基于GSM及ZigBee的智能家居控制系统的设计

1 引言

　　目前人们的家居生活中应用了大量的日用电器，但是这些日用电器都要人们去直接操控，虽然可以用一些定时操控，但是功能有限，灵活性很差。而作为移动终端的手机在不断的普及，开发它的扩展应用将是有广大的配备基础和广阔的市场前景的，可以利用手机终端依托公众信息网，控制家电，并查询家中状况。本文讨论的是将信息处理的技术与对设备的操控结合来实现数字家居的一种尝试，使人们能享受到信息革命给生活带来的便利。本文创新点在于用ZigBee技术进行家庭组网结合DSP技术与短信方式来完成远程设备与用户之间的通信。这样网络覆盖范围广，实现控制与监测时具有不需拨号、价格便宜、覆盖范围广等优势，而且不必重新布电网，可以节约财力、物力和人力稳定可靠，易于实现。

　　2 系统硬件设计

　　智能家居系统具有对家庭中的各种设备远程控制、远程查询、集中管理功能，为用户提供更为舒适，方便的生活方式。本设计主要针对的是家电控制。ZigBee通信子节点需具备脉冲量数据采集、开关量数据采集、模拟量数据采集、继电器触点输出等功能，而主节点实际上是一个功能齐全的FFD设备，对家庭子网节点的管理，并与家居服务器通信，实现服务器和子节点的信息交互本设计中家庭内部节点主要由射频芯片CC2430和TMS320VC5402芯片组成，CC2430是符合IEEE802.15.4标准（MAC、和PHY层）的ZigBee无线网络模块。TMS320VC5402芯片用来控制CC2430ZigBee模块的运行，并且与GSM模块通过MAX3111进行连接，用来进行数据的通讯。我们将ZigBee的协调器节点和GSM模块集成在一块板子。节点在空闲时间处于睡眠状态，当用户有控制信号或者数据采集要求时采用中断将节点唤醒，完成数据采集或控制任务，并上报相关信息。

　　系统构成图如下所示：

　　主控中心模块它承担着短信的接收，命令的判断，执行命令的发出或直接驱动，并将机器的工作状态用短信发给移动终端。

　　这种工作可以选用低价普通的C51单片机。但考虑要在以后扩展基于图像的彩信反馈的应用，所以在本设计中控制器的处理机选用了TMS320VC5402芯片。DSP主控模块采用了TMS320VC5402EVM评估板及仿真器。TMS320VC5402EVM提供了2个BCMSP的直联接线口J6,J7和PHI的驱动口J2及J5与仿真器的接口连接。该板有512KRAM数据存储，64KRAM作为程序储存。4KFLASH存储器，可用于存储需保留的数据。

　　TMS320VC5402要与GSM模块相连就要扩展RS232接口，TMS320VC5402只提供了2个多通道带缓冲同步串行口MCBSP0,MCBSP1。如果实现对接，就要对MCBSP串口进行转换。我们这里使用的是MAX3111芯片。MAX3111芯片具有尺寸小，价格低，功耗少，通信速率高等特点。用MAX3111芯片实现同步串行数据接口到异步串行口（RS-232）的转换。可与H6221的RS232口相连。MAX3111包括UART和RS-232两个部分，其中UART部分包括兼容SPI的串行口，可编程波特率发生器，发送缓冲器及发送移位寄存器，接收缓冲器，接收移位寄存器，8字节接收FIFO,以及有四种可屏蔽中断源的中断产生器。而RS232部分包括自带电容的电泵。

　　由于MAX3111是3.3V器件，TMS320VC5402的MCBSP串行接口工作SPI模式时可直接与MAX3111连接实现与RS232设备异步数据传输。此时TMS320VC5402作为SQI协议中的主设备，发送时解信号（BCLKX）作为MAX3111的串行时解输入，发送帧同步信号（BFSX）作为MAX3111的原选信号（TCS）。BDX与DIN连接作为发送数据线。BDR与DOUT作为接收数据线。

　　MAX3111的功能可通过BDX线向其发送16位的控制字配置命令来定制。MAX3111的TX与T1IN连接，RX与R1OUT连接以便利用其片内的转换器实现UART到RS232电平转换。

　　MAX3111串断信号（IRQ）与DSP的外部中断LNTO相连。这样无需任何其它外围器件。由于异步收发由MAX3111硬件实现，所以TMS320VC5402的软件编程只需考虑与MAX3111之间的同步数据通信。

　　TMS320VC5402与CC2430的联接是系统的执行环节。由于CC2430是C51为核心的，所以TMS320VC5402与CC2403连接类似与C51单片机的连接，只是CC2430的电平为2—3.9伏。

　　而TMS320VC5402接口电平为3.3伏，正好能直接匹配，减少了电平转换的麻烦。

　　执行终端在接收到对本机的呼叫并确认中心所下达的执行命令时就驱动相应端口的输出脚，如上图中的P0.0驱动三极管Q,带动继电器J0,三个常开接点闭合，J0.1课带动负载，而J0.2由P1.0检测，J0的状态，可供查询。

　　用CC2430芯片组成ZigBee的无线网络可以在节点间进行，接力传输每个节点间距离可达70米，在节点间距离较密时网络节点有自愈功能。这种网络可支持较大规模网络，节点可达6万多。在实现ZigBee的软件方面要有ZigBee协议栈的支持，现在厂家以可以免费支持，这使得基于利用CC3430无线单片机，ZigBee技术的无线网络可以得到普级。

　本设计选用了星型组网方案。星型网络以网络协调器为中心，所有设备只能与网络协调器进行通信。ZigBee网络的协调器节点和主控模块相互连接来进行数据传输。在ZigBee网络中，所有节点的传感器数据都通过路由送往协调器节点。每个传感器节点可以设置成睡眠模式，在没有数据发送的时候进入休眠，以节省功耗，延长使用寿命。根据ZigBee协议，每个ZigBee主设备可以连接多达254个从设备，一个区域内最多可以同时存在100个独立且相互重叠覆盖ZigBee网络。所以，网络容量很大，能满足大多数需求。网络中的数据传输采用了碰撞避免机制和完全确认的数据传输机制。而且网络层和MAC层都有安全策略，且安全分级，各个应用可以灵活确定其安全属性。所以整个网络的可靠性和安全性都比较高。其工作流程为：

　　a.由用户手机发送规定好的命令给GSM模块，DSP主控模块收到GSM发来的命令后，解释该命令。解释完命令后发给主控中心的ZigBee无线射频模块，由该模块把命令发给相应的分控终端设备，分控终端设备收到命令后做出相应的动作。

　　b.当分控终端收到命令后会有两种动作：一种是做出相应的动作后向上层做出应答，另一种是主控中心把收到分控终端的信息，通过GSM以短信形式发到用户手机上。

　　到此己经完成了用户在远程对家庭内部的电子设备的控制与监测。

　　3 系统的调试

　　1.短信收发的调试：这个环节主要完成验证所选用的GSM调制解调器AT命令的兼容性。可在PC机上用超级中端来调试。

　　2.TMS320VC5402的同步串口MCBSP1与MAX3111的串行口的调试。要保证能正确接受到短信，调试过程要用TMS320VC5402仿真器。

　　3.TMS320VC5402的同步串口MCBSP0与CC2430的连接，这两个芯片要分别用仿真器两台电脑调试才能发现问题出在那一边。

　　4.调试ZigBee网络，中心控制器的CC2430和被控端的CC2430分别用仿真器分段调试，调通ZigBee链路。

　　5.调试被控端CC2430的驱动端口，能按要求驱动继电器。

　　6.逐级联调，以中心控制器为中心按各个方向的协议调通。

　　7.调试中心控制器的控制和管理逻辑。

　　8.全系统联调测试。过程中用到一个TMS320VC5402仿真器和两个CC2430仿真器。

　　4 结论及展望

　　本设计的主题是建立一个基于GSM短信息的家居智能化控制系统，实现对家庭设备，家居环境状况的控制与监测。GSM短信息模块执行接收短信息给用户手机及发送用户手机的短信息，建立了用户手机和DSP主控模块的远程通信功能，系统通过ZigBee无线通信技术实现子功能模块与主控模块之间的通讯。

　　本系统的优势和创新主要体现在以下几个方面：

　　1.设计了基于新标准ZigBee的无线技术在智能家居行业的应用方案，这在家居行业的技术发展和应用方面的研究具有前沿性和实用性。

　　2.根据人们平时通信的习惯，设计基于GSM短信来远程控制家电的系统易于被人们所接收，并且在不需要很强实时性的家居控制中具有方便，快捷，高效率低运行成本的优势。

　　3.系统采用DSPTMS320VC5402,不仅有很好的性价比也为以后系统升级扩展留有余地。在今后可以利用基于GPRS的彩信服务或3G移动通信，反馈信息可以向图形、图象的视频信息方向发展。这时，中心控制器要有足够的能力处理视频，这时DSP就大有用武之地。

　　4.在设计中解决了DSPTMS320VC5402与GSM模块相连接的接口问题。

　　因此基于GSM短信的智能家居控制系统具有较好的社会发展前景。