基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計
基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計
摘要:給出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計的一種智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過ZigBee技術(shù)將各種安防設(shè)備和家用電器組建成無線通信網(wǎng)絡(luò),以實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)采集和命令控制;同時使用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IE瀏覽器訪問監(jiān)控網(wǎng)頁,以實現(xiàn)對家居環(huán)境的遠程監(jiān)控;可利用GPRS通信技術(shù)連接用戶手機,提供實時報警服務(wù)。應(yīng)用結(jié)果表明,該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠、實時,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)在中國乃至全世界都有廣闊的前景,是一個朝陽行業(yè),蘊含著巨大的市場潛力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)特點構(gòu)建新型智能家居系統(tǒng),將GPRS移動通信技術(shù)、嵌入式Internet技術(shù)與新一代無線網(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、實時性好,勢必是未來智能家居系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。
1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點
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。其中,傳感層包括搭載了ZigBee無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,實現(xiàn)對家居環(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)控層包括遠程電腦、小區(qū)監(jiān)控中心和用戶手機,可通過Internet登錄監(jiān)控儀IP訪問監(jiān)控網(wǎng)頁,實時監(jiān)測家居環(huán)境,控制家電的開啟和關(guān)閉,真正實現(xiàn)智能控制。若出現(xiàn)異常,則執(zhí)行預(yù)定的控制動作,例如啟動蜂鳴器響鈴、啟動排風扇排風等,同時通過小區(qū)網(wǎng)絡(luò)向小區(qū)監(jiān)控中心報警,并通過GPRS自動給主人手機發(fā)報警短信,實現(xiàn)聯(lián)合安防。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計
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)對相應(yīng)接口進行了配置和擴展。
ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)的組建依靠ZigBee模塊芯片CC2430,每個傳感器及家用電器均配置一個CC2430芯片構(gòu)成通信節(jié)點。S3C2410通過SPI總線與CC2430進行通信,接收傳感器采集的信號及控制家用電器繼電器的閉合和斷開;利用DM9000芯片把網(wǎng)口外擴為以太網(wǎng)接口RJ45,與以太網(wǎng)連接,提供遠程網(wǎng)絡(luò)服務(wù);通過串口連接GPRS模塊提供GPRS移動通信功能;LCD控制器外掛LCD觸摸屏;I2S總線控制器外擴蜂鳴器提供音頻報警;通過USBHOST控制器外擴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)有三個層次:驅(qū)動層、系統(tǒng)層和應(yīng)用層。在驅(qū)動層,移植I2S驅(qū)動、USB攝像頭驅(qū)動、LCD驅(qū)動和以太網(wǎng)驅(qū)動,并編寫ADC驅(qū)動,用以保證各個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現(xiàn)各個功能模塊,并通過編寫CGI程序和遠程監(jiān)控網(wǎng)頁交互數(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)器遠程監(jiān)控設(shè)計
要實現(xiàn)遠程訪問服務(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)傳遞方法與遠程客戶端進行通信,實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)控。首先,瀏覽器將遠程客戶端發(fā)送的請求送到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,顯示給遠程客戶端。CGI工作流程如圖4所示。
圖4CGI工作流程圖
ZigBee無線通信設(shè)計
ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)由若干個通信節(jié)點組成,通信節(jié)點由傳感器或家用電器配置一個ZigBee無線模塊芯片CC2430芯片構(gòu)成。其中,每個傳感器通信節(jié)點的無線通信流程是: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,成為通信節(jié)點;為實現(xiàn)系統(tǒng)的低耗能性,在通信節(jié)點成功接入網(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)隨時檢測傳感器信號狀態(tài),一旦接收到異常的中斷請求即進入全功能狀態(tài),否則繼續(xù)等待;處于全功能狀態(tài)的通信節(jié)點接收傳感器傳遞過來的信號,如果是模擬信號,需先進行A/D轉(zhuǎn)換,再將數(shù)據(jù)通過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短信報警設(shè)計
本系統(tǒng)有現(xiàn)場聲光報警和短信報警兩種報警方式,當系統(tǒng)監(jiān)測到有火災(zāi)或者有門禁入侵時,就會觸發(fā)報警系統(tǒng)。其中,短信報警通過GPRS模塊實現(xiàn)。GPRS模塊通過串口與S3C2410連接,它具有一套標準的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)通過對串口編程,給GPRS模塊發(fā)送包含AT短信息命令的字符串[10],從而實現(xiàn)發(fā)送固定內(nèi)容的短信。GPRS短信報警流程如圖6所示。
圖5ZigBee無線通信流程圖
圖6GPRS短信報警流程圖
4系統(tǒng)測試結(jié)果
啟動系統(tǒng)后,智能家居監(jiān)控儀的觸摸屏上可顯示實時的監(jiān)控界面,包括火警、煙霧、紅外門禁入侵等報警狀態(tài)及熱水器等家用電器的開啟或關(guān)閉狀態(tài),并可通過觸摸屏上的按鍵對系統(tǒng)、家電等進行控制,觸摸屏監(jiān)控界面如圖7所示。通過任一遠程電腦的瀏覽器登錄系統(tǒng)IP,可訪問系統(tǒng)的遠程監(jiān)控頁面,在線查看家居環(huán)境、控制家電、實時拍照及錄像等,遠程圖像監(jiān)控頁面如圖8所示。
圖7觸摸屏監(jiān)控界面
圖8遠程圖像監(jiān)控頁面
5結(jié)語
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,并使用ZigBee無線通信技術(shù)克服了有線布線的弊端,使得監(jiān)控點配置靈活。GPRS移動通信技術(shù)、嵌入式Internet技術(shù)的綜合應(yīng)用,則實現(xiàn)了小區(qū)乃至更大區(qū)域的聯(lián)合和實時安防,實現(xiàn)了多平臺、多網(wǎng)絡(luò)的無縫連接。
20211023_6172e2d0abdb4__基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計