基于物聯(lián)網(wǎng)近程無線組網(wǎng)技術(shù)的嵌入式智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

田仲富，王述洋

(東北林業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

基于物聯(lián)網(wǎng)近程無線組網(wǎng)技術(shù)的嵌入式智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

田仲富，王述洋

(東北林業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

首先設(shè)計了該系統(tǒng)的總體方案，確定了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及各組分之間的通信方式。然后根據(jù)系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，對其相關(guān)的硬件和軟件進行了詳細(xì)設(shè)計，以一個高性價比的嵌入式微處理器為核心，并擴展系統(tǒng)所需的ZigBee模塊、GPRS模塊和外圍模塊，利用運行在該嵌入式微處理器上的Linux操作系統(tǒng)、ZigBee協(xié)議棧和所設(shè)計的相關(guān)應(yīng)用程序，完成對家居設(shè)備的智能管理和控制。此外，利用Internet和GPRS網(wǎng)絡(luò)接口，完成了對家居設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。本系統(tǒng)采用WCF模式和HDFS文件存儲系統(tǒng)，可以有效解決智能家居的大數(shù)據(jù)存儲問題。最后對該系統(tǒng)進行了相應(yīng)的實驗。結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有安全可靠、低功耗和低成本以及易擴展等特點。

物聯(lián)網(wǎng)；智能家居；嵌入式；監(jiān)控系統(tǒng)

隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的智能化產(chǎn)品己成為一種新的發(fā)展趨勢。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在家居監(jiān)控中，可通過構(gòu)建一個智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，對家居信息、設(shè)備實現(xiàn)統(tǒng)一的管理和監(jiān)控[1]。本文就是在此背景下，利用嵌入式技術(shù)、通信技術(shù)、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過統(tǒng)一的無線協(xié)議和不同的控制協(xié)議，結(jié)合已有的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)解決方案，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的嵌入式智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案，實現(xiàn)了真正意義上的物聯(lián)網(wǎng)。同時，可以通過Web方式、短信方式以及無線等方式對家居設(shè)備實現(xiàn)遠(yuǎn)程的實時監(jiān)控和管理[2]。該系統(tǒng)不僅可使家居生活環(huán)境的舒適性、便捷性以及安全性得到提高，而且對于改善家居控制的智能化以及促進物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推廣和發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)主要著重研究家庭用戶通過電腦或手機等對家居的視頻監(jiān)控和家電控制的通用技術(shù)，主要包括基于ZigBee的家居互聯(lián)技術(shù)、基于WIFI的家居無線視頻監(jiān)控技術(shù)、基于GSM的短信監(jiān)控技術(shù)以及家居監(jiān)控中心平臺集成技術(shù)。通過這4種技術(shù)，提高了家居監(jiān)控系統(tǒng)的實用性、便利性、可靠性、兼容性和擴展性。

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個系統(tǒng)由應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層構(gòu)成[3]。

感知層的主要功能是實現(xiàn)底層ZigBee節(jié)點間的相互連接和感知用戶需要獲取的物理量，如溫度、濕度、速度、光感應(yīng)、音頻信息以及視頻數(shù)據(jù)等。給實際物體加上信息收發(fā)裝置、智能標(biāo)簽、數(shù)據(jù)處理芯片、數(shù)據(jù)通道等，按照設(shè)定的通信協(xié)議，物體就有了能在物聯(lián)網(wǎng)上唯一可被確認(rèn)的標(biāo)識，就能進入物聯(lián)網(wǎng)范圍內(nèi)。ZigBee節(jié)點將傳感器采集的室內(nèi)環(huán)境信息轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)。ZigBee節(jié)點還可將應(yīng)用層發(fā)出的命令轉(zhuǎn)發(fā)給終端設(shè)備從而實現(xiàn)特定的用戶操作。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 General structure of the system

網(wǎng)絡(luò)層主要由ZigBee家庭內(nèi)部網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和移動通信網(wǎng)構(gòu)成，其主要功能是獲取家居內(nèi)部網(wǎng)中的節(jié)點信息并進行相應(yīng)的處理工作。

應(yīng)用層的實現(xiàn)是本文的主要目標(biāo)。利用應(yīng)用層，用戶能夠很便捷地接入該系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對家中安防預(yù)警、老人和兒童的監(jiān)護以及各種家電的控制等功能。

本設(shè)計方案中的無線通信方式采用了ZigBee 和WIFI兩種協(xié)議，這是因為ZigBee具有自組網(wǎng)、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、傳輸速度比傳統(tǒng)射頻要快許多等優(yōu)勢，這樣有利于發(fā)揮二者的優(yōu)勢，所以沒有單純的采用WIFI協(xié)議。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 ZigBee通信模塊設(shè)計

2.1.1 ZigBee協(xié)調(diào)器設(shè)計

在綜合考慮了智能家居監(jiān)控系統(tǒng)中家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的實際情況下，本智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)是由JN5139芯片構(gòu)成的星型網(wǎng)絡(luò)[4]。系統(tǒng)中家居設(shè)備和網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)通路是由ZigBee協(xié)調(diào)器提供的，無線網(wǎng)絡(luò)的建立和維護也是由ZigBee協(xié)調(diào)器實現(xiàn)的。ZigBee無線協(xié)調(diào)器的電路原理如圖2所示，JN5139為其電路的控制核心，協(xié)調(diào)器和網(wǎng)關(guān)的通信接口為RS232，因為功率放大和SMA天線連接接口都可由集成化模塊JN5139提供，所以該協(xié)調(diào)器無線收發(fā)功能的實現(xiàn)只要加配全向天線即可。

圖2 ZigBee無線協(xié)調(diào)器電路原理Fig.2 The circuit schematic of ZigBee wireless coordinator

2.1.2 ZigBee終端節(jié)點設(shè)計

ZigBee終端節(jié)點主要有采集和操控等節(jié)點，這些節(jié)點是多功能的獨立節(jié)點，所以在設(shè)計時應(yīng)考慮這些節(jié)點所具有的特性，保證其調(diào)控和收集的獨立性。調(diào)控節(jié)點可收集處理其所接收到的控制指令；采集節(jié)點的功能是對工作條件的變換進行檢測，也可將相關(guān)的信息發(fā)送至下層服務(wù)器進行處理[5]。ZigBee終端節(jié)點的結(jié)構(gòu)如圖3所示。采集和調(diào)控節(jié)點的內(nèi)容是很相似的，但是調(diào)控節(jié)點具有繼電器單元，而采集節(jié)點卻沒有；采集節(jié)點具有傳感器單元，而調(diào)控節(jié)點卻沒有。

圖3 ZigBee終端節(jié)點結(jié)構(gòu)Fig.3 ZigBee terminal node structure diagram

2.2 網(wǎng)關(guān)設(shè)計

網(wǎng)關(guān)在采集家居環(huán)境信息并將其進行處理的同時還負(fù)責(zé)對相關(guān)傳感器的參數(shù)進行設(shè)置。在邏輯上網(wǎng)關(guān)被劃分為匯聚層、融合層和決策層[6]。

本設(shè)計的網(wǎng)關(guān)是基于OK6410開發(fā)板進行設(shè)計的。該開發(fā)板中的控制核心是三星公司的S3C6410。S3C6410不僅支持從SD卡啟動，還支持從Nand啟動。此外，OK6410開發(fā)板具有豐富的外圍擴展接口，如觸摸屏接口、百兆以太網(wǎng)接口、無線接口、USB接口以及GPRS/3G模塊等組件。網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。GPRS無線模塊和ZigBee無線模塊為主要的通信部分，包括LAN接口、RS232接口以及JTAG等接口，利用SD卡作為本地存儲、LCD作為本地顯示設(shè)備。通過采用高性能的嵌入式處理芯片作為網(wǎng)關(guān)的核心器件，可有效地提高調(diào)控節(jié)點的數(shù)據(jù)匯聚與調(diào)度，從而大大提升系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和傳輸能力，真正做到對家居中家電設(shè)備的實時監(jiān)控。

圖4 網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)Fig.4 Gateway structure diagram

3 軟件程序設(shè)計

3.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計

3.1.1 ZigBee協(xié)調(diào)器的程序設(shè)計

系統(tǒng)加電后完成初始化工作，協(xié)調(diào)器會匹配相應(yīng)的信道，并設(shè)置PAN值。然后不停地對該網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)節(jié)點入網(wǎng)申請進行檢測。若檢測到某節(jié)點的申請后，會給檢測到的節(jié)點分配地址，同時把該地址加到本網(wǎng)絡(luò)的地址表中[7]。協(xié)調(diào)器組網(wǎng)流程如圖5所示。

圖5 協(xié)調(diào)器組網(wǎng)流程Fig.5 Network flow chart of coordinator

網(wǎng)路組成后，協(xié)調(diào)器的主要工作就是負(fù)責(zé)終端節(jié)點與網(wǎng)關(guān)之間數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)路由以及簡單的打包解析。其工作流程如圖6所示。

圖6 協(xié)調(diào)器工作流程Fig.6 Work flow chart of coordinator

3.1.2 ZigBee終端節(jié)點的程序設(shè)計

ZigBee終端節(jié)點程序有2個功能：① 接收控制指令(主要是協(xié)調(diào)器發(fā)來的)；② 將家電的當(dāng)前工作狀態(tài)發(fā)給協(xié)調(diào)器[8]。終端節(jié)點一般為休眠狀態(tài)，直到收到協(xié)調(diào)器發(fā)來的控制指令后被激活，然后將接收到的控制指令做特定的處理，之后再次處于體眠狀態(tài)。其工作流程如圖7所示。

圖7 ZigBee終端節(jié)點工作流程Fig.7 Work flow chart of ZigBee terminal node

3.2 網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計

網(wǎng)關(guān)程序主要通過兩個編程部分進行實現(xiàn)。一是基于QT的網(wǎng)關(guān)程序的設(shè)計。在該程序中，需完成一個用戶控制界面，并通過該界面可以對所有終端節(jié)點進行管理。利用代碼對網(wǎng)關(guān)的串口進行操作。在嵌入式操作系統(tǒng)中對串口的操作非常容易，實際上在一個已搭建好的嵌入式系統(tǒng)中，對串口進行操作與對普通文件的讀寫操作很相似，只需通過系統(tǒng)調(diào)用打開、讀和寫等函數(shù)即可。在本設(shè)計中，通過被Qt封裝好了的串口類實現(xiàn)對串口的操作，這里的封裝實際上也就是對打開、讀和寫等函數(shù)的調(diào)用。需要在網(wǎng)關(guān)上構(gòu)建http服務(wù)器，這是實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)程序的第2個主要部分。通常在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工程中，Linux中常用的apache服務(wù)器一般不被使用，而經(jīng)常采用boa或者h(yuǎn)ttpd更為小巧的服務(wù)器。上述兩種服務(wù)器雖然不支持并發(fā)，但其可同時支持CGI，可以給CGI程序獨立創(chuàng)建一個進程。CGI程序主要功能是負(fù)責(zé)執(zhí)行終端用戶發(fā)出的指令，這些指令是基于http協(xié)議中GET請求的。網(wǎng)關(guān)工作流程如圖8所示。

3.3 主控程序設(shè)計

主控程序主要功能包括對各種家居設(shè)備的控制、各種終端的數(shù)據(jù)采集、串口數(shù)據(jù)通信以及報警等功能。在主控程序中，首先對各種硬件設(shè)備進行初始化，并對各種安全參數(shù)的預(yù)警閾值進行設(shè)定。然后對應(yīng)的采集電路對終端節(jié)點的狀態(tài)信息完成采集，并實時地把其所采集的信息按照特定的格式傳給服務(wù)層。如果檢測到有超過設(shè)定預(yù)警閾值的信息時，將立即發(fā)出報警信息。通過串口接收服務(wù)層用戶發(fā)來的控制指令，若這些控制指令為預(yù)定的指令格式，則進行相應(yīng)的操作，進而實現(xiàn)對現(xiàn)場家居設(shè)備工作狀態(tài)的改變。

圖8 網(wǎng)關(guān)工作流程Fig.8 Work flow chart of gateway

3.3.1 溫度檢測程序設(shè)計

該部分程序的主要功能是系統(tǒng)經(jīng)過串口定時地向協(xié)調(diào)器發(fā)出溫度采集指令，協(xié)調(diào)器將收到的指令發(fā)給溫度傳感器HS1101，HS1101收到指令后進行相應(yīng)的采集工作，并將經(jīng)過A/D變換后的信息發(fā)給協(xié)調(diào)器，以便能夠被主控制器接收、處理。溫度檢測程序的工作流程如圖9所示。

圖9 溫度檢測程序工作流程Fig.9 Work flow chart of temperature process

3.3.2 視頻監(jiān)控程序設(shè)計

該部分程序的開始階段是建立客戶端與服務(wù)器端的可靠連接。客戶端首先向服務(wù)器端發(fā)出連接請求，服務(wù)器端對該請求作出響應(yīng)后二者便建立起了連接。然后客戶端發(fā)送開啟視頻采集的信息，服務(wù)器端則開啟視頻采集操作，同時將采集到的視頻數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端，客戶端對其接收到的視頻進行顯示[9]。具體工作流程如圖10所示。

圖10 視頻監(jiān)控程序流程Fig.10 Flow chart of video surveillance program

3.3.3 GPRS通信程序設(shè)計

在系統(tǒng)中，GPRS通信程序的主要功能是和嵌入式主控制器之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。本設(shè)計中選用DATA-6102作為通信模塊，主控器通過串口發(fā)送AT指令來對其進行控制，該模塊主要完成對SMS短消息的編碼、發(fā)送、接收以及解碼等操作。嵌入式開發(fā)板和該模塊間利用AT指令集經(jīng)串口進行數(shù)據(jù)通信。當(dāng)嵌入式開發(fā)板加電后，系統(tǒng)向DATA-6102發(fā)送AT指令對其進行初始化操作，之后系統(tǒng)處于待命狀態(tài)。通常有2個觸發(fā)條件可使DATA-6102進入工作狀態(tài)：一是主控器檢測到警報信息后，主控器將異常信息通過該模塊發(fā)送至用戶；二是移動終端用戶向主控器發(fā)送相應(yīng)指令時，該模塊也會進入工作狀態(tài)。GPRS通信程序工作流程如圖11所示。

4 實驗及結(jié)果分析

在系統(tǒng)的整體實驗中，首先將所有的終端節(jié)點進行加電，協(xié)調(diào)器利用串口同網(wǎng)關(guān)進行連接，網(wǎng)關(guān)、PC機等均使用有線的方式連接到互聯(lián)網(wǎng)上。系統(tǒng)整體實物如圖12所示。

圖11 GPRS通信程序流程Fig.11 Flow chart of GPRS communication program

圖12 實驗系統(tǒng)實物Fig.12 Physical diagram of experimental system

4.1 基于Web方式控制實驗

嵌入式開發(fā)板與PC機間通過網(wǎng)線進行連接。本實驗是在局域網(wǎng)內(nèi)完成的測試，所以需把二者的IP設(shè)置在同一網(wǎng)段內(nèi)。設(shè)置完成后，通過在PC上的瀏覽器中鍵入嵌入式開發(fā)板的IP地址就可實現(xiàn)二者的連接。在客戶端基于Web的系統(tǒng)控制登陸頁面如圖13所示。當(dāng)輸入正確的用戶名和密碼后，進去控制頁面，則可實現(xiàn)相應(yīng)的遠(yuǎn)程控制操作。

登陸控制頁面成功后，單擊網(wǎng)絡(luò)控制家電按鈕，則可進入控制頁面，如圖14所示。單擊網(wǎng)絡(luò)溫度顯示按鈕，則彈出室內(nèi)當(dāng)前環(huán)境參數(shù)的顯示頁面，如圖15所示。單擊網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控按鈕，顯示室內(nèi)當(dāng)前的視頻信息，如圖16所示。

圖13 系統(tǒng)登錄界面Fig.13 Login interface of the system

圖14 Web控制家電界面Fig.14 Web control household appliances interface

圖15 Web室內(nèi)環(huán)境參數(shù)檢測Fig.15 Web indoor environmental parameters detection

圖16 Web遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控Fig.16 Web remote video surveillance

4.2 基于短信方式控制實驗

寫信息“L1ON”，同時發(fā)給無線通信模塊SIM卡所對應(yīng)的號碼， 1號燈將被點亮，控制界面中對應(yīng)的1號燈圖標(biāo)變亮，按鈕的狀態(tài)也隨之變?yōu)椤瓣P(guān)”，同時收到反饋信息“L1ON：OK”(1號燈點亮成功)。寫短信“L10FF”，同時發(fā)給無線通信模塊SIM卡所對應(yīng)的號碼，1號燈將被熄滅，控制界面中對應(yīng)的1號燈圖標(biāo)變暗，按鈕狀態(tài)也隨之變?yōu)?“開”，并可獲得無線通信模塊的回復(fù)短信“L10FF:OK”(1號燈熄滅成功)。短信方式控制燈的實驗如圖17所示。

圖17 短信方式控制燈Fig.17 Short message mode control lamp

4.3 基于無線視頻方式控制實驗

當(dāng)所有的無線視頻節(jié)點入網(wǎng)，并且連接成功之后，每個無線視頻節(jié)點采集的家居視頻都可以在主控軟件上被看到，如圖18所示。

圖18 基于無線視頻方式家居控制界面Fig.18 Home control interface based on wireless video mode

5 結(jié)束語

本文在對當(dāng)前國內(nèi)外基于物聯(lián)網(wǎng)智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r進行充分研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的實際需求，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的嵌入式智能家居監(jiān)控系統(tǒng)。依據(jù)系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，首先從硬件方面對系統(tǒng)進行了詳細(xì)的設(shè)計，主要包括ZigBee通信模塊設(shè)計和家庭內(nèi)部網(wǎng)關(guān)設(shè)計；然后從軟件方面對其進行了詳細(xì)的設(shè)計，主要包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計、網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計以及主控程序設(shè)計等；最后對系統(tǒng)進行了整體測試實驗。實驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計方案中的設(shè)計要求，且其具有實現(xiàn)簡單、運行穩(wěn)定和擴展性強等優(yōu)點。

本系統(tǒng)在嵌入式Linux操作系統(tǒng)上實現(xiàn)了嵌入式Web服務(wù)器的功能，用戶能夠利用電腦或手機實時控制家中的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備，為工作和生活提供了舒適和便利。同時，本系統(tǒng)為物聯(lián)網(wǎng)在智能監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展提供了新的思路和方向，會進一步加快物聯(lián)網(wǎng)與智能家居監(jiān)控的融合。

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(責(zé)任編輯 楊文青)

Research and Design of Embedded Intelligent Home Monitoring System Based on Internet of Things

TIAN Zhong-fu, WANG Shu-yang

(School of Mechanical and Electrical Engineering,Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

In view of the limitations of the existing intelligent home monitoring system in the family network, this paper designs a kind of intelligent home monitoring system based on Internet of things. The system adopts networking short-range wireless networking technology, ZigBee Home Furnishing interconnection technology, based on WIFI Home Furnishing wireless video monitoring technology and GSM and SMS monitoring technology for the system of research and implementation. In terms of hardware, the embedded microprocessor S3C6410 as the control core, the controller compared with the current monitoring system used by the most intelligent Home Furnishing has high reliability, stability and low power consumption advantages; for software, modular design methods is adopted, and the communication between different modules are realized by the communication interface. In addition, this paper focuses on the problem of intelligent gateway access security system research and design. The results show that the system has the characteristics of safety, reliability, low power consumption, low cost and convenient extendibility.

internet of things; smart home; embedded; monitoring system

2016-10-08

國家自然科學(xué)基金資助項目(51378096)；黑龍江省自然科學(xué)基金資助項目(C201244)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(DL12BB01)

田仲富(1978—)，男，山東鄆城人，博士，講師，主要從事智能控制方面的研究，E-mail:txl800328@126.com.

田仲富，王述洋.基于物聯(lián)網(wǎng)近程無線組網(wǎng)技術(shù)的嵌入式智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2017(1):79-86.

format：TIAN Zhong-fu, WANG Shu-yang.Research and Design of Embedded Intelligent Home Monitoring System Based on Internet of Things[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(1):79-86.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.01.013

TP39

A

1674-8425(2017)01-0079-08