基于ARM9智能家居系统设计

基于ARM9智能家居系统设计

摘要：这是一套综合性智能家居系统，系统包含家电控制模块，远程监控模块，安全报警和预处理模块等一系列智能家居系统核心部分。本系统以ARM9微处理器为核心，采用ZigBee等无线通信技术，综合布线技术组成家庭无线通信网络。结合家电控制端模块与高度灵敏的传感器，达到准确操作和实时通信的效果。本设计有功能丰富，操作简单的特点。

关键词：智能家居，嵌入式系统，GPS，ZigBee

1.引言

智能家居是利用计算机技术、综合布线技术、网络通信技术和传感技术等，按照人体工程学原理，把家居生活里的各种电子设备有机的结合在一起，通过网络化综合智能管理和控制的一种嵌入式系统。

通信、电子、传感和网络技术的不断发展和人民生活质量的提高，家居生活里的电子产品不但种类越来越丰富，功能更加完善，应用也更加普遍，而且越来越智能化，最普遍的家居生活电子产品种类达到数百种，实现对如此多的家居电子产品的综合控制是智能家居发展的趋势。文中提出基于ARM9的无线智能家居控制系统，是以ARM9微处理器为核心，结合GPRS和ZigBee通信技术，根据实际的需要实现对家居电子设备进行本地和远程两种方式的无线控制，本地控制是指在本地通过互联网将控制指令传输给控制系统来实现各种家居电器的监控，远程控制是指用计算机网络或手机将控制指令传输给控制系统来实现对各种家居电器的远距离监控，这两种控制方式的结合将给我们的工作和生活带来极大的便捷，是未来智能化家居生活发展的必然趋势。

（1）研究背景

智能家电是计算机技术、电子技术、控制技术向传统家电产业渗透发展的必然结果。近年来随着信息化的普及应用，通讯的高层次化与自由化、业务量急速增加，以及人类对工作、生活环境的安全性、效率性、舒适性要求的提高，对家居智能化提出了强劲需求；此外在技术方面，由于电子技术、计算机控制技术、通信技术的飞速进步，也促进了智能家居的发展。目前通常把智能家居定义为利用计算机技术和电子控制技术，通过家庭信息管理平台将与家居生活有关的各种子系统有机地结合的一个系统。也就是说，首先它们都要在一个家居中建立一个通讯网络，为家庭信息提供所需的通路，在家庭网络操作系统的控制下，通过相应的硬件和执行体系，实现对连接在家庭网络上的家电和设备的监控。其次，它们要通过一定的系统界面平台，构成与外界的通讯通道，实现与家庭以外的网络互通信息，实现远程控制、监视和交换信息的，最终满足人们对安全、舒适、方便和符合绿色环境保护的越来越高的需求。进入21世纪，数字化技术取得了更加

迅猛的发展并日益渗透到各个领域。随着Internet网向普通家庭生活不断扩展，消费电子、通讯、计算机一体化趋势日趋明显，智能化信息家电产品已经开始步入社会和家庭。智能家居在我国已经历了7年的发展。智能家居涉及不少行业领域：电子、通信、计算机、自动控制、建筑装饰等，在实际需求确定中最重要的一点不是智能化如何先进，产品如何高档，而是智能家居系统怎样与家居环境有机融为一体。智能家居怎样做到实用、易用、人性化，真正提高人们的生活品质，才是智能家居的发展方向。

（2）国内、外智能家居的发展与现状

早在1979年，美国斯坦福研究所就提出了在建筑物内将家用电器、电器设备的控制线统一为家庭总线的概念。之后，在美国成立了现代住宅研究会，专门从事这一顿域的研究。1983年，美国电子工业协会开始制定家用电器的设计标准。1984年，第一幢智能建筑在美出现后，美国住宅建筑者协会成立了现代住宅开发公司，开始有关基础性研究工作，并在1989年推出了将电力供应、空调控制和数据通信合成一个整体的布线系统示范单元。在这期间，智能住宅的概念在欧美等发达国家得到了广泛的认同和发展。欧洲在1985年把集成化的家居系统研究列为尤利龙计划，大力进行该方面的研究。在上世纪80年代，欧洲电器标准化委员会制定了家用数字总线标准，进一步规划了智能住宅的技术标准。

在东南亚，新加坡的智能建筑技术研究处于领先水平，如宝德胜家庭智能化系统，已经用于30多个住宅小区。在“亚洲家庭电器与电子消费品国展览会”上展示的“未来之家”，其智能品质受到人们的普遍关注。由于我国的房地产，自动化技术等起步较晚，对智能住宅的研究刚刚起步，但己经引起了有关部门的高度重视。有关机构统计表明，全球家庭智能化市场的年平均增长率为8％，家庭网络市场总额为57亿美元，智能家居产品销售额达到140亿美元。为了抢夺这块“蛋糕”．国内众多企业纷纷试水该产业，包括TCL、海尔、清华同方等大型企业利用品牌优势系入该产业，而数干家中小企业也一日益成为行业中的生力军。业界人士认为，制约该产业发展有“三道坎”：一是由于智能家居产业国家还没有统一的行业标准，很多中小企业各自为政，相互间的产品不具兼容性；第二，由于技术人员投有做深入的市场调查，开发出的产品虽然技术上具有先进性，但实用性差，操作复杂，与市场需求脱节：第三，由于技术上需要投入大量研发资金，一些中小企业没有能力持续创新，更难形成规模生产，造成产品价格居高不下。总的来说，我国智能家居信息化有着广泛的市场前景，研究适合于中国国情的智能家居系统必然有着巨大的市场前景。

（3）系统的需求分析

经过前几年各商家、媒体对家居智能化概念性的宣抟，现在消费者对智能家居产品已经不断熟悉。有关调查显示，消费者已经接受了智能家居这一产品的概念且

以内，近l／3的消费者承受价位在2000元以下。然而时至今日，国内厂家自行研制、开发的智能家居产品不太成熟，而有一些国外的知名品牌由于价格太高，无法满足国内市场的需求。所以智能化家居产品的确蕴涵了无限商机。但是要真正挖掘如此大的市场，则需要研究消费者的深层需求哪。嵌入式技术在最近几年得到了广泛的发展。嵌入式处理器的性能得到了显著的提高，这就为以嵌入式为基础的智能化家居系统的发展奠定了硬件基础，使较复杂的检测和识别算法在系统中得到应用。在软件方面，出现了丰富的支持嵌入式设备的软件，使嵌入式系统的开发的难度降低。出现了大量专注于嵌入式的企业，使嵌入式开发中能得到良好的技术支持。同时智能化家居的概念也更加明确。相关的智能化技术得到了显著的发展，使开发能获得大量先进的资料。随着互联网技术的发展，宽带网络在全国范围内迅速扩展。许多新建住宅小区都将以太网铺设到了用户家庭，使得整个小区的居民通过以太网实现宽带上两成为可能。同时，随着社区服务的完善。智能小区需要通过一个安装在每个家庭的终端设备实现信息发布、物业管理、三表传送、紧急求助等功能。以往，这样的信息终端和社区服务中心通过铺设专线，如485总线来进行连接，工程量大，故障率高，且由于只能采取主机轮循方式而效率较低。如果能够利用已经铺设到用户家庭的、现成的、稳定的以太网络组建社区综合服务体系是一项非常有意义的事情。而目前基于以太网的信息终端通常采用32bit的微处理器和Linux等通用操作系统，这种结构开发周期短、功能强、信息交换速率高、但致命的是成本太高，这也是一直在国内无法推广的主要问题。因此，向智能小区的每个住宅提供一个基于16/32位MCU连接以太网的低成本信息终端。不仅具有实用价值，而且市场前景也相当广阔。

2.无线智能家居控制系统总体结构及功能

设计中提出的基于ARM9的无线智能家居控制系统主要包括ARM9核心控制模块，无线通信模块、LCD触摸屏模块和家居电器，另外还有传感检测，语音报

图1 结构模型图

ARM为整个系统的控制核心，通过GPRS和ZigBee无线通信网络的收发控制指令实现对家居电器进行综合监控，同时提供防火墙的功能，阻止外界对家庭内部设

新型的ZigBee无线通信技术实现系统与家居电器的通信，达到对其控制；远程通信是利用手机通过GPRS通信网络或利用计算机通过互联网实现人与控制系统的通信，进而达到对家居电器的远程监控。采用无线通信技术省去了布线使家居布局更加灵活，远程控制使家居电器工作更加贴近人们的工作和生活要求。

（1）智能家居控制系统的具体功能包括：

家居电器综合监控：对所控制的家居电器进行开关、工作参数的设置和工作状态的检测。

安全防盗：家居中的所有与控制系统连接的电器设备均可实现与主人通信，一旦盗贼对某设备进行操作，或某设备工作状态异常时，系统将立即通知主人，以达到安全和防盗的目的。

自动报警：当检测到家居环境的温度、湿度、煤气、烟气等超标，或检测到有陌生人强行开启室门或进入室内时就自动报警，告知居室主人。

室内环境信息采集：采集家居环境的温度、湿度信息和煤气、烟气等有毒气体的检测。

远程控制：用户远程可以通过手机短息或互联网对家居电器进行控制或工作状况查询。

本地控制：用户在本地可通过计算机或家居电器本身的操作键对家居电器进行监控。

（2）系统硬件实现

系统硬件主要由ARM9微处理器、ZigBee通信技术、GPRS通信网络、LCD 触摸屏、语音报警和电源等模块组成。

①ARM9微处理器

微处理器我们采用三星公司的ARM9(S3C2440)。S3C2440是一款高性能32位的RISC微处理器, 采用了ARM920T 内核，0.13um 的CMOS 标准宏单元和存储器单元，最高主频可以达到400MHz，提供多款液晶屏配置。ARM920T 实现了MMU，AMBA BUS 和Harvard 高速缓冲体系结构，这一结构具有独立的16Kb 指令Cache 和16Kb 数据Cache，每个都是由具有8 字长的行组成。通过提供一套完整的通用系统外设，无需配置额外的组件从而减少整体系统成本，为手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。

应用范围：ARM9处理器是多种应用中先进数字产品的核心ARM9系列处理器可为要求苛刻、成本敏感的嵌入式应用提供可靠的高性能和灵活性。丰富的DSP 扩展使SoC设计不再需要单独的DSP。此外，PPA特别适合各种应用。

消费品智能手机、PDA、机顶盒、PMP、电子玩具、数码相机、数码摄像机等。联网无线局域网、802.11、蓝牙、Firewire、SCSI、2.5G/3G基带等。汽车，电力火车、ABS、车身系统、导航、信息娱乐等。嵌入式USB控制器、蓝牙控制器、

性价比：从单一设计到永久拥有采用多种处理器授权使用方式提供单次使用许可、多期许可和永久使用许可也可以硬宏形式提供，从而缩短上市时间，降低设计风险。

体系：在ConnectedCommunity中，有650多名成员支持ARM9处理器。

业界范围广泛的编译器、调试器和RTOS工具体系众多设计服务合作伙伴可帮助完成设计任务大量第三方IP可与处理器集成。

特点：基于ARMv5TE体系结构

高效的5 阶段管道，可增加吞吐量和提高系统性能

提取/解码/执行/内存/写回

同时支持ARM 和Thumb?指令集

高效 ARM-Thumb交互操作允许最佳组合性能和代码密度

哈佛体系结构-独立的指令和数据内存接口

增加了可用内存带宽

同时访问I & D内存

改进了性能

31 x 32位寄存器

32 位ALU 和桶式移位器

增强型 32 位 MAC块

CoreSight? ETM9 接口用于增强型调试和跟踪功能

标准AMBA? AHB?接口

协处理器接口内存控制器内存控制器

②无线通信网络

GPRS网络是覆盖范围最广，性能较为完善的无线网络，GPRS网络本身具有较强的数据纠错能力，数据传输速率最高可达128Kb/s，能够保证数据传输的可靠性和实时性。ZigBee技术组成的无线传感器网络结构简单、体积小、成本低；采用GPRS网络进行数据传输的模块体积小、功耗低，适合作为无线传感器网络的数据节点，ZigBee技术与GPRS通信网络相结合组成新的无线通信网络。

GPRS DTU无线通信模块采用成都众山电子有限公司的ZSD2110 GPRS DTU。ZSD2110是一款使用GPRS网络进行数据无线透明传输的嵌入式DTU模块。内置工业级GPRS引擎和嵌入式处理器。支持PPP、TCP、UDP、ICMP等众多复杂网络协议和SOCKET标准，提供全透明数据传输和用户自由控制传输两种模式。同时支持点对点、点对多点、设备间、设备与中心间等各种不同的通讯模式。用户不用关心复杂的网络协议，使用TTL串行通信接口，就可以进行无线数据收发，使系统能够随时随地接入Internet。ZigBee技术是一种新型的无线、短距离、低功耗组网通讯技术，具有低复杂度、低功耗、低成本、高效率，可靠度高和网络覆

扰性和设备联络功能，能够实现1500m的全向识别，传输速率最高可达10M bit/s，它支持3种主要的自组织无线网络类型，即星状结构、网状结构和族状结构，这些网络具有较强的网络健壮性和系统可靠性。基于以上特点ZigBee广泛应用于智能家居控制、工业控制系统。本文采用的CC2430是一种真正的系统芯片（SoC）CMOS解决方案，这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHz ISM波段应用及对低成本，低功耗的要求，它结合一个高性能2.4GHz DSSS （直接序列扩频）射频收发器核心，ZigBee核心模块图如图2所示。

图2 ZigBee核心模块图

ZigBee是一种新兴的短距离，低功耗，低数据数率，成本低，低复杂度的无线网络技术；

基于802.15.4标准；

ZigBee有三个可以使用频段，国内采用2.4G的ISM频段；

ZigBee无线的传输带宽在20-250kbps范围，适合传感器数据采集和控制数据的传输；

ZigBee网络节点容量达到65535个，具有非常大的组网优势

ZigBee的作用：无线控制或无线传感器网络；组件PAN；设备之间的无线数据通讯；无线控制灯，开关。温控器，电气用具等。

应用：ZigBee作为一项先进技术在生产生活中也有许多应用，如农业，工业，电子，以及人们的家庭生活。给人们的生活和工作以及社会发展带来了很大的便利。如图3所示。

图3 ZigBee应用框图

③传感器与显示模块

传感器包括煤气、烟雾等有毒气体检测器，人体红外探测器，门窗磁开关，温度、湿度、光照度传感器等，所有的传感器都与无线传输模块P1R2000连接，构成无线传感器网络并与控制系统实现实时通信。

显示模块选用低电压低功耗的LCDl2832液晶显示屏，LCDl2832是一款分辨率为128×32的中英文图形液晶（黄色背光）显示模块，具有4位/8位并行2线或3线串行多种接口方式，内部置有8192个16×16点阵的一级、二级简体汉字和128个16×8点ASCII字符集，用来显示8×2行16×16点阵的汉字对话信息，构成全中文人机交互图形界面并显示当前时间、日期、星期、湿度、温度、定时提醒等信息和煤气等有毒的含量超标时报警提示的输出信息。

3.智能家居控制系统硬件部分

本系统通过互联网将手机与ARM9建立联系，采用ZigBee无线通信技术实现ARM9与STC89C52的通信，再通过STC89C52实现对家电的控制。系统整体机构如图4所示。

图4 系统整体机构

（1）控制单元设计

通信接口的中央控制器，需要性能较高的芯片，这里采用ARM9系列的S3C2410微控制器;另一类则是作为家电控制器使用的，不需要很快的运算速率和很大容量的内存，这里选用STC89C52单片机。

（2）天然气泄漏报警及预处理电路

当天然气发生泄漏时，MQ-5气体检测模块的信号输出低电平，单片机检测到P1.0口出现低电平，由单片机的延时函数延时一会，再判断若还是位低，则启动蜂鸣和Led灯声光器报警。同事通过与单片机相连的GSM模块发送告警信息给用户手机。气体检测模块如图5所示。

图5 气体检测模块

（3）温度采集模块

温度传感器选用DALLAS公司生产的温度传感器DS18B20，它具有微型化，低功耗，高性能，抗干扰性强等优点。本系统利用DS18B20测室温，将测得的值再传个单片机，单片机再将通过计算得到的温度信息传个中央处理器S3C2410，再发给手机端。测温模块接线如图6所示。

图6 测温模块接线

（4）开窗模块

使用ULN2003驱动芯片来驱动28BYJ48直流步进电机，从而实现窗户的开启和关闭。单片机开窗或关窗的命令时，给与ULN2003相连的4个I/O口发送信号，使ULN2003得到驱动28BYJ48所需的信号并控制电机正反转，步进电机带动与窗户相连的传送带，便可实现开窗，关窗的功能。开窗模式的连接如图7所示。

（5）家电遥控

采用红外线发射管发射红外波，利用已编好的单片机程序，借助于单片机的P1.0管脚控制8550（PNP）三极管来控制红外波的有无，这样就可以达到发送正确的红外波长，以至于电气设备能够识别该模块发射的每个红外波，达到用户的遥控要求。家电遥控模块如图8所示。

图8 家电遥控模块

4..系统软设计

整个智能家居控制系统以ARM9微处理器为核心，ZigBee等其他部分为辅，同时也支持C语言和汇编语言，本系统采用C语言与汇编语言混合编程组成。低层驱动由汇编语言编写，对外留C语言接口，人机交换采用Linux嵌入式实时操作系统。系统软件由系统主程序、初始化子程序、ZigBee通信子程序、GPRS通信子程序、传感检测子程序、显示子程序、报警子程序、数据处理子程序和远程控制子程序等模块组成。这一完整系统将各部分核心元件结合起来，与操作系统相辅相成，共同构成智能家居系统。而且这一系统兼具各种功能，将各种系统完美结合起来。它会在不断电的情况下自主运行，不用主人管理和操作。如若发生任何情况都会及时反馈给主人的手机，达到完美警示的效果。程序软件流程图如图9所示。

图9 程序软件流程图

智能家居软件部分

由于Android操作系统源码开放程度高，Android手机在手机市场占有很高份额，所以本次系统的软件部分是利用java开发工具开发的一款Android手机上使用的智能家居软件，这样更有利于智能家居系统的推广和使用，软件设计的流程

同指令编码，再通过stock编程将不同指令发送给家庭网关。如图10所示。

图10 Android手机软件路程图

5.设计结果

经过这次课程设计，我了解到了基于ARM9的智能家居的相关内容以及开发的基本流程，通过众多的设计理念，强化了自己的编辑能力，加深了对这一先进技术的理解，同时加深了对计算机相关知识的理解和运用。设计可以达到预期的效果和大量的资料查询以及试验分不开。但是因为时间不足和精力不够的原因，智能家居系统的功能设计还不够完善，在未来时间充裕、技术更成熟的情况下，功能设计可以更加完善，如：（1）家电控制板与ARM的协同合作。（2）系统控制功能方面还需扩展，如GSM模块，GPRS网络通信等。（3）系统的运行信息实时保存。如传感器报警的记录，用户的登陆和控制的记录等。

6.结论

本次我们设计的智能家居系统，在使用上易于操作，远程控制实时可靠，性价比高，不仅能远程操作，且具有很高的安全性，便捷性。本文提出了基于ARM9的无线嵌入式智能家居控制系统的总体解决方案，该方案主要以微处理器ARM9为核心，采用ZigBee和GPRS无线通信技术、传感技术和互联网技术，实现了对家居电器进行本地和远程的无线监控，克服了传统的仅限于有线和本地的家居监控方式，解决了当前市面上一些家居产品功能简单，协调能力差的问题，同时提高了家居控制系统的智能化程度，可靠性，抗干扰性。优化了人们的生活方式，具有较高的实用价值。

在当代社会全面信息化、数字化、智能化和自动化的社会趋势下，家居的智能化必将成为未来家居发展的新方向，因为随着社会的进步，科技的进步，人们的生产生活水平的不断提高，人们对生活的需求也会越来越高。而且这是社会不断向前发展的必然过程。因此我们应该加大对这一新型系统的研究，这一系统除了拥有很大的实用价值和广阔的市场外，也能大大提高我国家庭信息智能化程度，增强文化软实力。智能家居的智能化和人性化，也更加贴合我们的生活。

7.参考文献

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