基于ARM和ZigBee的智能家居的設計

成都理工大學　王　佩　陳金鷹　喻恒彥

基于ARM和ZigBee的智能家居的設計

成都理工大學王佩陳金鷹喻恒彥

利用ZigBee無線傳感網絡實現對家電等設備的控制，將采集到數據封裝成統一格式后傳送到ARM平臺的嵌入式網關，利用Qt編程設計的可視化界面，實現了在網關上對采集數據的顯示和家電等設備的控制。另外網關上嵌入了Boa網絡服務器實現網頁訪問智能家居控制系統，方便用戶在終端瀏覽器上通過網頁遠程控制。

ZigBee；ARM；Qt編程

1.引言

隨著電子信息技術和計算機網絡技術的快速發展，人們的生活水平大幅度提高，對生活環境的舒適度要求也越來越高，構建高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統成為當前的一個研究熱點。本文設計了一個基于ARM的家居控制系統，該系統即可以滿足家庭一般家居的智能化操作，方便的提高人們生活質量，又可以實現對家居安全性和節能性的需求［1］。

2.智能家居系統簡介

設計實現的是一個基于ARM智能家居多平臺系統。用戶可以通過該系統（目前包括Qt用戶操作平臺、網頁用戶操作平臺）實時監測房屋的數據、遠程控制家電，并且系統會完成一些自動化控制。系統主要包括了消防系統、門禁系統、家庭環境數據采集系統，家電控制系統，盆栽植物的遠程控制澆水系統，視頻監控系統。其中主要涉及的技術和工作有：

①通過Linux系統編程完成串口應用程序，后臺服務進程，安卓客戶端的服務進程等；

②向開發板移植嵌入式web服務器，通過CGI C編程完成服務器與硬件的交互；

③通過V4L框架提供的API完成遠程視頻監控程序的編寫；④完成ZigBee的組網和協議棧的開發；

⑤51單片機的編程（包括了某些器件的時序控制），完成了傳感器數據的采集和一些器件的控制；

⑥Qt圖形界面編程完成用戶控制界面的開發；

⑦通過HMTL語言加javascript和ajax完成了網頁控制平臺。

3.系統組成與設計

3.1系統框架圖（見圖1）

圖1　智能家居系統框架圖

圖2　8Byte的char類型數據包

3.2系統框架綜合概述

3.2.1網絡通信的數據格式的定義

為了保證系統的可擴展性我們自行定義了一種收發數據格式，如圖2所示，在系統中涉及的CDMA、ZigBee、Internet網絡中均采用這種數據格式通信；方便嵌入式網關對數據的分類處理，以及ZigBee終端接收到協調器的信息，匹配自己身份成功后作出相應的動作［2］。

3.2.2數據上傳

第一步：ZigBee終端節點將采集到的數據通過按照先前敘述所定義的格式發送給ZigBee協調器；

第二步：ZigBee協調器將數據轉發到串口，嵌入式網關開機自啟串口后臺服務進程（該進程主要完成嵌入式網關從串口讀取數據，并將數據寫入到共享內存里面，提供給其它應用程序使用，另外還能完成一些自動化控制（如房間溫度超過用戶設置的最高值，會自動打開散熱器，模擬空調給房間降溫）；

第三步：Sqlite服務進程從共享內存讀取到數據插入數據表格，實現房間環境參數的歷史數據存儲；

第四步：Qt從共享內存讀出數據，顯示到智能家居控制面板上；CGI程序將數據顯示到網頁上［3］。

3.2.3下達控制命令

第一步：通過用戶操作智能家居控制界面，把操作指令寫入到共享內存里面；

第二步：串口后臺服務進程將共享內存的指令發送到串口；第三步：ZigBee協調從串口讀取指令，并將指令以廣播的形式發送給該網絡的ZigBee終端節點；

第四步：ZigBee終端節點接收到指令，做設備號匹配，匹配成功后，就會執行相應用戶操作。

4.軟件設計

該系統主要由兩部分組成：嵌入式網關部分和智能家居實體模型部分，因此我們的軟件從這兩部分設計。其中智能家居模型主要包括了電源模塊，51單片機系統，ZigBee終端，各類傳感器，電子控制模塊等；嵌入式網關部分包括Tiny6410嵌入式開發板，RFID閱讀器模塊，USB攝像頭，wifi-AP模塊，外接音響等。

4.1ARM平臺軟件設計

系統在Qt智能家居控制面板使用Qt Creator集成開發環境開發，主要涉及的是控件和槽的使用。實現各種功能，包括對各種家居設備如的控制和相關工作狀態查看，系統主界面主要起統籌管理的作用，它給我們提供了各個功能模塊的接口，只要點擊相應的圖標按鈕，用戶就可以進入相應的功能界面，每個功能的具體實現由各個相應模塊的代碼完成。串口后臺服務程序主要是完成讀取端口的數據，把數據寫入到共享內存，方便其他進程使用；后臺服務程序也會定時讀取該共享內存另一個段上，將數據寫到端口，發給ZigBee協調器［3］。

4.2ZigBee軟件設計

ZigBee選用CC2430型號的芯片，由于該芯片是一個加強版的51芯片，里面運行ZigBee協議棧。開發協議棧最主要是要了解協議棧的框架，協議棧的運行。為了開發方便，開發主要集中放在應用層。主要從ZigBee協調器和終端實現其功能：

ZigBee協調器在本系統中主要接受來自終端的數據，并將數據通過串口發送給ARM開發板，并且通過回調函數觸發讀取串口的數據，并將數據以廣播的形式發送給ZigBee終端。

ZigBee終端主要是從串口讀取單片機C51控制傳感器采集的數據，通過無線傳感網絡發送給ZigBee協調器，接受來自ZigBee協調器的指令，并匹配指令中的ZigBee號和設備號，配成功后，終端執行相應的動作。ZigBee接受指令后，匹配信息成功，將數據通過串口發送給單片機。

4.3ZigBee軟件設計

單片機選用的是89C54型號，89C54是一款加強版的51MCU，在本系統主要完成一些底層硬件的控制，如矩陣鍵盤的掃描，密碼的匹配，步進電機的控制，溫濕度采集和一些家電的控制。

5.結束語

目前市場智能家居市場的各種各樣產品，但是大部分的普通家庭還是望而止步，主要還是整個系統的鋪建需要支付不菲的資金。本系統采用嵌入式芯片，不僅具有強大的數據處理能力且穩定，安全性特別好，量化采購價格也合理。系統實現了多平臺控制，用戶可以使用多種終端實現家庭的監控，方便用戶的操作。

［1］馬菁菁.Zigbee無線通信技術在智能家居中的應用研究［D］.武漢理工大學，2007.

［2］李文仲，段朝玉.ZigBee2007/PRO協議棧實驗與實踐［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2009.

［3］吳文忠，李萬磊.基于ARM和ZigBee的智能家居系統［J］.計算機工程與設計，2011，06：1987-1990.

王佩（1990－），女，山西呂梁人，碩士，現就讀于成都理工大學，研究方向：智能控制。