智能家居監(jiān)控系統(tǒng)

摘 要：本設(shè)計(jì)是由ARM 嵌入式網(wǎng)關(guān)、ZigBee 協(xié)調(diào)器、ZigBee 傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的智能家居控制系統(tǒng)。通過(guò)ARM11作為主控制器并利用internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問(wèn)，以CC2530和各種傳感起作為zigbee協(xié)調(diào)器和zigbee傳感網(wǎng)絡(luò)的硬件。本文主要的工作是移植嵌入式Linux操作系統(tǒng)、構(gòu)建Web服務(wù)器Boa；設(shè)計(jì)Zigbee數(shù)據(jù)采集的軟硬件和CGI程序。最終，本系統(tǒng)為用戶(hù)提供了一個(gè)通過(guò) Internet了解家庭環(huán)境、設(shè)備狀況，控制家居電子電氣設(shè)備的平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：ARM；ZigBee；web服務(wù)器

中圖分類(lèi)號(hào)：TU855

由于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展，人們所追求的生活是自動(dòng)化、個(gè)性化、快節(jié)奏，并且生活方式充滿(mǎn)樂(lè)趣。所以，人們對(duì)家居品質(zhì)有了很高的要求，要求居住環(huán)境安全化、舒適化，家居生活智能化、人性化[1]。目前我國(guó)在智能家居系統(tǒng)上有了一定的研究，并且一些科研機(jī)構(gòu)和公司研發(fā)了相應(yīng)的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品通信方式大多分為：RS485、EIB、CEBUS等。雖然在不同的場(chǎng)合，智能家居系統(tǒng)有不同的應(yīng)用，但是這些智能家居系統(tǒng)普遍存在一些問(wèn)題：首先系統(tǒng)的通信方式是采用有線通信，這樣帶來(lái)的問(wèn)題是布線比較繁瑣，設(shè)備的安裝調(diào)試復(fù)雜以及移動(dòng)性比較差，造成的成本較高，其次很多系統(tǒng)對(duì)PC機(jī)的依賴(lài)性很強(qiáng)、系統(tǒng)的構(gòu)架復(fù)雜、靈活性差。

綜合考慮到以上智能家居存在的缺點(diǎn)，因此在以后的智能家居的研發(fā)工程中無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的運(yùn)用是必然的趨勢(shì)，運(yùn)用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)主要優(yōu)勢(shì)在于設(shè)備安裝的靈活性強(qiáng)，這樣可以節(jié)省綜合布線的成本以及安裝和維護(hù)上的精力。基于以上優(yōu)點(diǎn)的考慮，本課題主要研究一款基于ARM11和Zigbee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)，以Zigbee技術(shù)和傳感器技術(shù)作為前端數(shù)據(jù)采集，核心主控制器是ARM11（tiny6410）通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程訪問(wèn)。本設(shè)計(jì)是以linux為嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境，建立良好的人及交互界面，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境、設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)是由ARM控制設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)，其系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系結(jié)構(gòu)如圖1所示，用戶(hù)登錄到用戶(hù)管理系統(tǒng)可以通過(guò)遠(yuǎn)程瀏覽器，其遠(yuǎn)程訪問(wèn)家庭內(nèi)部的嵌入式主控制器是通過(guò)Intnet，嵌入式Web服務(wù)器會(huì)根據(jù)用戶(hù)的需求，利用Rs232串口向ZigBee家庭網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器（Coordinator）發(fā)送交互指令，家庭網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以無(wú)線的方式接收控制信息和發(fā)送傳感器信息。

遠(yuǎn)端的客戶(hù)瀏覽器：本系統(tǒng)在嵌入式主控制器上實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫(kù)和WEB服務(wù)器的功能，并且利用網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)和相應(yīng)的CGI程序設(shè)計(jì)人機(jī)交互的界面，從而達(dá)到方便用戶(hù)管理和使用的目的。

嵌入式智能家居主控制器：嵌入式控制器是整個(gè)家居系統(tǒng)的最核心的部分，它是鏈接外部intemet和內(nèi)部無(wú)線家庭網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)橋梁，起著非常重要的作用。首先，嵌入式控制器要能提供web服務(wù)，但其前提是其要支持TCP/IP協(xié)議，由此就可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問(wèn)；其次是它要實(shí)現(xiàn)內(nèi)部家庭網(wǎng)絡(luò)和外部Internet之間協(xié)議的轉(zhuǎn)換、路由等功能和地址轉(zhuǎn)換。

無(wú)線家庭網(wǎng)絡(luò)：此設(shè)計(jì)部分設(shè)計(jì)中，采用的是ZigBee技術(shù)。一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)由一個(gè)嵌入ZigBee模塊組成，則整個(gè)家庭無(wú)無(wú)線局域網(wǎng)可以由很多ZigBee節(jié)點(diǎn)組成的。嵌入式控制器接收來(lái)自遠(yuǎn)端用戶(hù)發(fā)來(lái)的控制信息，經(jīng)過(guò)嵌入式主控制器處理后，根據(jù)信息中要求的信息，通過(guò)協(xié)調(diào)器，將命令轉(zhuǎn)發(fā)給ZigBee網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的ZigBee節(jié)點(diǎn)，其將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制器，主控制器繼續(xù)將數(shù)據(jù)發(fā)送遠(yuǎn)程請(qǐng)求的用戶(hù)，這樣就實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭內(nèi)的信息監(jiān)測(cè)和控制。[2]

1.2 系統(tǒng)主要傳感器接口電路設(shè)計(jì)

1.2.1 溫濕度采集節(jié)點(diǎn)接口電路

智能家居監(jiān)控系統(tǒng)溫濕度采集采用AM2305數(shù)字式溫濕度傳感器。由于采用溫濕度傳感和數(shù)字模塊采集技術(shù)，具有精度高、性?xún)r(jià)比高、穩(wěn)定性好、體積小等優(yōu)點(diǎn)。其溫度測(cè)量范圍是-40～125℃，分辨率0.1℃，精度±0.2℃，濕度測(cè)量范圍是0～100RH%，分辨率0.1RH%，精度±2RH%，因此其可以滿(mǎn)足測(cè)量要求。由于傳感器傳輸數(shù)據(jù)采用單總線，只需要一根數(shù)據(jù)線外加電源線和接地線即可實(shí)現(xiàn)與控制器的通信。它的供電電壓為3.3～6V，上電后須延時(shí)1s以確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定，采樣周期最小為2s[2]。根據(jù)上述要求設(shè)計(jì)的AM2305接口電路如圖2所示：

1.2.2 煙霧、可燃?xì)怏w濃度采集節(jié)點(diǎn)接口電路

本設(shè)計(jì)針對(duì)不同可燃?xì)怏w現(xiàn)有的檢測(cè)方式及檢測(cè)特點(diǎn)，選擇ZYMQ-2型可燃?xì)怏w和煙霧濃度檢測(cè)傳感器作為檢測(cè)器。氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2）。傳感器的電導(dǎo)率隨所處環(huán)境中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大，如煙霧、液化氣、丙烷、丁烷、甲烷、氫氣、酒精等常見(jiàn)可燃?xì)怏w的監(jiān)測(cè)裝置，均適用。采用簡(jiǎn)單的電路將電導(dǎo)率轉(zhuǎn)換為與該相對(duì)應(yīng)氣體的濃度信號(hào)。氣體傳感器ZYMQ-2信號(hào)調(diào)理電路原理圖如圖3所示。采用LM393芯片放大信號(hào)，輸出信號(hào)有兩路，其中AOUT輸出的是氣體的濃度轉(zhuǎn)化為0～5V模擬量電壓，DOUT低電平有效，輸出的是TTL電平，RP是滑動(dòng)變阻器，用于是調(diào)節(jié)輸出的靈敏性。AOUT連接在CC2530的P0^0口上用于檢測(cè)氣體濃度的大小，用于向服務(wù)器提供采集的數(shù)據(jù)。DOUT連接CC2530的P1^4口，用于檢測(cè)房屋內(nèi)是否有煙霧及可燃?xì)怏w等，發(fā)光管用于檢測(cè)氣體是否達(dá)到報(bào)警值，通過(guò)調(diào)節(jié)RP的值來(lái)調(diào)節(jié)報(bào)警閾值。

1.2.3 電子鎖控制接口電路

無(wú)線控制電子鎖的控制部分由CC2530MCU、存儲(chǔ)、電源、顯示、驅(qū)動(dòng)、電磁鐵及機(jī)械鎖體等單元組成。通過(guò)無(wú)線接收加密控制信息實(shí)現(xiàn)電子鎖開(kāi)關(guān)功能。完善的電源是電子鎖控制部分和執(zhí)行部分都必不可少的。電子鎖的執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般采用電磁鐵或微型電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)鎖體。本設(shè)計(jì)中無(wú)線電子鎖設(shè)接口電路如圖4所示。

1.2.4 語(yǔ)音模塊

系統(tǒng)語(yǔ)音報(bào)警模塊采用WT588D集成語(yǔ)音芯片，模塊接口電路原理如圖5所示。用上位機(jī)軟件對(duì)WT588D語(yǔ)音模塊燒寫(xiě)語(yǔ)音程序時(shí)，選擇三線串口控制模式。I/O口P0.3被定義為數(shù)據(jù)端口，P02為CS片選口，P01為CLK時(shí)鐘端口，單片機(jī)可通過(guò)三個(gè)I/O口對(duì)WT588D語(yǔ)音模塊進(jìn)行控制。三線串口控制模式下，其它端口都沒(méi)有作用。P17端口為BUSY忙信號(hào)輸出端。WT588D模塊的VCC輸入端的電壓要保證在2.8V～3.5V，模塊VCC的電壓如果大于3.5V，有可能會(huì)導(dǎo)致模塊內(nèi)部的存儲(chǔ)器燒壞。[3]

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為嵌入式控制器軟件設(shè)計(jì)和家庭無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集兩大部分。從總體看系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括：嵌入式Linux系統(tǒng)的移植、嵌入式liunx系統(tǒng)串口編程、嵌入式WEB服務(wù)器boa的移植和相關(guān)程序的實(shí)現(xiàn)、傳感器驅(qū)動(dòng)代碼的編寫(xiě)、Zigbee網(wǎng)路的組建和傳感器數(shù)據(jù)的傳輸、視頻信息的采集等。系統(tǒng)軟件流程圖如圖6。

在進(jìn)行主程序設(shè)計(jì)之前，首先必須Linux操作系統(tǒng)移植成功，Boa服務(wù)器移植成功。然后就是Zigbee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)成功及各采集點(diǎn)數(shù)據(jù)采集成功、家電可控。最后就是USB視頻數(shù)據(jù)采集成功。

主控制器上電之后，程序的運(yùn)行步驟如下：

（1）啟動(dòng)Linux操作系統(tǒng)。在此過(guò)程中，要初始化各硬件，包括串口，USB視頻采集模塊；

（2）主控制器發(fā)送命令。主控制器向ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送命令，ZigBee協(xié)調(diào)器向ZigBee終端采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令，ZigBee終端采集節(jié)點(diǎn)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

（3）主控制器，也是服務(wù)器等待客戶(hù)端發(fā)送請(qǐng)求。當(dāng)有客戶(hù)端發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，服務(wù)器判斷請(qǐng)求的類(lèi)型，若是室內(nèi)狀況查看請(qǐng)求，則向客戶(hù)端返回傳感器數(shù)據(jù)和門(mén)鎖的狀態(tài)及窗簾的狀態(tài)；若是遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻查看請(qǐng)求，則向客戶(hù)端返回室內(nèi)監(jiān)控視頻；若是家電控制請(qǐng)求，服務(wù)器繼續(xù)判斷控制家電的類(lèi)型，然后將相應(yīng)的家電控制到相應(yīng)的狀態(tài)。最后服務(wù)器又要等待客戶(hù)端發(fā)送請(qǐng)求。

2 結(jié)論

本系統(tǒng)以Tiny6410開(kāi)發(fā)板為主控制器，利用ZigBee無(wú)線通信技術(shù)，在此基礎(chǔ)上增加了溫濕度監(jiān)控，窗簾控制，有害氣體檢測(cè)，USB視頻采集等硬件模塊，還為系統(tǒng)移植了linux操作系統(tǒng)，最后又在移植的Linux系統(tǒng)上開(kāi)發(fā)了各硬件模塊的驅(qū)動(dòng)程序和系統(tǒng)應(yīng)用程序，成功實(shí)現(xiàn)了一個(gè)成本低、效率高、體積小、容易使用的嵌入式智能家居監(jiān)控系統(tǒng)。

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作者簡(jiǎn)介：李濤（1984.5-），男，河南洛陽(yáng)人，助教，學(xué)士，教務(wù)處科長(zhǎng)，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究、教學(xué)管理研究、教學(xué)信息化研究。

作者單位：銀川能源學(xué)院教務(wù)處，銀川 750105