基于ARM-Linux和GPRS技术的家庭智能控制终端设计

    摘  要：利用GPRS技术，结合嵌入式系统的ARM－Linux平台，设计实现了一种智能家居控制器。通过使用手机短信和互联网等方式解决了用户在异地对家庭智能系统的远程查询，控制等问题。同时采用RS485拓扑总线结构解决了家庭设备布线及控制问题。硬件上介绍了系统构成及接口的转换和扩展；软件上则详细阐述了GPRS的无线通讯在ARM－Linux下的实现和RS485总线协议设计的具体流程。为家庭智能系统实施无线远程控制提供了一种实际的可行方案。
关键词：智能家居控制器； GPRS； ARM-Linux； RS485总线
1  引言
     随着网络技术和通信技术的不断发展，人们希望即使在工作或外出时也能通过某种方式及时了解和控制家中的情况，同时伴随着数字化家庭的普及，实现智能家居的远程控制已经成为一种趋势。家庭智能控制系统通过家庭总线技术，把家庭中各种家用电器、家庭保安装置和各种计量设备连接到一起组成一个家庭内部网络，由家庭智能控制器进行统一管理[1]。远程控制就是通过某种通讯方式将智能家庭控制器与外界相连，使人们能够在本地或异地对家庭系统进行集中的监视、控制。本文中介绍的方案，结合了GPRS(General Packet Radio Service)技术永远在线，速度快，接入范围广，体积小，功耗低等优点[2]，采用RS485工业总线，设计实现了一种基于嵌入式系统的家庭智能控制器。用户可以通过短信及互联网等方式现远程无线监控，在手机和互联网相当普及的今天，为用户提供了更简单、方便的选择。同时由于该控制器RS485接口的特殊设计，外挂节点可以由原来的32个扩展到64个，解决了家用设备的布线组网以及控制等问题。
2  系统设计
     从结构上看主要分为用户，控制器，和RS485总线的家用设备控制三个部分。用户通过手机短信或网络方式向控制器的GPRS模块发送命令，而控制器也通过GPRS模块向用户反馈信息或发出报警通知。从而实现了用户和控制器无线互联，实现远程控制。
3  硬件设计
     硬件部分的结构框图如图1所示，控制器是整个系统的核心部分，经过串口扩展与GPRS模块相连；通过电平转换芯片提供RS485总线接口与家用设备相连接；同时还提供LCD，键盘等交互接口。控制器的主控芯片采用三星S3C44B0，使用ARM7TDMI核,工作频率在66MHz[1]。处理器外接 4MFlash（用于存储控制器的启动代码和系统代码以及当天事件的文本日志）分配到存储器Bank0空间和4M×16的SDRAM，分配到存储器的 Bank6空间。
 


    GPRS 模块外围电路：GPRS模块采用西门子公司的MC35模块，支持数据、语音、短消息和传真等多种通信方式可以通过AT命令对其实现控制。串行线通过 MAX3238电平转换后可直接和RS232串口相连。串口扩展：44B0通过外接双通道的通用异步收发器ST16C2550为GPRS modem拨号上网提供完整的9线串口。其主要特点是接收﹑发送各有16字节的FIFO(先入先出) 缓冲区，独立的波特率产生器可提供50bps到4Mbps的收发时钟。用户可方便地通过芯片的状态寄存器来进行错误定位和对操作状态进行判断。该芯片内存空间使用保留的存储空间bank4。采用总线方式控制。RS485接口设计：采用TI公司的RS485接口芯片75L BC184，可实现了44B0串行口的TTL电平与RS485电平之间的转换，该芯片的输入阻抗为RS485标准输入阻抗的2倍（≥24ＫΩ），故可以在总线上连接64个节点（相当于原来的两倍）。且它有一个独特的设计，当输入端开路时，其输出为高电平，这样可保证接收器输入端电缆有开路故障时，不影响系统的正常工作。
4 RS485总线协议设计
      用RS-485总线进行系统通讯需要对其传输协议做规定，最重要的就是帧结构的设计。本系统数据帧的构造包括：起始，地址，类型，数据长度，数据，校验和及结束帧七个部分，除数据帧为N字节外（根据从机传送的数据而定），其余均占1个字节。类型字定义如表1所示, 类型帧中的“SEN DDATA”帧为数据帧，用于存放从机设备的状态信息，其它4种为指令帧，用于存放主机发送给从机的命令字[3]。

   主机发查询请求 主机发读请求 从机准备好接收 从机处于忙碌 主/从机发送数据
     本系统采用LRC帧校验的方法。LRC值由传输设备来计算并放到消息帧中，接收设备在接收消息的过程中计算LRC，并将它和接收到消息中LRC域中的值比较，如果两值不等，说明有传输错误。除了帧结构的定义以外，整个系统的通信还需要遵守下面的规则：(a)主机查询方式：由主机轮询各从机，并要求从机提交状态信息，从机不能主动发出请求。(b)当主机发出“ASK”命令后，若从机反馈“BUSY”帧，则主机启动计时和计数，超时3次，则任务执行失败。(c)主机接收到从机发回的“READY”信号后，向从机发送“GETDATA”指令，进入接收状态，同时开启超时控制。若在规定时间未接收到从机发回的数据，则计数器加1，并继续发出“GETDATA”信号。如果超时3次，则取消这次查询。(d)从机等待主机发送指令，并根据具体指令作相应操作。如果接受到的指令帧错误，则会直接丢弃该帧。[!--empirenews.page--]
5 软件设计
      软件部分的设计主要是基于ARM－Linux，因为该操作系统具有完整的 TCP/IP协议，同时还支持许多其他网络协议，可以为GPRS modem连接互联网提供完整的协议支持，并且该操作系统具有良好的稳定性和实时性可以满足家庭智能控制器对系统可靠性的要求，另外Linux的源代码开放，可移植性强，为系统开发中的问题提供了良好的技术支持。本系统的软件设计主要是应用程序的两个部分： GPRS的无线数传；RS485总线控制控制。
5.1  RS485总线控制
基于上一部分RS485的总线协议，主从控制主要分为：轮询、查询、控制三部分。（1）轮询：主机定时对各从机进行查询，如果发现报警信息，保存后及时触发报警并反馈给用户。如果出现超时或帧错误等状态时主机放弃此次查询，并将该事件存储在主机中。（2）查询：查询的工作流程和轮询大致相同，但是只对指定的从机和指定状态进行查询。（3）控制：把控制指令发到指定从机，并要求从机反馈执行结果。
5.2  GPRS的无线数据传输
5.2.1接收和发送SMS短信
（1）编码转换：要发送中文短信就需要使用PDU模式的16-bit编码。在Linux系统中默认用GB2312保存中文字符。发送短信前，要先进行编码转换，要将GB2312转换为Unicode编码，再将Unicode编码转换为 PDU 的16-bit 编码。这里使用Linux中的iconv () 函数，该函数可以实现Linux支持的任意的两种编码之间的转换。实现的方法：首先用iconv_open()，打开一个转换句柄，指定两种转换前的编码和转换后的编码。然后用 icnov() 作转换。最后用 iconv_close()关闭句柄，释放资源。完成转换后，即可以正确的发送。（2）发送：向MC35模块发送一条AT指令，得到OK响应，则表示控制器与GPRS模块通讯正常，通过“AT+CSCA=“***”及AT+CSCA=0命令设置设置短信中心号码及短信格式（PDU）。然后发送 AT+CMGS = "电话号码"，得到提示符号“>”，此时可以向MC35模块发送编辑好的PDU编码并以“CTRL+Z”结束。得到响应OK，则发送成功；如果收到 ERROR则表示发送失败，重新初始化MC35模块，发送信息[4]。（3）接收：当收到短信时，发送”“AT+CMGR=X”从SIM卡读取短消息并调用短信处理程序作相应转换。
5.2.2 GPRS联网在Linux下的实现
     GPRS联网是Linux的PPP协议实现的。因此在编译内核时需要增加Linux内核的PPP支持[5]。然后根据程序中提供的配置信息，包括移动的APN*/为“CMNET”，通讯协议IP，拨号号码 “*99***1#”，串口设备号/dev/ttyS2，波特率9600，用户名，密码等信息配置PPP协议需要的5个脚本和配置文件：ppp-on、 ppp-off、options.gprs、dialer.gprs、pap-secrets。完成设置后，运行ppp-on，就可以进行GPRS拨号；运行ppp-off断开连接。
    GPRS联网流程（控制器作为客户端）：(a)当用户希望通过网络访问GPRS模块时可以通过短信方式向主机 GPRS模块发送联网命令，包括用户的IP地址和相关配置信息。(b)主机根据用户短信获得GPRS上网连接的配置信息，并生成对应的拨号脚本文和配置文件。调用ppp-on脚本进行PPP拨号。(c)判断PPPD是否拨号成功，标志是能否生成ppp0网络设备。(d)在数据传输过程中通过看门狗实时观测网络连接状态，网络掉线时，主机保存当前数据状态，重新启动GPRS模块并恢复连接。(e)结束本次任务时，用户在网上发送命令，让控制器调用ppp- off，断开连接。
5.3系统软件流程
   软件流程如图2所示，系统上电启动后，首先对包括串口，LCD，键盘， GPRS模块以及网络配置文件等做相应的初始化。并检测GPRS模块和主机是否通讯正常。然后开始对从机进行轮询，发现警情时，读取并存储报警信息，启动报警器并将相应的报警信息通过拨号和短信的方式通知用户。当收到用户命令时，先判断用户的控制方式，再做出做出回应。
6  总结与展望
    本文介绍了一种基于ARM-Linux和GPRS技术的家庭智能控制终端，并通过RS485总线解决了家用设备的布线及控制器对设备的控制问题。文中给出了详细的系统架构方案。从软、硬件两方面给出了详细的设计思路和实现方法。整套方案对家庭智能控制器系统实现中存在的主要问题提出详细的解决方案，并且在实践中证明了其可实施性。此外，由于该控制器具备GPRS控制器的基本功能，只需在应用程序部分做相应修改，可用作其它无线远程控制设备，具有通用性和可扩展性。