基于ARM-Linux平台及GPRS技术的家庭智能控制系统

　　随着生活节奏的不断加快，人们希望即使在工作或外出时也能及时了解家中的情况并控制家中的各种设备。各种无线通信技术的不断发展，使家庭智能系统的远程控制成为一种现实。本文结合ARM9 处理器功能强大、GPRS 技术永远在线，接入范围广，功耗低以及ZigBee 无线组网技术等优点，设计实现了一种基于嵌入式系统的无线家庭智能控制系统。

　　1 系统体系结构及主要功能

　　系统主要由家庭智能控制模块、图像处理单元、ARM 中央控制平台、ZigBee 无线传输、GPRS 无线通信和以太网通信等部分组成，其体系结构如图1 所示。

图1 系统体系结构

　　其中家庭智能控制模块主要包括家电控制模块、窗帘控制模块、灯光控制模块及安防控制模块。各控制模块通过ZigBee 模块与ARM 中央控制平台实现无线连接，组成一个星型家庭无线智能控制网络。同时ARM 中央控制平台连接一个USB 摄像头，实现对家庭环境的实时监视。ARM 控制器通过GPRS 和以太网实现与外部远程连接。即使出门在外，也可以实现对家庭智能系统的远程控制。比如上班时，户主可以通过电脑或手机观察家中的情况；在回家的路上就可以通过手机打开空调和热水器，开启窗帘或灯具等。当探测到有非法人员入侵或发生火灾等紧急情况时，ARM 控制器就会通过短信向户主发出报警信息，同时控制摄像来捕捉视频图像，然后进行图像处理并将数据通过以太网传给PC 机，或通过GPRS 以彩信形式传到户主手机。

　　2 系统硬件设计

　　本系统硬件电路框图如图2 所示，主要由ARM9控制器，电源及复位模块，触摸屏显示模块，USB 摄像头，以太网接口模块，GPRS 模块，ZigBee 无线收发模块，各家庭控制模块等组成。

图2 系统硬件电路框图。

2.1 ARM 中央控制模块

　　ARM 中央控制模块由ARM9 控制器、FLASH、SDRAM、电源及复位模块、LCD 触摸屏及相关外围电路组成。系统选用SAMSUNG 的基于ARM920T 内核的16/32 位RISC 处理器S3C2440 作为控制器。

　　S3C2440 处理器功能强大、性价比高、功耗低，除具有一般嵌入式芯片所具有的总线、SDRAM 控制器以外，还具有丰富的扩展功能接口，内部集成了TFT/STN LCD 和触摸屏控制器、SD MMC 存储卡接口和摄像头接口等大量的功能模块，便于构建外围电路，视频处理能力非常强。系统采用64M 的NAND 型Flash K29F2808 来存放系统启动代码、内核代码及根文件系统；SDRAM 选用2 片HY57V561620CTP-H 构成容量为64MB 高速动态随机存储器。

　　2.2 ZigBee 模块

　　为了满足家庭智能系统简洁、方便的要求，系统采用ZigBee 无线通信技术组建家庭网络。ZigBee 是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术。ZigBee 模块采用支持IEEE802.15.4 协议，技术成熟的CC2430 芯片。经测试，室内有效传输距离为30~40m,完全能够覆盖普通家庭环境。下面从抗干扰及功耗两方面阐述本设计的可行性。

　　2.2.1 Zigbee 抗干扰性能分析

　　ZigBee 技术的抗干扰特性主要是指抗同频干扰。

　　IEEE802.15.4 标准中提供了很多抗干扰机制[2],比如：空闲信道评估，动态信道选择，信道算法等。实验证明，正确选择信道，增大频偏，ZigBee 与Wi-Fi可以近距离（小于2m）共存；蓝牙采用调频技术，对ZigBee 的干扰很小，两者能很好的共存；WirelessUSB可以根据干扰环境自动变换信道，因此完全可以同ZigBee 共存；此外，为了减小无绳电话（2.4GHz）对ZigBee 的干扰，设计中ZigBee 设备放置在离客厅中心较远的地方，使干扰源尽量远离ZigBee 网络，经测试可行；当微波炉与ZigBee 设备距离大于1m 时，干扰则可以忽略不计。因此ZigBee 在2.4GHz 频段能可靠地与Wi-Fi、蓝牙、WirelessUSB 以及家用无绳电话和微波炉共存。

　　2.2.2 Zigbee 功耗分析

　　ZigBee 模块支持多种工作模式，包括运行（发送与接收）、空闲和休眠等。通过监测传感器节点的正常工作，发现节点大部分时间处于空闲状态。而空闲模式的功率消耗与运行模式大体相同，收发模块长期处于空闲模式会消耗大量能量。因此，当节点空闲时应使其处于休眠状态。当需要节点工作时，通过外部中断或定时中断将其唤醒，进入运行状态。本设计经测试，系统运行一个月后，电池电压变化轻微，实际应用中两节普通5 号干电池使用寿命超过一年。

　　2.3 GPRS 模块

GPRS（General Packet Radio Service），即通用分组无线服务技术，是一种以GSM 为基础的数据传输技术。GPRS 采用分组交换技术，支持资源共享，频带利用率高，数据传输率高。GPRS 最高传输率可达171.2kbit/s,支持X.25 协议和IP 协议；用户永远在线且按流量、时间计费，通信成本低。因此，将G