigBee模塊的運(yùn)行，并且與GSM模塊通過(guò)MAX3111進(jìn)行連接，用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的通訊。我們將ZigBee的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和GSM模塊集成在一塊板子。節(jié)點(diǎn)在空閑時(shí)間處于睡眠狀態(tài)，當(dāng)用戶有控制信號(hào)或者數(shù)據(jù)采集要求時(shí)采用中斷將節(jié)點(diǎn)喚醒，完成數(shù)據(jù)采集或控制任務(wù)，并上報(bào)相關(guān)信息。

　　系統(tǒng)構(gòu)成圖如下所示：

　　主控中心模塊它承擔(dān)著短信的接收，命令的判斷，執(zhí)行命令的發(fā)出或直接驅(qū)動(dòng)，并將機(jī)器的工作狀態(tài)用短信發(fā)給移動(dòng)終端。

　　這種工作可以選用低價(jià)普通的C51單片機(jī)。但考慮要在以后擴(kuò)展基于圖像的彩信反饋的應(yīng)用，所以在本設(shè)計(jì)中控制器的處理機(jī)選用了TMS320VC5402芯片。DSP主控模塊采用了TMS320VC5402EVM評(píng)估板及仿真器。TMS320VC5402EVM提供了2個(gè)BCMSP的直聯(lián)接線口J6,J7和PHI的驅(qū)動(dòng)口J2及J5與仿真器的接口連接。該板有512KRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，64KRAM作為程序儲(chǔ)存。4KFLASH存儲(chǔ)器，可用于存儲(chǔ)需保留的數(shù)據(jù)。

　　TMS320VC5402要與GSM模塊相連就要擴(kuò)展RS232接口，TMS320VC5402只提供了2個(gè)多通道帶緩沖同步串行口MCBSP0,MCBSP1。如果實(shí)現(xiàn)對(duì)接，就要對(duì)MCBSP串口進(jìn)行轉(zhuǎn)換。我們這里使用的是MAX3111芯片。MAX3111芯片具有尺寸小，價(jià)格低，功耗少，通信速率高等特點(diǎn)。用MAX3111芯片實(shí)現(xiàn)同步串行數(shù)據(jù)接口到異步串行口（RS-232）的轉(zhuǎn)換?？膳cH6221的RS232口相連。MAX3111包括UART和RS-232兩個(gè)部分，其中UART部分包括兼容SPI的串行口，可編程波特率發(fā)生器，發(fā)送緩沖器及發(fā)送移位寄存器，接收緩沖器，接收移位寄存器，8字節(jié)接收FIFO,以及有四種可屏蔽中斷源的中斷產(chǎn)生器。而RS232部分包括自帶電容的電泵。

　　由于MAX3111是3.3V器件，TMS320VC5402的MCBSP串行接口工作SPI模式時(shí)可直接與MAX3111連接實(shí)現(xiàn)與RS232設(shè)備異步數(shù)據(jù)傳輸。此時(shí)TMS320VC5402作為SQI協(xié)議中的主設(shè)備，發(fā)送時(shí)解信號(hào)（BCLKX）作為MAX3111的串行時(shí)解輸入，發(fā)送幀同步信號(hào)（BFSX）作為MAX3111的原選信號(hào)（TCS）。BDX與DIN連接作為發(fā)送數(shù)據(jù)線。BDR與DOUT作為接收數(shù)據(jù)線。

　　MAX3111的功能可通過(guò)BDX線向其發(fā)送16位的控制字配置命令來(lái)定制。MAX3111的TX與T1IN連接，RX與R1OUT連接以便利用其片內(nèi)的轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)UART到RS232電平轉(zhuǎn)換。

　　MAX3111串?dāng)嘈盘?hào)（IRQ）與DSP的外部中斷LNTO相連。這樣無(wú)需任何其它外圍器件。由于異步收發(fā)由MAX3111硬件實(shí)現(xiàn)，所以TMS320VC5402的軟件編程只需考慮與MAX3111之間的同步數(shù)據(jù)通信。

　　TMS320VC5402與CC2430的聯(lián)接是系統(tǒng)的執(zhí)行環(huán)節(jié)。由于CC2430是C51為核心的，所以TMS320VC5402與CC2403連接類似與C51單片機(jī)的連接，只是CC2430的電平為2—3.9伏。

　　而TMS320VC5402接口電平為3.3伏，正好能直接匹配，減少了電平轉(zhuǎn)換的麻煩。

　　執(zhí)行終端在接收到對(duì)本機(jī)的呼叫并確認(rèn)中心所下達(dá)的執(zhí)行命令時(shí)就驅(qū)動(dòng)相應(yīng)端口的輸出腳，如上圖中的P0.0驅(qū)動(dòng)三極管Q,帶動(dòng)繼電器J0,三個(gè)常開接點(diǎn)閉合，J0.1課帶動(dòng)負(fù)載，而J0.2由P1.0檢測(cè)，J0的狀態(tài)，可供查詢。用CC2430芯片組成ZigBee的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以在節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行，接力傳輸每個(gè)節(jié)點(diǎn)間距離可達(dá)70米，在節(jié)點(diǎn)間距離較密時(shí)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有自愈功能。這種網(wǎng)絡(luò)可支持較大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)可達(dá)6萬(wàn)多。在實(shí)現(xiàn)ZigBee的軟件方面要有ZigBee協(xié)議棧的支持，現(xiàn)在廠家以可以免費(fèi)支持，這使得基于利用CC3430無(wú)線單片機(jī)，ZigBee技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以得到普級(jí)。

　　本設(shè)計(jì)選用了星型組網(wǎng)方案。星型網(wǎng)絡(luò)以網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為中心，所有設(shè)備只能與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和主控模塊相互連接來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)都通過(guò)路由送往協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)可以設(shè)置成睡眠模式，在沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)候進(jìn)入休眠，以節(jié)省功耗，延長(zhǎng)使用壽命。根據(jù)ZigBee協(xié)議，每個(gè)ZigBee主設(shè)備可以連接多達(dá)254個(gè)從設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)最多可以同時(shí)存在100個(gè)獨(dú)立且相互重疊覆蓋ZigBee網(wǎng)絡(luò)。所以，網(wǎng)絡(luò)容量很大，能滿足大多數(shù)需求。網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸采用了碰撞避免機(jī)制和完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。而且網(wǎng)絡(luò)層和MAC層都有安全策略，且安全分級(jí)，各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。所以整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性都比較高。其工作流程為：

　　a.由用戶手機(jī)發(fā)送規(guī)定好的命令給GSM模塊，DSP主控模塊收到GSM發(fā)來(lái)的命令后，解釋該命令。解釋完命令后發(fā)給主控中心的ZigBee無(wú)線射頻模塊，由該模塊把命令發(fā)給相應(yīng)的分控終端設(shè)備，分控終端設(shè)備收到命令后做出相應(yīng)的動(dòng)作。

　　b.當(dāng)分控終端收到命令后會(huì)有兩種動(dòng)作：一種是做出相應(yīng)的動(dòng)作后向上層做出應(yīng)答，另一種是主控中心把收到分控終端的信息，通過(guò)GSM以短信形式發(fā)到用戶手機(jī)上。

　　到此己經(jīng)完成了用戶在遠(yuǎn)程對(duì)家庭內(nèi)部的電子設(shè)備的控制與監(jiān)測(cè)。

　　3 系統(tǒng)的調(diào)試

　　1.短信收發(fā)的調(diào)試：這個(gè)環(huán)節(jié)主要完成驗(yàn)證所選用的GSM調(diào)制解調(diào)器AT命令的兼容性?？稍赑C機(jī)上用超級(jí)中端來(lái)調(diào)試。

　　2.TMS320VC5402的同步串口MCBSP1與MAX3111的串行口的調(diào)試。要保證能正確接受到短信，調(diào)試過(guò)程要用TMS320VC5402仿真器。

　　3.TMS320VC5402的同步串口MCBSP0與CC2430的連接，這兩個(gè)芯片要分別用仿真器兩臺(tái)電腦調(diào)試才能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題出在那一邊。

　　4.調(diào)試ZigBee網(wǎng)絡(luò)，中心控制器的CC2430和被控端的CC2430分別用仿真器分段調(diào)試，調(diào)通ZigBee鏈路。

　　5.調(diào)試被控端CC2430的驅(qū)動(dòng)端口，能按要求驅(qū)動(dòng)繼電器。

　　6.逐級(jí)聯(lián)調(diào)，以中心控制器為中心按各個(gè)方向的協(xié)議調(diào)通。

　　7.調(diào)試中心控制器的控制和管理邏輯。

　　8.全系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測(cè)試。過(guò)程中用到一個(gè)TMS320VC5402仿真器和兩個(gè)CC2430仿真器。

　　4 結(jié)論及展望

　　本設(shè)計(jì)的主題是建立一個(gè)基于GSM短信息的家居智能化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭設(shè)備，家居環(huán)境狀況的控制與監(jiān)測(cè)。GSM短信息模塊執(zhí)行接收短信息給用戶手機(jī)及發(fā)送用戶手機(jī)的短信息，建立了用戶手機(jī)和DSP主控模塊的遠(yuǎn)程通信功能，系統(tǒng)通過(guò)ZigBee無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)子功能模塊與主控模塊之間的通訊。

　　本系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和創(chuàng)新主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

　　1.設(shè)計(jì)了基于新標(biāo)準(zhǔn)ZigBee的無(wú)線技術(shù)在智能家居行業(yè)的應(yīng)用方案，這在家居行業(yè)的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用方面的研究具有前沿性和實(shí)用性。

　　2.根據(jù)人們平時(shí)通信的習(xí)慣，設(shè)計(jì)基于GSM短信來(lái)遠(yuǎn)程控制家電的系統(tǒng)易于被人們所接收，并且在不需要很強(qiáng)實(shí)時(shí)性的家居控制中具有方便，快捷，高效率低運(yùn)行成本的優(yōu)勢(shì)。

　　3.系統(tǒng)采用DSPTMS320VC5402,不僅有很好的性價(jià)比也為以后系統(tǒng)升級(jí)擴(kuò)展留有余地。在今后可以利用基于GPRS的彩信服務(wù)或3G移動(dòng)通信，反饋信息可以向圖形、圖象的視頻信息方向發(fā)展。這時(shí)，中心控制器要有足夠的能力處理視頻，這時(shí)DSP就大有用武之地。

　　4.在設(shè)計(jì)中解決了DSPTMS320VC5402與GSM模塊相連接的接口問(wèn)題。

　　因此基于GSM短信的智能家居控制系統(tǒng)具有較好的社會(huì)發(fā)展前景。