基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：給出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)的一種智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)ZigBee技術(shù)將各種安防設(shè)備和家用電器組建成無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)采集和命令控制；同時(shí)使用ARM9高性能處理器S3C2410作為嵌入式網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，并采用嵌入式Internet技術(shù)，通過(guò)IE瀏覽器訪問(wèn)監(jiān)控網(wǎng)頁(yè)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控；可利用GPRS通信技術(shù)連接用戶手機(jī)，提供實(shí)時(shí)報(bào)警服務(wù)。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、實(shí)時(shí)，性好，能有效避免家居異常造成的損失。

關(guān)鍵詞：

0引言

智能家居是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的第三大應(yīng)用領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)大潮下的智能家居行業(yè)在中國(guó)乃至全世界都有廣闊的前景，是一個(gè)朝陽(yáng)行業(yè)，蘊(yùn)含著巨大的市場(chǎng)潛力o本系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)的傳感、互聯(lián)、智能控制等技術(shù)特點(diǎn)構(gòu)建新型智能家居系統(tǒng)，將GPRS移動(dòng)通信技術(shù)、嵌入式Internet技術(shù)與新一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)ZigBee相結(jié)合，克服了有線布線的弊端，配置靈活、實(shí)時(shí)性好，勢(shì)必是未來(lái)智能家居系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，本系統(tǒng)按照物聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)設(shè)計(jì)。其中，傳感層包括搭載了ZigBee無(wú)線通信模塊的各種傳感器和家用電器，可與ARM9智能家居監(jiān)控儀交互數(shù)據(jù)及命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境的全面感知；互聯(lián)層中，ARM9智能家居監(jiān)控儀作為嵌入式網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，用于連接傳感層和監(jiān)控層；監(jiān)控層包括遠(yuǎn)程電腦、小區(qū)監(jiān)控中心和用戶手機(jī)，可通過(guò)Internet登錄監(jiān)控儀IP訪問(wèn)監(jiān)控網(wǎng)頁(yè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)家居環(huán)境，控制家電的開啟和關(guān)閉,真正實(shí)現(xiàn)智能控制。若出現(xiàn)異常，則執(zhí)行預(yù)定的控制動(dòng)作，例如啟動(dòng)蜂鳴器響鈴、啟動(dòng)排風(fēng)扇排風(fēng)等，同時(shí)通過(guò)小區(qū)網(wǎng)絡(luò)向小區(qū)監(jiān)控中心報(bào)警,并通過(guò)GPRS自動(dòng)給主人手機(jī)發(fā)報(bào)警短信,實(shí)現(xiàn)聯(lián)合安防。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的是Samsung公司的基于ARM920T內(nèi)核的處理器S3C2410,它不僅具有獨(dú)立的16KB指令和16KB數(shù)據(jù)cache、全功能的MMU虛擬內(nèi)存管理單元，還集成了大量的功能接口，本系統(tǒng)對(duì)相應(yīng)接口進(jìn)行了配置和擴(kuò)展。

ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的組建依靠ZigBee模塊芯片CC2430,每個(gè)傳感器及家用電器均配置一個(gè)CC2430芯片構(gòu)成通信節(jié)點(diǎn)。S3C2410通過(guò)SPI總線與CC2430進(jìn)行通信,接收傳感器采集的信號(hào)及控制家用電器繼電器的閉合和斷開；利用DM9000芯片把網(wǎng)口外擴(kuò)為以太網(wǎng)接口RJ45,與以太網(wǎng)連接，提供遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；通過(guò)串口連接GPRS模塊提供GPRS移動(dòng)通信功能；LCD控制器外掛LCD觸摸屏；I2S總線控制器外擴(kuò)蜂鳴器提供音頻報(bào)警；通過(guò)USBHOST控制器外擴(kuò)USB接口連接攝像頭。系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖2所示。

圖2系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

本系統(tǒng)的軟件架構(gòu)有三個(gè)層次:驅(qū)動(dòng)層、系統(tǒng)層和應(yīng)用層。在驅(qū)動(dòng)層，移植I2S驅(qū)動(dòng)、USB攝像頭驅(qū)動(dòng)、LCD驅(qū)動(dòng)和以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)，并編寫ADC驅(qū)動(dòng)，用以保證各個(gè)硬件模塊能正常工作。在系統(tǒng)層，移植Linux操作系統(tǒng)、QT觸摸屏界面開發(fā)環(huán)境及BOA嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。在應(yīng)用層，采用多線程編程方法實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能模塊，并通過(guò)編寫CGI程序和遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)頁(yè)交互數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖3所示。

圖3系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

3.1 嵌入式 Web 服務(wù)器遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問(wèn)服務(wù)，必須先構(gòu)建嵌入式Web服務(wù)器。本系統(tǒng)移植了BOAWeb服務(wù)器，再通過(guò)CGI建立Web瀏覽器與Web服務(wù)器之間的交互。CGI程序能夠嵌入HTML腳本,用C語(yǔ)言編寫，使用ARM-GCC編譯，采用GET、POST或直接的URL參數(shù)傳遞方法與遠(yuǎn)程客戶端進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)控。首先，瀏覽器將遠(yuǎn)程客戶端發(fā)送的請(qǐng)求送到Web服務(wù)器，Web服務(wù)器將數(shù)據(jù)使用STDIN送給CGI程序，執(zhí)行CGI程序后獲得緩沖區(qū)中的設(shè)備信息，最后，使用STDOUT輸出包含家居環(huán)境信息的HTML形式的結(jié)構(gòu)文件，經(jīng)Web服務(wù)器送回瀏覽器，顯示給遠(yuǎn)程客戶端。CGI工作流程如圖4所示。

圖4CGI工作流程圖

ZigBee無(wú)線通信設(shè)計(jì)

ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)由若干個(gè)通信節(jié)點(diǎn)組成，通信節(jié)點(diǎn)由傳感器或家用電器配置一個(gè)ZigBee無(wú)線模塊芯片CC2430芯片構(gòu)成。其中，每個(gè)傳感器通信節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信流程是：CC2430芯片完成硬件初始化以后，向監(jiān)控儀發(fā)出入網(wǎng)申請(qǐng)，成為通信節(jié)點(diǎn)；為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低耗能性，在通信節(jié)點(diǎn)成功接入網(wǎng)絡(luò)后立即轉(zhuǎn)入低耗能等待模式，盡可能減少能量消耗;系統(tǒng)隨時(shí)檢測(cè)傳感器信號(hào)狀態(tài)，一旦接收到異常的中斷請(qǐng)求即進(jìn)入全功能狀態(tài)，否則繼續(xù)等待；處于全功能狀態(tài)的通信節(jié)點(diǎn)接收傳感器傳遞過(guò)來(lái)的信號(hào)，如果是模擬信號(hào)，需先進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再將數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控儀；傳輸完畢后，返回低能耗等待模式。其通信流程如圖5所示。

GPRS短信報(bào)警設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)有現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警和短信報(bào)警兩種報(bào)警方式，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到有火災(zāi)或者有門禁入侵時(shí)，就會(huì)觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)。其中，短信報(bào)警通過(guò)GPRS模塊實(shí)現(xiàn)。GPRS模塊通過(guò)串口與S3C2410連接，它具有一套標(biāo)準(zhǔn)的AT命令集，包括呼叫控制命令、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)相關(guān)命令、電話本命令、短信息命令等。本系統(tǒng)通過(guò)對(duì)串口編程，給GPRS模塊發(fā)送包含AT短信息命令的字符串［10］，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)送固定內(nèi)容的短信。GPRS短信報(bào)警流程如圖6所示。

圖5ZigBee無(wú)線通信流程圖

圖6GPRS短信報(bào)警流程圖

4系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

啟動(dòng)系統(tǒng)后，智能家居監(jiān)控儀的觸摸屏上可顯示實(shí)時(shí)的監(jiān)控界面，包括火警、煙霧、紅外門禁入侵等報(bào)警狀態(tài)及熱水器等家用電器的開啟或關(guān)閉狀態(tài)，并可通過(guò)觸摸屏上的按鍵對(duì)系統(tǒng)、家電等進(jìn)行控制，觸摸屏監(jiān)控界面如圖7所示。通過(guò)任一遠(yuǎn)程電腦的瀏覽器登錄系統(tǒng)IP,可訪問(wèn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控頁(yè)面，在線查看家居環(huán)境、控制家電、實(shí)時(shí)拍照及錄像等,遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控頁(yè)面如圖8所示。

圖7觸摸屏監(jiān)控界面

圖8遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控頁(yè)面

5結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)的全面感知、互聯(lián)傳輸及智能控制三層架構(gòu)設(shè)計(jì)，并使用ZigBee無(wú)線通信技術(shù)克服了有線布線的弊端，使得監(jiān)控點(diǎn)配置靈活。GPRS移動(dòng)通信技術(shù)、嵌入式Internet技術(shù)的綜合應(yīng)用，則實(shí)現(xiàn)了小區(qū)乃至更大區(qū)域的聯(lián)合和實(shí)時(shí)安防，實(shí)現(xiàn)了多平臺(tái)、多網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接。

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