基于嵌入式WiFi物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線家居監(jiān)控系統(tǒng)

劉歡 聶志剛

摘 要：系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于嵌入式ARM11系統(tǒng)以及無(wú)線WiFi智能控制房屋終端設(shè)備，先對(duì)室內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)路分布式采集，采用嵌入式WiFi模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)環(huán)境異常時(shí)，系統(tǒng)做出響應(yīng)以改善室內(nèi)環(huán)境，具有TTS語(yǔ)音報(bào)警、打開窗簾和排氣扇等功能，同時(shí)PC端的上位機(jī)界面可直觀實(shí)時(shí)顯示環(huán)境數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵字：嵌入式；ARM11；WiFi；TTS語(yǔ)音報(bào)警；一體化步進(jìn)電機(jī)；上位機(jī)

中圖分類號(hào)：TP273+.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）07-00-03

0 引 言

隨著嵌入式技術(shù)、信息技術(shù)的迅猛發(fā)展和后PC機(jī)時(shí)代的到來(lái)，利用嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能家居監(jiān)控[1]已成為可能。智能家居是一種基于信息采集和處理的現(xiàn)代家居監(jiān)控系統(tǒng)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的研究人員開始對(duì)智能控制家居環(huán)境進(jìn)行相關(guān)科研和實(shí)踐工作。家居空間中各項(xiàng)環(huán)境信息的采集是實(shí)現(xiàn)家居監(jiān)控的首要任務(wù)，這些環(huán)境數(shù)據(jù)是中央控制器系統(tǒng)分析、決策并實(shí)施環(huán)境控制的主要數(shù)據(jù)源和參數(shù)。隨著智能家居的應(yīng)用需求不斷增加，開發(fā)準(zhǔn)確、方便的家居環(huán)境采集控制系統(tǒng)十分必要。目前這一領(lǐng)域已成為世界性熱點(diǎn)問題之一[2-4]，但迄今為止依然沒有成熟的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，各國(guó)都在努力研發(fā)適合本國(guó)國(guó)情的智能家居系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)是指集成了應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)硬件的系統(tǒng)。目前嵌入式系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，尤其是網(wǎng)絡(luò)及通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、消費(fèi)類電子產(chǎn)品及工業(yè)自動(dòng)控制等領(lǐng)域，其數(shù)量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了各種通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的編程語(yǔ)言也由匯編語(yǔ)言轉(zhuǎn)變?yōu)镃，C++和Java 等通用編程語(yǔ)言。

本文設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式WiFi物聯(lián)網(wǎng)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)。文中先對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行總體概述，再詳細(xì)介紹其硬件架構(gòu)，分析其可行性，之后具體給出了系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)，最后簡(jiǎn)單描述了系統(tǒng)的功能性及創(chuàng)新性。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由智能家居中央控制系統(tǒng)、家居數(shù)據(jù)傳感系統(tǒng)、家居數(shù)據(jù)傳輸WiFi網(wǎng)絡(luò)[5]及家庭終端設(shè)備[6]組成，系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

智能家居中央控制系統(tǒng)主要由中央控制器（嵌入式ARM11開發(fā)板）、數(shù)據(jù)接口以及家庭布線系統(tǒng)組成。中央控制器是數(shù)據(jù)處理的核心，采用嵌入式技術(shù)，通過(guò)CAN總線、無(wú)線介質(zhì)以及各種接口控制家庭終端。我們將家庭終端分為信息終端和非信息終端兩類，其中信息終端包括計(jì)算機(jī)、手機(jī)、信息家電等，非信息終端包括傳統(tǒng)家電、電話、電燈、門窗、語(yǔ)音警報(bào)器、探測(cè)器等。

數(shù)據(jù)采集部分是整個(gè)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器，由溫濕度數(shù)據(jù)傳感器、漏水傳感器、氣體傳感器等組成。系統(tǒng)對(duì)它們采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，決策如何控制家庭終端。如果這部分無(wú)法工作，系統(tǒng)將面臨崩潰。因此，提高數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性將會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)更加完美。

數(shù)據(jù)傳輸部分是連接數(shù)據(jù)采集和中央控制系統(tǒng)的橋梁，本系統(tǒng)選用嵌入式[7] WiFi模塊構(gòu)成“隱形橋梁”。WiFi網(wǎng)絡(luò)通過(guò)協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)中主要的數(shù)據(jù)傳輸路徑包括WiFi網(wǎng)絡(luò)、RS 232串口通信、CAN總線網(wǎng)絡(luò)等。

1.2 性能要求

針對(duì)智能家居的特點(diǎn)，我們?cè)谠O(shè)計(jì)智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的過(guò)程中應(yīng)充分考慮性能要求。

（1）穩(wěn)定性：作為智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，保證其正常工作尤為重要，系統(tǒng)運(yùn)行是否穩(wěn)定，是判斷系統(tǒng)好壞的一個(gè)重要指標(biāo)。

（2）實(shí)時(shí)性：智能家居系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求較高，一般情況下，響應(yīng)時(shí)間應(yīng)控制在10 s以內(nèi)。

（3）易操作性：智能家居系統(tǒng)應(yīng)該能夠被所有人群輕易操作，包括小孩、老人、殘疾人士，因此系統(tǒng)必須為用戶提供簡(jiǎn)單易用的操作方式。

（4）適宜性：考慮到家庭終端的多樣性和復(fù)雜性，性能優(yōu)良的智能家居系統(tǒng)應(yīng)該具有強(qiáng)大的適應(yīng)性、伸縮性和可擴(kuò)展性。

（5）準(zhǔn)確性：智能家居系統(tǒng)應(yīng)自動(dòng)為居住者提供一個(gè)良好的生活環(huán)境，因此能否準(zhǔn)確對(duì)家庭終端進(jìn)行調(diào)控是衡量一個(gè)系統(tǒng)是否有效的重要標(biāo)準(zhǔn)。

2 硬件架構(gòu)

系統(tǒng)可分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理三部分，下面從這三部分對(duì)系統(tǒng)的硬件架構(gòu)進(jìn)行描述[8]。

2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集部分由溫濕度傳感器SM1810A、氣體傳感器、漏水傳感器組成，分別檢測(cè)室內(nèi)溫濕度、有無(wú)可燃性氣體漏出、有無(wú)水管爆裂導(dǎo)致漏水，將采集的數(shù)據(jù)傳輸至控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸部分將RS 232串口通信、WiFi網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸。WiFi網(wǎng)絡(luò)由HLK-RM04模塊構(gòu)成，HLK-RM04是海凌科電子新推出的低成本嵌入式 UART-ETH-WiFi（串口-以太網(wǎng)-無(wú)線網(wǎng)）模塊。它是基于通用串行接口的符合網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置 TCP/IP 協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口、以太網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)3個(gè)接口之間的轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理部分主要由中央控制系統(tǒng)、家庭終端設(shè)備、上位機(jī)界面、TTS語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)組成。主要對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并據(jù)此數(shù)據(jù)來(lái)決策響應(yīng)方式，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至PC端。

中央控制系統(tǒng)為數(shù)據(jù)處理部分的核心，由ARM11操作平臺(tái)、串口接口模塊以及CAN總線控制器組成。ARM11操作平臺(tái)選用飛凌OK6410開發(fā)板；串口接口模塊選用與開發(fā)板配套的串口模塊，實(shí)現(xiàn)家庭終端、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與飛凌開發(fā)板間的數(shù)據(jù)通信；CAN總線控制器選用上海優(yōu)愛寶公司生產(chǎn)的UIM2501控制器，可形成CAN總線網(wǎng)絡(luò)，掛載多個(gè)由一體化步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成的控制系統(tǒng)。家庭終端設(shè)備由一體化步進(jìn)電機(jī)和多種家電設(shè)備組成，由一體化步進(jìn)電機(jī)控制家電設(shè)備[9]（門窗、排氣扇、空調(diào)、暖氣等）。上位機(jī)界面、PC端界面實(shí)時(shí)顯示溫濕度，幫助居住者直觀監(jiān)控溫濕度。TTS語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)由TTS語(yǔ)音模塊、喇叭等組成，當(dāng)室內(nèi)環(huán)境異常時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警聲。數(shù)據(jù)處理部分具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 軟件系統(tǒng)

3.1 Linux開發(fā)環(huán)境的建立

Linux具有內(nèi)核小，效率高，源代碼開放，內(nèi)核直接提供網(wǎng)絡(luò)支持等優(yōu)點(diǎn)。絕大多數(shù)Linux的軟件開發(fā)都以native方式進(jìn)行，即本機(jī)開發(fā)、調(diào)試、運(yùn)行。這種方式通常不適用于嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)，對(duì)于嵌入式系統(tǒng)而言，它沒有足夠的資源在本機(jī)（即嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)）運(yùn)行開發(fā)工具和調(diào)試工具。

通常嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)采用交叉編譯調(diào)試方式。交叉編譯調(diào)試環(huán)境建立在宿主機(jī)（即通過(guò)串口連接的宿主機(jī)PC）上，對(duì)應(yīng)的開發(fā)板為目標(biāo)板（即嵌入式ARM系統(tǒng)）。通常宿主機(jī)和目標(biāo)板上的處理器不同，宿主機(jī)通常為Intel處理器，而目標(biāo)板多采用飛凌OK6410等，所以程序需要使用針對(duì)處理器特點(diǎn)的編譯器才能生成在相應(yīng)平臺(tái)上可運(yùn)行的代碼。GNU編譯器在編譯時(shí)，可以選擇開發(fā)所需的宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)，從而建立開發(fā)環(huán)境。在嵌入式開發(fā)前，先將一臺(tái)PC機(jī)作為宿主機(jī)開發(fā)，并在其上安裝指定的操作系統(tǒng)。宿主機(jī)上安裝Linux系統(tǒng)[10]之后，在宿主機(jī)上建立交叉編譯調(diào)試開發(fā)環(huán)境。本文采用C語(yǔ)言在宿主機(jī)上編寫視頻采集程序，再利用交叉編譯調(diào)試工具編譯鏈接生成可執(zhí)行代碼，最后向目標(biāo)平臺(tái)掛載。系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

目標(biāo)板上具體的串口在系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的設(shè)備文件中都有相應(yīng)的編號(hào)/dev/ttySAC0至/dev/ttySAC3，串口打開的命令為open（“/dev/ttySAC0”，O_RDWR）。程序通過(guò)COM0掛載到目標(biāo)板上后，會(huì)先將COM1打開，將溫濕度查詢指令（01，04，00，00，00，02，71，CB）寫入COM1，傳送至溫濕度傳感器，溫濕度傳感器通過(guò)COM1返回溫濕度碼字（例如：01，04，04，09，F(xiàn)D，11，6D，A4，55），這一過(guò)程按照特定周期循環(huán)進(jìn)行；系統(tǒng)可以從COM1上讀取溫濕度碼并進(jìn)行分析處理，當(dāng)判斷溫度大于閾值40℃時(shí)，系統(tǒng)會(huì)打開COM0和COM2，分別給COM0和COM2寫入電機(jī)1轉(zhuǎn)動(dòng)碼字

（ADR=6；SPD=20 000；STP=200 000；ENA；）和TTS語(yǔ)音報(bào)警碼字（FD，00，18，01，01，CE，C2，B6，C8，B9，F(xiàn)D，B8，DF，A3，AC，B4，F(xiàn)2，BF，AA，C5，C5，C6，F(xiàn)8，C9，C8，A1，A3），處理完后繼續(xù)處理下一溫濕度碼字；當(dāng)判斷濕度大于閾值60%時(shí)，系統(tǒng)會(huì)打開COM0和COM2，分別給COM0和COM2寫入電機(jī)2轉(zhuǎn)動(dòng)碼字（ADR=5；SPD=1 000；STP=500；ENA；）和TTS語(yǔ)音報(bào)警碼字（FD，00，16，01，01，CA，AA，B6，C8，B9，F(xiàn)D，B8，DF，A3，AC，B4，F(xiàn)2，BF，AA，B4，B0，C1，B1，A1，A3），處理完后繼續(xù)處理下一溫濕度碼字；在進(jìn)行上述步驟的同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)打開COM3，將溫濕度碼字發(fā)送至PC端，PC端界面解碼并實(shí)時(shí)顯示溫濕度數(shù)據(jù)。

4 實(shí)現(xiàn)功能

系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)環(huán)境溫濕度的采集，采用網(wǎng)絡(luò)分布式方式采集，當(dāng)溫度或濕度過(guò)高或室內(nèi)其他環(huán)境異常時(shí)，自動(dòng)打開房屋設(shè)備（窗簾、排氣扇等），調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境至適宜，同時(shí)提示溫度或濕度過(guò)高。數(shù)據(jù)傳輸采用嵌入式WiFi模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸[11]，節(jié)省資源、減小損耗。在PC端設(shè)計(jì)一個(gè)直觀界面，可直觀實(shí)時(shí)地顯示溫濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)。

5 系統(tǒng)創(chuàng)新

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新與特色有以下幾點(diǎn)：

（1）采用嵌入式WiFi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)無(wú)線WiFi網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集。

（2）應(yīng)用一體化步進(jìn)電機(jī)控制房屋終端，精確控制位置。

（3）PC端上位機(jī)界面可直觀、實(shí)時(shí)顯示溫濕度。

（4）核心監(jiān)控設(shè)備——ARM11嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用使本設(shè)計(jì)速度更快、效率更高。

（5）基于CAN總線的步進(jìn)電機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)可同時(shí)控制多個(gè)房屋終端設(shè)備。

6 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)基于嵌入式ARM11開發(fā)板飛凌OK6410、嵌入式無(wú)線WiFi模塊HLK-RM04、串口溫濕度傳感器SM1810A以及Linux操作系統(tǒng)構(gòu)成了無(wú)線家居網(wǎng)絡(luò)式監(jiān)控系統(tǒng)，不僅可以自動(dòng)控制房屋終端設(shè)備調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境，還可通過(guò)TTS語(yǔ)音報(bào)警提示溫濕度等異常，另外PC端上位機(jī)界面可直觀、實(shí)時(shí)顯示溫濕度數(shù)據(jù)。采集節(jié)點(diǎn)可任意增加，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)傳輸采用嵌入式WiFi模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)通信。本系統(tǒng)功耗較小，實(shí)時(shí)性好，控制精度高且穩(wěn)定性較好。

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