通信安全及遠(yuǎn)程監(jiān)控目標(biāo)下的物聯(lián)網(wǎng)智能化家居系統(tǒng)開發(fā)

摘 要： 基于ZigBee設(shè)計(jì)智能化家居控制系統(tǒng)的方案，通過深入分析該系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合及各項(xiàng)技術(shù)特點(diǎn)，提出以3C2440為家庭網(wǎng)關(guān)中央控制器，采用ZigBee和GPRS通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的統(tǒng)籌管理和遠(yuǎn)程通信，展現(xiàn)出智能家居人性化、智能化的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，1 h，10 h，20 h系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)正確率為：98.93%，99.88%，99.93%，說明該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、通信準(zhǔn)確率高。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)； 智能化家居系統(tǒng)； 軟件； ZigBee通信模塊

中圖分類號(hào)： TN948.64?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）20?0061?03

Abstract： The design scheme of intelligent home control system based on ZigBee， in which S3C2440 is taken as the central controller of home gateway， and ZigBee and GPRS communication technologies are used， is proposed by means of deep analysis of application occasions and technical features of the system to achieve the overall management and remote communication， and show the characteristics of intelligent home humanization and intelligentization. The test result shows that the receiving data accuracy of the system is 98.93%， 99.88% and 99.93% corresponding to the test time of 1 h， 10 h and 20 h， which indicates that the system is stable and reliable， and the communication accurate rate is high.

Keywords： Internet of Things； intelligent home system； software； ZigBee communication module

隨著人們生活水平的提高，人們的生活方式和精神追求發(fā)生明顯變化。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，成功掀起一場(chǎng)信息技術(shù)和產(chǎn)業(yè)革命，為智能化發(fā)展提供重要支撐。智能家居是指借助計(jì)算機(jī)、通信、傳感等技術(shù)把家居環(huán)境中各種設(shè)備相互連接，集合各項(xiàng)功能為一體的系統(tǒng)[1]。物聯(lián)網(wǎng)智能化家居系統(tǒng)是以住宅為載體，通過無線聯(lián)動(dòng)方法控制各種設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化家居管理功能，為人們提供安全、便捷的生活空間做出重要貢獻(xiàn)。

1 物聯(lián)網(wǎng)智能化家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 分析智能家居系統(tǒng)的需求

現(xiàn)階段，我國智能化家居行業(yè)發(fā)展并不成熟，國內(nèi)并未制定統(tǒng)一的行業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)作為參照[2]。設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)必須遵循用戶的需求和以家居環(huán)境為依據(jù)，從而滿足不同類型用戶的需求。智能化家居系統(tǒng)必須滿足下列標(biāo)準(zhǔn)：

（1） 保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)男畔⒁Ｕ习踩煽浚偈怪醒肟刂浦行膶?duì)內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)其家居模式信息的處理[3]。

（2） 成本低廉。智能化家居系統(tǒng)要考慮普及推廣效果，根據(jù)多數(shù)消費(fèi)者的消費(fèi)能力展開設(shè)計(jì)，選擇的技術(shù)、硬件均在消費(fèi)者能夠承受的范圍內(nèi)。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)智能化家居系統(tǒng)主要包含家庭網(wǎng)關(guān)、硬件、軟件、無線通信單元等部分[4]。家庭網(wǎng)關(guān)作為整個(gè)家居系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不單單承擔(dān)著內(nèi)部和外部網(wǎng)絡(luò)的相互通信，也借助無線通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)設(shè)備終端開展實(shí)施監(jiān)控及管理[5]。家居環(huán)境內(nèi)各類智能用電器借助無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)連接，達(dá)到交換信息的目的。家居安保系統(tǒng)把門禁控制、防火、防盜等系統(tǒng)合理結(jié)合，確保人們家居環(huán)境的安全。在室內(nèi)安裝的各個(gè)傳感器采用ZigBee技術(shù)與ARM控制器相互連接，如果傳感器檢測(cè)到室內(nèi)存在異常情況，借助ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)及時(shí)通知ARM控制器，由該控制器依據(jù)不同信號(hào)開展針對(duì)性處理[6]。本次設(shè)計(jì)的智能化家居系統(tǒng)還配備友好用戶界面，本界面可以展現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)部件的運(yùn)行情況，便于用戶實(shí)時(shí)查詢家居設(shè)備運(yùn)行情況。

2 設(shè)計(jì)智能化家居系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中使用三星公司生產(chǎn)的S3C2440微處理器芯片。這種芯片是CPU設(shè)計(jì)ARM920T內(nèi)核，與普通的單片機(jī)比較，其運(yùn)行速度更快，可以滿足系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的需求[7]。同時(shí)，這種芯片設(shè)置兩通道SPI、三通道UART、USB主設(shè)備芯片，便于及時(shí)擴(kuò)展外圍設(shè)備。因此，本設(shè)計(jì)中，在S3C2440芯片上添加電源模塊、報(bào)警模塊、以太網(wǎng)模塊、按鍵與顯示模塊等外圍設(shè)備。S3C2440芯片包含相應(yīng)的內(nèi)存管理單元（MMU），能夠更好地運(yùn)行Linux嵌入式操作系統(tǒng)，這種設(shè)計(jì)具有功耗低、性能好等優(yōu)點(diǎn)，完全滿足設(shè)計(jì)要求[8]。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

2.1 GPRS通信模塊

GPRS是移動(dòng)數(shù)據(jù)重要的承載方式，與其他通信方式比較，該模塊具有覆蓋面廣、運(yùn)營費(fèi)用低、實(shí)時(shí)傳輸信息等優(yōu)點(diǎn)[9]。本設(shè)計(jì)挑選雙頻GPRS模塊西門子MC35I，該模塊工作性能穩(wěn)定，與S3C2440使用串口方式實(shí)現(xiàn)連接。串行線通過轉(zhuǎn)換能與RS 232串口直接相連。中央控制器借助異步收發(fā)器所提供的串口，用戶根據(jù)放置的狀態(tài)寄存器對(duì)操作狀態(tài)進(jìn)行判斷和定位。

2.2 ZigBee無線通信模塊

ZigBee技術(shù)是根據(jù)IEEE 802.15.4協(xié)議設(shè)計(jì)的短距離、低功耗、低成本雙向無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用來完成數(shù)千個(gè)微小傳感器間的相互通信[10]。ZigBee技術(shù)能夠在設(shè)備處在休閑狀態(tài)進(jìn)入休眠期，只依靠2節(jié)5號(hào)電池即可連續(xù)工作半年[11]。同時(shí)，ZigBee通信響應(yīng)時(shí)間較短（30 ms）。深入分析并根據(jù)家居具體的環(huán)境情況可知，在各類近距離無線通信技術(shù)中，ZigBee技術(shù)最適宜用于智能化家居系統(tǒng)中。ZigBee技術(shù)主要支持樹狀、網(wǎng)狀和星狀三種網(wǎng)絡(luò)形式，本設(shè)計(jì)使用星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，如果第一次激活某個(gè)全功能設(shè)備，其會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，且與已有的其他星形網(wǎng)絡(luò)相互獨(dú)立[12]。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器主要用來搜索有效的信道及終端節(jié)點(diǎn)，借助RS 232串行口與家庭網(wǎng)絡(luò)實(shí)施數(shù)據(jù)傳輸。終端節(jié)點(diǎn)主要接收協(xié)調(diào)器發(fā)出的命令，對(duì)各個(gè)電氣開關(guān)和溫度傳感器展開控制，并將上述開關(guān)的狀態(tài)及溫度信息反饋至家庭網(wǎng)關(guān)。

2.3 設(shè)計(jì)合理的電源電路

電源作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部門，是決定系統(tǒng)是否正常運(yùn)行的關(guān)鍵。本次設(shè)計(jì)電源電路模塊要遵循以下原則：提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性；本次設(shè)計(jì)使用穩(wěn)定性高的5 V直流電壓為輸入電壓，達(dá)到低成本、高效率的設(shè)計(jì)要求[13]。因智能化家居系統(tǒng)中央處理器及少數(shù)外圍器件需要3.3 V電源，本系統(tǒng)使用某公司生產(chǎn)的DC?AC變換器輸出3.3 V電壓。無線傳感節(jié)點(diǎn)使用充電電池與太陽能電池板相互結(jié)合的供電模式，這種設(shè)計(jì)成本低、無需人工干預(yù)，展現(xiàn)出智能化的特點(diǎn)。

3 智能化家居系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

因智能化家居系統(tǒng)各項(xiàng)任務(wù)處于相對(duì)獨(dú)立狀態(tài)，所以，使用模塊化設(shè)計(jì)模式，這一設(shè)計(jì)模式具有維護(hù)方便、層次清晰的優(yōu)點(diǎn)，也能有效提升整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率[14]。智能家居系統(tǒng)中，各個(gè)家用電器與其傳感器作為各自獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)由ZigBee模塊展開通信，及時(shí)控制各種家電及信息反饋效果，系統(tǒng)流程如圖2所示。本系統(tǒng)通信串口設(shè)置波特率為9 600 b/s RS 232，在程序中必須對(duì)串口實(shí)施初始化和端口配置，確保串口能夠正常工作。在ARM通信過程中，由于ARM為固定的命令數(shù)據(jù)包格式，多數(shù)功能均借助對(duì)接收數(shù)據(jù)包的特定字節(jié)進(jìn)行判斷完成，因此，設(shè)計(jì)的串口中斷服務(wù)程序顯得尤為重要，具體代碼如下：

智能化家居軟件系統(tǒng)使用嵌入式Linux操作系統(tǒng)為開發(fā)平臺(tái)，其內(nèi)核代碼較大，能夠支持各類不同主流硬件與最新硬件技術(shù)，這種內(nèi)核代碼處于全部開發(fā)狀態(tài)，用戶能夠依據(jù)自己的需求修改內(nèi)核，從而開發(fā)出所需的嵌入式系統(tǒng)[15]。內(nèi)核編譯使用交叉編譯環(huán)境，在內(nèi)核進(jìn)行剪裁操作后執(zhí)行Makezimage等指令，從而生成映像文件Zimage?？刂破魇莾?nèi)核的重要組成部分，必須配備多個(gè)驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)程序選用編譯進(jìn)內(nèi)核或采用模塊的形式存在，設(shè)計(jì)完成后，編寫Makefile，Kconfig文件并執(zhí)行相應(yīng)的命令，最后，根據(jù)insmod命令將編譯好的模塊調(diào)入內(nèi)存即可，如：設(shè)計(jì)GPRS模塊源代碼，從而達(dá)到相應(yīng)的報(bào)警功能：

ZigBee協(xié)調(diào)器在整個(gè)家居系統(tǒng)中發(fā)揮通信媒介的作用，用來負(fù)責(zé)中央控制中心與各個(gè)子系統(tǒng)間的通信，控制中心對(duì)各個(gè)設(shè)備的監(jiān)控均在ZigBee協(xié)調(diào)器中實(shí)施命令解析后完成。因本次設(shè)計(jì)創(chuàng)建在Linux操作系統(tǒng)之上，協(xié)調(diào)器驅(qū)動(dòng)模塊加載操作如圖3所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果

為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的智能化家居系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，對(duì)其實(shí)施模擬試驗(yàn)。由中央控制系統(tǒng)發(fā)布指令至控制中心，通過協(xié)調(diào)器傳遞至ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)后通過串口將其發(fā)送至PC機(jī)，在PC機(jī)上對(duì)控制中心發(fā)布與ZigBee接收的數(shù)據(jù)展開比較，通過反復(fù)測(cè)試，具體結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)具體結(jié)果

由表1各項(xiàng)數(shù)據(jù)可知，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的干擾比較低，三次測(cè)試接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率分別為：98.93%，99.88%，99.93%，通信結(jié)果準(zhǔn)確可靠，完全滿足智能家居的控制需求。

5 結(jié) 語

物聯(lián)網(wǎng)作為未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì)，基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)以S3C2440為中央控制器的智能化家居系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)、GPRS技術(shù)等實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居的控制和通信。通過反復(fù)測(cè)試，該系統(tǒng)能夠滿足智能家居的監(jiān)控要求，在一定程度上提升控制系統(tǒng)的工作效率，對(duì)未來智能化家居的發(fā)展提供重要的輔助作用。

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