基于ARM-Linux和GPRS技術(shù)的家庭智能控制終端設(shè)計(jì)

    摘  要：利用GPRS技術(shù)，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)的ARM－Linux平臺(tái)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種智能家居控制器。通過(guò)使用手機(jī)短信和互聯(lián)網(wǎng)等方式解決了用戶在異地對(duì)家庭智能系統(tǒng)的遠(yuǎn)程查詢，控制等問(wèn)題。同時(shí)采用RS485拓?fù)淇偩€結(jié)構(gòu)解決了家庭設(shè)備布線及控制問(wèn)題。硬件上介紹了系統(tǒng)構(gòu)成及接口的轉(zhuǎn)換和擴(kuò)展；軟件上則詳細(xì)闡述了GPRS的無(wú)線通訊在ARM－Linux下的實(shí)現(xiàn)和RS485總線協(xié)議設(shè)計(jì)的具體流程。為家庭智能系統(tǒng)實(shí)施無(wú)線遠(yuǎn)程控制提供了一種實(shí)際的可行方案。
關(guān)鍵詞：智能家居控制器； GPRS； ARM-Linux； RS485總線
1  引言
     隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，人們希望即使在工作或外出時(shí)也能通過(guò)某種方式及時(shí)了解和控制家中的情況，同時(shí)伴隨著數(shù)字化家庭的普及，實(shí)現(xiàn)智能家居的遠(yuǎn)程控制已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。家庭智能控制系統(tǒng)通過(guò)家庭總線技術(shù)，把家庭中各種家用電器、家庭保安裝置和各種計(jì)量設(shè)備連接到一起組成一個(gè)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，由家庭智能控制器進(jìn)行統(tǒng)一管理[1]。遠(yuǎn)程控制就是通過(guò)某種通訊方式將智能家庭控制器與外界相連，使人們能夠在本地或異地對(duì)家庭系統(tǒng)進(jìn)行集中的監(jiān)視、控制。本文中介紹的方案，結(jié)合了GPRS(General Packet Radio Service)技術(shù)永遠(yuǎn)在線，速度快，接入范圍廣，體積小，功耗低等優(yōu)點(diǎn)[2]，采用RS485工業(yè)總線，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于嵌入式系統(tǒng)的家庭智能控制器。用戶可以通過(guò)短信及互聯(lián)網(wǎng)等方式現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控，在手機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)相當(dāng)普及的今天，為用戶提供了更簡(jiǎn)單、方便的選擇。同時(shí)由于該控制器RS485接口的特殊設(shè)計(jì)，外掛節(jié)點(diǎn)可以由原來(lái)的32個(gè)擴(kuò)展到64個(gè)，解決了家用設(shè)備的布線組網(wǎng)以及控制等問(wèn)題。
2  系統(tǒng)設(shè)計(jì)
     從結(jié)構(gòu)上看主要分為用戶，控制器，和RS485總線的家用設(shè)備控制三個(gè)部分。用戶通過(guò)手機(jī)短信或網(wǎng)絡(luò)方式向控制器的GPRS模塊發(fā)送命令，而控制器也通過(guò)GPRS模塊向用戶反饋信息或發(fā)出報(bào)警通知。從而實(shí)現(xiàn)了用戶和控制器無(wú)線互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。
3  硬件設(shè)計(jì)
     硬件部分的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，經(jīng)過(guò)串口擴(kuò)展與GPRS模塊相連；通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片提供RS485總線接口與家用設(shè)備相連接；同時(shí)還提供LCD，鍵盤等交互接口。控制器的主控芯片采用三星S3C44B0，使用ARM7TDMI核,工作頻率在66MHz[1]。處理器外接 4MFlash（用于存儲(chǔ)控制器的啟動(dòng)代碼和系統(tǒng)代碼以及當(dāng)天事件的文本日志）分配到存儲(chǔ)器Bank0空間和4M×16的SDRAM，分配到存儲(chǔ)器的 Bank6空間。
 


    GPRS 模塊外圍電路：GPRS模塊采用西門子公司的MC35模塊，支持?jǐn)?shù)據(jù)、語(yǔ)音、短消息和傳真等多種通信方式可以通過(guò)AT命令對(duì)其實(shí)現(xiàn)控制。串行線通過(guò) MAX3238電平轉(zhuǎn)換后可直接和RS232串口相連。串口擴(kuò)展：44B0通過(guò)外接雙通道的通用異步收發(fā)器ST16C2550為GPRS modem撥號(hào)上網(wǎng)提供完整的9線串口。其主要特點(diǎn)是接收﹑發(fā)送各有16字節(jié)的FIFO(先入先出) 緩沖區(qū)，獨(dú)立的波特率產(chǎn)生器可提供50bps到4Mbps的收發(fā)時(shí)鐘。用戶可方便地通過(guò)芯片的狀態(tài)寄存器來(lái)進(jìn)行錯(cuò)誤定位和對(duì)操作狀態(tài)進(jìn)行判斷。該芯片內(nèi)存空間使用保留的存儲(chǔ)空間bank4。采用總線方式控制。RS485接口設(shè)計(jì)：采用TI公司的RS485接口芯片75L BC184，可實(shí)現(xiàn)了44B0串行口的TTL電平與RS485電平之間的轉(zhuǎn)換，該芯片的輸入阻抗為RS485標(biāo)準(zhǔn)輸入阻抗的2倍（≥24ＫΩ），故可以在總線上連接64個(gè)節(jié)點(diǎn)（相當(dāng)于原來(lái)的兩倍）。且它有一個(gè)獨(dú)特的設(shè)計(jì)，當(dāng)輸入端開(kāi)路時(shí)，其輸出為高電平，這樣可保證接收器輸入端電纜有開(kāi)路故障時(shí)，不影響系統(tǒng)的正常工作。
4 RS485總線協(xié)議設(shè)計(jì)
      用RS-485總線進(jìn)行系統(tǒng)通訊需要對(duì)其傳輸協(xié)議做規(guī)定，最重要的就是幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)幀的構(gòu)造包括：起始，地址，類型，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，數(shù)據(jù)，校驗(yàn)和及結(jié)束幀七個(gè)部分，除數(shù)據(jù)幀為N字節(jié)外（根據(jù)從機(jī)傳送的數(shù)據(jù)而定），其余均占1個(gè)字節(jié)。類型字定義如表1所示, 類型幀中的“SEN DDATA”幀為數(shù)據(jù)幀，用于存放從機(jī)設(shè)備的狀態(tài)信息，其它4種為指令幀，用于存放主機(jī)發(fā)送給從機(jī)的命令字[3]。

   主機(jī)發(fā)查詢請(qǐng)求 主機(jī)發(fā)讀請(qǐng)求 從機(jī)準(zhǔn)備好接收 從機(jī)處于忙碌 主/從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)
     本系統(tǒng)采用LRC幀校驗(yàn)的方法。LRC值由傳輸設(shè)備來(lái)計(jì)算并放到消息幀中，接收設(shè)備在接收消息的過(guò)程中計(jì)算LRC，并將它和接收到消息中LRC域中的值比較，如果兩值不等，說(shuō)明有傳輸錯(cuò)誤。除了幀結(jié)構(gòu)的定義以外，整個(gè)系統(tǒng)的通信還需要遵守下面的規(guī)則：(a)主機(jī)查詢方式：由主機(jī)輪詢各從機(jī)，并要求從機(jī)提交狀態(tài)信息，從機(jī)不能主動(dòng)發(fā)出請(qǐng)求。(b)當(dāng)主機(jī)發(fā)出“ASK”命令后，若從機(jī)反饋“BUSY”幀，則主機(jī)啟動(dòng)計(jì)時(shí)和計(jì)數(shù)，超時(shí)3次，則任務(wù)執(zhí)行失敗。(c)主機(jī)接收到從機(jī)發(fā)回的“READY”信號(hào)后，向從機(jī)發(fā)送“GETDATA”指令，進(jìn)入接收狀態(tài)，同時(shí)開(kāi)啟超時(shí)控制。若在規(guī)定時(shí)間未接收到從機(jī)發(fā)回的數(shù)據(jù)，則計(jì)數(shù)器加1，并繼續(xù)發(fā)出“GETDATA”信號(hào)。如果超時(shí)3次，則取消這次查詢。(d)從機(jī)等待主機(jī)發(fā)送指令，并根據(jù)具體指令作相應(yīng)操作。如果接受到的指令幀錯(cuò)誤，則會(huì)直接丟棄該幀。[!--empirenews.page--]
5 軟件設(shè)計(jì)
      軟件部分的設(shè)計(jì)主要是基于ARM－Linux，因?yàn)樵摬僮飨到y(tǒng)具有完整的 TCP/IP協(xié)議，同時(shí)還支持許多其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可以為GPRS modem連接互聯(lián)網(wǎng)提供完整的協(xié)議支持，并且該操作系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性可以滿足家庭智能控制器對(duì)系統(tǒng)可靠性的要求，另外Linux的源代碼開(kāi)放，可移植性強(qiáng)，為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的問(wèn)題提供了良好的技術(shù)支持。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是應(yīng)用程序的兩個(gè)部分： GPRS的無(wú)線數(shù)傳；RS485總線控制控制。
5.1  RS485總線控制
基于上一部分RS485的總線協(xié)議，主從控制主要分為：輪詢、查詢、控制三部分。（1）輪詢：主機(jī)定時(shí)對(duì)各從機(jī)進(jìn)行查詢，如果發(fā)現(xiàn)報(bào)警信息，保存后及時(shí)觸發(fā)報(bào)警并反饋給用戶。如果出現(xiàn)超時(shí)或幀錯(cuò)誤等狀態(tài)時(shí)主機(jī)放棄此次查詢，并將該事件存儲(chǔ)在主機(jī)中。（2）查詢：查詢的工作流程和輪詢大致相同，但是只對(duì)指定的從機(jī)和指定狀態(tài)進(jìn)行查詢。（3）控制：把控制指令發(fā)到指定從機(jī)，并要求從機(jī)反饋執(zhí)行結(jié)果。
5.2  GPRS的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸
5.2.1接收和發(fā)送SMS短信
（1）編碼轉(zhuǎn)換：要發(fā)送中文短信就需要使用PDU模式的16-bit編碼。在Linux系統(tǒng)中默認(rèn)用GB2312保存中文字符。發(fā)送短信前，要先進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)換，要將GB2312轉(zhuǎn)換為Unicode編碼，再將Unicode編碼轉(zhuǎn)換為 PDU 的16-bit 編碼。這里使用Linux中的iconv () 函數(shù)，該函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)Linux支持的任意的兩種編碼之間的轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)的方法：首先用iconv_open()，打開(kāi)一個(gè)轉(zhuǎn)換句柄，指定兩種轉(zhuǎn)換前的編碼和轉(zhuǎn)換后的編碼。然后用 icnov() 作轉(zhuǎn)換。最后用 iconv_close()關(guān)閉句柄，釋放資源。完成轉(zhuǎn)換后，即可以正確的發(fā)送。（2）發(fā)送：向MC35模塊發(fā)送一條AT指令，得到OK響應(yīng)，則表示控制器與GPRS模塊通訊正常，通過(guò)“AT+CSCA=“***”及AT+CSCA=0命令設(shè)置設(shè)置短信中心號(hào)碼及短信格式（PDU）。然后發(fā)送 AT+CMGS = "電話號(hào)碼"，得到提示符號(hào)“>”，此時(shí)可以向MC35模塊發(fā)送編輯好的PDU編碼并以“CTRL+Z”結(jié)束。得到響應(yīng)OK，則發(fā)送成功；如果收到 ERROR則表示發(fā)送失敗，重新初始化MC35模塊，發(fā)送信息[4]。（3）接收：當(dāng)收到短信時(shí)，發(fā)送”“AT+CMGR=X”從SIM卡讀取短消息并調(diào)用短信處理程序作相應(yīng)轉(zhuǎn)換。
5.2.2 GPRS聯(lián)網(wǎng)在Linux下的實(shí)現(xiàn)
     GPRS聯(lián)網(wǎng)是Linux的PPP協(xié)議實(shí)現(xiàn)的。因此在編譯內(nèi)核時(shí)需要增加Linux內(nèi)核的PPP支持[5]。然后根據(jù)程序中提供的配置信息，包括移動(dòng)的APN*/為“CMNET”，通訊協(xié)議IP，撥號(hào)號(hào)碼 “*99***1#”，串口設(shè)備號(hào)/dev/ttyS2，波特率9600，用戶名，密碼等信息配置PPP協(xié)議需要的5個(gè)腳本和配置文件：ppp-on、 ppp-off、options.gprs、dialer.gprs、pap-secrets。完成設(shè)置后，運(yùn)行ppp-on，就可以進(jìn)行GPRS撥號(hào)；運(yùn)行ppp-off斷開(kāi)連接。
    GPRS聯(lián)網(wǎng)流程（控制器作為客戶端）：(a)當(dāng)用戶希望通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)GPRS模塊時(shí)可以通過(guò)短信方式向主機(jī) GPRS模塊發(fā)送聯(lián)網(wǎng)命令，包括用戶的IP地址和相關(guān)配置信息。(b)主機(jī)根據(jù)用戶短信獲得GPRS上網(wǎng)連接的配置信息，并生成對(duì)應(yīng)的撥號(hào)腳本文和配置文件。調(diào)用ppp-on腳本進(jìn)行PPP撥號(hào)。(c)判斷PPPD是否撥號(hào)成功，標(biāo)志是能否生成ppp0網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。(d)在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中通過(guò)看門狗實(shí)時(shí)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)掉線時(shí)，主機(jī)保存當(dāng)前數(shù)據(jù)狀態(tài)，重新啟動(dòng)GPRS模塊并恢復(fù)連接。(e)結(jié)束本次任務(wù)時(shí)，用戶在網(wǎng)上發(fā)送命令，讓控制器調(diào)用ppp- off，斷開(kāi)連接。
5.3系統(tǒng)軟件流程
   軟件流程如圖2所示，系統(tǒng)上電啟動(dòng)后，首先對(duì)包括串口，LCD，鍵盤， GPRS模塊以及網(wǎng)絡(luò)配置文件等做相應(yīng)的初始化。并檢測(cè)GPRS模塊和主機(jī)是否通訊正常。然后開(kāi)始對(duì)從機(jī)進(jìn)行輪詢，發(fā)現(xiàn)警情時(shí)，讀取并存儲(chǔ)報(bào)警信息，啟動(dòng)報(bào)警器并將相應(yīng)的報(bào)警信息通過(guò)撥號(hào)和短信的方式通知用戶。當(dāng)收到用戶命令時(shí)，先判斷用戶的控制方式，再做出做出回應(yīng)。
6  總結(jié)與展望
    本文介紹了一種基于ARM-Linux和GPRS技術(shù)的家庭智能控制終端，并通過(guò)RS485總線解決了家用設(shè)備的布線及控制器對(duì)設(shè)備的控制問(wèn)題。文中給出了詳細(xì)的系統(tǒng)架構(gòu)方案。從軟、硬件兩方面給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方法。整套方案對(duì)家庭智能控制器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中存在的主要問(wèn)題提出詳細(xì)的解決方案，并且在實(shí)踐中證明了其可實(shí)施性。此外，由于該控制器具備GPRS控制器的基本功能，只需在應(yīng)用程序部分做相應(yīng)修改，可用作其它無(wú)線遠(yuǎn)程控制設(shè)備，具有通用性和可擴(kuò)展性。