OFweek智能家居網迅：物聯網指的是將各種信息傳感設備，如射頻識別裝置、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等與互聯網結合起來，組成一個巨大的網絡。然后，將生活中的所有物品都納入這個網絡，方便識別和管理。通俗地說，互聯網的終端是人，而“物聯網”的終端是物品，每一件物品都有CPU、網絡地址和傳感器，物品與物品之間也可以傳遞信息、發送指令，其主要宗旨是讓所有物品與網絡連接在一起，系統可以自動的、實時的對物體進行監控、識別、定位、追蹤并觸發相應事件。

　　物聯網的興起，為智能家居提供了條件。如何通過簡化物聯網終端設備，最終開發出一套經濟實用的支持多終端應用的智能家居物聯網平臺是非常有意義、有價值的工作。本系統基于Linux操作系統，開發了一套融合無線移動網絡、射頻識別裝置的智能家居控制系統。此系統具有智能抄表、遠程開啟電器、射頻識別遠程遙控等功能。

　　1　系統概述

　　本系統采用S3C2440芯片作為主控制器，操作界面為4.3寸觸摸顯示屏。上電后，顯示屏顯示整個家居系統網絡內各設備，每個設備分別對應一個圖標，包括燈光控制、風扇、冰箱、電飯煲、燃氣流量采集等。點擊圖標進入該設備相應的詳細信息欄。進入燈光控制界面，可以方便地查看家中各房間亮燈情況，也可遠程通過短信方式控制各房間的燈的亮滅；燃氣使用情況可方便地發送至相關采集部門；坐在辦公室，一條短信可以將電飯煲電源接通。家居中各設備與主控平臺間選擇了2.4 GHz的無線射頻收發芯片nRF24L01，通過它可以實現各家居設備與主控平臺間的無線通信。主控平臺與外網的通信，采用的是德國西門子公司的 MC39i GSM/GPRS終端無線模塊。燃氣流量測量采用了美國矽翔微機電系統（上海）有限公司的MF4000系列氣體流量計燃氣流量計，智能家居控制系統結構框圖如圖1所示。

　　圖1　智能家居控制系統結構框圖

　　嵌入式ARM2440系統開發平臺是整個智能家居系統的監控與管理中心，它主要集成了無線通信模塊、射頻識別模塊、紅外感應模塊、觸摸顯示屏。該總控平臺一方面可以通過無線模塊接收到外部命令（例如：手機短信），并通過射頻識別，控制對應的家居設備按指示工作，例如，打開電飯煲、空調或洗衣機。另一方面，各家居設備運行信息可以通過射頻模塊接收采集（例如采集燃氣讀數、水表讀數、電表讀數等），處理后，可以將數據發送到嵌入式ARM2440系統開發平臺，該平臺將數據分類處理后，可選擇有用數據發送至對應公司服務器（例如燃氣公司、供電局、水廠等），實現自動抄表。

　　智能家居控制系統的中的每一個家居設備，都需要分別安裝一個射頻識別模塊，通過該模塊可以與嵌入式ARM2440系統開發平臺實現短距離無線通信。

　　2　射頻識別模塊

　　nRF24L01是一款工作在2.4～2.5 GHz世界通用ISM頻段的單片射頻收發器件。該射頻識別模塊可以實現多機通信，多機通信采用頻分多址的方法，只需要在接收端對不同的通道配置地址即可。發送端使用相應的地址作為本機地址。接收數據時通過讀取STATUS中相關位即可得知接收的是哪個通道的數據。射頻識別模塊內包括：頻率發生器、增強型 SchockBurstTM模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器和解調器。輸出功率頻道的選擇和協議可以通過對應的SPI接口進行設置。射頻識別模塊功耗低，當工作在發射模式下發射功率為-6 dBm時，電流消耗為9.0 mA；接收模式時為12.3 mA，掉電模式和待機模式下電流消耗更低。

　　nRF24L01在接收模式下可以接收6路不同通道的數據，nRF24L01在星形網絡中的結構如圖2所示。每一個數據通道使用不同的地址，但是共用相同的頻道，也就是說6個不同的nRF24L01設置為發送模式后可以與同一個設置為接收模式的nRF24L01進行通信，而設置為接收模式的 nRF24L01可以對這6個發射端進行識別。同一時刻，所有的數據通道都被搜索，但只能接

　　收一路數據通道的數據。nRF24L01在確認收到數據后記錄地址，并以此地址為目標地址發送應答信號，在發送端數據通道0被用作接收應答信號，因此數據通道0的接收地址要與發送端地址相等以確保接收到正確的應答信號。

　　圖2　nRF24L01在星形網絡中的結構

　　3　氣體流量的檢測

　　氣體流量測量采用的是MF4000系列氣體流量計，MF4000系列質量流量計是美國矽翔微機電專為管徑為3~8 mm的氣體管路中的低速氣流的流量計量而設計。卡口式設計為用戶提供簡便的安裝，滿足用戶測量多氣體管路的需求。塑料卡口可輕松的進行機械接口轉換，應用于不同的低成本環境，內置安全插件可適用于更寬的應用，MF4000系列氣體流量計技術參數如表1所列。

　　表1　MF4000系列氣體流量計技術參數

　　智能家電控制芯片為傳統的8051系列單片機，單片機與氣體流程傳感器通過RS232通信，整個通信過程單片機作為主機，傳感器作為從機，它們采用點對點（或點對多點）主從式工控網絡的半雙工異步傳輸模式，主機和從機之間用輪詢的方式來進行通信。只有主機才能啟動通信，沒有接到主機請求，從機不能主動發送信息。主機向從機發送任務報文，從機接收到主機的任務命令后返回響應報文并執行相應操作。除了發送響應報文外，從機只能處于接收狀態。主機的每一次查詢都是以一個報文（幀）的數據傳送給從機。其通信流程如圖3所示。

　　圖3　單片機與傳感器/流量計的RS232串行通信流程

　　對于RS232協議，用固定的字符0x9D標識一幀數據的開始。數據傳輸通信時，幀頭（地址）的識別是非常關鍵和重要的。一般解決此問題的方法是：找到所要傳輸的數據中不可能出現的特征數據，再將此特征數據作為幀頭發送。但是，這種通信方式中，一方面特征數據一般較難找到，大多數情況下都需要用數個特殊字符組成特征數據作為幀頭；另一方面由于增加了較多的無用字符（相對于有用數據而言），從機不得不對特征數據進行解碼，使得通信時間延長，造成該從機的時間浪費。本協議采用1位幀頭（地址）標志位來解決幀頭（地址）的識別問題。

　　具體方法為：主機首先禁止奇偶校驗，同時設置奇偶校驗位為Mark標志（相當于設置幀頭標志位DS為1），再向從機發送幀頭（地址）。此時，正處于幀頭（地址）監聽狀態的從機收到主機發來的幀頭（地址）后，進入中斷服務例程，讀取主機發送的幀頭（地址）是否正確，當確認正確后，從機進入數據接收狀態并等待主機發送數據；否則，仍處于幀頭（地址）監聽狀態并等待主機發送下一個幀頭（地址）。主機接著禁止奇偶校驗，同時設置奇偶校驗位為Space標志（相當于設置幀頭（地址）標志位DS為0），再發送數據，進入數據接收狀態的從機將正常接收所有數據，然后向主機發送響應報文，最后釋放總線并重新進入幀頭（地址）監聽狀態。

　　單片機通過串口與傳感器通信，可以方便地采集到瞬時流量和累積流量，可記錄自上電以來瞬時流量的最大值和最小值，具有超量程指示功能。

　　4　Linux移植及Qt應用程序開發

　　本系統在TQ2440開發板上移植了Linux操作系統，并在此嵌入式操作系統平臺上進行了簡易家居智能控制平臺的開發。Linux移植及Qt應用程序開發步驟如圖4所示。

　　圖4　Linux移植及Qt應用程序開發步驟

　　首先是配置開發板所需要的環境軟件。在開發板環境建立中，要注意的是對于沒有串口的機器，一定要先安裝USB轉串口的驅動，而在安裝時務必注意將電腦與板載串口的波特率設置為一致。這個沒設置好，串口通信會有問題。除此之外，還需安裝好串口調試工具及程序燒錄下載工具。

　　其次是搭建Linux交叉編譯環境。一般的電腦上都是Windows操作系統，要開發Linux嵌入式操作系統，需要安裝虛擬機（例如VMware 等）、基于Linux內核的相關操作系統（例如Fedora）和交叉編譯器。虛擬機是用來承載Linux操作系統在Windows機器上運行而設置的，就像虛擬光盤一樣，是個虛擬的。交叉編譯器，是用來編譯和產生系統開發過程中各種鏡像文件。接著進入移植過程。移植時一般順序為：編譯Uboot→編譯內核→構建文件系統。

　　最后是Qt應用程序開發。本系統是基于圖形界面開發的。Qt程序開發需要先建立Qtopia開發平臺，然后進入編譯目錄，執行編譯腳本，無誤退出后，再編譯應用程序。編譯應用程序時，只需進入每個程序目錄，執行make命令。然后，將編譯好的程序的可執行文件拷貝到文件系統的鏡像目錄中，最后將編譯生成的.bin文件燒錄到開發板中即可。

　　結語

　　本文描述的是一種簡易可行的智能家居聯網方案，其具有成本低、易于實現、組網容易等優點，但對于更復雜的互動功能還存在一定的欠缺。但基于上述主控平臺，只需要調整智能家居的內部局部通信網絡就可以實現更加完善的智能家居功能。例如可以不修改主控電路，利用WiFi或ZigBee網絡來重新組建家居設備網絡。