第二章 系统需求与总体设计
2.1 系统功能需求
自动化技术和信息技术的发展，推动了智能家居的不断发展。也不断改变人们的工作和生活，人们对生活质量提高需求日渐加大。目前市场上的智能家居控制系统已经有一个比较完整的体系和功能。基于消费者对智能家居的需求，主要功能应包括家用设备控制，智能灯光控制，安防报警，门禁，红外线监控，远程服务。随着智能家居行业的发展，更多的新东西会逐渐成为智能家居控制系统的重要组成部分。智能家居控制系统，改变了人们的生活方式，使人们的生活质量发生了巨大变化，让人们享受了新奇，好玩，时尚的生活。智能家居从人们认识到慢慢接受到需要，未来人们的生活或许离不开智能家居。智能家居控制系统会将不同的家庭智能设备连接在一起，通过各种总线技术，构建成一个功能齐全，安全可靠，聪明绝顶的现代化智能系统。
它可以调动人的主观能动性，促进人与生活环境之间的协调，使人们更自由地向往能够控制生活环境。从消费者的角度出发，智能家居控制系统应具备多种类型的家用设备互联的控制功能，各种远程监控系统功能，可靠的系统报警功能以及和谐的互动功能[7]。
2.1.1 互联控制多种类型家用设备
智能家居设备互联控制是智能家居控制系统的一个基本特征。在智能家居而言，对家电、电脑、光源控制、互联网和智能设备常常使用分散控制、分散管理等方式，它的明显缺点是，各种家用设备不能联网，用户不能统一控制。在这种情况下，开发出一套具有多电器接口，并将家中所有电器设备统一联网，集中控制的装置具有重要的意义。通过智能控制终端，无论在家里还是外地都可以自由控制各种家用电气设备，不能因为设备的类型多种多样而难以控制。即使家用电器的控制参数是多种多样，也有一些共同的特征。例如，所有设备都有控制开关，这样你就可以使用二进制 0 和 1来表示这两种状态。对于某些设备的齿轮控制，灯光的亮度调节、空调温度控制等这些设备，本文通过添加控制参数，在控制命令添加中控制字段来控制这些设备。因此，对于智能家居的电气控制，控制参数的问题考虑是很重要的。
2.1.2 远程监控系统多样化
监控系统是智能家居控制系统通过各种方式来提高对用户需求和满意度的一个重要需求。通过各种远程监控系统，使得家庭信息网络和控制网络有效合作，实现掌握并控制各种电器在家里的运行，达到智能化控制。
（1）手持遥控监控方式。用户控制灯的开关，就像使用遥控器切换电视节目，不需要为关闭位于楼梯一个固定装置而走动，直接按一下手持遥控器的按钮即可。
（2）互联网监控方式。可以使用任何联网终端，通过互联网查看设备的运行状态，让用户更方便，更容易控制所有的电气设备。
（3）GPRS 远程监控方式。如果你出门在外，忘记了关灯，只需编辑一条短消息，就可以轻松实现家用电气设备的控制。
2.1.3 报警系统安全可靠
对于智能家居系统而言，安全预警系统是非常重要的。它可以通过预先安装的在室内或室外感应器查看各种异常情况，这些传感器包括门磁、紧急按钮、红外线探测等。
当异常情况发生时，预警系统分析状况后给用户发出相应的预警信号，等待用户做出合适的处理并关闭此次的预警信号。如果用户没有及时处理，系统会连续发出预警信号。
根据功能的不同，可分为煤气泄漏感应器，烟雾感应器红外线线传感器插入位置传感器。这些传感器都可以根据用户需要停用或被打开，并观察传感器的运行。
(1)住宅外围防护
①红外线线探测。在住宅的周边安装一对红外线检测装置，系统工作状态下，只要有任何非法通红外线设备的对象就可以被检测到并激活报警系统报警。该红外线检测装置，需要使用特殊的设计，以满足人性化的需求，扫描信号可以在任何角度被接收。并配置可靠的防破坏，防短路，防宠物等特点，从而大大提高监控系统的的误报能力。最重要的是需要全方位的扫描红外线检测发射信号，以使系统不会错过任何非法入侵，为用户安全做到全方位的服务。
②视频监控。无论是住房的室内还是室外，都配备了视频监控设备，因此，在互联网的帮助下，房主可以随时监控住房内外的一切活动。例如，主人外出一段时间，视频监控设备可以保存住宅内一个月监控记录，以便房主回来后可以浏览所记录。另外，视频监控设备还可以按要求给主人发送相应的图片或者 E_mail。如果家里面发生异常，视频监控设备能够自行进行报警。
（2）住宅室内防护
①消防。室内容易接触火源的区域，如厨房和餐厅安装烟感和煤气传感器，可以检测烟雾和煤气的存在。如果检测到有烟雾或煤气，传感器会做出反应传递信号到系统，系统随即自动报警。如果主人不处理，在超过设定的报警时间系统会打电话报警。
②门窗非法入侵防护。当有通过门窗的非法入侵时，感应装置做出反应。同时传递信号到控制系统，系统收到信号后随即自动报警。如果用户此时没有响应，对报警信息进行处理，当超过预设的报警时间后，系统会自动拔打预设的电话进行报警。
2.1.4 和谐的人机交互功能
随着科学技术的发展，家居生活也向智能化推进，成为普通百姓大众可以体验的生活方式。智能家居终端系统提供了一系列接口用于设置系统参数，可以设置系统时间，设置系统显示模式，设置声音，设置网络，设置存储和设置其它参数等。例如，可以使用触摸屏，事先将需要控制的设备在操作面板上进行设置。通过某些按键，就可以快速控制门、窗、灯、电器，实现一键控制家用电器，省时省力。
同时，智能家居还实现了多按键的控制。用户可以在操控面板上进行相应设置，实现用户需求的功能。例如用户在睡觉时，家里窗户、灯、电器都需要关闭，此时就可以设置一个“睡眠”模式。在这种模式下，所有家电处于“关闭”状态，用户就可以安然入睡。
2.2 相关网络技术概述
基于物联网的智能家居控制系统主要使用了三控制种网络技术，包括 RS-485 总线技术，以太网联网技术和 GSM 远程监控报警网络技术。
2.2.1 基于 RS-485 总线的家居设备物联网络技术
RS-485 串行总线标准，可以使智能家居设备通信距离从十几米延长为几公里，这完全符合家居设备对互联要求。有线的 RS-485 总线通信，结构相对简单，价格比较便宜，数据传输速率和通信距离适当。 但是，使用 RS-485 总线技术互联的家居设备的前提，是要确定要互联的设备是即插即用设备。
在整个家居系统中，嵌入式系统作为中继器，负责通过与 RS-485 总线互连的串行端口管理家用终端接入模块的作用。该系统采用嵌入式 ARM 处理器为总线主控设备，RS-485 网络为基础的网络互联主从网络，通过轮询的方式检查各个接入设备的状态信息，无论何时保证仅存在一对主机和从机之间的通信，即接收数据或发送数据。家用设备作为总线从机设备，包括单片机控制器，接入检测电路和信号调节电路。接入检测电路，是为了满足智能家居终端对家居设备移除及新设备接入的检测，实现家居设备的即插即用功能[8-12]。
2.2.2 基于以太网的远程监控网络技术
以太网使用 CSMA/CD 技术，是当今最常用的局域网通信协议标准。其传输数据的确定性和传输性能是业界公认的，应用的可靠性极高。以家庭网关为核心的以太网远程监控技术，他的主要任务是完成家庭内部网络不同通信协议之间的信息转换和共享。
通过家庭网关，用户可以方便地使用互联网进行各种家用电器的远程监控和管理。
智能家居远程监控网络把以太网控制网络及智能信息网络整合为一体，实现家庭信息设备，通信设备，常用家电，安防设备和家用医疗器械等设备互联和管理。随着微电子技术的不断发展，也为许多嵌入式控制芯片集成了以太网控制器。开发基于以太网的智能家庭监控，具有很大的灵活性，选择性和高性价比[13-17]。
2.2.3 基于 GPRS 的远程报警网络技术GPRS 是通用分组无线服务技术的简称，俗称“2.5G”，是位于第二代和第三代移动通讯技术之间的通信技术。是用户可用一种 GSM 移动数据业务。与 GSM 的数据业务相比，有以下优点[18-19]：
（1）通信费用低。 GPRS 是一种数据包传输方式，和以往的信道传输有所不同，它是对单位信息传输的成本核算，而不是对整个信道成本核算，这样通信的成本就很低，使用就比较划算。
（2）传输速率高，连接方便。GPRS 通过使用 GSM 网络中，没有被使用的 TDMA 信道，传输速率得到保证，可连 56 至 114Kbps。GSM 网络使用电路交换数据模式时，在通信两端建立物理链路，并维持该链路到通信结束。GPRS 在传送数据过程中，是把数据包划分成若干个分组之后，再进行传送的。这样容易获得更高数据速率，并且投资较小。进一步说，无线通信装置不必在它们之间附加中间设备，就可以方便地传输数据。
（3）资源利用率高。GPRS 使用分组交换通信，通信过程中把数据分成具有一定长度的数据包。数据包头部包含了地址信息表明该分组发往的目的地址。当数据包分组到达时，根据该地址信息，寻找临时可用信道资源来传输数据，而无需预先分配信道。在该传输方法中，发送和接收数据不占用一个固定的信道，信道资源所有用户共享使用，提高了信道资源利用率。
GPRS 短消息功能，应用于智能家居控制系统实现智能电器的远程监控和报警，成本低，可靠性高[20]。
2.3 总体框架设计
2.3.1 总体结构和模块
对于计算机以及各种家用电器等的控制，用户往往采用分散控制、分散管理的方式。它的缺点在于各种电器不能联网，用户不能统一进行控制。基于这种情况，本文提出了一种利用多接口将家中所有电器设备统一联网、集中控制的设想，以及利用一个智能控制终端实现整体控制[21-23]。智能家居控制终端设备可以由以下几部分集成[24]：常见的家用电器。智能控制终端提供多个接口给家用电器，并能为设备接入自动分配一个唯一的 ID，保证即插即用，实现设备的集中控制。例如家用电器的开启和关闭，设备的功能设置，查看设备状态等。
安防设备。智能控制终端与家庭安全监控设备相连，报警信息通过控制终端反馈给用户，用户通过控制终端可以随时查看家里的状态。
家用医疗设备。控制终端设有专门统一的外部接口与家用医疗设备相连，可实现远程医疗会诊，病人监控等功能。如图 2.1 所示为物联网智能家居终端的结构框图。
各种设备的接口部分。普通家用电器，安防设备和家用医疗设备通过 RS-485 总线进行互联，并为每个电气设备都分配了一个唯一的访问 ID 号实现设备集中控制。远程监控部分。用户可以通过互联网和 GPRS 网络远程监控。凡家庭各种报警信息都可以通过 GPRS 以短消息或彩信形式发送给用户，让用户及时了解家里设备的运行状态，保证用户财产安全。
人机交互部分。包括遥控部分、显示部分、语音提示部分和时钟部分。通过和谐的人机交互设计，可以让用户充分体验到现代家庭智能化给生活带来的各种便利。
2.3.2 主要硬件的选型
(1)系统的核心处理器
智能家居控制系统的设计是基于硬件资源分配基础上的。本文设计的智能家居控制系统，需要多个 UART 接口，A/D 转换器，以太网接口和大量的 IO 接口。因此飞利浦生产的 LPC2378 ARM 处理器是一个合适的选择，性价比很高的 LPC2378，具有丰富的接口，非常适合网络协议转换，并且具备多设备接口的应用程序。它是基于 32 位实时仿真 ARM7TDMI-S 内核结构，并拥有高速嵌入式的 512KB 闪存和 58KB 的 SRAM，具有在系统编程（ISP）和应用编程（IAP）的能力。芯片有 4 个 UART，3 个 I2C，3 个 SPI/SSP等串行接口，带 DMA 的 10/100M 以太网 MAC 接口，超过 104 通用 IO 接口。LPC237 所带外设的汇总如图 2.2 所示。
(2) RS-485 总线通讯
RS-485 总线的电气特性是多点差分数据传输，通信接口允许多点双向通信于简单的一对双绞线上，它具有噪声抑制，高数据传输速率和可靠数据传输等特性。相对简单的硬件接口，在总线上家用设备同时只有一个处于发送状态，而其他设备则处于接收状态下。在由多个单片机组合的串行通讯网络中，使用主从式体系结构：从机器只能被动地发送命令或数据，当需要主动发送数据和命令时，由主机来控制。
本文设计的RS-485总线接口部分，是直接与嵌入式处理器的串行端口0相连接，并且通过TXD RXD两个引脚，以及一个电平转换器实现通信的。在并行传输模式下，RS-485传输线上需要连接终结电阻。采用两种不同的接线方式时，可以实现不同的功能。如果采用四条线的接线方法，只能实现一对多的数据通信。而使用两条线的接线方式，就能达到多点的双向通信。本文中的嵌入式处理器就是主设备，而其他接入的家居设备说是从设备。
如果家居设备需要接入 RS-485 网络时，必须通过微控制器、检测电路和电流调理电路来实现。微控制器的一个引脚和 RS-485 的输出相连，通过对这个引脚电平的跳变进行检测，决定智能电器接入状态的改变。信号调理电路的功能，是隔离智能电器的输出电平和总线中的电信号。使用 SN75176 芯片可将单片机中的串行接口转变成RS-485 接口，这样就可以实现各个接入家居电器和嵌入式开发板的串口通信。RS-485网络结构如图 2.3 所示。
本系统设计的是 RS-485 网络的体系结构，嵌入式 ARM 芯片作为 RS-485 控制总线控制单元，以便组合成一个共同的总线传输网络。由于其成本低，传输距离远等特点，可以更良好的满足普通家庭用户对智能家居常用家用电器互联控制的需求，具有高实用性和经济性。
（3）以太网通信
系统使用 ARM 处理器 LPC2378 中带 DMA 的 10/100M 以太网模块，大大提高了数据包的发送和接收速率，提高了系统发送和接收数据的实时性，减少了微处理器的工作量。ARM 处理器中以太网模块的 RMI 接口芯片与以太网 PHY 芯片（DP83848I）连接。
如图 2.4 所示是 DP83848I 芯片的硬件结构。
以太网模块的框图，由以下几部分组成：主机寄存器模块。用于设置以太网工作模式，可以通过读取状态寄存器，可以了解以太网工作状况。总线接口是连接AHB 总线和以太网DMA 的接口。使模块能及时的读取SRAM，来实现读、写描述符，以及收发数据的缓冲区。
DMA 发送和接收数据。负责数据缓冲区和数据总线的信息传输。发送 DMA 管理器是把传输数据传输状态和描述符写入到存储器；模块可以重新发送该数据和处理异常终止，并且控制数据的发送。接收管理器的功能是负责检测信息，同时对特定的数据帧进行过滤，并存储有效数据。
RMII 负责与 DP83848 进行实时数据传输。如图 2.5 所示。
（4）基于 GPRS 的远程报警
基于 GPRS 的远程报警网络设计的目的，主要是提高智能家居控制系统的安全性，因此，远程报警需要具有高实时性和高可靠性。
远程报警网络分为三个部分：现场采集终端，监控中心和 GPRS 服务中心。现场采集终端包括 RS-485 总线上连接的家用电器，以及各种传感器（例如温度传感器，湿度传感器等），实时将家庭安全信息数据采集并及时的传送到监控中心。监控中心将所接收的数据进行处理并分析是否报警和故障信息。如果收到一个工作不正常的状态数据，远程报警系统通过 GPRS 服务中心发送报警信息给用户，保证用户财产安全[26-27]。
系统 GPRS 模块采用 SIMCOM 公司生产的 SIM300CZ 模块。 SIM300CZ 模块可以在三频/四频 GSM / GPRS 设备工作，提供超过 10 级多时隙和级 4 编码能力。它结构紧凑，双列直插式板对板连接器，结构紧凑，能满足各种工业应用对模块尺寸的苛刻要求；内嵌功能强大的 TCP/IP 协议栈，功耗低；使用增强型 AT 命令集的通信协议，实现语言，短消息， GPRS 数据的高速传输。远程报警网络和 RS-485 总线网络结合设计起到远程报警和控制的功能[28-29]。
本文 GPRS 的远程报警控制部分的关键是：①采用嵌入式系统来发实现送和接收短消息的功能；②现场采集终端采集异常信号进行理性分析处理，当检测到异常信息，诸如发现火情应该立即打开自动灭火装置；③摄像头捕捉图像信息通过串行端口发送给无线通信模块，然后通过 GPRS 发送给用户。
控制系统和串行通信模块。通过使用继电器，对家用电气设备进行打开和关闭操作。该设备的控制终端必须由 ARM 控制器的 I/O 引脚直接控制。连接到 ARM 处理器的SIM300 通信模块需要进行电平转换。而 MAX232 是最常用的电平转换芯片，如图 2.6所示就是 MAX232 电平转换芯片的接口原理图。
（5）人机交互
作为控制系统设计的一个重要组成部分，人机交互是负责提供友好的交互界面和功能，使人和机器和谐相处的部分，通过良好的人机交互界面设计，可以增加用户依赖性。人机交互终端作为智能家居控制系统的组成部分，是一个人和设备进行信息交互的平台，智能控制系统通过它和用户之间进行信息传输。其硬件组件应该包括液晶显示屏，信息控制按钮，实时时钟，信息存储器，状态指示灯，语音提示。通过智能键查询、设备状态显示和语音提示实现智能系统和用户的交流。如图 2.7 所示为人机交互部分的结构。
采用 DS1302 芯片做为实时时钟芯片，DS1302 芯片是美国 DALLAS 公司推出一个的高性能、低功耗的实时时钟。带 RAM 数据存储，可以设置日期和时间。DS1302 芯片接口电路简单，价格便宜，使用方便，易于操作。实时时钟模块能够显示准确的时间，用户可以设置闹钟功能。
内存模块是一种非易失性外部存储器模块，用于保存系统参数和系统状态信息，如用户设置的报警中心号码。系统采用 FM24C64A 串行电可擦除只读存储器（EEPROM），该模块可串联具有高扩展性，被广泛用于低电压和低功耗的领域。
接收控制按键模块是人机交互设计的重要输入接口部分，用户可以通过键盘控制系统。系统设置了 16 个按键，其中包括数字 0-9 ，菜单（功能）键，确定键和四个方向键。
液晶显示屏和菜单显示处理的人机交互设计的主要部分，用于显示菜单并提示用户信息和操作说明。液晶显示屏为用户提供了极大的方便，用户可以随时了解每个家用电器运行状态，以及当前出现的故障信息。用户可以通过设置菜单功能，实施供全方位的监控和控制操作。因此菜单显示以及相应的信息处理模块也是需要工作量最大的模块。本系统采用的液晶显示屏是 OCM1264，自带中英文字库，方便的软件开发。
通过按键操作，用户可以设置系统，检查和控制各种家用电器[30]。该模块系统与用户直接进行通信的通道。通过控制系统的设置功能，对家居环境变量进行设置，系统就会提供相应的背景音乐。如果在家里的危险情况时，语音提示报警模块。同时控制系统调用远程报警系统来通知用户，用户根据报警信息进行相应处理。系统采用的是 HMA-TTS 语音合成模块，该模块是一种模块化的产品，是在嵌入式系统中移植国语音合成软件 SMA-TTS。体积小巧、合成音质好、功耗很低、易于使用，无需外部辅助电路。加上电源和扬声器就可以通过 UART 串口控制使用。也可以按照用户的需要对合成控制接口进行定制，以满足智能家居应用对语音合成要求。
2.4 本章小结
本章介绍了智能家居控制系统的需求和整体设计。首先对当前智能家居控制系统的功能需求进行了分析，包括智能设备的互联控制，远程监控系统，报警系统，以及互动功能。根据功能需求分析，提出了系统设计的总体框架，并对系统结构和模块进行了划分。介绍了开发智能家居系统时使用的三种网络技术，并系统使用的硬件资源进行选型。
