手機(jī)家居物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

向明尚　張志華　潘麗艷

摘 要：利用手機(jī)、有線設(shè)備、無線設(shè)備組建家庭網(wǎng)絡(luò)，以ARM開發(fā)板為核心，設(shè)計(jì)嵌入式控制系統(tǒng)?；赗FID理論和Zigbee技術(shù)組建家庭物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)家庭人員之間、人員與設(shè)備之間的互聯(lián)互通。簡(jiǎn)要介紹了家居物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，講述了控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)步驟，給出了應(yīng)用軟件的實(shí)現(xiàn)方法，闡明了網(wǎng)絡(luò)組建原理和分層實(shí)現(xiàn)步驟，以期為日后相關(guān)工作的順利進(jìn)行提供參考。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；RFID理論；Zigbee技術(shù)；嵌入式控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP273+.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.05.026

隨著人們生活水平的提高，智能手機(jī)已經(jīng)成為生活中的必備物品；隨著科技的進(jìn)步和網(wǎng)絡(luò)理論、技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品逐漸進(jìn)入人們的日常生活，比如智能家電、智能廚房、智能衛(wèi)浴、智能安保和智能看護(hù)等物聯(lián)網(wǎng)智能終端系列產(chǎn)品。物聯(lián)網(wǎng)常用的Zigbee傳感網(wǎng)絡(luò)具有自組織、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低等一系列優(yōu)點(diǎn)。Zigbee技術(shù)是一種短距離、低復(fù)雜度、低速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)或無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。智能終端種類繁多，應(yīng)用廣泛，在給居家生活帶來便利的同時(shí)，也在使用和管理上帶來諸多不便。物聯(lián)網(wǎng)智能終端位于物聯(lián)網(wǎng)感知層，物聯(lián)網(wǎng)中的感知層包括傳感器的數(shù)據(jù)采集設(shè)備和數(shù)據(jù)接入網(wǎng)絡(luò)之前的傳感器網(wǎng)絡(luò)，將其與智能手機(jī)結(jié)合起來，可以組建家居物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)，將其與家用智能設(shè)備有機(jī)結(jié)合起來，充分發(fā)揮設(shè)備的功能、性能，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息共享、人員的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)、設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和報(bào)警。本文利用智能手機(jī)、嵌入式開發(fā)板、RFID閱讀器、Zigbee智能終端設(shè)計(jì)了手機(jī)家居物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)，利用網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智能化的技術(shù)手段來管理家居設(shè)備，提高了家居設(shè)備的工作效率，降低了設(shè)備的使用難度，極大地方便了人們的生活。

1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

手機(jī)家居物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的核心是數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)家居設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、設(shè)備運(yùn)行、信息傳輸和設(shè)備調(diào)度等，配合傳感器、控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)家居設(shè)備的控制。智能手機(jī)方便用戶隨時(shí)隨地遠(yuǎn)程監(jiān)控家居情況。PC終端作為數(shù)據(jù)服務(wù)器，用來存儲(chǔ)家居設(shè)備的各類數(shù)據(jù)，比如設(shè)備運(yùn)行記錄、室內(nèi)語音信息記錄和室內(nèi)外監(jiān)控錄像數(shù)據(jù)等；Wi-Fi無線模塊和有線網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)用于搭建家庭通訊的主干網(wǎng)絡(luò)；RFID閱讀器作為收發(fā)器，協(xié)調(diào)管理Zigbee智能終端設(shè)備，組建家庭物聯(lián)網(wǎng)，與家庭主干網(wǎng)共同組成網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)，承擔(dān)室內(nèi)外家居設(shè)備之間的信息交換、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程控制指令的接收與發(fā)布等。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)、家用設(shè)備傳感器網(wǎng)絡(luò)、家用設(shè)備控制器網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)和PC終端、供電網(wǎng)絡(luò)組成。

2.1 數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集和控制是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，系統(tǒng)能否穩(wěn)定、可靠、安全、高效運(yùn)行，取決于這部分設(shè)計(jì)。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用以ARM處理器為核心的開發(fā)板，配合開發(fā)板上豐富的硬件資源設(shè)計(jì)嵌入式控制系統(tǒng)，組成采集、控制系統(tǒng)的核心。開發(fā)板上配備了RJ45網(wǎng)絡(luò)接口、Wi-Fi模塊和物聯(lián)網(wǎng)收發(fā)器模塊，用于組建基本的家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，管理、監(jiān)控家居設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)的有線傳輸和無線傳輸。對(duì)于不具備網(wǎng)絡(luò)功能的家居設(shè)備，開發(fā)板上的GPIO接口提供了擴(kuò)展連接方式，可以控制傳感器數(shù)據(jù)的采集、設(shè)備的監(jiān)控運(yùn)行。而開發(fā)板上的紅外收發(fā)器可以直接控制具有紅外功能的家居設(shè)備。另外，開發(fā)板上還配備了按鍵、蜂鳴器、指示燈、液晶顯示器和觸摸屏，以方便系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試。開發(fā)板具有很強(qiáng)的擴(kuò)展能力，對(duì)于需要藍(lán)牙、GMS等通訊接口的家居設(shè)備，可以額外配置相關(guān)模塊，實(shí)現(xiàn)家居物聯(lián)網(wǎng)的有效擴(kuò)展。數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)主要用于接收傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的參數(shù)范圍，通過家用設(shè)備控制器網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)相應(yīng)的設(shè)備來調(diào)節(jié)家居環(huán)境參數(shù)，形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，完成相關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和控制。

2.2 家用設(shè)備傳感器網(wǎng)絡(luò)

家居環(huán)境情況復(fù)雜，需要監(jiān)控、采集的環(huán)境參數(shù)比較多，對(duì)應(yīng)的傳感器種類繁多，其型號(hào)、功能差異比較大，組成了復(fù)雜的傳感器網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)配備了以Zigbee傳感器節(jié)點(diǎn)模塊為核心的溫度、濕度、光照、紅外、氣體、語音和攝像等智能終端感知設(shè)備，以RFID閱讀器為收發(fā)器，共同組成基本的傳感器網(wǎng)絡(luò)，即家庭物聯(lián)網(wǎng)。Zigbee節(jié)點(diǎn)設(shè)備采集室內(nèi)外環(huán)境的各類信息，并控制智能設(shè)備的工作。RFID收發(fā)器將Zigbee節(jié)點(diǎn)采集的信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，并接收控制系統(tǒng)發(fā)布的指令。

2.3 家用設(shè)備控制器網(wǎng)絡(luò)

家居設(shè)備種類繁多，功能、性能不盡相同，組成了復(fù)雜的控制器網(wǎng)絡(luò)，其中主要包括照明、溫濕度調(diào)節(jié)子系統(tǒng)，有害氣體檢測(cè)子系統(tǒng)，老人、兒童監(jiān)護(hù)子系統(tǒng)，防盜監(jiān)控子系統(tǒng)，家居設(shè)備控制子系統(tǒng)等。這些子系統(tǒng)可以根據(jù)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)設(shè)定的工作參數(shù)，及時(shí)采集、監(jiān)控室內(nèi)環(huán)境、家庭人員情況、室內(nèi)外安全態(tài)勢(shì)、家居設(shè)備運(yùn)行狀況等，并錄像，傳遞數(shù)據(jù)，發(fā)出報(bào)警信息。

2.4 網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)由交換機(jī)組成的有線網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi組成的無線網(wǎng)絡(luò)、RIFD收發(fā)器和Zigbee節(jié)點(diǎn)組成的家居設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)組成。交換機(jī)連接開發(fā)板、帶有RJ45接口的家居設(shè)備，Wi-Fi連接無線家居設(shè)備，RFID收發(fā)器和Zigbee節(jié)點(diǎn)連接專用的物聯(lián)網(wǎng)家居設(shè)備。

PC終端作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，用于存儲(chǔ)大量的家居信息數(shù)據(jù)。而智能手機(jī)通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi接入網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)，用于遠(yuǎn)程接收家居信息，實(shí)時(shí)跟蹤家庭人員的情況和家居設(shè)備的運(yùn)行狀況，同時(shí)，根據(jù)情況發(fā)出遠(yuǎn)程控制指令，與家人溝通，并控制家居設(shè)備的運(yùn)行。

2.5 家居物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)

以RFID收發(fā)器為核心、Zigbee智能終端設(shè)備為節(jié)點(diǎn)構(gòu)建家居物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。由收發(fā)器組建網(wǎng)絡(luò)，與開發(fā)板建立通道，完成開發(fā)板、收發(fā)器、節(jié)點(diǎn)之間的通訊和數(shù)據(jù)交換；節(jié)點(diǎn)設(shè)備負(fù)責(zé)信息的采集、傳輸，并控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)控。

2.6 家居供電網(wǎng)絡(luò)

家居設(shè)備供電系統(tǒng)由市電系統(tǒng)、自備電系統(tǒng)組成。市電系統(tǒng)即城市供電系統(tǒng)，而自備電系統(tǒng)由太陽能、風(fēng)能組成綠色、清潔、環(huán)保的供電系統(tǒng)。系統(tǒng)工作電源以自備電系統(tǒng)為主，市電系統(tǒng)為輔，可以完成2種電源的自動(dòng)無縫切換，保證家居設(shè)備的安全、可靠運(yùn)行。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)由手機(jī)、PC終端軟件、開發(fā)板數(shù)據(jù)采集和控制軟件、RFID收發(fā)器軟件、Zigbee節(jié)點(diǎn)控制軟件、供電網(wǎng)絡(luò)控制軟件等組成。

3.1 手機(jī)軟件

手機(jī)軟件采用Android系統(tǒng)和Java語言開發(fā)。Android作為手機(jī)移動(dòng)終端的操作系統(tǒng)被應(yīng)用廣泛，得到了人們的認(rèn)可。它是基于Linux系統(tǒng)的、自由且代碼開放的操作系統(tǒng)，主要用于智能手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備，由系統(tǒng)內(nèi)核、中間件、GUI和應(yīng)用軟件組成。Java是一種跨平臺(tái)、分布式、可移植、面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語言，具有良好的通用性、安全性、高效性，給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了極大的便利。

3.2 開發(fā)板軟件

開發(fā)板以嵌入式Linux為操作系統(tǒng)，將Qt的圖形用戶界面GUI作為開發(fā)平臺(tái)，利用C++開發(fā)數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)通訊、設(shè)備控制等軟件，是整個(gè)系統(tǒng)的核心軟件。軟件開發(fā)過程包括操作系統(tǒng)內(nèi)核的定制和移植、驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)、應(yīng)用軟件的開發(fā)等。

操作系統(tǒng)內(nèi)核的定制和移植是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。該系統(tǒng)以Linux 3.0.1內(nèi)核為源碼，添加了文件系統(tǒng)、內(nèi)存管理、中斷控制、網(wǎng)絡(luò)通訊、液晶顯示及觸摸屏、鼠標(biāo)鍵盤、音視頻、I2C、SPI、USB、UART、SD和GPIO等多種設(shè)備的支持。

對(duì)于驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，除了內(nèi)核定制和移植時(shí)所開發(fā)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)外，針對(duì)一些特定的外圍設(shè)備開發(fā)了相關(guān)驅(qū)動(dòng)，包括字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)，比如溫濕度、超聲波等傳感器；塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)，比如SD卡、flash存儲(chǔ)等設(shè)備；網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)，比如以太網(wǎng)卡、Wi-Fi、Zigbee物聯(lián)網(wǎng)通訊設(shè)備等。

對(duì)于應(yīng)用軟件的開發(fā)，主要包括手機(jī)終端的監(jiān)控顯示圖形界面程序，PC終端的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器系統(tǒng)軟件，開發(fā)板的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)軟件，RIFD收發(fā)器管理軟件，Zigbee節(jié)點(diǎn)管理與執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制軟件等。

3.3 RFID收發(fā)器、Zigbee節(jié)點(diǎn)軟件

C++面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語言，利用它開發(fā)收發(fā)器管理軟件、數(shù)據(jù)交換和節(jié)點(diǎn)應(yīng)用軟件。收發(fā)器采用消息循環(huán)機(jī)制，建立開發(fā)板、收發(fā)器、節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換通道，完成開發(fā)板控制指令的下達(dá)，開發(fā)板與節(jié)點(diǎn)之間、節(jié)電與節(jié)點(diǎn)之間的通訊和數(shù)據(jù)交換，節(jié)點(diǎn)設(shè)備執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制等。

4 網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制指令的發(fā)布、數(shù)據(jù)信息的傳遞、設(shè)備運(yùn)行狀況的反饋、報(bào)警信息的發(fā)送、網(wǎng)絡(luò)安全的管理和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的備份等。而網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)主要包括服務(wù)器，用于管理網(wǎng)絡(luò)、備份數(shù)據(jù)；開發(fā)板的網(wǎng)絡(luò)模塊，建立數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)與家具網(wǎng)絡(luò)的有線、無線網(wǎng)絡(luò)連接；Wi-Fi模塊，建立家庭無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和無線傳輸；GSM、藍(lán)牙模塊，實(shí)現(xiàn)手機(jī)、藍(lán)牙等設(shè)備通訊和數(shù)據(jù)交換；Zigbee家居物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，由收發(fā)器、節(jié)點(diǎn)設(shè)備組成，完成Zigbee設(shè)備信息的采集、運(yùn)行控制。

Zigbee家居物聯(lián)網(wǎng)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的核心。它是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的局域網(wǎng)通訊協(xié)議，可以組建適用于家庭的短距離、低功耗的無線通信網(wǎng)絡(luò)，可用于室內(nèi)人員監(jiān)護(hù)，比如病人、老人、兒童的監(jiān)護(hù)，通過可穿戴設(shè)備隨時(shí)監(jiān)測(cè)血壓、心率、體溫和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等信息。病人攜帶的Zigbee設(shè)備，可以周期性地采集血壓、心率等健康信息，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送到家庭網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器存儲(chǔ)，由服務(wù)器配備的健康管理軟件初步分析數(shù)據(jù)，一些重要的信息可以通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程傳輸給醫(yī)療機(jī)構(gòu)，由醫(yī)護(hù)人員作出相應(yīng)的處置。同時(shí)，它也可以獲取老人、兒童的家庭生活狀態(tài)信息，通過可穿戴設(shè)備采集信息，并發(fā)送到服務(wù)器存儲(chǔ)，由服務(wù)器配備的家庭人員生活狀況管理軟件進(jìn)行分析，根據(jù)情況適時(shí)發(fā)出室內(nèi)警告，或通過手機(jī)遠(yuǎn)程發(fā)出警告提醒家人注意，也可向醫(yī)療部門發(fā)出有助信息。另外，它還可用于家居設(shè)備的監(jiān)控和管理，比如家用電器、廚房和衛(wèi)浴專用設(shè)備、安全監(jiān)控設(shè)備等。如果發(fā)生緊急情況，可向醫(yī)療機(jī)構(gòu)、公安、消防部門發(fā)出報(bào)警信號(hào)。具體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

5 結(jié)束語

智能家居設(shè)備的應(yīng)用越來越普及，組建家居物聯(lián)網(wǎng)管理家用設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭人、財(cái)、物的監(jiān)控和信息共享是家居生活的新方向。手機(jī)家居物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)以智能終端和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)理論為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)家庭人員監(jiān)護(hù)、家居設(shè)備的智能控制、室內(nèi)外環(huán)境的監(jiān)控、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和報(bào)警等，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和一定的推廣意義。

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〔編輯：白潔〕