【正文】 基于CoretexM3的智能家居遠程監(jiān)控系統(tǒng)（論文） 大連理工大學城市學院2010年“畢昇杯”電子創(chuàng)新比賽參賽作品基于CoretexM3的智能家居遠程監(jiān)控系統(tǒng)參賽學校：大連理工大學城市學院學 生： 孫濤 徐爽 王越群 指導教師： 金建設(shè) 王永輝 完成日期： 2010年05月30日 摘 要 本文設(shè)計了一種基于CoretexM3嵌入式系統(tǒng)和GPRS模塊的智能家居遠程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以通過手機發(fā)出中文短消息命令，啟動家電工作或停機。如果用戶需要，發(fā)出數(shù)據(jù)采集指令可獲取室溫與家電工作狀態(tài)信息。當家居出現(xiàn)有人入室盜竊或火災(zāi)跡象時，系統(tǒng)將采用中文短信的形式向默認手機發(fā)送報警信息。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的遠程監(jiān)控系統(tǒng)在功能上完全達到了設(shè)計目標，并具有簡單易行、人性化、實用化的特點。關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；智能家居；遠程監(jiān)控。 CoretexM3。 GPRSRemote Monitoring and Control System for Smart HomeAbstractA remote monitoring and control system for smart home based on CoretexM3 and GPRS was developed. This system can control the home equipments, collect data about the home condition and receive the alarm information of home guarding and fire by using Chinese short massaging of mobile. The experiment shows that the system can work according deigned function. The advantages of this system are easy to set up, convince to use and friendly to people. . Key words: Embedded System。 Smart Home。 Remote Monitoring and Control。 CoretexM3。 GPRS目 錄Abstract 1第一章 緒論 3第二章 系統(tǒng)方案 5 5 6 6 7 7 7第三章 功能與技術(shù)指標 8 8 9第四章 實現(xiàn)原理 10 10 10 10 10 11 11 12 軟件總體結(jié)構(gòu) 12 主程序流程圖 14 14 16 16 17第五章 功能測試與結(jié)果分析 21第六章 部分硬件原理圖 23第七章 系統(tǒng)總結(jié) 24 24 25參考文獻 25附錄A：程序清單 26附錄B：源代碼 26第一章 緒論為給人們提供一個更加舒適、便捷、高效、安全的生活環(huán)境，建立一個高效率、低成本的智能家居系統(tǒng)已成為當今的一個熱點問題，近年來，國際和國內(nèi)許多公司都提出相應(yīng)的解決方案，但至今為止，這一領(lǐng)域的國際標準尚未成熟。智能家居是通過綜合采用先進的計算機、通信和控制技術(shù)，建立一個由家庭安全防護系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)和家庭自動化系統(tǒng)組成的家庭綜合服務(wù)與管理集成系統(tǒng)，從而實現(xiàn)全面的安全防護、便利的通訊網(wǎng)絡(luò)以及舒適的居住環(huán)境的家庭住宅。智能家居是IT技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)向傳統(tǒng)家電產(chǎn)業(yè)滲透發(fā)展的必然結(jié)果。智能家居的功能一般包括如下幾個方面：（1） 家庭安防：安全是居民對智能家居的首要要求，家庭安防由此成為智能家居的首要組成部分。家庭安防往往具有門窗磁報警、緊急求助報警、燃氣泄漏報警、火災(zāi)報警等功能。當智能家居的安防子系統(tǒng)處于布防狀態(tài)時，系統(tǒng)探測到家中有人入室，就會自動報警，通過蜂鳴器和語音實現(xiàn)本地報警；同時，報警信息報到物業(yè)管理中心，或自動撥號到主人的手機或電話上。（2） 可視對講：通過集成與顯示技術(shù)，家庭智能終端上集成了可視對講功能，無需另外設(shè)置室內(nèi)分機即可實現(xiàn)可視對講的功能。（3） 遠程抄表：水、電、氣表的遠程自動抄收計費是物業(yè)管理的一個重要部分，它的實現(xiàn)解決了入戶抄表的低效率、干擾性和不安全因素。（4） 家電控制：家電控制是智能家居集成系統(tǒng)的重要組成和支持部分，代表著家庭智能化的發(fā)展方向。通過有線或無線的聯(lián)網(wǎng)接口，將家電、燈光與家庭智能終端相連，組成網(wǎng)絡(luò)家電系統(tǒng)，實現(xiàn)家用電器的遠程控制。（5） 家庭信息服務(wù)：物業(yè)管理中心與家庭智能終端聯(lián)網(wǎng)，對住戶發(fā)布信息，住戶可通過家庭智能終端的交互界面選擇物業(yè)管理公司提供的各種服務(wù)。嵌入式系統(tǒng)體積小、功耗低、可靠性高、軟硬件可裁剪的特性為智能家居的實現(xiàn)提供了良好的前端控制終端。以往的智能家居的前端控制終端絕大多數(shù)是采用單片機，隨著32位嵌入式處理器的出現(xiàn)，使處理能力高、具有操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)功能的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于智能家居已成為可能，這將進一步提升智能家居控制系統(tǒng)的性能。隨著移動通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，四通八達的GSM無線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為現(xiàn)代生活中不可缺少的一部分，移動通訊模式以其方便、簡潔、覆蓋范圍廣等優(yōu)點成為眾多領(lǐng)域開發(fā)應(yīng)用的對象。手機具有體積小、可隨身攜帶、普及率高、可隨時操作、通信距離不受限制等優(yōu)點，是一種理想的智能家居遠程監(jiān)控終端，很容易被用戶接受。本文基于達盛科技EXPLM326952實驗開發(fā)平臺，開發(fā)出一套應(yīng)用于智能家居的安防與家電遠程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有簡單易行、成本低、可隨時操作、易被用戶接受的特點。用戶可以在GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋的任何范圍內(nèi)自由活動，發(fā)生入室盜竊或火災(zāi)跡象時會接收到報警信息，當需要時可觀看各個監(jiān)控點的情況，可以實現(xiàn)家電的手機遠程遙控。為了使系統(tǒng)具有用戶的友好性，用戶接收信息和發(fā)出的命令全部使用中文。綜合以上優(yōu)點使本系統(tǒng)具有廣泛應(yīng)用前景。第二章 系統(tǒng)方案在智能家居的諸多功能中，人們最關(guān)心的家居的安防和家電控制的實現(xiàn)，所以本系統(tǒng)方案的著眼點放在家居安防和家電控制功能的實現(xiàn)。系統(tǒng)選用基于LM3S6952處理器的EXPLM326952為硬件平臺，使用西門子生產(chǎn)的工業(yè)級GPRS模塊TC35i作為通信模塊，并擴展了數(shù)據(jù)采集與家電控制外圍電路，外圍電路經(jīng)GPIO與EXPLM326952相連接。系統(tǒng)的整體方案如圖21所示：圖21 智能家居遠程監(jiān)控系統(tǒng)的整體方案 嵌入式操作系統(tǒng)選擇ucosii，開發(fā)環(huán)境采用IAR for ARM 。用LM3S6952處理器自帶的多功能可編程I/O接口GPIO實現(xiàn)對各個監(jiān)控點的控制。通訊模塊采用西門子基于TC35i的工業(yè)級GPRS模塊，控制命令和報警信息以中文短信的方式進行傳送。 本文以ucosii作為操作系統(tǒng)，ucosii是一種免費使用、自由傳播和源代碼公開的嵌入式操作系統(tǒng)。作為嵌入式操作系統(tǒng)有如下優(yōu)勢：（1） 低成本開發(fā)系統(tǒng)，源代碼的開放性允許任何人獲取并修改，一方面降低了開發(fā)成本，另一方面又提高了開發(fā)效率。（2） 可應(yīng)用于多種硬件平臺，支持ATMEL、FREESCALE、ARM、NEC、TOSHIBA、SAMSUNG、MICROCHIP、STMicroelectronics等多種體系結(jié)構(gòu)，并已被成功移植到多種硬件平臺。（3） 定制的OS內(nèi)核，ucosii具有獨特的內(nèi)核配置機制，根據(jù)用戶的需要可以將某些模塊選中編譯或不編譯到內(nèi)核中，并能根據(jù)嵌入式設(shè)備的個性需要量體裁衣，內(nèi)核可以達到幾十個KB。（4） 性能優(yōu)異，ucosii系統(tǒng)內(nèi)核精簡、高效和穩(wěn)定，能夠充分發(fā)揮硬件的功能，相對其它操作系統(tǒng)，其運行效率更高、占用資源更少、運行更穩(wěn)定、速度更快。（5） 良好的網(wǎng)絡(luò)支持，ucosii提供了對網(wǎng)絡(luò)的模塊支持，這對依賴網(wǎng)絡(luò)的嵌入式設(shè)備來說無疑是一個很好的選擇。 系統(tǒng)使用門磁傳感器作為入室盜竊報警信號發(fā)生器，門磁開關(guān)安裝在門窗上，在布防后當門窗被打開時，門磁的開關(guān)狀態(tài)發(fā)生改變，啟動室內(nèi)的聲光報警裝置，對入室盜竊者產(chǎn)生威懾作用，同時經(jīng)光電耦合電路將報警信號送微處理器，控制GPRS發(fā)出中文報警信息到用戶手機。 在廚房設(shè)有煙霧傳感器，當它檢測的煙霧濃度達到報警限時帶動一開關(guān)接點動作，啟動室內(nèi)音響報警裝置發(fā)出警報，同時該信號經(jīng)光電耦合電路送微處理器，控制GPRS發(fā)出報警信息到用戶手機。本系統(tǒng)設(shè)計了中文命令集，命令集分兩類指令，一類為家電操作指令，當系統(tǒng)收到用戶通過手機發(fā)出的家電啟停短消息指令后，對短消息操作指令進行譯碼，確定系統(tǒng)的操作動作，然后通過GPIO輸出控制信號，控制信號經(jīng)放大后驅(qū)動相應(yīng)的繼電器動作，從而實現(xiàn)家電設(shè)備的啟?？刂?；另一類命令為數(shù)據(jù)采集命令，用戶使用該類命令可遠程采集家居狀態(tài)信息，包括室溫、家電的工作狀態(tài)，當系統(tǒng)收到用戶通過手機發(fā)出數(shù)據(jù)采集命令后，系統(tǒng)進行譯碼識別，而后將用戶需要的家居狀態(tài)信息經(jīng)GPRS模塊發(fā)回用戶手機。用戶可發(fā)送中文指令集中的一條或多條命令，實現(xiàn)對一個或多個設(shè)備的控制，系統(tǒng)中文指令集中的指令支持組合使用。系統(tǒng)命令譯碼設(shè)計考慮了操作的容錯性，當手機發(fā)出的短信命令不完備或?qū)ο到y(tǒng)發(fā)出命令集中沒有的短消息時系統(tǒng)將不產(chǎn)生任何控制動作。采用西門子公司生產(chǎn)工業(yè)級GSM/GPRS模塊TC35i。插入SIM卡后接入到中國移動網(wǎng)絡(luò)(GSM或CDMA)，通過串口2與LM326952開發(fā)板相連，執(zhí)行標準的AT指令即可像普通的移動電話（mobile phone）一樣具有收發(fā)短信等功能。考慮到國內(nèi)用戶的使用習慣，本系統(tǒng)提供一組中文指令集供用戶使用，用戶通過短信發(fā)送系統(tǒng)提供的中文指令，可以方便的了解家中各種電器的工作狀態(tài)并加以控制，同時在系統(tǒng)報警條件被觸發(fā)時自動以中文短信的方式將報警信息發(fā)送到用戶手機。 本系統(tǒng)采用LM3S6952處理器自帶的多功能輸入輸出引腳作為軟硬件接口，LM3S6952有43個多功能引腳，結(jié)合本系統(tǒng)要實現(xiàn)的控制功能從中選取10個引腳，將這10個引腳連接到系統(tǒng)的硬件驅(qū)動電路，驅(qū)動電路接到控制信號后執(zhí)行相應(yīng)的動作。對GPIO的控制需要首先對相應(yīng)的端口和具體引腳進行配置，具體的使用也很簡單，Luminary驅(qū)動庫中自帶一組對GPIO進行操作的輸入輸出函數(shù)，用戶在對使用具體的GPIO引腳時，只需調(diào)用相應(yīng)的IO操作函數(shù)即可。 軟件的實現(xiàn)可以有多種方式，例如將所有的操作放到一個循環(huán)里面，系統(tǒng)開機后循環(huán)執(zhí)行所有的操作，此時對于實時性要求不高的家居監(jiān)控也能基本滿足，但是為了充分發(fā)揮系統(tǒng)的實時性，我們在系統(tǒng)中引進ucosii操作系統(tǒng)，ucosii是一款優(yōu)秀的多任務(wù)實時操作系統(tǒng)，支持多任務(wù)，我們將系統(tǒng)的遠程監(jiān)控功能和報警功能設(shè)計為兩個任務(wù)，系統(tǒng)啟動后自動對兩個任務(wù)進行調(diào)度，并且報警任務(wù)的優(yōu)先級比遠程監(jiān)控的優(yōu)先級要高，當發(fā)生報警事件時系統(tǒng)能立即做出響應(yīng)，從而滿足系統(tǒng)的實時性要求。由于LM3S6952是德州儀器公司最近兩年才推向市場的一款CoretexM3內(nèi)核芯片，設(shè)計比較新且功能強大，所以ucosii還沒有對此芯片提供很好的支持，我們參考了多方面資料，做了大量實驗使LM3S6952能夠運行ucosii，此項移植工作是我們在本系統(tǒng)設(shè)計中花費工作量比較大的一項工作。第三章 功能與技術(shù)指標該系統(tǒng)工作時，由手機發(fā)出中文短消息命令，操作命令經(jīng)過GSM移動通訊網(wǎng)絡(luò)傳送給GPRS模塊，LM3S6952經(jīng)過GPRS模塊接收操作命令并進行判斷處理，如果是家電控制命令，則經(jīng)繼電器驅(qū)動電路控制相應(yīng)的家電動作，如果是數(shù)據(jù)采集命令，LM3S6952將控制GPRS模塊將用戶所要的數(shù)據(jù)以中文短消息的形式發(fā)給遠方用戶的手機。當家居出現(xiàn)有人入室盜竊或火災(zāi)跡象時，門磁傳感器或煙霧傳感器發(fā)出報警信號，經(jīng)光電耦合電路送給LM3S6952，LM3S6952判斷處理后通過GPRS模塊采用中文短信的形式向默認手機發(fā)送報警信息，系統(tǒng)的具體功能如下：（1） 空調(diào)遠程啟停控制。在夏季，用戶回家前可以用手機發(fā)出打開空調(diào)命令使室溫在用戶到家時達到理想的溫度。如果用戶發(fā)現(xiàn)離家時空調(diào)忘記關(guān)閉，可以通過手機發(fā)出命令關(guān)閉空調(diào)。（2） 供熱閥遠程啟?？刂?。在冬季，用戶回家前可以用手機發(fā)出打開供熱閥命令，使家居供熱系統(tǒng)工作。家中無人時關(guān)閉供熱系統(tǒng)，這樣可合理節(jié)約能源。（3） 熱水器遠程啟停控制。當用戶在回家后需使用熱水，可以通過手機發(fā)出熱水器啟動命令，以滿足使用需要。（4） 防盜報警功能。系統(tǒng)在布防后，若房間的門或窗被強行打開，系統(tǒng)會立即發(fā)出防盜報警短消息至用戶手機，在遠方的用戶在接到報警短信后，確認家居有被盜跡象可遠程啟動家居內(nèi)聲光報警器，對入室竊賊起威懾作用。（5） 防火報警功能。系統(tǒng)在廚房內(nèi)設(shè)置煙霧傳感器，當煙霧濃度達到報警限時系統(tǒng)發(fā)出報警短消息給遠方用戶手機，（6） 家電工作狀態(tài)遠程采集功能。如果用戶想要了解遠方家居內(nèi)家電設(shè)備的工作狀態(tài)，可通過手機發(fā)出家電工作狀態(tài)查詢命令，系統(tǒng)會根據(jù)查詢命令發(fā)出指定家電或所有家電設(shè)備的工作狀態(tài)短消息到用戶手機。（7） 家居室溫遠程采集功能。系統(tǒng)的溫度傳感器實時監(jiān)測家居內(nèi)的室溫，如果用戶想了解家居內(nèi)的室溫，可通過手機發(fā)出溫度采集命令，系統(tǒng)會將當前的室溫以短消息的形式發(fā)給用戶。 （1） 遠程監(jiān)控命令和信息顯示：全部遠程監(jiān)控命令和顯示信息均以中文短消息的形式表示。監(jiān)控命令發(fā)出后系統(tǒng)的動作響應(yīng)時間﹤10秒。系統(tǒng)對監(jiān)控命令具有容錯性，當所發(fā)出的命令短信不完備或有錯誤時控制系統(tǒng)將不動作。（2） 通信指標：符合GSM短消息業(yè)務(wù)標準。在中國移動通訊網(wǎng)絡(luò)或中國聯(lián)通通訊網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣內(nèi)，除因網(wǎng)絡(luò)狀況擁擠或SIM卡欠費等客觀因素外，保證用戶在任何時間，任何地點都可以實現(xiàn)對家居的遠程監(jiān)控。（3） 防盜報警指標：門窗打開縫隙﹥，系統(tǒng)發(fā)出防盜報警信息，遠方手機在15