基于Linux系統(tǒng)和ZigBee的智能家居系統(tǒng)

摘要：根據(jù)現(xiàn)代家居的發(fā)展需求，提出了一種智能家居系統(tǒng)的整體設計方案，以ARM11S3C6410為核心處理器，Linux嵌入式系統(tǒng)為家居總中心監(jiān)控系統(tǒng)，使用LinuxQt完成了控制程序及人機界面的編寫，采用GPRS通信技術完成了系統(tǒng)的遠程通信及監(jiān)控，組建基于ZigBee無線通信技術的系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡，并完成了對家電的基于統(tǒng)一協(xié)議的控制，實現(xiàn)了家居的智能化。
關鍵詞：智能家居；GPRS；通信技術；ZigBee；遠程控制

0 引言
    隨著網(wǎng)絡技術和通信技術的不斷發(fā)展以及人們對生活要求的不斷提高，實現(xiàn)家庭智能的遠程監(jiān)控已經(jīng)成為必然的趨勢。國家建設部住宅產(chǎn)業(yè)化促進中心提出住宅小區(qū)要實現(xiàn)六項智能化要求，其中包括實行安全防范自動化監(jiān)控管理：對住宅的火災、有害氣體的泄漏實行自動報警；防盜報警系統(tǒng)應安裝紅外或微波等各種類型報警探測器；系統(tǒng)應能與計算機安全綜合管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)；計算機系統(tǒng)能對防盜報警系統(tǒng)進行集中管理和控制。隨著GPRS遠程通信技術和短距離無線網(wǎng)絡通信技術的不斷發(fā)展和成熟，智能家居的監(jiān)控技術也逐步成熟，GPRS網(wǎng)絡通信業(yè)務是通信公司推出的一項數(shù)據(jù)傳輸通信業(yè)務，在GPRS網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域內(nèi)，傳輸距離不受限制，通信費用相對低廉，傳輸速率較快。ZigBee短距離無線通信技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數(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)和低反應時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?。本文解決了家庭智能嵌入式系統(tǒng)、GPRS遠程通信、ZigBee無線通信、家電解碼及編碼、家居控制協(xié)議等相關技術難點，分析了其各自基本特點和所要實現(xiàn)的基本功能，并在此基礎上提出了基于Linux嵌入式系統(tǒng)和ZigBee網(wǎng)絡及GPRS無線通信的智能家居系統(tǒng)的總體解決方案。

1 系統(tǒng)整體設計方案
    智能家居網(wǎng)絡指的是在一個家居中建立一個通信網(wǎng)絡，將各種家電設備互相連接起來，實現(xiàn)對所有智能家居網(wǎng)絡上設備的遠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)絡的構架包括家庭內(nèi)部網(wǎng)絡系統(tǒng)、智能家居控制器以及智能家居網(wǎng)絡與外部網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)通信。其中，智能家居控制器是智能家庭網(wǎng)絡的一個重要組成部分，起到核心的管理、控制和與外部網(wǎng)絡通信的作用。它是通過家庭管理平臺與家居生活有關的各種子系統(tǒng)有機結合的一個系統(tǒng)，也是連接家庭智能內(nèi)部和外部網(wǎng)絡的物理接口，完成家庭內(nèi)部同外部通信網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)交換功能，同時還負責家庭設備的管理和控制。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，采集家庭設備的信息，并進行處理、自動控制和調(diào)節(jié)；另一方面智能家居控制器作為家庭網(wǎng)關，也為外部提供網(wǎng)絡接口，連通家庭內(nèi)部網(wǎng)絡和外部網(wǎng)絡，使得用戶可以通過GPRS網(wǎng)絡等方式訪問家庭內(nèi)部網(wǎng)絡，實現(xiàn)監(jiān)視和控制。系統(tǒng)控制方案如圖1所示。

    本系統(tǒng)采用三星公司最新推出的ARM11S3C6410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)，能夠自動運行、處理數(shù)據(jù)，通過串口管理、無線網(wǎng)絡來控制各控制終端，并且中心控制器通過GPRS模塊實現(xiàn)家庭系統(tǒng)與手機的通信，使用戶可以通過短信方式實現(xiàn)家庭系統(tǒng)的遠程控制，同時，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，方便用戶實現(xiàn)本地控制。控制終端為單片機組成的若干小的控制系統(tǒng)控制各家用設備，并通過控制總線將這些小的控制系統(tǒng)組成網(wǎng)絡，連接到智能家居控制器，受智能家居控制器控制。
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2 基于ZigBee無線網(wǎng)絡和統(tǒng)一家電協(xié)議的家居網(wǎng)絡系統(tǒng)
2．1 整體設計
    整個智能家居系統(tǒng)全部采用無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控，以無線網(wǎng)絡技術為通信平臺，將家庭的安防系統(tǒng)、門窗控制系統(tǒng)、家電照明系統(tǒng)和能源計量系統(tǒng)等這些分立子系統(tǒng)融合成為一個真正意義上的綜合智能家居網(wǎng)絡系統(tǒng)。既可以使用智能手機或者終端實現(xiàn)本地集中控制，也可以通過使用遠程接入Internet網(wǎng)絡的智能手機或計算機實現(xiàn)遠程監(jiān)控。智能家居網(wǎng)絡系統(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、利用無線通信結構形成的中控網(wǎng)絡完成對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，將家庭內(nèi)部信息及時與主人手機終端進行通信聯(lián)系，并可以通過手機控制上端總控制層，達到遠程控制的效果。
    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。
    智能終端層以AT89C51為核心處理器，使用多個I／O口進行傳感器檢測陣列的信號采集，其中包括紅外人體探測信號、火警探測信號、有毒氣體探測信號、門窗開閉信號等信號的檢測；使用紅外發(fā)射芯片IR6721C芯片進行家電設備控制信號的發(fā)射，可以完成家庭內(nèi)部控制和GPRS遠程控制；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。本文采用了加強型的ZigBee無線技術，符合工業(yè)標準應用的無線數(shù)據(jù)通信設備，可實現(xiàn)多設備間的數(shù)據(jù)透明傳輸；通過無線ZigBce進行組網(wǎng)通信；無線功能強大；具備中繼路由和終端設備功能。單個終端硬件結構框圖如圖2所示。

    智能終端與中心控制器通過基于ZigBee的無線網(wǎng)絡完成通信，傳輸一個指令的數(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]，效驗編碼hite[6]，結束編碼bite[7]。每個編碼1個字節(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，防止相互信號的干擾，每個接收終端在接收到數(shù)據(jù)后，都進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，對數(shù)據(jù)要執(zhí)行的功能進行校驗，校驗正確，則進行解碼，并且在解碼成功后通過ZigBee的無線網(wǎng)絡發(fā)出一個確認接受碼，中心控制器在接收到確認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ZigBee的無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信的準確性和完整性。每個智能終端在正確接收到中心控制器的控制信號后，必須根據(jù)信號完成相應家庭內(nèi)部的控制工作，所以家電設備的控制信號都是由統(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的具有存儲功能的高精度示波器采集完成，編碼采用AT89C51芯片的兩個定時器交互中斷進行，中斷程序控制相應的I／O口產(chǎn)生對應的脈沖，脈沖輸出測試結果如圖3所示。

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2．2 GPRS遠程通信設計
    以ARM11S3C6410為總控制核心，通過GPRS進行遠程數(shù)據(jù)的發(fā)送與處理，使用6410串口2與GPRS進行數(shù)據(jù)通信，可以將家庭內(nèi)部數(shù)據(jù)信息發(fā)送給遠離房間的主人手機，并可以通過主人手機發(fā)送的控制信息控制房間內(nèi)家電設備，包含攝像頭的攝像處理、空調(diào)溫度沒置等。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)絡連接到Internet網(wǎng)絡，并主動與監(jiān)控中心建立通信鏈路，進行雙向數(shù)據(jù)通信。GP RS通信模塊設計采用了Freescale公司生產(chǎn)的內(nèi)嵌TCP／IP協(xié)議的G24GPRSOEM。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、相關的電平轉(zhuǎn)換電路和RS 232串口組成。其供電電壓為5 V，可采用USB端口供電；通過RS 232串行口與智能家居控制器ARM進行通信。G24收發(fā)模塊采用AT指令操作，通過RS 232串行口進行數(shù)據(jù)通信。
    GPRS網(wǎng)絡通信原理如下：首先通過SGSN節(jié)點使通信終端模塊附在GPRS網(wǎng)絡上；然后通過GGSN節(jié)點由PPP(Point to Point Protocol)協(xié)議獲得一個隨機分配的IP地址，連接到Internet上；最后通信終端模塊通過Internet，按照監(jiān)控中心設定的端口號與監(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)，采用模塊化的設計。在此只保留了必需的功能模塊，刪除了冗余的功能模塊，并對內(nèi)核重新編譯，從而使系統(tǒng)運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)絡應用程序，支持全部的標準因特網(wǎng)協(xié)議和幾乎所有的聯(lián)網(wǎng)技術，因此將其應用于智能家居控制器的設計，具有代碼量小、運行消耗系統(tǒng)資源少、可靠性高、開發(fā)周期短等優(yōu)點，適應智能家庭數(shù)據(jù)采集控制器對于操作系統(tǒng)的要求。Qt作為一種跨平臺的基于C++的GUI系統(tǒng)，能夠提供給用戶構造圖形用戶界面的強大功能。本文選用移植性強的Qt軟件設計圖形用戶界面，所設計的GUI實用、簡潔、實現(xiàn)了人機交互，可通過鍵盤或面板對程序進行輸入、保存、修改和編澤，信息和臨時信息及時輸出、顯示，通過GUI達到了整合系統(tǒng)的目的。在Qt系統(tǒng)中，不僅有著構造完善的系統(tǒng)結構，而且為了滿足用戶對編寫圖形用戶界面應用的種種需求，還創(chuàng)建了許多新的系統(tǒng)機制，其中Qt所特有的內(nèi)部進程通信機制具有獨特的反應速度，本文采用的Qt應用進程之間通信機制是Signal Slot機制和FIFO機制。Linux系統(tǒng)不斷偵查本地GUI消息，任何一個Qt消息被觸發(fā)，系統(tǒng)都會立即執(zhí)行相應程序，提高了整個系統(tǒng)的反應速度和穩(wěn)定性，系統(tǒng)軟件設計流程如圖4所示。

3 結語
    整套系統(tǒng)的設計充分利用了ARM11S3C6410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)，解決了多項技術難點，其中包括構建基于ZigBee通信協(xié)議的無線網(wǎng)絡、基于AT89C51的統(tǒng)一家電控制協(xié)議、基于S3C6410的GPRS遠程通信、家電控制的直接解碼與編碼等，實驗產(chǎn)品的控制結果效果令人滿意，驗證了該系統(tǒng)的先進性、穩(wěn)定性和實用性，具有廣泛的推廣和應用價值。