基于ARM和ZigBee的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

衡陽師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 許岳兵

衡陽師范學(xué)院初等教育學(xué)院 何燁雯

衡陽師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 譚岳衡

基于ARM和ZigBee的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

衡陽師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 許岳兵

衡陽師范學(xué)院初等教育學(xué)院 何燁雯

衡陽師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 譚岳衡

針對(duì)智能家居系統(tǒng)布線復(fù)雜、擴(kuò)展性差、應(yīng)用成本高等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款基于ARM和ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)。系統(tǒng)以三星Exynos4412為控制核心，移植了Linux 操作系統(tǒng)和Boa 服務(wù)器，采用ZigBee無線模塊組建了家庭內(nèi)部網(wǎng)，通過4G無線模塊接入Internet，實(shí)現(xiàn)了智能家居系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

智能家居系統(tǒng)；Exynos4412；CC2630；ME3760

1.引言

智能家居又稱智能住宅，融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和傳感器技術(shù)于一體的智能化家居控制系統(tǒng)。國外的智能家居系統(tǒng)發(fā)展較快，美國的X-10系統(tǒng)，德國的EIB系統(tǒng)和新加坡的8x系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)在國內(nèi)應(yīng)用較少，系統(tǒng)架構(gòu)、靈活性、價(jià)格等方面難以滿足要求。國內(nèi)的智能家居起步較晚，但一些企業(yè)也推出了不少好產(chǎn)品，如清華同方的e-Home數(shù)字家園，海爾U-Home家電和海信DNet-home數(shù)字家庭等。這些系統(tǒng)基于有線方案，布線麻煩，增減設(shè)備需要重新布線；同時(shí)依靠PC機(jī)進(jìn)行管理，升級(jí)和維護(hù)不方便。因此，本文設(shè)計(jì)了一款低成本、高性能的智能家居系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)由Exynos4412 ARM控制平臺(tái)、USB攝像頭、ZigBee通信電路、LCD觸摸屏、4G通信模塊和聲光報(bào)警電路等構(gòu)成。圖中檢測電路由傳感器陣列組成，利用傳感器檢測室內(nèi)溫濕度、亮度、可燃?xì)怏w泄漏、煙霧和盜賊入侵等情況?？刂齐娐穼?shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的控制，包括對(duì)空調(diào)、電視、熱水器、LED燈、加濕器、門窗等的開啟和關(guān)閉。系統(tǒng)以ARM平臺(tái)為控制中心，利用USB攝像頭采集視頻，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)連接檢測電路和控制電路，通過4G通信模塊接入網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)家庭內(nèi)部發(fā)生煤氣泄漏或火災(zāi)等危及生命財(cái)產(chǎn)的安全事故時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警。用戶也可以使用遠(yuǎn)程終端登錄ARM平臺(tái)上的web服務(wù)器，實(shí)時(shí)查看家庭內(nèi)部的監(jiān)控情況或發(fā)送控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭內(nèi)部各種家居設(shè)備的監(jiān)控及管理。

3.系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路包括ARM平臺(tái)、ZigBee模塊、4G通信模塊和傳感器檢測電路等。系統(tǒng)ARM平臺(tái)由三星Exynos4412主處理器、1G DDR3內(nèi)存、4GB eMMC高速閃存及其他外圍電路構(gòu)成，具有mini PCI-E接口、2路RS232 UART串口、4路TTL UART接口、4路I2C接口和1路USB2.0接口等，支持4G通信模塊。Exynos4412四核處理器基于ARM Cortex-A9內(nèi)核，主頻高達(dá)1.4～1.6GHz，ARMv7指令集，采用128/64位內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)。一級(jí)緩存用于數(shù)據(jù)和指令的容量都是32 KB，二級(jí)緩存容量為1024 KB，運(yùn)算性能十分突出。

ZigBee模塊采用TI公司的CC2630，集成符合2.4GHz IEEE 802.15.4的無線收發(fā)器，含有32位ARM Cortex-M3處理器，128KB閃存，8KB RAM，12位ADC，多達(dá)31個(gè)通用I/O接口，具有I2C、UART等外設(shè)接口，具有低MCU電流、有源RF和低功耗模式，可使用紐扣電池供電。ZigBee協(xié)調(diào)器模塊通過UART接口與ARM平臺(tái)連接，通過2.4G無線通信與ZigBee節(jié)點(diǎn)控制器模塊實(shí)現(xiàn)通信。

4G通信模塊采用中興公司的ME3760，是一款Mini PCI-E接口的LTE 模塊，支持4GTDD-LTE/FDD-LTE網(wǎng)絡(luò)、全頻段，理論上支持最大100 Mb/s下行，50 Mb/s上行的數(shù)據(jù)傳輸速率，完全滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。ME3760模塊通過Mini PCI-E接口與ARM平臺(tái)連接，通過串口AT指令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

溫濕度傳感器采用Sensirion公司SHT31，具有I2C接口，電壓輸出。SHT31通過I2C接口與ZigBee節(jié)點(diǎn)控制器模塊連接。亮度檢測采用光敏電阻，由于室內(nèi)亮度的改變會(huì)引起光敏電阻阻值的變化，從而引起其在電路中電壓值的變化，通過ZigBee節(jié)點(diǎn)控制器模塊的12位A/D采集光敏電阻兩端電壓值，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)亮度的采集。煤氣檢測傳感器采用MQ4，對(duì)甲烷的靈敏度較高。煙霧傳感器采用MQ2，其電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大，將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。熱釋紅外傳感器采用基于紅外線技術(shù)的HR-SR501，可靠性強(qiáng)，靈敏度高，超低電壓工作模式。

4.系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要包括Linux操作系統(tǒng)的移植，Web服務(wù)器的設(shè)計(jì)，ZigBee程序設(shè)計(jì)，視頻采集程序設(shè)計(jì)和4G通信程序設(shè)計(jì)等。

Linux操作系統(tǒng)的移植首先需要搭建交叉編譯環(huán)境。PC機(jī)安裝的是Ubuntu16.04操作系統(tǒng)，ARM平臺(tái)的Bootloader引導(dǎo)程序和內(nèi)核在PC機(jī)上交叉編譯后，下載到目標(biāo)板上運(yùn)行。本文采用的交叉編譯器為arm-linux-gcc-4.5.1，下載、解壓，把a(bǔ)rm-linux路徑添加到環(huán)境變量PATH中，保存退出即可。然后進(jìn)行Bootloader移植，Bootloader類似于PC機(jī)的BIOS，引導(dǎo)加載程序。本文采用u-boot-2015.10.tar.bz2，下載、解壓，修改Makefile文件，指定交叉編譯工具鏈。修改相似的BOARD配置，使其支持Exynos4412 CPU，編譯運(yùn)行。最后進(jìn)行內(nèi)核移植，系統(tǒng)Linux內(nèi)核版本為3.5.0，在內(nèi)核配置時(shí)，完成對(duì)串口、USB攝像頭和4G通信模塊等驅(qū)動(dòng)的配置，并對(duì)YAFF2S根文件系統(tǒng)進(jìn)行配置，保存退出。執(zhí)行命令make uImage，編譯完成后，在arch/arm/boot目錄下生成了內(nèi)核鏡像文件uImage，把這個(gè)文件燒寫到目標(biāo)板上運(yùn)行，就可以看到Linux的啟動(dòng)信息了。

Web 服務(wù)器采用Boa服務(wù)器，利用CGI 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)家居設(shè)備的監(jiān)控。Boa服務(wù)器的移植步驟：修改Makefile文件，指定交叉編譯工具鏈；修改boa.conf文件，配置相關(guān)目錄，包括修改Group開放用戶組的限制，配置HTML文件存放目錄，修改ScriptAlias配置CGI腳本的存放目錄，修改mime.type文件的存放目錄；在制作好的根文件系統(tǒng)下創(chuàng)建相應(yīng)的目錄，將上述文件拷貝到對(duì)應(yīng)的目錄。當(dāng)Boa服務(wù)器接收到用戶的請(qǐng)求時(shí)，CGI 程序就處理瀏覽器發(fā)過來的參數(shù)，生成HTML頁面，為用戶提供瀏覽。

ZigBee程序設(shè)計(jì)包括協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)控制程序。本文采用TI公司的Z-STACK 協(xié)議棧，調(diào)用系統(tǒng)提供的API接口來開發(fā)應(yīng)用程序。ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)建立和維護(hù)無線網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，向節(jié)點(diǎn)控制發(fā)送控制指令和接收傳感器采集的信息，通過串口發(fā)送給ARM平臺(tái)。ZigBee節(jié)點(diǎn)控制將傳感器采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，同時(shí)接收協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的控制指令。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)和ARM平臺(tái)沒有數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，節(jié)點(diǎn)控制進(jìn)入休眠模式；當(dāng)有數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，實(shí)時(shí)完成數(shù)據(jù)采集并發(fā)送至協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)。

視頻采集程序的設(shè)計(jì)基于Video for Linux Two（簡稱V4L2）技術(shù)，V4L2是Linux操作系統(tǒng)中關(guān)于設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)，提供了用于采集視頻等數(shù)據(jù)的API接口，加載相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)視頻的采集。實(shí)現(xiàn)流程：首先打開視頻設(shè)備，獲取設(shè)備信息，使用ioctl（）函數(shù)設(shè)置視頻格式；申請(qǐng)幀緩沖區(qū)，映射到用戶空間；將申請(qǐng)到的幀緩沖區(qū)在視頻采集輸入隊(duì)列中排隊(duì)，保證視頻流的順序；啟動(dòng)視頻采集，使用VIDIOC_DQBUF使視頻幀出隊(duì)列，取出的視頻幀，使用VIDIOC_QBUF使視頻幀入隊(duì)列，循環(huán)往復(fù)，可采集連續(xù)的視頻數(shù)據(jù)；采集完成后釋放緩沖區(qū)，并關(guān)閉攝像頭設(shè)備文件。

4G通信模塊程序設(shè)計(jì)采用基于TCP/IP 協(xié)議的流式Socket 通信，通過Linux下的Sockets套接字編程實(shí)現(xiàn)。服務(wù)器使用socket（）函數(shù)創(chuàng)建套接字，用bind（）函數(shù)綁定服務(wù)器IP地址和端口號(hào)，創(chuàng)建socket對(duì)象?？蛻舳苏{(diào)用sendto（）函數(shù)向服務(wù)器發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求報(bào)文，調(diào)用recvfrom（）函數(shù)等待并接收服務(wù)器的應(yīng)答報(bào)文；雙方通過socket套接字進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，實(shí)現(xiàn)用戶遠(yuǎn)程終端與ARM平臺(tái)之間的通信。

5.結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一款基于ARM和ZigBee的智能家居系統(tǒng)，以三星Exynos4412為控制核心，結(jié)合ZigBee模塊、4G通信模塊和傳感器等完成了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，通過移植Linux操作系統(tǒng)，Web服務(wù)器以及編寫ZigBee程序、視頻采集程序和4G通信程序，實(shí)現(xiàn)了用戶遠(yuǎn)程終端與系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)之間的互通互聯(lián)。經(jīng)測試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具有實(shí)時(shí)性好、可靠性高、擴(kuò)展性好等特點(diǎn)，具有廣闊的市場前景。

［1］尹紀(jì)庭等.基于ARM和ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)研究與開發(fā)［J］.計(jì)算測量與控制，2011，21（9）：2451-2454.

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［4］許岳兵等.基于S3C2440的家用視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.衡陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，32（3）：52：55.

許岳兵（1980—），男，湖南岳陽人，講師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器學(xué)習(xí)，嵌入式及應(yīng)用。

湖南省教育廳高?？蒲杏?jì)劃項(xiàng)目（12C0532）。

何燁雯（通信作者）（1980—），女，湖南岳陽人，中教二級(jí)，主要研究方向?yàn)槲锢韺W(xué)教育，嵌入式及應(yīng)用。