基于Cortex—M3與Android的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

易誠++俞子榮++陳黎娟

摘 要：本文提出了一種基于Cortex-M3和Android的智能家居控制系統(tǒng)解決方案。方案采用Contex-M3為內(nèi)核的ARM處理器，通過移植μC/OS-II操作系統(tǒng)和LwIP協(xié)議棧搭建智能家居嵌入式服務(wù)器。系統(tǒng)采用智能手機(jī)作為控制終端，設(shè)計(jì)基于Android的客戶端應(yīng)用程序。智能家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行搭建，最終實(shí)現(xiàn)通過手機(jī)對(duì)家居內(nèi)部設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)成本低廉，運(yùn)行穩(wěn)定，用戶界面良好，能夠滿足一些家居對(duì)智能化的需求。

關(guān)鍵詞：智能家居；Cortex-M3；Android；ZigBee

智能家居是在傳統(tǒng)住宅的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，諸如網(wǎng)絡(luò)通信、安全防范、自動(dòng)控制、音視頻等技術(shù)將家居生活有關(guān)的各種家居設(shè)施集成，構(gòu)成的高效、便利、舒適、節(jié)能環(huán)保的家居環(huán)境[1]。隨著無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的快速布局，現(xiàn)代的智能家居只要有一個(gè)無線智能設(shè)備，即能通過客戶端實(shí)時(shí)查看到住宅中的一切動(dòng)態(tài)[2]。在目前，智能家居控制系統(tǒng)中，有基于面板和紅外遙控器或藍(lán)牙的智能家居控制終端解決方案[3，4]，也有完全基于PC機(jī)的智能家居控制終端解決方案[5]，同時(shí)還有采用手機(jī)作為家居控制終端，利用GSM電話網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)短信或者語音控制[6]。而以上多種技術(shù)的應(yīng)用，催生了各種智能控制模塊的研究和生產(chǎn)，因此導(dǎo)致了當(dāng)前智能家居控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)無法統(tǒng)一，各個(gè)系統(tǒng)和模塊之間難以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。針對(duì)以上問題，本文提出了一整套的智能家居控制系統(tǒng)解決方案，該方案采用Android智能手機(jī)作為控制終端，在STM32F107移植μC/OS-II操作系統(tǒng)和LwIP協(xié)議棧搭建嵌入式服務(wù)器，通過搭建ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，采用改進(jìn)的ZigBee路由算法，制定完善的通信協(xié)議，提高網(wǎng)絡(luò)通信性能，最終實(shí)現(xiàn)手機(jī)對(duì)智能家居的遠(yuǎn)程和本地的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的智能家居控制系統(tǒng)主要包括嵌入式服務(wù)器，Android客戶端和ZigBee節(jié)點(diǎn)。移動(dòng)控制終端和ZigBee節(jié)點(diǎn)通過嵌入式服務(wù)器進(jìn)行通信實(shí)現(xiàn)信息交互。即用戶采用Android客戶端程序發(fā)送指令通過互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)傳輸?shù)街悄芗揖忧度胧椒?wù)器，服務(wù)器在接收到控制命令后再通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到對(duì)應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)接收到命令后進(jìn)行相應(yīng)的操作，比如采集溫濕度信息并將信息反饋到服務(wù)器，服務(wù)器再將信息通過局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到Android客戶端進(jìn)行顯示。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

嵌入式服務(wù)器在整個(gè)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，其實(shí)現(xiàn)的主要原則應(yīng)從下面幾點(diǎn)出發(fā)：（1）允許Android客戶端遠(yuǎn)程登錄到服務(wù)器，并能夠保存登錄用戶的基本信息，實(shí)現(xiàn)多用戶登錄，為每個(gè)用戶都能提供相應(yīng)的服務(wù)。（2）能夠正確接收客戶端發(fā)送的控制命令，并能夠返回相應(yīng)信息。（3）能夠與ZigBee協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)信息交互，完成命令傳輸和信息采集。嵌入式服務(wù)器啟動(dòng)后，采用socket通信方式接收客戶端的登錄命令，驗(yàn)證通過后為客戶端提供相關(guān)服務(wù)。

2.2 服務(wù)器硬件設(shè)計(jì)

本次研究采用ST公司生產(chǎn)的Cortex-M3為內(nèi)核的微處理器芯片STM32F107VC進(jìn)行擴(kuò)展搭建嵌入式服務(wù)器硬件平臺(tái)，硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

根據(jù)需求，外圍需擴(kuò)展的功能模塊主要包括與ZigBee協(xié)調(diào)器通信模塊和與控制終端實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信硬件模塊。其中與ZigBee協(xié)調(diào)器通信采用串口通信方式實(shí)現(xiàn)。而STM32F107內(nèi)部集成了以太網(wǎng)MAC控制器，因此本次設(shè)計(jì)采用RMII接口連接以太網(wǎng)PHY（物理層）芯片DM9161。

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)通信接口

網(wǎng)絡(luò)通信接口是服務(wù)器與控制終端實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的橋梁[7]。STM32F107內(nèi)部集成了一個(gè)以太網(wǎng)MAC，并有專用的DMA控制，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部數(shù)據(jù)的高速傳輸[8]。STM32F107還同時(shí)支持MII和RMII兩種物理層接口，因此只需外界一片物理層收發(fā)器，即可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)幀的發(fā)生和接收，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信[9]。所以本次設(shè)計(jì)采用高性價(jià)比的DM9161A作為10M/100M以太網(wǎng)PHY芯片，采用RMII接口與處理器STM32F107內(nèi)部的IEEE1588 MAC連接，并與標(biāo)準(zhǔn)RJ45接口HR911105A連接，支持平行交叉網(wǎng)線自適應(yīng)，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信功能。網(wǎng)絡(luò)接口硬件接口設(shè)計(jì)如圖3。

2.2.2 ZigBee節(jié)點(diǎn)

智能家居中，家居內(nèi)部無線網(wǎng)絡(luò)通信方式的選擇至關(guān)重要[10]。在本次智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee組網(wǎng)技術(shù)。在智能家居網(wǎng)絡(luò)中，ZigBee節(jié)點(diǎn)被分為主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)建立無線網(wǎng)絡(luò)，分配從節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址，并與從節(jié)點(diǎn)和嵌入式服務(wù)器實(shí)現(xiàn)指令的發(fā)送和接收[11]。ZigBee從節(jié)點(diǎn)主要嵌入到終端設(shè)備中用于采集檢測信息發(fā)送到主節(jié)點(diǎn)，或者接收控制命令實(shí)現(xiàn)對(duì)終端設(shè)備的控制，ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖4。

ZigBee節(jié)點(diǎn)采用TI公司的CC2530作為主控制器芯片。該芯片是用于2.4GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)解決方案[12]。它結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，基于51內(nèi)核，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8KB RAM和許多其它強(qiáng)大的功能[13]。

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)主要包括一些通過傳感器實(shí)現(xiàn)的信號(hào)采集類模塊，比如溫濕度采集，可燃?xì)怏w泄漏或者火災(zāi)發(fā)生時(shí)的信號(hào)采集并報(bào)警。設(shè)備控制節(jié)點(diǎn)主要嵌入到家電設(shè)備中，以實(shí)現(xiàn)門禁系統(tǒng)、燈光控制、智能窗簾、智能熱水器、智能空調(diào)、攝像頭云臺(tái)等的遠(yuǎn)程控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件主要包括3個(gè)部分：嵌入式服務(wù)器軟件平臺(tái)、ZigBee節(jié)點(diǎn)控制程序、控制終端的Android應(yīng)用程序。

3.1 嵌入式服務(wù)器軟件實(shí)現(xiàn)

嵌入式服務(wù)器軟件平臺(tái)的搭建根據(jù)以下2點(diǎn)需求來進(jìn)行：（1）服務(wù)器要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)多任務(wù)操作。（2）服務(wù)器要實(shí)現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信功能。因此，本系統(tǒng)選擇移植實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II作為服務(wù)器操作系統(tǒng)，移植LwIP實(shí)現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信。

3.1.1 操作系統(tǒng)移植

μC/OS-II是一個(gè)可移植、可固化、可剪裁、搶占式多任務(wù)實(shí)時(shí)內(nèi)核[14]。它適用于多種微處理器，微控制器和數(shù)字處理芯片，是和很多商業(yè)操作系統(tǒng)性能相當(dāng)?shù)膶?shí)時(shí)操作系統(tǒng)[15]。

在移植μC/OS-II系統(tǒng)過程中，需修改以下幾個(gè)文件：匯編文件OS_CPU_A.ASM，與處理器相關(guān)C文件OS_CPU.H和OS_CPU_C.C，系統(tǒng)配置文件OS_CFG.H。

3.1.2 LwIP協(xié)議棧移植

LwIP是TCP/IP協(xié)議棧的一個(gè)實(shí)現(xiàn)[16]。它的目的是減少內(nèi)存使用率和代碼大小，使LwIP用于資源受限系統(tǒng)，本次設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)正屬于此列[17]。因此，為實(shí)現(xiàn)嵌入式服務(wù)器的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信功能，有必要移植TCP/IP協(xié)議棧，綜合考慮，本次設(shè)計(jì)選擇移植開源的LwIP協(xié)議棧。為移植LwIP，主要工作是需針對(duì)本次設(shè)計(jì)中的目標(biāo)系統(tǒng)μC/OS-II修改模擬層實(shí)現(xiàn)。移植后的系統(tǒng)軟件框架如圖5。

3.1.3 應(yīng)用程序編寫

本次設(shè)計(jì)中，嵌入式服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程用戶登錄注銷、用戶信息管理和數(shù)據(jù)傳輸兩大主要功能。服務(wù)器依據(jù)客戶端指令分別實(shí)現(xiàn)客戶端的登錄注銷、用戶信息管理、終端設(shè)備控制三種功能。用戶登錄時(shí)服務(wù)器創(chuàng)建服務(wù)，注銷時(shí)結(jié)束服務(wù)并切斷與客戶端的通信。用戶信息管理允許用戶通過客戶端修改用戶信息，終端設(shè)備控制功能允許用戶使用客戶端來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控家居環(huán)境。控制功能由服務(wù)器與ZigBee協(xié)調(diào)器通信實(shí)現(xiàn)。服務(wù)器工作流程圖如圖6所示。

服務(wù)器啟動(dòng)后進(jìn)行系統(tǒng)初始化，初始化主要包括設(shè)置STM32系統(tǒng)時(shí)鐘、串口、以太網(wǎng)、GPIO、中斷控制器NVIC、LwIP棧。系統(tǒng)初始化完畢創(chuàng)建2個(gè)任務(wù)，優(yōu)先級(jí)為3的任務(wù)內(nèi)容是實(shí)現(xiàn)socket通信，注冊(cè)數(shù)據(jù)接收回調(diào)函數(shù)，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)時(shí)在回調(diào)函數(shù)中進(jìn)行數(shù)據(jù)接收處理，其中要使用socket接口必須包含API頭文件socket.h。優(yōu)先級(jí)為4的任務(wù)完成串口數(shù)據(jù)的接收，在任務(wù)中不斷查詢串口數(shù)據(jù)接收完成或緩沖區(qū)溢出標(biāo)志USART_Rx_Done，當(dāng)數(shù)據(jù)接收完畢或緩沖區(qū)溢出時(shí)，此時(shí)在中斷服務(wù)程序中設(shè)置全局變量USART_Rx_Done為1，即表示通知主線成串口數(shù)據(jù)接收完畢，主線程將接收到得數(shù)據(jù)以網(wǎng)絡(luò)通信的方式發(fā)送的客戶端。服務(wù)器中斷程序流程圖如圖7。

3.2 移動(dòng)控制終端Android應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

Android客戶端應(yīng)用程序主要實(shí)現(xiàn)三個(gè)部分功能，程序功能界面、與家居服務(wù)器通信和處理相關(guān)信息。

3.2.1 功能界面設(shè)計(jì)

應(yīng)用程序界面設(shè)計(jì)包括登錄界面和功能界面。功能界面采用底部導(dǎo)航欄分欄顯示，包括主頁、設(shè)備控制、信息中心和系統(tǒng)設(shè)置四個(gè)方面。主頁主要顯示當(dāng)前住宅內(nèi)部溫度和濕度以及安防信息；設(shè)備控制主要包括燈光控制、家電控制、門窗控制和情景模式，通過安檢選項(xiàng)進(jìn)行控制；消息中心主要顯示住宅環(huán)境的一些家居狀態(tài)消息，比如當(dāng)住宅發(fā)生火災(zāi)時(shí)傳感器檢測到危險(xiǎn)信號(hào)后服務(wù)器會(huì)發(fā)送信息到消息中心顯示，并且手機(jī)根據(jù)消息命令會(huì)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)報(bào)警和提醒用戶等；系統(tǒng)設(shè)置主要包括設(shè)置一些用戶權(quán)限和網(wǎng)絡(luò)通信配置。設(shè)計(jì)好的界面如圖8所示。

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)

移動(dòng)Android應(yīng)用程序設(shè)計(jì)中主要涉及兩個(gè)方面的數(shù)據(jù)通信，一個(gè)是界面Activity組建與后臺(tái)Service組建間的通信，另一個(gè)是Android客戶端與嵌入式服務(wù)器間的通信。在Android應(yīng)用程序中，Activity主要負(fù)責(zé)前臺(tái)頁面的展示和用戶指令的接收，Service則主要在后臺(tái)負(fù)責(zé)長時(shí)間執(zhí)行的任務(wù)比如監(jiān)控任務(wù)。移動(dòng)客戶端應(yīng)用程序中數(shù)據(jù)通信架構(gòu)如圖9。

在Android中，Activity主要負(fù)責(zé)前臺(tái)頁面展示，Service主要負(fù)責(zé)需要長時(shí)間運(yùn)行的任務(wù)。在圖9中， 參考Android IPC通信機(jī)制[18]，在Activity中通過Intent啟動(dòng)后臺(tái)Service，Intent中傳遞了Activity從用戶動(dòng)作中接收到的數(shù)據(jù)。Service在后臺(tái)啟動(dòng)后創(chuàng)建一個(gè)Socket服務(wù)子線程與嵌入式服務(wù)器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，并將服務(wù)器返回的數(shù)據(jù)通過Binder對(duì)象傳遞給Activity。另一方面，Service在程序登陸后創(chuàng)建一個(gè)循環(huán)子線程實(shí)現(xiàn)每隔一分鐘向服務(wù)器發(fā)送一次更新數(shù)據(jù)指令，以便實(shí)時(shí)更新主頁面顯示數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

將完成的Android客戶端安裝到手機(jī)，并搭建服務(wù)器平臺(tái)，在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)和調(diào)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，Android手機(jī)客戶端可以通過無線網(wǎng)對(duì)家居設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，并且能夠?qū)崟r(shí)接收并顯示住宅環(huán)境信息，當(dāng)檢測到異常時(shí)能夠及時(shí)的發(fā)出警報(bào)。

本次設(shè)計(jì)的智能家居控制系統(tǒng)，采用了當(dāng)下最流行也最實(shí)用的智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控。這種方式通用性強(qiáng)，操作便捷，易于安裝推廣，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。達(dá)到了對(duì)家居設(shè)備智能化管理的目的。同時(shí)，本次設(shè)計(jì)在功能上可以加以改進(jìn)，比如可以在后續(xù)的工作中加入視頻監(jiān)控、智能服務(wù)等內(nèi)容。

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