基于嵌入式的智能家居系統(tǒng)研究和實(shí)現(xiàn)

姜文秀

摘要：目前對智能家居系統(tǒng)的需求越來越多，從而對智能家居系統(tǒng)提出了更高的要求；傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)大多以有線的方式完成，存在擴(kuò)展性差、成本高等缺點(diǎn)。以ZigBee為代表的嵌入式技術(shù)可以解決能夠以無線方式組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)家居系統(tǒng)的智能控制。

關(guān)鍵詞：智能家居；嵌入式；照明控制

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）03-0266-03

隨著生活水平的日益提高，人民對居家環(huán)境的便利性、舒適性等提出了更高的要求；計(jì)算機(jī)、傳感等新興技術(shù)的發(fā)展也使實(shí)現(xiàn)智能化的家具系統(tǒng)成為可能。

智能家居系統(tǒng)建立在普通的家庭住宅基礎(chǔ)上的，以計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)和電子通訊技術(shù)為手段的集生活、安防、娛樂為一體的智能化管理家居模式。傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)存在諸如成本高、擴(kuò)展性差等不足，對智能家居行業(yè)的發(fā)展存在重要的不利影響，所以最大化地發(fā)揮“智能”因素在家居系統(tǒng)中的作用，成為決定家居系統(tǒng)能否更好地應(yīng)用并推廣的首要因素。

1 嵌入式技術(shù)及ZigBee

隨著通信技術(shù)的普遍應(yīng)用，嵌入式技術(shù)越來越多地被用于移動通信終端、家用電器以及智能設(shè)備等領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)的核心是業(yè)務(wù)應(yīng)用，主要用于對可靠性、功耗等 要求比較嚴(yán)格的應(yīng)用系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)一般包括軟件、硬件兩部分：硬件部分主要是嵌入式處理器、存儲器以及外圍設(shè)備等物理設(shè)備，軟件部分包括嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式應(yīng)用程序。

ZigBee是一種類似于WiFi的短距離無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，傳輸距離一般在10m到100m之間，相當(dāng)于WiFi而言ZigBee的優(yōu)點(diǎn)在于[1]：（1）傳輸數(shù)據(jù)的高可靠性。ZigBee使用AES-128加密算法對傳輸?shù)膱?bào)文進(jìn)行加密，并且只有在冗余校驗(yàn)確認(rèn)后才認(rèn)為數(shù)據(jù)傳輸成功，因此具有較高的可靠性。（2）功耗和成本較低。由于發(fā)射功率只有1mW，較低的功耗使得ZigBee相對省電；而且其工業(yè)制造成本非常低。（3）組網(wǎng)方便、時(shí)延短。ZigBee技術(shù)組網(wǎng)比較方便，組網(wǎng)時(shí)延很短，而且一個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多允許65535個(gè)節(jié)點(diǎn)連接。

2 智能家居功能及設(shè)計(jì)

智能家居系統(tǒng)要可以查詢家居環(huán)境的實(shí)時(shí)信息、控制家電的狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)對家電的本地或遠(yuǎn)程控制、監(jiān)控。

2.1 功能分析

根據(jù)人們對日常家居設(shè)備的需求，本文將智能家居系統(tǒng)的主要功能設(shè)計(jì)如下[2]：

1） 溫度、濕度控制功能。事先在室內(nèi)安裝溫度傳感器和濕度傳感器，在采集到室內(nèi)的溫濕度后將其傳輸?shù)椒?wù)器上，用戶可以借助網(wǎng)絡(luò)在電腦、手機(jī)等終端查看。在溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶后，用戶可以通過控制終端設(shè)置溫濕度。

2） 智能照明控制功能。作為智能家居系統(tǒng)必備的功能，不僅需要控制照明燈的開關(guān)，還需要能夠調(diào)節(jié)燈光的亮度。在布置家居系統(tǒng)時(shí)，需要將照明設(shè)備同開關(guān)繼電器、光敏傳感器一起考慮。用戶可以手工控制開關(guān)繼電器，以便打開、關(guān)閉照明設(shè)備，或調(diào)節(jié)照明設(shè)備的亮度；也可以預(yù)先設(shè)置一個(gè)亮度閾值，當(dāng)光敏傳感器檢測到的光線亮度低于閾值時(shí)，可以自動執(zhí)行開關(guān)、調(diào)節(jié)操作。

3） 家電智能控制功能。目前冰箱、洗衣機(jī)、熱水器以及電視等家電都具備了智能控制功能，這些電器可以和家庭無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，使用戶通過移動終端（手機(jī)）即可控制家電設(shè)備的運(yùn)行。比如，在下班回家的路上就可以借助手機(jī)打開熱水器、電飯鍋等，這樣回到家即可享受舒適的家居生活。

4） 安防監(jiān)控功能。智能家居系統(tǒng)的一個(gè)重要功能是其安防監(jiān)控，需要對門窗、室內(nèi)火警以及入室盜竊等問題進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控；這可以通過紅外傳感器、煙霧傳感器、聲控設(shè)備等實(shí)現(xiàn)。

2.2 設(shè)計(jì)要求及方案

智能家居系統(tǒng)使用了嵌入式芯片，在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮如下因素[3]：（1）硬件系統(tǒng)的安裝、維護(hù)要簡便，并且方便升級。（2）嵌入式系統(tǒng)的電路需要盡量簡化。（3）盡量使用性價(jià)比高的芯片。

軟件系統(tǒng)是智能家居系統(tǒng)的核心，其優(yōu)劣直接決定了智能家居系統(tǒng)的性能高低，從而影響用戶體驗(yàn)。本文設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)的嵌入式軟件系統(tǒng)包括一個(gè)Linux操作系統(tǒng)、驅(qū)動程序以及業(yè)務(wù)程序。嵌入式操作系統(tǒng)使用了開源的操作系統(tǒng)內(nèi)核，并根據(jù)功能需求進(jìn)行了裁剪，以便更好地利用有限內(nèi)存實(shí)現(xiàn)智能家居控制任務(wù)。驅(qū)動程序的作用是直接操作硬件設(shè)備，向上屏蔽底層實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。業(yè)務(wù)程序根據(jù)驅(qū)動程序提供的接口，完成用戶指定的智能家居控制指令。業(yè)務(wù)程序在實(shí)現(xiàn)時(shí)綜合考慮用戶的需要，具備可靠性、可修改、易于使用等優(yōu)點(diǎn)。

本文在設(shè)計(jì)智能家居系統(tǒng)時(shí)的方案是：1）使用嵌入式設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PC機(jī)，并用ZigBee技術(shù)將家庭內(nèi)部的各種電器設(shè)備組成一個(gè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。無線組網(wǎng)方式代替了傳統(tǒng)的家居系統(tǒng)中的有線組網(wǎng)，有效降低了成本。2）嵌入式服務(wù)器安裝了Linux操作系統(tǒng)，操作硬件的底層是命令終端，提高了智能控制的效率，降低了延時(shí)。3）擴(kuò)展性及學(xué)習(xí)能力。為了智能家居系統(tǒng)后續(xù)的擴(kuò)展，軟件在編寫時(shí)需要采用模塊化思想；另外，還要可以根據(jù)傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息、用戶的使用習(xí)慣等，借助機(jī)器學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的自動控制。

本文設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)采用了分層結(jié)構(gòu)模型，其結(jié)構(gòu)如圖1所示：

系統(tǒng)的最底層是家用電器設(shè)備層，此層和用戶直接相關(guān)，需要將家用電器通過無線網(wǎng)絡(luò)組成一個(gè)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)智能控制的目的。設(shè)備層之上是傳感節(jié)點(diǎn)，嵌入式傳感器采集的數(shù)據(jù)作為智能家居系統(tǒng)運(yùn)行的必要基礎(chǔ)。傳感層之上是網(wǎng)絡(luò)層，為智能家居系統(tǒng)中的智能設(shè)備間的通信提供支持。服務(wù)層和應(yīng)用層的目的都是響應(yīng)用戶，為用戶提供更加便利、智能的服務(wù)。

根據(jù)設(shè)計(jì)，可以將智能家居系統(tǒng)主要分為三大模塊：無線通信硬件模塊、終端控制硬件模塊以及嵌入式軟件模塊。

3 智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中所起的角色可以將無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)以及終端節(jié)點(diǎn)[4]。智能家居系統(tǒng)的無線通信模塊使用ZigBee技術(shù)組成星形拓?fù)洌ㄒ粋€(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、若干在室內(nèi)四周的終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)借助串口連接到家庭無線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，主要作用是啟動無線網(wǎng)絡(luò)。終端節(jié)點(diǎn)與智能家電相連，目的是采集智能家電設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，并將其上傳到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

無線通信硬件模塊中使用的硬件設(shè)備有：射頻芯片、電源、串口以及天線等。目前主流的嵌入式射頻芯片是美國德州儀器公司的CC2530系列，本文的智能家居系統(tǒng)即使用CC2530F256；它集成了無線收發(fā)器內(nèi)核，具有超低功耗的SRAM，而且具備256K的可編程閃存，提供的非易失性存儲能夠保存代碼、網(wǎng)絡(luò)配置數(shù)據(jù)，因此保證了無線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)在掉電后還可以讀取之前的數(shù)據(jù)，快速的加入原先的智能家居系統(tǒng)中。

終端控制硬件模塊的目的是及時(shí)執(zhí)行用戶指令。溫濕度控制模塊的連接點(diǎn)是無線網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)，借助溫濕度傳感器采集家庭內(nèi)的溫度和濕度，并將信息上傳到網(wǎng)關(guān)服務(wù)器，用戶可以通過手機(jī)等移動終端查看服務(wù)器上的溫濕度信息，并作出是否進(jìn)行調(diào)節(jié)的指令。用戶下發(fā)的指令會通過無線通信硬件模塊下發(fā)到溫濕度傳感器，從而控制空調(diào)、加濕器等對室內(nèi)溫濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)新的智能設(shè)備請求加入無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，會自動查找信號最強(qiáng)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，并且在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)同意加入后建立和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的父子關(guān)系。當(dāng)智能設(shè)備的狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，比如發(fā)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)、試圖加入網(wǎng)絡(luò)、成功加入網(wǎng)絡(luò)等，都會會收到Z-Stack協(xié)議的相關(guān)信號。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)所有的網(wǎng)絡(luò)幀內(nèi)部都有源地址及目的地址，并且請求Z-Stack協(xié)議棧中MAC 層的數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體將網(wǎng)絡(luò)幀發(fā)送出去。無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的流程如圖2所示：

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在整個(gè)智能家居系統(tǒng)中的作用是負(fù)責(zé)建立智能家居系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)，并分配網(wǎng)絡(luò)短地址給節(jié)點(diǎn)設(shè)備。在有節(jié)點(diǎn)加入到無線網(wǎng)絡(luò)后，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)就負(fù)責(zé)接收此節(jié)點(diǎn)按照規(guī)定的數(shù)據(jù)協(xié)議發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并發(fā)送給網(wǎng)關(guān)軟件進(jìn)行處理。另外，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在收到智能網(wǎng)關(guān)發(fā)來的控制命令數(shù)據(jù)包后，會將其轉(zhuǎn)發(fā)給智能家居網(wǎng)絡(luò)中的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)接收到控制命令后會立即執(zhí)行動作。

以智能家居系統(tǒng)中的照明模塊控制單元為例，其軟件設(shè)計(jì)包括主程序設(shè)計(jì)、可編程邏輯器件設(shè)計(jì)以及收入板的軟件設(shè)計(jì)[5]。主程序負(fù)責(zé)控制程序流程、調(diào)用并協(xié)調(diào)各子模塊的工作。主函數(shù)開始時(shí)限初始化單板，并通過FPGA讀取控制指令的值，接下來根據(jù)指令處理事件，示意圖如圖3所示：

主要代碼邏輯如下：

[assign data=（（num==5'd26）&&（dir==1'b0））？keyin：8'hzz；//向mcu提供按鍵狀

reg[7：0] duty[23：0]；

always@（posedge clk or negedge nRS）

begin

if（！nRS）

begin

keyout<=8'd0；

duty[0]<=8'd250；

…

duty[23]<=8'd250；//復(fù)位時(shí)控制燈具全滅

end

else

begin

if（dir===1'b1）

begin

if（num=5'd24）

keyout<=data；//接收mcu發(fā)送的按鍵指示燈控制值

else

duty[num]<=data； //接收mcu發(fā)送的第num通道的占空比值

end

end

end ]

5 總結(jié)

本文對智能家居系統(tǒng)進(jìn)行研究，以將嵌入式技術(shù)引入到智能家居系統(tǒng)的無線組網(wǎng)中，介紹了智能家居系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了家居系統(tǒng)的智能控制。

參考文獻(xiàn)：

[1] 祝章偉.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的智能家居網(wǎng)關(guān)及終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].吉林：吉林大學(xué)，2016.

[2] Yu Hu， Tao Zhou. The Smart Home Security System Based on Wireless Sensor Network.EI Advanced Materials Research ISSN： 1022- 6680 20-1.

[3] 李鴻. 幾種智能家居網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)方案的分析與比較化現(xiàn)代電子技術(shù)[J]. 2010，22（3）：132-135.

[4] 呂值敏.基于嵌入式智能家居安防遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].四川：電子科技大學(xué)，2017.

[5] 徐振福.ZigBee技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].中國科學(xué)院大學(xué)（工程管理與信息技術(shù)學(xué)院），2016.