0． 引言
近年來，隨著網絡通訊技術，電子技術，計算機技術的迅猛發展，人們對生活質量提出了更高的要求，現代化的家居環境也備受人們的關注。目前，國內的智能家居系統主要集中在對單個住宅分散的子系統的控制上，這些子系統功能上比較單一，很難實現信息共享，不便于進行集中管理。本文針對目前國內智能家居系統的局限性，提出一種基于GPRS無線技術的智能家居系統，不僅能對小區多個住宅內的安全狀況進行實時監控，還實現了“三表”（即水表、電表、燃氣表）的遠程抄送。
1．GPRS技術簡介
GPRS（General Packet Radio Service），即通用無線分組業務，是一種基于GSM系統的無線分組交換技術，面向用戶提供移動分組的IP或者X.25連接。與GSM電路交換數據相比，GPRS在數據業務的承載和支持上具有非常明顯的優勢：資源共享，頻帶利用率高，用戶只有在進行數據傳輸時才占有系統資源；數據傳輸率高，GPRS采用分組交換技術，每個用戶能同時占用多個無線信道，同一無線信道又可由多個用戶共享。理論上，GPRS最高傳輸率可達171.2kbit/s；支持X.25協議和IP協議，可與現有的數據網絡進行互通互連；用戶永遠在線且按流量、時間計費，通信成本低。由此可見，將GPRS技術應用于智能家居系統的數據傳輸是最理想的選擇。
2．系統功能及總體結構設計
2．1系統實現的功能
該系統主要是針對普通住宅小區家庭用戶而設計的，它可以對小區內用戶住宅內安全狀況進行集中監控和管理，同時還實現了門禁及抄表功能。用戶可以根據自己需要進行監控狀態、監控參數的設置。系統實現了以下功能：
（1）家居安防監控：當小偷闖入住宅或者有火災、燃氣泄漏等危急事件發生時，監控終端能實時地監測到險情，向監控中心發送告警信息，監控中心則以GSM短信的方式通知戶主。
（2）家居安全狀況遠程實時監控與查詢：主人離家在外，可通過發送手機短信的方式來查詢家中安全狀況信息。
（3）現場圖像抓拍功能：在設防狀態下，當紅外傳感器或者門磁觸發告警時，系統將啟動圖像抓拍器，對現場進行拍攝，所拍攝的圖像通過GPRS網絡發送到監控中心的主機上進行備份。用戶也可以通過發送送機短信的方式來啟動圖像抓拍的功能。
（4）“三表”遠程自動抄送與門禁功能：可以定時或主動讀取用戶家中的水表、電表、煤氣表的用量，并根據相應價格計算費用。當有刷卡開門事件時，判斷卡合法則允許進入。
2．2系統總體結構
智能家居系統由監控終端，GSM短信收發模塊，監控主機三部分組成。監控終端硬件采用ARM7平臺，軟件采用嵌入式實時操作系統VxWorks。監控主機是一臺運行監控管理軟件的PC機，一般置于小區的物業管理中心。圖1是整個系統架構圖。
圖1 系統架構
系統工作時，監控終端循環檢測安裝在室內的門磁、紅外、煙霧、燃氣監測等傳感器，當檢測到有異常情況發生時，終端控制警笛發出告警聲音，提醒戶主及物業管理人員有險情發生并采取防范措施。另外，監控終端還通過GPRS網絡向監控中心發送告警信息。當終端檢測到門磁或紅外告警時，將啟動圖像抓拍器，對用戶室內現場進行連續拍照，拍攝到的圖像終端先進行緩存，再通過GPRS網絡發送至監控主機，監控主機將圖像以文件的形式進行備份。
監控終端還循環接收監控主機下發的數據請求命令，終端對這些命令進行解析。如果是查詢傳感器及門磁狀態，監控終端對相應傳感器的狀態進行檢測，向監控主機返回傳感器的狀態信息；如果是查詢水表、電表或者煤氣表的用量命令，監控終端根據“三表”的RS-485協議，構造查詢幀命令,發送相應的查詢命令，將“三表”返回的數據按照系統的通信協議打包，通過終端上內置的GPRS模塊發送到監控主機。監控主機接收到終端發送的數據后，先對數據幀進行解析。若是告警信息，則監控主機將根據不同的告警播放相應的告警提示音，提醒管理員作出處理。當有告警發生時，監控主機通過RS232接口輸出AT指令，控制外置GMS模塊向系統預先設置好的住宅主人的手機號碼發送告警短信，通知戶主家中有警情發生。同時，監控主機還將把告警事件以日志的形式記錄下來，以便事后對告警信息進行查詢；當接收到的數據幀是抄表命令返回的數據時，主機將把數據寫入到系統數據庫。同時，在顯示界面上彈出一個新窗口，顯示戶主信息、查詢時間、表的用量、相應費用等信息。
3．系統硬件設計
監控終端的原理圖如圖2所示。
圖2 終端原理圖
終端硬件采用的是嵌入式硬件平臺，CPU選用三星公司的基于ARM7TDMI內核的S3C440X微處理器，該處理器是三星公司專為PDA和一般應用開發提供的高性價比和高性能的解決方案。經過性能與成本的綜合考慮,GPRS模塊選用明基公司的 M22模塊。該模塊可工作在三種頻率下：900/1800/1900MHz。支持語音通信，具有GPRS、USSD和CSD三種數據方式及SMS和FAX功能；內嵌TCP/IP協議，軟件支持標準AT 指令并遵循3GPP 27.07/27.05規范。
S3C44B0的IO口的D口擴展了三個按鍵，它們是設防鍵、開門鍵、消告警鍵。按下設防鍵，CPU檢測到IO口為低電平，系統進入監控狀態。該狀態下，系統將循檢測門磁及所有已經安裝的傳感器。由于選用的傳感器輸出電平為0V或12V,而S3C44B0的外圍接口電平為0V~3.3V，傳感器的輸出需經光耦隔離后連接至CPU的IO引腳。采用光耦隔離還有一個作用：在雷雨天氣，傳感器輸出導線很容易引入雷電，導線上會有瞬時高壓脈沖，用光耦將傳感器的輸出與CPU的IO口隔離后，起到保護CPU的作用。當監測到開門鍵按下，電控鎖吸合，門將打開，此時為合法開門狀態，不會產生告警。如果是在監控狀態下，門被強行打開，則門磁輸出由低電平變為高電平，CPU檢測到門磁傳感器輸出高電平，產生告警，CPU控制GPD3口輸出低電平，觸發警鈴產生告警音。告警發生時，CPU通過UART0發送AT指令來控制GPRS模塊，經GPRS網絡向系統監控主機發送告警信息，監控主機對告警信息進行分析處理。M22模塊與CPU采用115200bps的波特率進行通信。它們之間的接口比較簡單，只需要將接收和發送兩個引腳進行連接。考慮到本系統運行過程中需要保存大量的事件日志，如“三表”查詢的數據、告警事件日志以及告警抓拍到的50張圖像等，系統擴展了大容量的外部存儲器HY57V641620(容量為8MB的SDRAM)，SST39VF1601(2MB的FLASH)。其中SDRAM主要負責程序運行以及中間數據的保存，2MB的FLASH主要負責源程序的保存以及一些掉電需要保存的歷史數據，事件日志、圖像數據等。
圖像抓拍器的主要作用是當有盜情發生時，進行現場抓拍。目前在國內市場上已經有很多該類型的產品。我們選擇了深圳安信陽光科技有限公司的彩眼 HRM600GJ圖像抓拍器。HRM600GJ自帶以太網接口。HRM600GJ在接收到S3C44B0發來的拍照命令包后進行連續拍照，所拍攝的圖像為靜態JPEG格式圖象，解析度為320×240，圖像經過網口發送給ARM處理器等待處理。由于S3C44B0片內并不帶以太網接口，因此必須擴展一片以太網接口芯片實現彩眼和 ARM處理器之間的互連。這里我們選用比較常見的也是性價比相對較高的RTL8019AS作為以太網接口芯片。
SN75LBC184是RS485驅動芯片。我們將S3C44B0的第二個串口（UART1）擴展為系統的RS485總線接口。該接口是CPU與“三表”及刷卡器等設備的通信接口。CPU按照主從模式與“三表”進行通信。CPU定義為主設備，“三表”為從設備。主從設備都有唯一的設備地址，通信時，主設備向指定地址的從設備發查詢命令，從設備返回當前數據給主設備。
4．系統軟件設計
4.1終端軟件
傳統的單片機程序設計基本上都采用順序結構，實時性低且CPU對資源的利用率不高。這里，我們采用了嵌入式實時操作系統VxWorks，它是美國風河（WindRiver）公司于1983年設計開發的一種嵌入式實時操作系統（RTOS）。終端軟件設計包括針對系統硬件平臺進行的操作系統的移植和在VxWorks平臺上應用程序的設計兩部分。操作系統的移植的重點也即難點是BSP（Board Support Package）的設計。VxWorks本身提供了針對許多處理器的BSP，但針對S3C44B0的BSP并未提供。在設計系統BSP時，我們首先仔細研究了其中一種BSP代碼范例，了解并掌握了BSP的結構，然后在風河公司針對ARM處理器提供給用戶的BSP模板的基礎上設計了本系統的BSP，限于篇幅，對操作系統的移植部分本文將不作闡述。
監控終端的應用程序采用模塊化的設計思想。由于VxWorks支持多任務，我們將每個功能模塊以一個任務來實現。從時間上看，各個任務處于并行運行的狀態，極大地提高了系統對事件響應的速度，有效地提高了CPU對資源的利用率。終端應用程序包含五個任務，分別是：消息處理任務、傳感器檢測任務、GPRS通信任務、RS485總線設備通信任務、按鍵檢測及處理任務。除消息處理任務以外，其它五個任務優先級相同。VxWorks中任務優先級從0到255，0為最高優先級，255為最低優先級。我們將消息處理任務優先級設定為90，其它四個任務優先級都設定為100。這樣可使消息處理任務盡快的處理其它任務發送來的消息，提高系統對外部事件的響應速度。下面分別對各個任務所實現的功能進行簡要的介紹。
（1）消息處理任務
該任務循環檢測自己的消息隊列，當有其它任務發送來的消息時，讀取消息，對消息進行解析，確定事件類型，然后調用事件相應的處理函數進行處理。本系統定義了多種事件類型，主要有如下幾種事件：傳感器告警事件、設置終端參數事件、傳感器狀態請求事件、刷卡開門事件、水表數據查詢事件、電表數據查詢事件、煤氣表數據查詢事件和按鍵設置事件。
（2）傳感器檢測任務
在任務運行的時間片內，首先判斷系統當前所的處狀態，如果系統處于設防狀態，那么CPU將對室內所有已安裝傳感器進行循環檢測。如果系統工作在撤防狀態下，那么只對煙霧、煤氣傳感器進行檢測。當任務檢測到某一傳感器的輸出達到系統設定的告警閾值時，將向消息處理任務的消息隊列發送一條傳感器告警消息，消息中包含傳感器通道編號。
（3）GPRS通信任務
此任務完成GPRS模塊的初始化、終端與監控中心建立連接以及數據通信功能。
（4）RS485總線設備通信任務
任務完成“三表”數據的讀取以及用戶刷卡檢測功能。
（5）按鍵檢測及處理任務
該任務完成對終端上三個功能鍵的掃描。當其中某個按鍵被按下時，CPU檢測到鍵值，向消息處理任務發送消息，消息任務將調用相應的處理函數進行處理。
4.3監控中心軟件
監控中心軟件采用Borland C++ Builder 6.0開發。它使用WinSock控件接收和發送數據。中心軟件采用模塊化的設計思想，分別實現系統參數設置、操作員權限管理、用戶管理、告警事件處理、數據庫的維護以及數據打印和系統幫助等功能。
5．結束語
本系統實現了對住宅小區內多用戶室內安全狀況的集中監控與管理，還實現了對用戶家中的水表、電表、煤氣表的遠程無線抄送。該系統在實用性、可靠性以及成本等方面取得了較為滿意的效果。目前，本系統已經完成最后調試，即將進入現場試運行。由于系統在硬件設計上充分考慮到了不同的應用場合，留有較大的擴展空間，因此相信該系統將會有較為廣闊的應用前景。