基于Linux系統(tǒng)和ZigBee的智能家居系統(tǒng)方案

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展以及人們對(duì)生活要求的不斷提高，實(shí)現(xiàn)家庭智能的遠(yuǎn)程監(jiān)控已經(jīng)成為必然的趨勢(shì)。國家建設(shè)部住宅產(chǎn)業(yè)化促進(jìn)中心提出住宅小區(qū)要實(shí)現(xiàn)六項(xiàng)智能化要求，其中包括實(shí)行安全防范自動(dòng)化監(jiān)控管理：對(duì)住宅的火災(zāi)、有害氣體的泄漏實(shí)行自動(dòng)報(bào)警；防盜報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)安裝紅外或微波等各種類型報(bào)警探測(cè)器；系統(tǒng)應(yīng)能與計(jì)算機(jī)安全綜合管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能對(duì)防盜報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行集中管理和控制。隨著GPRS遠(yuǎn)程通信技術(shù)和短距離無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，智能家居的監(jiān)控技術(shù)也逐步成熟。GPRS網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)是通信公司推出的一項(xiàng)數(shù)據(jù)傳輸通信業(yè)務(wù)，在GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)，傳輸距離不受限制，通信費(fèi)用相對(duì)低廉，傳輸速率較快。Zig-Bee短距離無線通信技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。本文解決了家庭智能嵌入式系統(tǒng)、GPRS遠(yuǎn)程通信、ZigBee" title="ZigBee">ZigBee無線通信、家電解碼及編碼、家居控制協(xié)議等相關(guān)技術(shù)難點(diǎn)，分析了其各自基本特點(diǎn)和所要實(shí)現(xiàn)的基本功能，并在此基礎(chǔ)上提出了基于Linux嵌入式系統(tǒng)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)及GPRS無線通信的智能家居系統(tǒng)的總體解決方案。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

    智能家居網(wǎng)絡(luò)指的是在一個(gè)家居中建立一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)，將各種家電設(shè)備互相連接起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有智能家居網(wǎng)絡(luò)上設(shè)備的遠(yuǎn)程使用和控制及任何要求的信息交換，如音樂、門窗、電源、電視或數(shù)據(jù)等等。智能家居網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)架包括家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、智能家居控制器以及智能家居網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通信。其中，智能家居控制器是智能家庭網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要組成部分，起到核心的管理、控制和與外部網(wǎng)絡(luò)通信的作用。它是通過家庭管理平臺(tái)與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的一個(gè)系統(tǒng)，也是連接家庭智能內(nèi)部和外部網(wǎng)絡(luò)的物理接口，完成家庭內(nèi)部同外部通信網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換功能，同時(shí)還負(fù)責(zé)家庭設(shè)備的管理和控制。智能家居控制器一方面需要為家庭內(nèi)部布線提供通信接口，采集家庭設(shè)備的信息，并進(jìn)行處理、自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)；另一方面智能家居控制器作為家庭網(wǎng)關(guān)，也為外部提供網(wǎng)絡(luò)接口，連通家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)，使得用戶可以通過GPRS網(wǎng)絡(luò)等方式訪問家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)視和控制。系統(tǒng)控制方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體控制框圖

   本系統(tǒng)采用三星公司最新推出的ARM11 S3C6410控制芯片為核心控制器，完成所有家庭內(nèi)部數(shù)據(jù)的處理，包括數(shù)據(jù)的采集與控制命令的發(fā)出，是整個(gè)智能家居控制的核心，采用Linux嵌入式系統(tǒng)為家居總中心監(jiān)控系統(tǒng)，能夠自動(dòng)運(yùn)行、處理數(shù)據(jù)，通過串口管理、無線網(wǎng)絡(luò)來控制各控制終端，并且中心控制器通過GPRS模塊實(shí)現(xiàn)家庭系統(tǒng)與手機(jī)的通信，使用戶可以通過短信方式實(shí)現(xiàn)家庭系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，同時(shí)，控制器還采用10.3寸觸摸屏為用戶提供命令輸入端，采用Linux Qt完成人機(jī)界面的編寫，通過ZigBee無線通信協(xié)議完成家庭內(nèi)部數(shù)據(jù)的傳輸，方便用戶實(shí)現(xiàn)本地控制?？刂平K端為單片機(jī)組成的若干小的控制系統(tǒng)控制各家用設(shè)備，并通過控制總線將這些小的控制系統(tǒng)組成網(wǎng)絡(luò)，連接到智能家居控制器，受智能家居控制器控制。 

2 基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)和統(tǒng)一家電協(xié)議的家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

2.1 整體設(shè)計(jì)

整個(gè)智能家居系統(tǒng)全部采用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控，以無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為通信平臺(tái)，將家庭的安防系統(tǒng)、門窗控制系統(tǒng)、家電照明系統(tǒng)和能源計(jì)量系統(tǒng)等這些分立子系統(tǒng)融合成為一個(gè)真正意義上的綜合智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。既可以使用智能手機(jī)或者終端實(shí)現(xiàn)本地集中控制，也可以通過使用遠(yuǎn)程接入Internet網(wǎng)絡(luò)的智能手機(jī)或計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由分散智能終端層和上端總控制層組成。

上端總控制層主要是以ARM6410中控系統(tǒng)為核心、利用無線通信結(jié)構(gòu)形成的中控網(wǎng)絡(luò)完成對(duì)各種不同智能終端的管理控制。中控系統(tǒng)配置有觸摸屏方便用戶使用。使用GPRS通信技術(shù)，將家庭內(nèi)部信息及時(shí)與主人手機(jī)終端進(jìn)行通信聯(lián)系，并可以通過手機(jī)控制上端總控制層，達(dá)到遠(yuǎn)程控制的效果。

分散智能終端層是由具有智能終端特性（即信號(hào)采集處理、輸出控制和數(shù)據(jù)通信功能）的各種不同安防系統(tǒng)、家電控制、家庭照明、家庭安防、溫濕度數(shù)據(jù)采集和通信系統(tǒng)等模塊組成。 
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智能終端層以AT89C51為核心處理器，使用多個(gè)I/O口進(jìn)行傳感器檢測(cè)陣列的信號(hào)采集，其中包括紅外人體探測(cè)信號(hào)、火警探測(cè)信號(hào)、有毒氣體探測(cè)信號(hào)、門窗開閉信號(hào)等信號(hào)的檢測(cè)；使用紅外發(fā)射芯片IR6721C芯片進(jìn)行家電設(shè)備控制信號(hào)的發(fā)射，可以完成家庭內(nèi)部控制和GPRS遠(yuǎn)程控制；使用通信串口1連接無線數(shù)據(jù)傳輸芯片XL02-232AP1,XL02-232AP1是UART 接口半雙工無線傳輸模塊。本文采用了加強(qiáng)型的ZigBee無線技術(shù)，符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的無線數(shù)據(jù)通信設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)多設(shè)備間的數(shù)據(jù)透明傳輸；通過無線ZigBee進(jìn)行組網(wǎng)通信；無線功能強(qiáng)大；具備中繼路由和終端設(shè)備功能。單個(gè)終端硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。 

圖2 終端硬件結(jié)構(gòu)框圖

智能終端與中心控制器通過基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)完成通信，傳輸一個(gè)指令的數(shù)據(jù)包由以下幾部分組成：起始編碼bite[0][1],地址編碼bite[2],數(shù)據(jù)類型編碼bite[4],功能編碼bite[5],效驗(yàn)編碼bite[6],結(jié)束編碼bite[7].每個(gè)編碼1個(gè)字節(jié)，發(fā)送數(shù)據(jù)范圍在0~255之間，不同家庭內(nèi)部的起始編碼都是惟一的，防止相互信號(hào)的干擾，每個(gè)接收終端在接收到數(shù)據(jù)后，都進(jìn)行地址碼判斷是否為自己接收的數(shù)據(jù)包，是則接收，否則不接收，接收到數(shù)據(jù)包后，對(duì)數(shù)據(jù)要執(zhí)行的功能進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)正確，則進(jìn)行解碼，并且在解碼成功后通過ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)出一個(gè)確認(rèn)接受碼，中心控制器在接收到確認(rèn)接收碼后停止再次發(fā)生控制指令，否則間隔100ms再次發(fā)生相同指令，確保整個(gè)ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的準(zhǔn)確性和完整性。每個(gè)智能終端在正確接收到中心控制器的控制信號(hào)后，必須根據(jù)信號(hào)完成相應(yīng)家庭內(nèi)部的控制工作，所以家電設(shè)備的控制信號(hào)都是由統(tǒng)一的紅外編碼完成的，不同家電的紅外編碼各不相同，必須進(jìn)行紅外編碼的解碼和重新的編碼，解碼工作利用400MHz的具有存儲(chǔ)功能的高精度示波器采集完成，編碼采用AT89C51芯片的兩個(gè)定時(shí)器交互中斷進(jìn)行，中斷程序控制相應(yīng)的I/O口產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的脈沖，脈沖輸出測(cè)試結(jié)果如圖3所示。 

圖3 AT89C51產(chǎn)生的紅外解碼脈沖 

2.2 GPRS遠(yuǎn)程通信設(shè)計(jì)

以ARM11S3C6410為總控制核心，通過GPRS進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的發(fā)送與處理，使用6410串口2與GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，可以將家庭內(nèi)部數(shù)據(jù)信息發(fā)送給遠(yuǎn)離房間的主人手機(jī)，并可以通過主人手機(jī)發(fā)送的控制信息控制房間內(nèi)家電設(shè)備，包含攝像頭的攝像處理、空調(diào)溫度設(shè)置等。GPRS通信模塊安裝在智能家居控制器中，主要功能為通過GPRS網(wǎng)絡(luò)連接到Internet網(wǎng)絡(luò)，并主動(dòng)與監(jiān)控中心建立通信鏈路，進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信。GPRS通信模塊設(shè)計(jì)采用了Freescale公司生產(chǎn)的內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議的G24GPRSOEM[8].該模塊尺寸小，功耗低，便于集成。GPRS通信終端收發(fā)模塊主要由G24模塊、天線、SIM 卡、相關(guān)的電平轉(zhuǎn)換電路和RS 232串口組成。其供電電壓為5V,可采用USB端口供電；通過RS 232串行口與智能家居控制器ARM 進(jìn)行通信。

G24收發(fā)模塊采用AT指令操作，通過RS 232串行口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

GPRS網(wǎng)絡(luò)通信原理如下：首先通過SGSN節(jié)點(diǎn)使通信終端模塊附在GPRS網(wǎng)絡(luò)上；然后通過GGSN 節(jié)點(diǎn)由PPP（Point to Point Protocol）協(xié)議獲得一個(gè)隨機(jī)分配的IP地址，連接到Internet上；最后通信終端模塊通過Internet,按照監(jiān)控中心設(shè)定的端口號(hào)與監(jiān)控中心建立通信鏈路。

2.3 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)采用Linux操作系統(tǒng)，Linux內(nèi)核是一種源碼開放的操作系統(tǒng)，采用模塊化的設(shè)計(jì)。在此只保留了必需的功能模塊，刪除了冗余的功能模塊，并對(duì)內(nèi)核重新編譯，從而使系統(tǒng)運(yùn)行所需的硬件資源顯著減少。

Linux系統(tǒng)內(nèi)核集成了大量的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，支持全部的標(biāo)準(zhǔn)因特網(wǎng)協(xié)議和幾乎所有的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，因此將其應(yīng)用于智能家居控制器的設(shè)計(jì)，具有代碼量小、運(yùn)行消耗系統(tǒng)資源少、可靠性高、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)智能家庭數(shù)據(jù)采集控制器對(duì)于操作系統(tǒng)的要求。Qt作為一種跨平臺(tái)的基于C++ 的GUI系統(tǒng)，能夠提供給用戶構(gòu)造圖形用戶界面的強(qiáng)大功能。本文選用移植性強(qiáng)的Qt軟件設(shè)計(jì)圖形用戶界面，所設(shè)計(jì)的GUI實(shí)用、簡潔、實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互，可通過鍵盤或面板對(duì)程序進(jìn)行輸入、保存、修改和編譯，信息和臨時(shí)信息及時(shí)輸出、顯示，通過GUI達(dá)到了整合系統(tǒng)的目的。在Qt系統(tǒng)中，不僅有著構(gòu)造完善的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且為了滿足用戶對(duì)編寫圖形用戶界面應(yīng)用的種種需求，還創(chuàng)建了許多新的系統(tǒng)機(jī)制，其中Qt所特有的內(nèi)部進(jìn)程通信機(jī)制具有獨(dú)特的反應(yīng)速度，本文采用的Qt應(yīng)用進(jìn)程之間通信機(jī)制是Signal-Slot機(jī)制和FIFO 機(jī)制。Linux 系統(tǒng)不斷偵查本地GUI消息，任何一個(gè)Qt消息被觸發(fā)，系統(tǒng)都會(huì)立即執(zhí)行相應(yīng)程序，提高了整個(gè)系統(tǒng)的反應(yīng)速度和穩(wěn)定性，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。 

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

3 結(jié) 語

整套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分利用了ARM11 S3C6410的硬件功能和處理速度，成功移植了以S3C6410為硬件核心的Linux嵌入式系統(tǒng)，并完成了基于Linux Qt的控制程序的開發(fā)，解決了多項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)，其中包括構(gòu)建基于ZigBee通信協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)、基于AT89C51的統(tǒng)一家電控制協(xié)議、基于S3C6410的GPRS遠(yuǎn)程通信、家電控制的直接解碼與編碼等，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品的控制結(jié)果效果令人滿意，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的先進(jìn)性、穩(wěn)定性和實(shí)用性，具有廣泛的推廣和應(yīng)用價(jià)值。