【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 絡(luò)中移動(dòng)臺(tái)所處的SGSN。SGSN把數(shù)據(jù)送到GGSN，GGSN把收到的消息進(jìn)行解裝處理，轉(zhuǎn)換為可在公用數(shù)據(jù)網(wǎng)中傳送的格式(如PSPDN的PDU)，最終送給公用數(shù)據(jù)網(wǎng)的用戶。為了提高傳輸效率并保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，可以?duì)空中接口上的數(shù)據(jù)壓縮和加密處理。第二種情況中，一個(gè)公用數(shù)據(jù)網(wǎng)用戶傳送數(shù)據(jù)到移動(dòng)臺(tái)，首先通過數(shù)據(jù)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議建立數(shù)據(jù)網(wǎng)和GGSN之間的路由。數(shù)據(jù)網(wǎng)用戶發(fā)出的數(shù)據(jù)單元(如PSPDN中的PDU)，通過建立好的路由把數(shù)據(jù)單元PDU送給GGSN。而GGSN再把PDU送給移動(dòng)臺(tái)所在的SGSN，GSN把PDU封裝成SNDC數(shù)據(jù)單元，再經(jīng)LLC層處理為L(zhǎng)LC幀單元，最終經(jīng)空中接口送給移動(dòng)臺(tái)。第三種情況是一個(gè)數(shù)據(jù)網(wǎng)用戶傳送數(shù)據(jù)給一個(gè)正在漫游的移動(dòng)用戶，其方式和第二種情況類似，但不同的是其數(shù)據(jù)必須經(jīng)過歸屬地的GGSN，然后送到移動(dòng)用戶。 本章小結(jié)本章介紹了GPRS技術(shù)和ZigBee技術(shù)在應(yīng)用于智能家居中短距離無線通信的優(yōu)勢(shì)，詳細(xì)介紹了GPRS技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、協(xié)議和路由管理的相關(guān)知識(shí)。協(xié)議棧，應(yīng)用領(lǐng)域以及選用星型網(wǎng)絡(luò)作為智能家居的組網(wǎng)方式等。3 智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 智能家居系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想我們應(yīng)用智能家居的基本目標(biāo)是使我們的生活環(huán)境更加舒適、安全、方便和高效。因此智能家居系統(tǒng)的硬件和軟件都應(yīng)具有先進(jìn)性，避免短期內(nèi)因技術(shù)陳舊造成整個(gè)系統(tǒng)性能不高和過早淘汰。與此同時(shí)，應(yīng)立足于用戶對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的具體需求，具有實(shí)用性。不管是系統(tǒng)中的設(shè)備、軟件還是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，都應(yīng)具有良好的開放性。網(wǎng)絡(luò)化的目的在于要實(shí)現(xiàn)設(shè)備資源和信息資源的共享，由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)本身具有開放性，和共享性。因此我們應(yīng)設(shè)計(jì)提供標(biāo)準(zhǔn)接口。用戶可根據(jù)其需求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更新和升級(jí)。這個(gè)系統(tǒng)采用GPRS技術(shù)和短消息的方式來實(shí)現(xiàn)無線傳輸短消息，并且控制器將把短消息分析翻譯成為可以識(shí)別的命令編碼。這樣可以通過手機(jī)操控的方式來實(shí)現(xiàn)家居監(jiān)控。用GPRS接入的好處是可以滿足部分Internet普及率不是很高的現(xiàn)狀，同時(shí)用手機(jī)對(duì)家庭進(jìn)行監(jiān)控彌補(bǔ)了通常智能家居控制器的操作距離短、地域限制等問題。并且以短消息的方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，提高了效率降低了成本，同時(shí)本系統(tǒng)可以擴(kuò)展應(yīng)用于多種無人職守地區(qū)的監(jiān)控安防等場(chǎng)所，如圖31所示。圖31 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 Overall System Chart系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)功能：(1)防盜警報(bào)當(dāng)家庭遭到非法入侵的時(shí)候，例如玻璃被打破、門窗被撬等，相應(yīng)傳感器將檢測(cè)到情況，立刻通過室內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)，將采集到的信號(hào)發(fā)送到家庭控制器，再經(jīng)過家庭控制器處理，最后將警報(bào)信息通過GPRS模塊以短消息的方式發(fā)送到主人的手機(jī)上，從而實(shí)現(xiàn)了家庭的安防功能。(2)家電遠(yuǎn)程控制 當(dāng)我們需要遠(yuǎn)程控制家用電器的開關(guān)時(shí)，只要用手機(jī)發(fā)送指定命令的短信息，通過GPRS模塊的接收，并將短信息翻譯成為可以識(shí)別的命令傳輸給家庭控制器，控制器經(jīng)過處理，通過ZigBee模塊的無線傳輸將命令發(fā)送到與家電相連接的單片機(jī)上，通過對(duì)單片機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)家電的控制。(3)火災(zāi)監(jiān)控安裝在室內(nèi)的感溫探測(cè)器及感煙探測(cè)器將實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)房間內(nèi)有無火災(zāi)的發(fā)生。當(dāng)檢測(cè)到的火災(zāi)存在，將把采集到的信息通過無線ZigBee模塊發(fā)送到家庭控制器，家庭控制器通過GPRS模塊將信息以短消息的方式發(fā)送到主人的手機(jī)。 系統(tǒng)工作過程智能家居的系統(tǒng)主要有GPRS模塊、基于單片機(jī)的主控制模塊、ZigBee無線傳輸模塊、家電端的控制模塊、和傳感信號(hào)采集發(fā)送模塊幾部分組成。其中，GPRS模塊的主要功能是接收用戶手機(jī)所發(fā)送的短消息，并將短消息解析成為一段可以識(shí)別的命令傳輸給主控制器?；趩纹瑱C(jī)的主控制器的作用是將接收到的命令做出響應(yīng)。ZigBee模塊是將主控制器所下達(dá)的命令通過無線的ZigBee網(wǎng)傳輸?shù)郊译姸?。傳感信?hào)采集發(fā)送模塊的作用是通過實(shí)時(shí)的監(jiān)控，不斷確認(rèn)是否達(dá)到預(yù)訂的警報(bào)值，如果達(dá)到了預(yù)定值，就將警報(bào)信號(hào)發(fā)送給主控制器，主控制器通過分析判斷出該警報(bào)信號(hào)是從哪個(gè)家電終端發(fā)送的，在經(jīng)過GPRS模塊發(fā)送給用戶手機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)家庭各個(gè)方面的防護(hù)。 應(yīng)用技術(shù)分析 無線傳輸技術(shù)室內(nèi)無線傳輸采用基于ZigBee射頻芯片CC2430設(shè)計(jì)的終端節(jié)點(diǎn)，通過覆蓋在家中的無線網(wǎng)絡(luò)把信息發(fā)送到總控制器[9]。此射頻收發(fā)模塊的特點(diǎn)如下：(1)低功耗。在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6~24個(gè)月，甚至更長(zhǎng)。(2)低成本。通過大幅簡(jiǎn)化協(xié)議，降低了對(duì)通信控制器的要求，按預(yù)測(cè)分析，以8051的8位微控制器測(cè)算，全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32KB代碼，子功能節(jié)點(diǎn)少至4KB代碼，而且ZigBee免協(xié)議專利費(fèi)。(3)低速率。ZigBee工作在20250kbps的較低速率，分別提供250kbps()、40kbps(915MHz)和20kbps(868MHZ)的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。(4)近距離。傳輸范圍一般介于10100m之間，在增加發(fā)射功率后，亦可增加到13km。這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離。(5)短時(shí)延。ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較而言，藍(lán)牙需要310s、WiFi需要35s。(6)高容量。ZigBee可采用星狀、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。(7)高安全。ZigBee提供了三級(jí)安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES128)的對(duì)稱密碼，以靈活確定其安全屬性。(8)免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段，(全球)、915MHz(美國)和868MHz(歐洲)。 CC2430芯片的特點(diǎn)如下：l 高性能和低功耗的8051微控制器核。 l GHz的 RF無線電收發(fā)機(jī)。 l 優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性。 l μA的流耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統(tǒng)； μA的流耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)。 l 硬件支持CSMA/CA功能。 l 較寬的電壓范圍(～ V)，強(qiáng)大和靈活的開發(fā)工具。 l 數(shù)字化的RSSI/LQI支持和強(qiáng)大的DMA功能。 l 具有電池監(jiān)測(cè)和溫度感測(cè)功能。 l 集成了14位模數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC，集成AES安全協(xié)處理器。帶有2個(gè)強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的USART，以及1個(gè)符合IEEE ，1個(gè)常規(guī)的16位計(jì)時(shí)器和2個(gè)8位計(jì)時(shí)器。從這些特點(diǎn)我們看出，此ZigBee射頻模塊組網(wǎng)可以滿足我們對(duì)信號(hào)傳輸?shù)囊?。CC2430模塊本身集成了51內(nèi)核的單片機(jī)，在基于ZigBee協(xié)議的基礎(chǔ)上可以進(jìn)行簡(jiǎn)單編程對(duì)傳感器發(fā)出來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理發(fā)送到主控制器，同時(shí)可以對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。 GPRS技術(shù)智能家居的控制系統(tǒng)與用戶手機(jī)的通信是通過GPRS技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。GPRS網(wǎng)絡(luò)是在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上引入SGSN(GPRS業(yè)務(wù)支撐節(jié)點(diǎn))、GGSN(GPRS網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn))、和PCU(分組控制單元)。在這個(gè)系統(tǒng)中，我們選用了TC35i來實(shí)現(xiàn)。西門子公司的TC35i模塊是一個(gè)支持中文短信息的工業(yè)級(jí)GSM模塊，工作在900MHz和1800MHz雙頻段，可以傳輸語音和數(shù)據(jù)信號(hào)。TC35i的數(shù)據(jù)接口通過AT命令可雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，可選波特率為300b/s~115kb/s。它支持Text和PDU格式的SMS。它由供電模塊(ASIC)、閃存、ZIF(零插拔力)連接器、天線接口等6部分組成。TC35i模塊有40個(gè)引腳，通過一個(gè)ZIF連接器引出。這40個(gè)引腳可以劃分為5類，即電源、數(shù)據(jù)輸入/輸出、SIM卡、音頻接口和控制。TC35i主要特性與技術(shù)指標(biāo)包括以下幾點(diǎn)： l 頻段為雙頻GSM900MHz和GSMl800MHz (phase 2/2+)； l 支持?jǐn)?shù)據(jù)、語音、短消息和傳真； l 高集成度(36mm)； l 質(zhì)量為9g；l ~； l 可選波特率300bps~115kbps，動(dòng)波特率 ~115kbps； l 電流消耗——，空閑狀態(tài)為25mA，發(fā)射狀態(tài)為300mA(平均)，； l 溫度范圍 ——正常操作20℃~+55℃，存放30℃~+85℃；l SIM電壓為3V/。系統(tǒng)的工作原理是：將系統(tǒng)分成監(jiān)測(cè)和控制兩大類。當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，MCU一邊偵聽監(jiān)測(cè)端口的報(bào)警信號(hào)，一邊等待接收從GSM網(wǎng)絡(luò)傳來的短信控制指令。當(dāng)系統(tǒng)的監(jiān)控傳感器發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)情況，立即觸發(fā)MCU的外部中斷，然后MCU將向TC35i發(fā)送AT指令，從而控制TC35i向指定的移動(dòng)用戶發(fā)送預(yù)先存儲(chǔ)在SIM卡中的報(bào)警短信。當(dāng)TC35i模塊接收到用戶發(fā)來的短信時(shí)，會(huì)觸發(fā)MCU的串行中斷，MCU立即讀取接收到的短信并進(jìn)行解析處理，當(dāng)判斷是否包含有效的控制命令后，再對(duì)家用電器控制裝置進(jìn)行相應(yīng)的控制。，表31中列出了與SMS相關(guān)的主要命令。TC35的數(shù)據(jù)輸入/輸出接口實(shí)際上是一個(gè)串行異步收發(fā)器，符合ITUT RS232接口標(biāo)準(zhǔn)。它有固定的參數(shù)：8位數(shù)據(jù)位和1位停止位，無校驗(yàn)位，波特率在300bps~115kbps之間可選，硬件握手信號(hào)用RTS0/CTS0，軟件流量控制用XON/XOFF，CMOS電平，支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令集。表31 SMS常用的AT指令 SMS Commonly Used At InstructionAT指令 功能AT+CMGC Send an SMS mand(發(fā)出一條短消息命令)AT+CMGD Delete SMS message(刪除SIM卡內(nèi)存的短消息)AT+CMGF Select SMS message format(選擇短消息信息格式：0PDU：1文本)AT+CMGL List SMS message from preferred store(列出SIM卡中的短消息信息格式PDU/text：0/”REC UNREAD”為未讀，1/”REC READ”為已讀，2/”STOUNSENT”為待發(fā)，3/”STO SENT4”為已發(fā)，4/”ALL”為全部的)AT+CMGR Read SMS message(讀短消息)AT+CMGS Send SMS message(發(fā)送短消息)AT+CMGW Write SMS message to memory(向SIM內(nèi)存中寫入待發(fā)的短消息)AT+CMGS Send SMS message from storage(從SIM內(nèi)存中發(fā)送短消息)AT+CNMI New SMS message indication(顯示新收到的短消息)AT+CPMS Preferred SMS message storage(選擇短消息內(nèi)存)AT+CSCA SMS service center address(短消息中心地址)AT+CSCB Select cell broadcast message messages(選擇蜂窩廣播消息) TC35模塊的編碼指令用的是AT指令。AT命令即Attention，AT命令集是由諾基亞、愛立信、摩托羅拉和HP等廠家共同為GSM系統(tǒng)研制的DTEDCE接口標(biāo)準(zhǔn)，是從終端設(shè)備TE(Terminal Equipment)或數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE(Data Terminal Equipment)向終端適配器TA(Terminal Adapter)或數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備DCE(Data Circuit Terminating Equipment)發(fā)送的。通過TA，TE發(fā)送AT命令來控制移動(dòng)臺(tái)MS(Mobile Station)的功能，與GSM網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)進(jìn)行交互。AT命令包括一般命令，呼叫控制命令，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)命令，安全性命令，電話本命令，短消息(SMS)命令，補(bǔ)充業(yè)務(wù)命令，數(shù)據(jù)命令，傳真命令和串口命令。本設(shè)計(jì)主要用的是短消息命令，對(duì)GSM中的短消息業(yè)務(wù)進(jìn)行操作。 系統(tǒng)控制器技術(shù)當(dāng)用戶發(fā)送短信息時(shí)，信號(hào)通過GPRS模塊接收并解析，傳送到了家庭總控制器中進(jìn)行命令解析和響應(yīng)。這個(gè)部分我們選用的是AT89S52作為總控制器。AT89S52是一種低功耗、高性能COMS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容，片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有8位CPU和在系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8K字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，1個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52可降至0HZ靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇。節(jié)電模式、空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)存被保存，振蕩器被凍結(jié)。單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)終端或硬件復(fù)位為止。本智能家居監(jiān)控系統(tǒng)是基于AT89S52芯片作為總控制器開發(fā)和設(shè)計(jì)的。主要任務(wù)是處理和接收各個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)傳來的信號(hào)以及TC35i收發(fā)的信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行分類，解析，并判決信息類型，及時(shí)處理。 主處理器的選取智能家居的系統(tǒng)的主要目的是為實(shí)現(xiàn)對(duì)家中電器的開關(guān)控制及家庭安防的報(bào)警功能。要處理的數(shù)據(jù)量相對(duì)較低，并且考慮到成本問題，而采用了AT89S52單片機(jī)作為主處理器。并且與主處理器相連的ZigBee芯片CC2430內(nèi)部也集成了MCU，可以起到輔助處理的作用，而且每塊ZigBee節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)MCU，所以主處理器只要起協(xié)調(diào)