智能家居監(jiān)控原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)用戶隨時(shí)隨地對(duì)家庭的監(jiān)測(cè)和控制，在此以智能家居監(jiān)控系統(tǒng)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種智能家居監(jiān)控原型系統(tǒng)。設(shè)計(jì)的基于Android的手機(jī)客戶端，使用戶可以在任何能夠連接Internet的地方輕松方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭的監(jiān)控操作。其原型系統(tǒng)采用基于ZigBee的家庭無線網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的任意放置。系統(tǒng)組織靈活，避免了家庭布線的復(fù)雜性和高成本。
關(guān)鍵詞：智能家居；ARM-Linux；Android；ZigBee

    隨著人類科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)都取得了迅猛的發(fā)展與提高，人們對(duì)居住環(huán)境提出了更高的要求，智能家居的概念應(yīng)運(yùn)而生，人們希望可以隨時(shí)隨地監(jiān)測(cè)家庭內(nèi)部情況并實(shí)現(xiàn)整個(gè)家庭的實(shí)時(shí)控制。為了實(shí)現(xiàn)用戶方便靈活地對(duì)家庭的監(jiān)測(cè)和控制，本文設(shè)計(jì)了一種智能家居監(jiān)控的原型系統(tǒng)。當(dāng)前智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在諸多問題，如家庭布線復(fù)雜且成本高，用戶對(duì)系統(tǒng)的使用僅局限于家庭內(nèi)部等。針對(duì)當(dāng)前智能家居系統(tǒng)中存在的問題，本文設(shè)計(jì)的原型系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)與提高。本文設(shè)計(jì)了基于Android的手機(jī)客戶端，使用戶在任何可以連接Internet的地方輕松方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭的監(jiān)控操作；本文所設(shè)計(jì)的原型系統(tǒng)采用了基于ZigBee的家庭無線網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的任意放置，系統(tǒng)組織靈活，避免了家庭布線的復(fù)雜性和高成本。

1 智能家居監(jiān)控原型系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)
    本文設(shè)計(jì)的智能家居監(jiān)控原型系統(tǒng)主要由3部分組成，即基于Androld的手機(jī)客戶端、基于ARM-Linux的主控制器以及基于ZigBee的家庭無線網(wǎng)絡(luò)。圖1所示為該智能家居監(jiān)控原型系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)。

2 基于Android的手機(jī)客戶端設(shè)計(jì)
    Android是一種以Linux為基礎(chǔ)的開放源碼操作系統(tǒng)。Androld最初主要支持手機(jī)，2005年由谷歌收購注資，并組建開放手機(jī)聯(lián)盟開發(fā)改良，逐漸擴(kuò)展到平板電腦及其他領(lǐng)域上。Android系統(tǒng)層次如圖2所示。本文基于Android的手機(jī)客戶端設(shè)計(jì)，主要包括手機(jī)客戶端界面設(shè)計(jì)和手機(jī)客戶端底層通信方式設(shè)計(jì)。界面設(shè)計(jì)，將以家庭房間為單位，每個(gè)房間對(duì)應(yīng)一個(gè)界面，界面中包含有該房間中的所有傳感器及可控設(shè)備。通信方式采用HTTP請(qǐng)求方式，經(jīng)過Internet與主控制器進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。

3 基于ARM-Linux系統(tǒng)的主控制器設(shè)計(jì)
    主控制器作為智能家居系統(tǒng)的核心設(shè)備，主要完成兩方面的任務(wù)：按照采集周期循環(huán)讀取傳感器數(shù)據(jù)并判斷傳感器數(shù)據(jù)是否異常，如果異常，則通過移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)向手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信；主控制器同時(shí)作為Web服務(wù)器，通過Internet接收手機(jī)的監(jiān)測(cè)和控制請(qǐng)求，利用CGI腳本響應(yīng)手機(jī)的請(qǐng)求。

    主控制器是一個(gè)以ARM微處理器、嵌入式Linux為核心的嵌入式系統(tǒng)。圖3所示為主控制器的硬件結(jié)構(gòu)。主控制器采用ARM920T微處理器，64 MBSDRAM，256 MB FLASH，且具有串口、網(wǎng)口等諸多通信接口。
    在主控制器硬件設(shè)備基礎(chǔ)上，對(duì)Linux系統(tǒng)進(jìn)行裁剪、修改及交叉編譯，生成合適的嵌入式Linux操作系統(tǒng)。在操作系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，再移植嵌入式Web服務(wù)器軟件。針對(duì)主控制器的2個(gè)主要任務(wù)，分別編寫循環(huán)監(jiān)測(cè)程序和CGI腳本予以實(shí)現(xiàn)。圖4所示為主控制器軟件結(jié)構(gòu)。

    循環(huán)監(jiān)測(cè)程序從串口發(fā)送命令，通過家庭無線網(wǎng)絡(luò)傳遞至終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)接收命令，并在讀取傳感器數(shù)據(jù)或執(zhí)行控制操作之后發(fā)送返回?cái)?shù)據(jù)，循環(huán)監(jiān)測(cè)程序再由串口讀取返回?cái)?shù)據(jù)。若返回?cái)?shù)據(jù)異常，主控制器將向另外一個(gè)串口發(fā)送命令，而與該串口相連的TC35模塊則會(huì)根據(jù)命令執(zhí)行相應(yīng)操作，如向某個(gè)手機(jī)號(hào)發(fā)出報(bào)警短信。圖5為循環(huán)監(jiān)測(cè)程序流程圖。
    CGI(通用網(wǎng)關(guān)接口)定義了Web服務(wù)器與CGI腳本之間的接口標(biāo)準(zhǔn)。由于用戶能傳遞不同的參數(shù)給CGI腳本，所以CGI技術(shù)使得客戶端和服務(wù)器之間具有交互性。在主控制器接收到手機(jī)發(fā)送的HTTP請(qǐng)求之后，腳本程序?qū)⒘⒖虉?zhí)行，利用CGI標(biāo)準(zhǔn)接口函數(shù)來提取URL中附帶的參數(shù)并由串口發(fā)送相應(yīng)命令。圖6所示為CGI腳本程序流程圖。

    循環(huán)采集程序和CGI腳本程序的區(qū)別是，前者是隨著系統(tǒng)開機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)并不斷循環(huán)執(zhí)行，且只負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)各傳感器數(shù)據(jù)，而后者只有在接到手機(jī)的HTTP請(qǐng)求時(shí)，才會(huì)立即執(zhí)行一次，可以獲取傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)或者執(zhí)行對(duì)家庭設(shè)備的控制。

4 基于ZigBee的家庭無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
    ZigBee技術(shù)是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是一組基于IEEE 802．15．4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的通信技術(shù)。在標(biāo)準(zhǔn)化方面，IEEE 802．15．4工作組定義了物理層和介質(zhì)訪問控制層的協(xié)議。物理層規(guī)范確定無線網(wǎng)絡(luò)的工作頻段以及該頻段上傳輸數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)傳輸速率。介質(zhì)訪問控制層規(guī)范定義了在同一區(qū)域工作的多個(gè)IEEE 802．15．4無線信號(hào)如何共享空中信道。ZigBee聯(lián)盟主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層的協(xié)議。在本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，家庭無線網(wǎng)絡(luò)采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。主控制器通過串口與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)相連，將命令發(fā)送至各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)接收命令后執(zhí)行相應(yīng)操作并返回?cái)?shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將返回?cái)?shù)據(jù)通過串口傳給主控制器。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)的程序流程圖如圖7，圖8所示。

5 結(jié)語
    本文設(shè)計(jì)了一個(gè)智能家居監(jiān)控原型系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括基于Android的手機(jī)客戶端設(shè)計(jì)、基于ARM-Linux的主控制器設(shè)計(jì)以及基于Zig Bee的家庭無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了用戶隨時(shí)隨地對(duì)家庭的監(jiān)測(cè)和控制。下一步的研究重點(diǎn)將是如何在該系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)家庭新設(shè)備的簡易添加。