基于Cubieboard和ZigBee的智能家居系統設計

林婷婷　陳　華

(新疆大學電氣工程學院　新疆 烏魯木齊 830049)

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基于Cubieboard和ZigBee的智能家居系統設計

林婷婷陳華

(新疆大學電氣工程學院新疆 烏魯木齊 830049)

摘要針對傳統智能家居系統受Internet的地域限制和控制的局限性，開發成本高，功耗大的問題，設計并實現了一種基于Cubieboard和ZigBee的智能家居系統。圍繞Cubieboard來搭建系統的嵌入式網關和服務器，通過移植ZigBee協議棧到Cubieboard來組建智能家居的無線傳感網絡和控制網絡，實現各模塊之間的無線通信。同時設計網頁和客戶端，將平板電腦、筆記本和智能手機作為系統的監控終端，實現對智能家居系統的實時遠程監控。通過完成整套軟硬件平臺的搭建，并試調程序，完成并實現了預期的智能家居系統設計。

關鍵詞智能家居CubieboardZigbee控制網關遠程控制終端Android

DESIGNING SMART HOME SYSTEM BASED ON CUBIEBOARD AND ZIGBEE

Lin TingtingChen Hua

(College of Electrical Engineering,Xinjiang University,Urumqi 830049,Xinjiang,China)

AbstractIn view of the problems of traditional smart home system such as being subject to geographical restrictions of Internet and the limitation in control, as well as high-cost in development and high power consumption, we designed and implemented a smart home system which is based on Cubieboard and ZigBee. We built the embedded gateway and server of the system around Cubieboard, constructed the wireless sensor network and control network of smart home by transplanting ZigBee protocol stack to Cubieboard, and realised the wireless communication between each module. At the same time we designed the webpages and the client, and used the tablet PCs, laptops and smartphones as monitoring terminals of the system, thus achieved the real-time remote monitoring on smart home system. By the completion of building whole set of hardware and software platform and testing the program, we accomplished and realised the expected smart home system design.

KeywordsSmart homeCubieboardZigbeeControl gatewayRemote control terminalAndroid

0引言

隨著科技的日新月異，人們生活水平不斷提高，人們對生活質量的日益重視，普通的生活家居已經不能夠滿足廣大居民對生活方式現代化和居住環境舒適化與安全化的要求，如何實現家居智能化已成為現代家居發展的方向。因此智能家居系統應運而生。由于國家對物聯網的支持，使得智能家居具有巨大的發展空間。

智能家居是以住宅為平臺，利用先進的計算機技術、網絡通信技術、綜合布線技術和無線技術，提供友好的智能家居遠程管理界面，將與家居生活有關的各種子系統有機地結合在一起[1]，提供舒適安全、高品位的家庭生活空間，將原來被動靜止的家居生活轉變成能動智慧的生活方式，提供全方位的信息交換功能。智能家居系統是實現家居智能化的設施，隨著智能家居的不斷發展[2]，開發一種低功耗且方便操作的家居控制系統成為現在智能家居發展的一種趨勢。

本系統主要圍繞Cubieboard來搭建，通過移植ZigBee協議棧到Cubieboard來組建智能家居的無線傳感及控制網絡，在此基礎上實現居室環境的感知、家用電器的開關控制以及防盜報警等功能。平臺設計盡可能采用通用模塊以及標準協議，在降低智能家居系統組建成本的同時，降低搭建難度，讓智能家居物聯技術盡快走進人們的生活中來。

1系統總體設計

智能家居系統是實現家居智能功能的設施，最初的家居控制的設計只是簡單的控制家中的如電視、電冰箱、空調、熱水器、照明設備等的家用電器，而新的智能家居是一個更大范圍的控制，大致可以分為：中央控制系統，安全防范系統，智能照明系統，電器控制系統，環境控制系統，多媒體共享系統，綜合布線系統和高層逃生系統。

智能家居系統的基本組成結構如圖1所示。

圖1　系統結構圖

本設計旨在降低成本，利用筆記本、平板電腦和智能手機等這些普通家庭中已有的資源作為系統的監控終端。采用集成了開源操作系統的Cubieboard計算機來取代傳統的PC機作為網關，由于其擁有豐富的標準接口，可以用鍵盤、鼠標、電視機等作為網關的輸入輸出設備，并且網關內安裝有支持BS模式訪問的Web服務器和支持CS模式訪問的服務器APP，在手持終端上安裝客戶端[3]，服務器和客戶端可通過因特網或WiFi局域網登錄家居網關Web頁面，交互數據，提取信息從而控制家電。同時本設計還可實現視頻傳輸，實現家居系統的遠程監控，實現更加友好的人機交互界面。家庭內所用數據以及家用電器的設備狀態在一段時間內都可儲存在本地的微型數據庫中。本文設計的智能家居系統的網絡采用的是無線組網方式，在一些常用的無線方式中，ZigBee比藍牙技術簡單，網絡容量大，比WiFi功耗低，比射頻通信技術完善，故本設計采用的是ZigBee無線通信方式。網關通過與之相連的ZigBee協調器收集數據和下傳命令。同時ZigBee協調器擔任著組織建立并管理其他ZigBee模塊所組成的通信網絡的功能。

2主要系統硬件設計

2.1網關硬件設計

智能家居網關是家居智能化的心臟，通過它來實現信息的采集、輸入和輸出，集中控制、聯動控制、遠程控制等功能。為了解決早期使用的普通PC機網關存在的能力過剩、功耗高、 很難實現長期可靠的運行等缺點，本設計采用的是中國珠海Cubietech技術團隊開發的Cubieboard來取代pc機，它是一款類似“樹莓派”(Raspberry Pi)的以ARM為核心的卡片式廉價計算機[4]。

Cubieboard功耗低，體積小，接口全，除具備常用的基本接口外還多出了UART、IIC、SPI等家用PC沒有的接口。除了PC機的Ubuntu系統外，它還能運行嵌入式系統Android。軟硬件平臺均開放便于開發同時擁有自己的技術論壇，故本文選用Cubieboard作為智能家居系統網關[5]。

對于Cubieboard現有的板載接口來說，它只能組成一個多媒體計算機而無法完成網關任務，為了完成本文所需要的網關任務需要從96PIN擴展接口中引出需要的通信接口為Cubieboard設計一塊擴展底板，這樣就能給選用的Cubieboard板載接口加入GSM模塊以及Zigbee協調器。本文GSM模塊選用西門子公司的TC35i工業模塊，此模塊可完成GSM音頻、短信通信以及GPRS上網功能。ZigBee模塊選擇德州儀器公司CC2530芯片，設計中采用板載天線、低功耗小體積貼片結構，便于進一步集成。根據TC35i模塊和ZigBee模塊開發手冊可知，TC35i模塊所需的供電電壓為4.2 V，在此條件下各端口電壓工作在3.3 V。ZigBee供電電壓為2 V至3.6 V。由Cubieboard引出接口說明知，Cubieboard可提供5 V和3.3 V兩種電壓電源，其中3.3 V電源可為ZigBee模塊供電，TC35i則需要額外的穩壓電路。本文選用LM2941S可編程穩壓芯片搭建4.2 V穩壓電路。如圖2所示。LM2941S輸入電壓為直流5至26 V，輸出電壓通過兩個電阻的比值決定，圖2上圖為LM2941S電壓編程模型，輸出電壓Vout=Vref×(1+(R1/R2))，手冊中Vref取1.24，由此通過調整R1和R2電阻的比值即可決定電壓輸出值，本文取值R1=4.7 K，R2=2 K。LM2941S還提供一個電源輸出控制引腳，此引腳接高電平則有電源輸出，接低電平則關斷輸出。因此可使用Cubieboard的一個引腳作為TC35i模塊的電源開關控制引腳，具體電路如圖2下圖所示。

圖2　4.2V穩壓電路

又TC35i模塊上電之后還需要在IGT管腳施加一個100ms長度的低電平才能啟動工作，因此需要給TC35i設計一個上電點火電路。本文點火電路圍繞MAX810進行搭建如圖3所示。TC35i模塊工作時需要連接SIM卡才能接入GSM網絡，因此擴展板需要SIM卡接口電路，如圖4所示。

圖3　TC35i上電點火電路

圖4　SIM卡接口電路

最后擴展板上還需要分別將Cubieboard的串口與TC35i模塊和ZigBee模塊相連，并提供一個PC監控串口，方便測試，本文選擇UART3連接ZigBee模塊，UART4連接TC35i模塊，詳細串口電路如圖5所示。

圖5　串口電路

2.2其他組件模塊

傳感組件主要由ZigBee通信終端與傳感器組合設計而成，傳感器負責采集數據，ZigBee通信終端負責將數據發送至ZigBee主節點，其組成模型如圖6所示。

圖6　ZigBee終端節點硬件組成結構簡圖

控制組件一般分為兩類：一類是電源開關控制，另一類是紅外遙控控制。控制模塊如圖7所示。

圖7　控制模塊組成結構簡圖

3主要系統軟件設計

智能家居系統軟件按照處理器區分可分為網關和ZigBee終端兩部分。

3.1網關的設計

網關的軟件開發工作主要是在Android環境下開發Android應用程序，因此在軟件開發工作進行前首先要搭建軟件開發環境，網關應用需要調用底層驅動函數，需要提高應用程序的訪問權限，因此需要自行配置編譯Android系統鏡像，為提高編譯效率，在此選用linux系統下的開發套件。

網關程序的主要功能分為以下三部分：1) 與掛載于Cubieboard串口上的ZigBee模塊和TC35i模塊進行串口通信；2) 與運行于智能手機或平板上的Android客戶端進行網絡通信；3) 將接收到的數據進行相應的處理。網關程序的流程如圖8所示。

圖8　網關程序流程圖

3.2ZigBee終端軟件設計

本設計采用的是星形網組建ZigBee通信網絡，該網絡包含一個ZigBee網絡協調器和若干終端節點。協調器程序運行[6]流程如圖9所示。

圖9　協調器程序運行流程

終端節點在啟動時，首先要執行一系列初始化準備工作，例如設置信道、網絡標識符、發送地址等參數。為后續初始化工作做好準備，配置代碼如下：

basicRfConfig.panId = PAN_ID;

//設置網絡標識

basicRfConfig.channel = RF_CHANNEL;

// 設置信道

basicRfConfig.ackRequest = TRUE;

//打開ACK回復功能

basicRfConfig.myAddr = SEND_ADDR;

//設定本機地址

執行完配置項后開始調用硬件芯片初始化的相關函數，初始化硬件資源，接下來初始化并啟動操作系統，開始任務調度，這部分代碼由TI官網提供編程框架，初始化函數封裝在Zmain.c、OSAL.c文件中。實現終端節點設計功能的應用(任務)由用戶編寫。

用戶應用編寫流程如下：

首先在官方代碼框架下加入該任務的任務初始化函數，主要完成用戶任務ID設定、綁定標志位設定、初始化并注冊該任務層的端口描述符、設置和注冊該任務的響應事件等工作，為該任務的執行做好準備。在該任務執行時會從非易失性存儲器中讀取配置信息，將ZigBee設備配置為終端節點。

ZigBee設備作為終端節點啟動后，如果網絡存在將給ZDO(ZigBee設備對象)一個發現網絡的反饋信息，然后由網絡層加入網絡請求，如果入網成功，則會給一個加入網絡的反饋信息。根據這一特性，在用戶任務配置代碼后加入網絡搜索、加入申請代碼。

加入網絡后終端節點會尋找ZigBee網絡內的協調器進行綁定，如果綁定成功，就開始執行采集、發送功能函數。

4Android設備客戶端軟件設計

由于Android操作系統的開放性和可移植性，它被用在大部分電子產品中(如智能手機，電腦，電視，機頂盒，導航儀等)，故本設計控制終端設備選擇的是具有Android操作系統的智能手機等電子產品。 Android設備應用程序的所用編程語言為Java語言，所用編譯工具為google公司提供的eclipse集成開發環境[7]。Android軟件堆層實際就由一個應用程序框架、Linux內核和一個C/C++庫三部分集合而成。

要實現無線監控的目的，首先要搭建Android應用程序的開發環境，再設計與實現Android客戶端的界面，實現和服務器的socket連接之后獲取智能家居安防中的各個傳感器的信息。

在設計Android UI的每一個獨立組件時，其元素都是使用的源于Viewgroup的各種布局管理器設計分布到界面上。Android的SDK包含很多的布局類，本文設計的用戶界面主界面實現使用LinearLayout、RelativeLayout兩個布局類[8]。如圖10為Android設備客戶端主界面圖，用戶進入登錄成功后進入如圖所示的用戶主界面主要包含連接按鈕和照明控制按鈕、環境感知按鈕等，所有功能模塊的工作都是通過應用程序網絡通信功能來實現Android設備與家庭網關的數據傳輸。以環境感知按鈕為例如圖11所示，用戶選擇環境感知按鈕就可以進入此界面，獲取當時的環境參數。

圖10　Android設備客戶端主界面圖

圖11　環境感知界面

網絡通信模塊是Android應用程序至關重要的一部分，主要實現和服務器的socket連接(如圖12所示)，與智能網關進行雙向網絡通信，Java語言擁有豐富的針對網絡進行編程的函數，在設計使用時只需對函數進行調用和重載即可，例如，調用：

socket = new Socket(serverIpAddress,port);

DataOutputStream os

=newDataOutputStream(socket.getOutputStream());

DataInputStreamis

=newDataInputStream(socket.getInputStream());

就可方便地實現與網絡上指定IP、指定端口的服務器進行通信。

圖12　Android客戶端socket的執行過程

5結語

在這個科技日新月異的時代，人們對生活的便利度和舒適度要求日益提高，智能家居產品順應人們的需求，終究會廣泛應用到人們的日常生活中去。本設計實現了對傳統智能家居的改進，利用Cubieboard計算機來取代PC機作為網關，利用ZigBee無線通信取代了傳統的有線通信模式，實現了ZigBee技術與 Cubieboard計算機的有效結合，實現了將平板電腦、筆記本和智能手機作為系統的監控終端，準確實時地對家用電器信息等集中管理和監控，實現了預期的設計目的。

參考文獻

[1] 張桂青,鹿曼,汪明,等.智能家居的“春天”來了[J].計算機科學,2013,40(6A):398-402.

[2] 李治斌,鄧小芳,張余明,等.基于Zig Bee技術的智能調光開關設計[J].傳感器與微系統,2014,33(1):60-63.

[3] 張麗靜,郭禹伶,高志強,等.基于Android平臺的智能家居遠程客戶端設計[J].河北電力技術,2014,33(1):25-27.

[4] 老鬼阿定.開源硬件掀起一波創新大潮[N].計算機世界,2013-11-11.

[5] 袁麓,劉丹斌,安國超.面向廣電物聯網的智能家居系統及其網關的研究[J].中國有線電視,2014(S1):395-399.

[6] 熊瓊,師衛,騰生強.基于ARM cortexTM-A8與Android的智能家居系統[J].電視技術,2014,38(9):85-88.

[7] 陳儒敏,侯思名,顏江.基于開源軟硬件的智能家居系統設計與實現[J].現代計算機,2013(28):71-73.

[8] Reto Meier.Android 4 高級編程[M].3版.余建偉,趙凱,譯.北京:北京大學出版社,2013:85-90.

中圖分類號TP393

文獻標識碼A

DOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.02.017

收稿日期：2014-07-04。林婷婷，碩士生，主研領域：智能家居。陳華，副教授。