一．研究背景與意義

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

但目前的家居智能化系統存在一個很大的局限，即只是實現了局部的智能化。而真正意義上的家居智能化則應該是擁有一個集中的終端控制系統，通過該終端對家居的所有設備進行智能化的控制和監控，這也將是智能家居系統未來的發展方向。

本設計以MIPS公司的32位處理器為核心來組建智能顯示終端，并以具備無線通訊的智能插座為被控節點，搭建了一套簡易的智能家居控制系統。該系統可通過遠程（手機短信），和本地（智能顯示終端）兩種方式進行控制。下面將對本系統的構成和實現方案，以及各模塊中涉及的關鍵問題進行分析。

二．系統的構成與工作原理

1 系統構成與原理

本系統由手機，智能顯示終端，智能插座構成。手機與智能顯示終端之間通過GSM模塊進行通訊，智能顯示終端和智能插座之間采用Zigbee進行通訊。

智能插座作為基本的控制單元，能夠實時采集每個房間的用電信息，并將信息實時傳送到智能顯示終端。當發現用電異常時，智能插座自動斷電并將執行結果發送到智能顯示終端。智能顯示終端也將這一結果發送到用戶手機。

手機實現用戶的遠程控制和信息接收。用戶外出時，通過手機發送的指令（如預啟動，預關閉，限時供電等）將被智能終端接收并下發到智能插座。另外，智能插座的所有執行動作都將通過智能顯示終端發送到手機。

智能顯示終端既能夠接收手機發送的指令，也能夠接收智能插座發送的數據。智能顯示終端接受智能插座上傳的數據后，數據將被存儲下來。當用戶啟動查詢功能時，智能顯示終端將調用這些數據，并進行分析計算，將各種類型的用電信息顯示出來。

2 功能簡介

1 實時用電監控

2 用電器的預啟動和預關閉

3 限時供電

4 限功率供電

5 溫度監控

6 故障報警

7 短信遠程操控

8 本地觸摸屏操控

9 各種類型的查詢功能。包括月用電，日用電，時段用電，任意時段累計用電，以及任一單個用電器的用電情況。

10 人性化的觸摸屏操作和語音輸出

三．項目技術方案

1 系統構成

本系統設備主要由三部分組成：手機，智能顯示終端，智能插座。如圖1.1所示。

圖1.1 系統示意圖

1.1 系統結構

本系統設備主要由三部分組成：手機，智能顯示終端，智能插座。

根據戶主的是否在家，設計了兩種方式進行控制。

1 手機短信。這種方式主要針對戶主出差在外的情況而設計，便于遠程操控。手機可向智能顯示終端下發命令，智能顯示終端接收到命令后，對命令進行解碼并向各個智能插座下發命令。智能插座接收到控制命令后，執行對應操作，并將執行結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送給手機。

2 本地觸摸屏。這種方式針對戶主居家的情況而設計。戶主可直接在觸摸屏上完成相應操作，根據界面提示，進行操控。

其中智能顯示終端和手機通過GSM模塊進行通訊，智能顯示終端和智能插座之間通過Zigbee進行數據通訊。

系統框圖如圖1.2所示：

圖1.2 系統總體框圖

1.2 功能描述

1通過該系統可以實現對家電的實時監控，定時啟動，限功率供電等重要功能，輕松對各個房間的用電設備進行管理。

2 通過智能插座和在智能顯示終端的無線通信，用戶可以查看家中每個用電設備的詳細用電信息。用戶可以對每個設備的每月，每天，甚至某個時段的用電量進行查詢。

3本地遠程操作。即便是出差在外也能對家中的用電情況了如指掌。各部分實現的功能如圖1.3所示：

圖1.3 系統功能框圖

2 關鍵模塊分析

本設計擬采用Digilent Cerebot? 32MX4開發板的32位控制芯片。Cerebot 32MX4的主要特點是具有一個全新Microchip? PIC32?微控制器。PIC32可提供工作頻率80MHz的32位MIPS處理器內核、512KB的編程FLASH、32KB的RAM內存以及眾多的外圍設備，包括USB控制器、定時器/計數器、串口控制器、A/D轉換器以及更多的設備。

該板具有大量的I/O接口可以滿足本系統的需求，另外USB電源，以及與Microchip MPLAB開發軟件相兼容的內置編程使得調試電路非常方便。

本系統中RTCC和AD電路采用單片機內置的模塊，無需單獨設計，下面就其他模塊的軟硬件設計進行分析。

2.1 GSM模塊分析

2.1.1 硬件設計

GSM的短信息業務SMS利用信令信道傳輸，提供了一種有保證的雙向服務，這是GSM通信網所特有的。它不用撥號建立連接，把要發的信息加上目的地址發送到短消息服務中心，經服務中心完成存儲后再發送給最終的信宿。所以即使當目的GSM終端沒開機時信息也不會丟失。發送方發出一條短消息后，得到一條傳遞成功或失敗的消息，以及不可到達的原因。每個短消息的信息量限制為140字節。

目前GSM芯片和GSM收發模塊的技術已經比較成熟，市場上也已經有現成的模塊可供選用。這些芯片和模塊一般都具備GSM無線通信的全部功能，提供標準的RS一232接口，支持GSM07.05所定義的AT命令集的指令，很容易實現系統的集成，二次開發也比較方便，本設計選擇了一款性價比較高的西門子MC39i無線收發模塊。

MC39i是西門子的新一代雙頻GSM/GPRS無線模塊，是目前使用廣泛的MC39i模塊的環保型升級換代產品。它采用緊湊型設計，為用戶提供了簡單、內嵌式的無線連接。MC39i有豐富的AT命令，功能強大，操作靈活方便，是傳統調制解調器與GSM無線移動通信系統相結合的一種數據終端設備。該模塊集射頻電路和基帶于一體，向用戶提供標準的AT命令接口，為傳輸數據、語音、短消息、和傳真提供快速、可靠、安全的傳輸，方便用戶的應用開發及設計。

主要性能：

支持EGSM900/GSM1800雙頻；

適用于GSM2/2+；

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

數據傳輸GPRS模式；

最大下行傳輸速率85.6kbps；

最大上行傳輸速率42.8kbps；

標準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、存儲器。GSM基帶處理器是整個模塊的核心，它由一個C166CPU和一個DSP處理器內核控制著模塊內各種信號的傳輸、轉換、放大等處理過程。GSM射頻部分是一個單片收發器，它由一個外差式接收器、上變頻調制環路發送器、一個射頻鎖相環路和一個全集成中頻合成器4個功能塊組成，共同完成對射頻信號的接收和發送等處理。

圖2.1 Mc39i結構框圖

該模塊主要硬件設計包括下面兩部分。

1 用戶識別卡（SIM卡）。

Mc39i的基帶處理器集成了一個與ISO 7816-3 IC Card標準兼容的SIM接口。為了適合外部的SIM接口，該接口通過ZIF連接器連接到Mc39i的第24～29引腳。Mc39i在ZIF連接器上為SIM卡接口預留了6個引腳，所添加的CCIN引腳用來檢測SIM卡支架中是否插有SIM卡。當插入SIM卡，該引腳置為高電平，系統方可進入正常工作狀態。

2 SYNC信號及電路設計。

在本電路設計中利用SYNC信號來控制一個狀態燈以檢測MC39i模塊當前處于何種狀態。由于MC39i模塊SYNC引腳輸出的驅動能力不夠，所以設計采用一個三極管對輸入電流進行放大以提高驅動能力。

部分硬件設計圖如下：

圖2.2 SYNC信號原理圖

圖2.3 SIM卡接口

圖2.4 GSM部分硬件框圖

2.1.2 軟件設計

SMS短消息采用AT命令的PDU ModePDU模式是發送或接收手機SMS信息的一種方法，PDU串表面上是一串ASCII碼，由‘0’～‘9’、‘A’～‘F’這些數字和字母組成。它們是8位字節的十六進制數，或者BCD碼十進制數。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服務中心號碼、目標號碼、回復號碼、編碼方式和服務時間等。短信息正文經過十六進制編碼后被傳送出去。

PDU相當于一個數據包，它由構成消息（SMS）的信息組成。作為一種數據單一元，它必須包含源／目的地址、保護（有效）時間、數據格式、協議類型和正文，正文長度可達140字節，它們都以十六進制表示。PDU結構根據短消息由移動終端發起或以移動終端為目的而不同。

1 移動終端發起時，PDU的格式為：

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

2 移動終端為目的時，PDU的格式為：

SMSC PDU類型OA PID DCS SCTS UDL LID（0~400cted）

其中，SMSC為短消息業務中心地址，DA／OA為源／目的地址，PID為協議識別，DCS為數據編碼，UDL為用戶數據長度，UD為用戶數據，VP為有效時間，LID指明是發出信息，SCTS指明短消息到達業務中心的時間。

本系統中發送的短消息包含中文漢字和數字，所以選擇PDU串的用戶信息編碼方式TP-DCS是08，表示UCS2編碼方式，UCS2編碼是將每個字符（1-2個字節）按照ISO／IECl0646的規定，轉變為16位的Unicode寬字符。但在GSM標準中，中文編碼采用UTF一8的編碼方式，不是目前國內常用的GB一2312編碼，故還需要進行中文編碼的轉換，才能與采用GB-2313漢字庫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應的線性關系，因此只能采用查表的方式進行轉換。

在消息發送前，要將消息中ASCII字符及漢字統一編碼成UCS2碼，以PDU數據包的形式發送。接收到的數據是以7b的編碼形式存儲在Mc39i模塊或SIM卡內，在數據讀取時直接從Mc39i模塊中得到符合GSM規范的數據，需經過提取得到7b編碼的有用數據。然而，這些7b編碼數據是以ASCII字符的形式存在的，要轉換成8位的十六進制形式的7b編碼，再解碼成可用的ASCII碼數據，這樣得到GSM網絡發送來的原始數據，如圖2.5所示。

圖2.5 SMS數據傳輸過程

MC39i開機后首先選擇端口，然后檢查SIM是否插入，成功檢測到SIM卡后即可啟動串口發送，并點亮狀態燈。接著設置短消息中心，并進行連接測試，連接成功后發送開機成功短信到主控器。如果以上步驟沒有執行成功，則轉向出錯處理。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線通信技術，是一種拓展性強、易布建的低成本無線網絡，低耗電、雙向傳輸，適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備，如今已被廣泛應用于家庭自動化領域。

Zigbee技術有以下特點：

n 省電。由于工作周期很短、收發信息功耗較低，并且采用了休眠模式。

n 時延短。設備搜索時延典型值為30 ms，休眠激活時延典型值15 ms，活動設備信道接入時延為15 ms。

n 節點通信設置易于配置。

n 近距離。傳輸范圍一般介于10～100 m 之間。

n 網絡容量大。Zigbee可以采用星形、網狀、串狀結構組網，而且可以通過任一節點連接組成更大的網絡結構。

n 安全。Zigbee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用AES128，同時各個應用可以靈活確定其安全屬性。

n 全球通用性和完好的開放性。Zigbee標準協議，使Zigbee設備間的通信成為輕而易舉的事情。

本系統中智能插座和智能終端需要進行無線通訊，雙向傳輸命令或數據，進而控制家電，而Zigbee這種低功耗，低成本的無線方式，符合家居系統節能理念。Zigbee的數據的傳輸量不大，而我們的指令數據也是簡短的數據包，足以滿足需求。另外，Zigbee安全，開放的協議方式使得在此基礎上進行設備擴充變得簡單易行，這也為智能家居的多元化的發展奠定了基礎。

2.2.1 硬件設計

該系統由多個終端節點（智能插座）決定檢測區域的范圍，各終端節點監測到的用電數據通過自組織的多跳路網絡傳送至智能顯示終端進行處理。從短信平臺或觸摸屏發送的命令通過智能顯示終端的分析解碼，在由此廣播傳送至每個智能插座。

1、芯片選型

本方案采用CC2430為核心構造數據采集節點，只需要在CC2430芯片外接少量晶振、電容、電阻等無源器件，不僅能夠滿足整個系統的數據采集、無線通信等功能的需求，而且具有功耗低，電路簡單，節點體積小以及成本低廉等優勢。

2、組網結構

Zigbee網絡支持星狀，樹狀和網狀三種網絡拓撲結構。

星狀網絡由一個ZigBee協調器和多個終端設備組成，只存在ZigBee協調器與終端設備之問的通訊，終端設備間不能直接通信，都需要通過ZigBee協調器的轉發；樹狀網絡由一個ZigBee協調器和多個星狀結構連接而成，靈活度高于星狀拓撲結構；網狀結構最為完善，任何網絡中的節點均可互聯，通訊量也最大，但是會造成存儲空間開銷過大。

考慮到本系統的設備數量不多，網絡復雜度不高，因此擬采用較為經濟適用的星狀結構。

本系統中智能顯示終端為協調器（即主節點），智能插座為設備終端（即子節點）。硬件框圖如圖2.7所示：

圖2.7節點硬件設計框圖