基于ARM及ZigBee的智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)路徑

李艷

（西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院陜西西安710077）

隨著時(shí)代的發(fā)展，人們生活水平的提高，對(duì)生活質(zhì)量有更高的要求，促使智能家居不斷發(fā)展，在人們的生活中逐漸興起。智能家居系統(tǒng)通?？梢苑譃?個(gè)部分，外網(wǎng)、家庭網(wǎng)關(guān)和家庭內(nèi)網(wǎng)。不少家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的控制核心為單片機(jī)，以總線和電力線為基礎(chǔ)，構(gòu)建家庭內(nèi)網(wǎng)，存在一系列的問(wèn)題，比如影響調(diào)試維護(hù)、缺乏美觀、容易腐蝕、影響系統(tǒng)升級(jí)等。ZigBee是新興的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有功耗低、復(fù)雜性低、距離近和成本低等特點(diǎn)，應(yīng)用前景廣泛。利用ZigBee技術(shù)和ARM構(gòu)建智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，能夠規(guī)避傳統(tǒng)方式的缺陷，有效管理和控制家居環(huán)境。

1 系統(tǒng)需求和總體結(jié)構(gòu)

上世紀(jì)八十年代，智能家居已經(jīng)出現(xiàn)，美國(guó)科技公司展示了智能家居概念設(shè)計(jì)的建筑案例，開(kāi)始了智能家居技術(shù)的開(kāi)發(fā)。西方發(fā)達(dá)國(guó)家相繼設(shè)計(jì)了許多方案，發(fā)展智能家居。我國(guó)智能家居起步晚，在產(chǎn)品技術(shù)、市場(chǎng)推廣等方面，都還存在問(wèn)題。早期國(guó)內(nèi)的智能家居，在技術(shù)上主要采用電力載波、總線集成等方式，在調(diào)試、維修和安裝環(huán)節(jié)，容易出現(xiàn)問(wèn)題，影響智能家居的發(fā)展和應(yīng)用。隨著近年來(lái)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，ZigBee技術(shù)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)，為智能家居的發(fā)展提供了新的路徑。在智能家居的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，需要能夠?qū)揖迎h(huán)境的各項(xiàng)設(shè)備進(jìn)行全面的監(jiān)控，使用戶在外面，也能了解家中的環(huán)境信息，以及設(shè)備信息，利用手機(jī)等在戶外就能夠?qū)φ彰餮b置和電器等進(jìn)行調(diào)控，并能夠有防媒體泄漏、防火、放盜竊等報(bào)警信息，使用戶能夠在第一時(shí)間解決家中的危機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家中照明裝置、電器等的智能化的控制。智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的總體構(gòu)架是用戶能夠利用手機(jī)，使用網(wǎng)絡(luò)對(duì)智能家居進(jìn)行控制，如圖1所示。智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的組成部分包括：ZigBee監(jiān)控模塊，智能家居控制器等。利用ZigBee技術(shù)構(gòu)建家庭內(nèi)網(wǎng)，家庭外網(wǎng)采用GSM數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)，設(shè)計(jì)家庭網(wǎng)關(guān)采用linux操作系統(tǒng)，以S3C6410為硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。通過(guò)ZigBee個(gè)域網(wǎng)和GSM網(wǎng)絡(luò)，能夠互通信息，滿足用戶的家居控制需求。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器

智能家居的控制器是智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的核心，使用嵌入式處理器、聲光報(bào)警裝置、觸摸屏、GPRS模塊和ZigBee協(xié)調(diào)器，如圖2所示。中央處理器是智能家居控制器的核心部件，中央處理器負(fù)責(zé)所有設(shè)備的調(diào)度任務(wù)、控制、數(shù)據(jù)收發(fā)和管理、通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換等。在設(shè)計(jì)中采用S3C6410為主處理器，型號(hào)是32bit-ARM11微處理器，功能強(qiáng)大。人機(jī)接口采用觸摸屏，觸摸屏能夠顯示各種信息，方便用戶的信息輸入?？刂破饔蠫PRS模塊、ZigBee協(xié)調(diào)器兩個(gè)通信模塊。ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要由ZigBee協(xié)調(diào)器組建，在網(wǎng)絡(luò)中納入所有的監(jiān)控模塊，收集報(bào)警信息、環(huán)境監(jiān)測(cè)信息。數(shù)據(jù)交互通過(guò)ARM11處理器和RS-232接口。GPRS模塊中有射頻部分、音頻部分、SIM卡接口、主機(jī)。使用SIM300芯片，完成和ARM的數(shù)據(jù)傳輸。AT命令和RS-232接口，完成短消息的收發(fā)。聲光報(bào)警裝置可以利用蜂鳴器、閃爍的紅光，警告盜賊，同時(shí)也告知用戶。

圖2 控制器結(jié)構(gòu)

2.2 監(jiān)控模塊

監(jiān)控模塊的主要作用是進(jìn)行信息的檢測(cè)和采集，并將信息發(fā)送給智能家居控制器，并且智能家居控制器的命令，也要由監(jiān)控模塊接收?qǐng)?zhí)行，實(shí)現(xiàn)智能化的控制家中的電器設(shè)備等，如圖3所示，構(gòu)成智能家居監(jiān)控模塊的硬件包括電源、家電控制、安防信息檢測(cè)、環(huán)境信息檢測(cè)等模塊。主控模塊采用射頻單芯片CC2430，符合IEEE802.15.4要求，數(shù)值為2.4 GHz射頻。CC2430單芯片以51內(nèi)核微控制器為基礎(chǔ)，整合內(nèi)存、ZigBee RF前端。支持載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)和沖突檢測(cè)，并且硬件電壓功耗比較低。無(wú)線ZigBee網(wǎng)絡(luò)控制的構(gòu)建，需要連接ZigBee協(xié)調(diào)器，建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，對(duì)家電進(jìn)行控制，并實(shí)現(xiàn)安防作用。

圖3 監(jiān)控模塊

安防信息檢測(cè)模塊主要目的是安全防護(hù)，保護(hù)家居環(huán)境，能夠檢測(cè)盜賊入侵，以及可燃?xì)怏w泄漏事件，構(gòu)成模塊有熱釋電紅外檢測(cè)、可燃?xì)怏w檢測(cè)等。人體熱釋電紅外傳感器LHI958，是熱釋電紅外檢測(cè)模塊主要使用的部件，LHI958傳感器有高的靈敏度，以及良好的隱蔽性，并且功耗比較小。可燃?xì)怏w檢測(cè)模塊，需要設(shè)定一個(gè)閥值，超過(guò)閥值，就會(huì)發(fā)出警報(bào)，告知用戶。組成模塊包括電壓放大電路、分壓電阻、可燃?xì)怏w傳感器MQ-2。當(dāng)檢測(cè)到可燃?xì)怏w的濃度超過(guò)一定量，就會(huì)在主控模塊中顯示，信息通過(guò)主控模塊，向智能家居控制器傳送，再告知用戶，通過(guò)發(fā)送信息給用戶的手機(jī)上。聲光報(bào)警裝置也會(huì)同時(shí)觸發(fā)，及時(shí)發(fā)出警報(bào)，避免危險(xiǎn)。

環(huán)境信息檢測(cè)模塊，能夠檢測(cè)室內(nèi)的亮度、濕度、溫度等，組成部分主要是亮度檢測(cè)模塊和濕溫度檢測(cè)模塊。亮度檢測(cè)模塊主要利用光敏電阻，獲取亮度信息。光敏電阻阻值會(huì)隨著室內(nèi)亮度的變化而變化，從而改變電路中的電壓值，經(jīng)過(guò)算法轉(zhuǎn)換A/D，采集亮度信息，并進(jìn)行科學(xué)的處理。濕溫度模塊能夠?qū)崟r(shí)采集用戶室內(nèi)的溫度和濕度，并將信息發(fā)送給主控模塊，利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)，主控模塊再將信息傳遞給控制器，進(jìn)行智能化控制，合理調(diào)節(jié)溫度和濕度。數(shù)字式濕溫度傳感器是濕溫度檢測(cè)模塊的核心器件，采用HU-10S傳感器，能夠同時(shí)檢測(cè)濕度和溫度，有良好的線性度、精度和分辨率，有利于A/D轉(zhuǎn)換，滿足智能家居的要求。

家居中的家電設(shè)備很多，家電控制模塊主要是控制這些家電設(shè)備，不同功能的家電有不同的控制路徑。以電風(fēng)扇為例，在控制器中的指令，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，傳遞到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電風(fēng)扇的控制。不同的家電設(shè)備，有不同的識(shí)別碼，通過(guò)不同的識(shí)別碼就能實(shí)現(xiàn)對(duì)不同家電的控制。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 串口驅(qū)動(dòng)程序和移植Linux操作系統(tǒng)

使用Qt的第三方類設(shè)計(jì)串口驅(qū)動(dòng)程序，文件包括 qextserialbase.h、、posix_qextserialport.、osix_qextse?rialport.ep等。在系統(tǒng)的初始函數(shù)類，建立串口對(duì)象，對(duì)串口對(duì)象進(jìn)行定義，并制定查詢模式和串口名，設(shè)置停止位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)、波特率等，完成串口的通信。下載使用的內(nèi)核源碼，首先進(jìn)入根目錄，再進(jìn)行編譯。將目錄下的Makefile文件進(jìn)行相應(yīng)的修改，并設(shè)置交叉編譯器和目標(biāo)平臺(tái)。在配置菜單中選擇需要的保存。編譯完成后，獲取內(nèi)核鏡像文件，再寫(xiě)入NAND Flash，完成移植Linux操作。

3.2 ZigBee協(xié)調(diào)器

依據(jù)ZigBee協(xié)調(diào)器建立無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，將ZigBee協(xié)調(diào)器監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行科學(xué)的分配。ZigBee協(xié)調(diào)器不僅向監(jiān)控節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制命令，還需要接收監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的安防信息和環(huán)境信息。所有接收到的數(shù)據(jù)和信息，通過(guò)ZigBee協(xié)調(diào)器向ARM11微處理器S3C6410傳送。最后數(shù)據(jù)信息通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，到達(dá)用戶端。ZigBee協(xié)調(diào)器在運(yùn)行中，先進(jìn)行應(yīng)用層的初始化，完成后開(kāi)始初始化端口I/O。初始化信道和ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立相關(guān)，一個(gè)信道建立一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)相應(yīng)的認(rèn)證，ZigBee監(jiān)控節(jié)點(diǎn)就會(huì)加入相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)。

圖4 ZigBee協(xié)調(diào)器流程圖

3.3 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)

ZigBee協(xié)調(diào)器控制的無(wú)線ZigBee節(jié)點(diǎn)，是ZigBee終端節(jié)點(diǎn)。在系統(tǒng)中，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)主要是監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，也需要應(yīng)用層初始化，以及端口初始化和總中斷的打開(kāi)。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)要加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，需要ZigBee的終端節(jié)點(diǎn)和ZigBee設(shè)置相一致，比如設(shè)置通信信道，才能加入到網(wǎng)絡(luò)中。然后注冊(cè)信息通過(guò)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，向ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送，完成注冊(cè)工作。每隔一定的時(shí)間，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)就會(huì)對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行采集，在ZigBee協(xié)調(diào)器中傳遞信息數(shù)據(jù)。在家居環(huán)境中，如果安防檢測(cè)到盜賊入侵，或者煤氣泄漏，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)就會(huì)啟動(dòng)，進(jìn)入中斷處理流程，向智能家居控制器傳遞警報(bào)信息，啟動(dòng)聲光報(bào)警功能，及時(shí)通知用戶。在無(wú)線數(shù)據(jù)接收中斷處理流程中，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)會(huì)直接依據(jù)控制器的控制命令，控制家居環(huán)境中的家電，如圖5所示。

圖5 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)流程圖

3.4結(jié)果

依據(jù)ARM和ZigBee，設(shè)計(jì)智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，完成后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)調(diào)試。智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，構(gòu)成部分有3個(gè)ZigBee監(jiān)控模塊，以及一個(gè)智能家居控制器。相鄰的ZigBee監(jiān)控模塊相距十五米。ZigBee監(jiān)控模塊和控制器相距十米。系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中保持穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，執(zhí)行速度快，有良好的移動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)的家居的智能化控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著人們生活水平的提高，對(duì)家居生活質(zhì)量的要求也越來(lái)越高，智能家居具有廣闊的發(fā)展前景。本文基于ARM及ZigBee，設(shè)計(jì)智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，成本低、效率高，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，以及安防報(bào)警功能，有利于保證用戶生命財(cái)產(chǎn)安全，實(shí)現(xiàn)家居生活的現(xiàn)代化和智能化。

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