基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄧 昀，李朝慶，程小輝

(桂林理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

(*通信作者電子郵箱cxiaohui@glut.edu.cn)

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄧 昀，李朝慶，程小輝*

(桂林理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

(*通信作者電子郵箱cxiaohui@glut.edu.cn)

基于ARM920T內(nèi)核的S3C2440、嵌入式Web服務(wù)、QT技術(shù)、無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)由智能家居主機(jī)、ZigBee/Wi-Fi無(wú)線傳感控制網(wǎng)絡(luò)、智能家居客戶端軟件組成。系統(tǒng)完成了智能家居主機(jī)的硬件和軟件設(shè)計(jì)：在ARM平臺(tái)上移植嵌入式Linux操作系統(tǒng)；使用gSOAP工具建立嵌入式Web服務(wù)；配置USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動(dòng)、無(wú)線Wi-Fi網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)；組建ZigBee無(wú)線傳感控制網(wǎng)絡(luò)，完成對(duì)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)以及終端節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)，制定了數(shù)據(jù)通信協(xié)議；使用QT技術(shù)設(shè)計(jì)客戶端程序。最后，重點(diǎn)測(cè)試ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立、終端節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)和傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸。測(cè)試結(jié)果表明網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)能夠?qū)z測(cè)的信息傳送到協(xié)調(diào)器中，智能家居客戶端軟件能夠通過(guò)智能家居主機(jī)完成對(duì)家居環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制。

智能家居監(jiān)控系統(tǒng)；智能家居主機(jī)；ZigBee無(wú)線傳感控制網(wǎng)絡(luò)；嵌入式Web服務(wù)；數(shù)據(jù)通信協(xié)議

智能家居系統(tǒng)，是指采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、智能控制技術(shù)、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將與家居生活有關(guān)的各種設(shè)備有機(jī)地結(jié)合在一起，為人們提供高效的家居環(huán)境[1]。本文基于ARM920T內(nèi)核的S3C2440、嵌入式Web服務(wù)、QT技術(shù)、無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)由智能家居主機(jī)、ZigBee/Wi-Fi無(wú)線傳感控制網(wǎng)絡(luò)、智能家居客戶端軟件組成，實(shí)現(xiàn)用戶能夠以遠(yuǎn)程登錄模式連接到智能家居主機(jī)上，通過(guò)ZigBee和Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境和家電信息工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)查詢和遠(yuǎn)程監(jiān)控，對(duì)實(shí)現(xiàn)智能化的家居環(huán)境有一定的實(shí)際意義。

1 智能家居系統(tǒng)總體方案

智能家居監(jiān)控系統(tǒng)采用層次化設(shè)計(jì)，以ARM平臺(tái)構(gòu)建的智能家居主機(jī)為核心，以ZigBee組建的無(wú)線傳感控制網(wǎng)絡(luò)為家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，使用QT技術(shù)編寫智能家居客戶端軟件，整個(gè)系統(tǒng)分為三層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。系統(tǒng)分為家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和家庭外部網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)網(wǎng)是指使用ZigBee協(xié)議建立的無(wú)線傳感控制網(wǎng)絡(luò)，它控制家用電器節(jié)點(diǎn)和家居環(huán)境采集傳感器節(jié)點(diǎn)；外網(wǎng)是指Wi-Fi熱點(diǎn)和Internet網(wǎng)絡(luò)，智能家居客戶端軟件與智能家居主機(jī)通過(guò)外網(wǎng)連接[2]。內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)之間是由智能家居主機(jī)相連接并且進(jìn)行信息的交互。

1.1 智能家居主機(jī)功能設(shè)計(jì)

智能家居主機(jī)是一個(gè)家庭內(nèi)部網(wǎng)關(guān)[3]，是家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的重要組成部分，主要連接由ZigBee組建的傳感控制網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和控制協(xié)議的解析。智能家居無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中所有傳感器采集到的數(shù)據(jù)和家用電器控制的相關(guān)信息都是先傳輸?shù)街悄芗揖又鳈C(jī)，PC客戶端軟件通過(guò)IP地址和端口訪問(wèn)智能家居主機(jī)獲取用戶所需的家居信息，或者通過(guò)主機(jī)向家庭內(nèi)部的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的控制設(shè)備和家用電器發(fā)送控制指令。ZigBee組建的網(wǎng)絡(luò)中本身有一套傳輸協(xié)議[4]，但只適用于家庭內(nèi)部無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，用戶要發(fā)送控制命令，就必須通過(guò)智能家居主機(jī)，實(shí)現(xiàn)協(xié)議的解析和轉(zhuǎn)發(fā)。智能家居主機(jī)需要能夠接入Internet網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)需要使用gSOAP工具在智能家居主機(jī)上添加簡(jiǎn)單對(duì)象訪問(wèn)協(xié)議(Simple Object Access Protocol, SOAP)；ZigBee與智能家居主機(jī)通信采用串口的方式，智能家居主機(jī)需要有串口通信的模塊；智能家居主機(jī)需要保存家庭內(nèi)部傳感器和家用電器的控制信息，就需要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。綜合以上分析，本設(shè)計(jì)的智能家居主機(jī)必須包含以下幾個(gè)模塊：S3C2440最小系統(tǒng)、觸摸屏模塊、ZigBee控制協(xié)議收發(fā)模塊、嵌入式Web服務(wù)、因特網(wǎng)接入模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。

圖1 智能家居系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.2 智能家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)和控制網(wǎng)絡(luò)使用ZigBee來(lái)組建家庭內(nèi)部的傳感控制網(wǎng)絡(luò)；對(duì)于遠(yuǎn)程的PC用戶采用Wi-Fi熱點(diǎn)或者Internet進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)客戶端用戶對(duì)家居環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)上可以搭載常用的控制設(shè)備和傳感器模塊(如窗簾、煙霧報(bào)警器、人體紅外感應(yīng)、火焰?zhèn)鞲衅鳌囟葌鞲衅?，組成基于ZigBee的無(wú)線傳感控制網(wǎng)絡(luò)。

2 智能家居主機(jī)硬件電路和軟件設(shè)計(jì)

2.1 智能家居主機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)

智能家居主機(jī)的硬件設(shè)計(jì)主要包括主控芯片S3C2440、電源模塊電路、串行通信接口電路、USB接口電路、FLASH存儲(chǔ)電路、LCD觸摸屏接口電路的設(shè)計(jì)，下面給出主控芯片S3C2440、串行通信接口電路、USB接口電路的設(shè)計(jì)。

2.1.1 主控芯片S3C2440

S3C2440是三星公司生產(chǎn)的一款小體積、低功耗、高性能的微處理器，采用ARM公司設(shè)計(jì)的16/32位的ARM920T 的RISC處理器。ARM920T采用了最新的高級(jí)微控制器總線架構(gòu)并且自帶有內(nèi)存管理單元和具有高速的處理計(jì)算機(jī)能力，有效地降低了系統(tǒng)的功耗。S3C2440涵蓋了所有常用的硬件接口和總線，集成有LCD控制器，GPIO端口多達(dá)130個(gè)，中斷控制源有60個(gè)。S3C2440內(nèi)部集成的片內(nèi)資源非常豐富，具體硬件的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1.2 串行通信接口電路

本設(shè)計(jì)的串口通信電路用于PC端的串口調(diào)試與智能家居主機(jī)進(jìn)行全雙工串口通信，而智能家居主機(jī)和協(xié)調(diào)器之間的串口通信可以采用交叉串口線進(jìn)行連接，系統(tǒng)采用的是USB轉(zhuǎn)串口與協(xié)調(diào)器進(jìn)行連接。S3C2440提供三個(gè)通道的通用異步收發(fā)傳輸器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,UART)，編寫程序時(shí)，需要設(shè)定所使用的UART對(duì)CPU發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求的方式是中斷還是直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)(Direct Memory Access, DMA)，配置串口相關(guān)控制寄存器。本設(shè)計(jì)采用的串口通信芯片為MAX232，串口通信接口電路如圖3所示，其中所有電容的容值均為0.1 μF。

圖2 S3C2440的外圍硬件結(jié)構(gòu)

圖3 串行通信接口電路

2.1.3 USB接口電路

本設(shè)計(jì)中USB端口主要用于下載程序和連接外部USB設(shè)備。S3C2440支持兩種USB接口[6]：一種是USB Host，它通過(guò)一個(gè)USB Hub芯片擴(kuò)展為4個(gè)USB Host接口，擴(kuò)展的USB接口是對(duì)等的，只需要在內(nèi)核中添加了對(duì)應(yīng)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，在擴(kuò)展的USB接口上就可以正常地使用該設(shè)備；還有就是USB Slave接口，它主要用來(lái)下載軟件，將程序下載到目標(biāo)板的NandFlash。USB接口的電路如圖4所示。

2.2 智能家居主機(jī)Linux操作系統(tǒng)移植

2.2.1 Bootloader移植

系統(tǒng)采用開(kāi)源的U-Boot作為開(kāi)機(jī)前的引導(dǎo)加載程序。U-Boot在引導(dǎo)和加載內(nèi)核之前，完成了對(duì)相關(guān)硬件的初始化，并且將內(nèi)核啟動(dòng)需要的參數(shù)通過(guò)相關(guān)機(jī)制傳遞給內(nèi)核。U-Boot源碼的目錄結(jié)構(gòu)主要分為與芯片有關(guān)的代碼目錄以及與芯片無(wú)關(guān)的代碼目錄，移植U-Boot所需要修改的源碼都在前者所包含的Board目錄和CPU目錄當(dāng)中。具體的過(guò)程如圖5所示。

2.2.2 Linux內(nèi)核移植

系統(tǒng)采用友善之臂公司提供的arm-Linux-gcc-3.4.5。Linux內(nèi)核移植需要預(yù)先修改好頂層Makefile和Flash分區(qū)并且使用make menuconfig配置內(nèi)核從而修改.config文件[7]。Linux內(nèi)核中本身就支持S3C2410，就芯片的內(nèi)部設(shè)備而言差別不大，只需要在S3C2410代碼的基礎(chǔ)上作適當(dāng)?shù)男薷募纯蛇m用于S3C2440。本設(shè)計(jì)中Linux內(nèi)核移植需改DM9000網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)和LCD液晶觸摸屏驅(qū)動(dòng)，另外要配置USB外設(shè)驅(qū)動(dòng)使得內(nèi)核可以支持USB設(shè)備，并且使得內(nèi)核支持根文件系統(tǒng)。

圖4 USB接口電路

圖5 U-Boot啟動(dòng)流程

2.2.3 制作根文件系統(tǒng)

文件系統(tǒng)的目錄結(jié)構(gòu)如表1所示。目前適合使用在嵌入式Flash設(shè)備上的根文件系統(tǒng)的格式有yaffs、jffs2、ntfs、root_qtopia，系統(tǒng)選用yaffs格式的文件系統(tǒng)。構(gòu)建根文件系統(tǒng)首先建立動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，隨后使用make menuconfig配置并且交叉編譯Bosybox。安裝完成Bosybox后，就會(huì)創(chuàng)建文件系統(tǒng)的常用目錄/bin、/sbin、/usr/bin，及其內(nèi)容。此時(shí)，就要手工建立etc目錄下的配置文件，需要使用vim編輯器修改etc/fstab、etc/profile、etc/init.d/rcS文件。最后使用命令解壓yaffs文件系統(tǒng)制作工具，并且使用chmod+x命令對(duì)yaffs2工具mkyaffs2image增加可執(zhí)行權(quán)限，至此就可以使用命令#mkyaffs2image fs_root_Smart_home fs_root_Smart_home.yaffs2生成yaffs2映象文件。將制作好的文件系統(tǒng)發(fā)在/work/nfs_root目錄下，通過(guò)操作U-Boot控制界就可以將根文件系統(tǒng)下載到ARM開(kāi)發(fā)板Nandflash中。操作的命令如下：

1)Nfs 0x32000000 172.16.2.158:/work/nfs_root/Smart_Home_Version_1.yaffs；

2)nand erase.part root；

3)nand write.yaffs 0x32000000 0x560000 ＄filesize。

表1 文件系統(tǒng)的目錄結(jié)構(gòu)

2.3 智能家居主機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

2.3.1 USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動(dòng)

本設(shè)計(jì)使用的串口設(shè)備為/dev/USBttyS0。串口驅(qū)動(dòng)程序的底層是終端tty_driver程序，由于Linux內(nèi)核已經(jīng)將tty核心層和tty驅(qū)動(dòng)層給實(shí)現(xiàn)了，需要做的就是實(shí)現(xiàn)串口核心層的uart_ops、uart_ports、uart_driver等結(jié)構(gòu)體實(shí)例[8]。串口設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序框架如圖6所示。

為了方便連接，協(xié)調(diào)器直接使用PL2303芯片與智能家居主機(jī)進(jìn)行通信，那么需要添加PL2303驅(qū)動(dòng)。內(nèi)核文件目錄drivers/serial/中已經(jīng)提供了串口驅(qū)動(dòng)程序，所以在使用內(nèi)核提供的串口tty_driver后，完成串口驅(qū)動(dòng)的工作主要如下。

1)需要定義結(jié)構(gòu)體：mini2440_uart_driver、mini2440_uart_ops、mini2440_uart_port，在適當(dāng)?shù)奈恢贸跏蓟Y(jié)構(gòu)體。

2)依據(jù)應(yīng)用程序的要求，要實(shí)現(xiàn)mini2440_uart_ops中的功能函數(shù)，這才是編寫串口驅(qū)動(dòng)程序的主要工作。

2.3.2 USB無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)

USB無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)從實(shí)際的應(yīng)用來(lái)看，包含兩部分驅(qū)動(dòng)：USB驅(qū)動(dòng)和網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)。USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)從下往上依次是USB總線控制器、總線驅(qū)動(dòng)、USB驅(qū)動(dòng)；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)從底層到頂層依次為媒介層、網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)層、設(shè)備接口層和協(xié)議層。由于USB設(shè)備需要支持熱插拔，USB驅(qū)動(dòng)程序就會(huì)調(diào)用設(shè)備探測(cè)(probe)函數(shù)來(lái)檢測(cè)被傳遞進(jìn)來(lái)的信息。USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，通過(guò)URB(USB Request Block)調(diào)用數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)實(shí)現(xiàn)USB接口和網(wǎng)卡之間的數(shù)據(jù)交換[9]。

圖6 Linux串口設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序架構(gòu)

本設(shè)計(jì)使用較新的內(nèi)核Linux-3.4.2，已經(jīng)包含了常用的無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)；為了提高開(kāi)發(fā)的效率，選用TP-LINK公司的TL-WN721N無(wú)線網(wǎng)卡，其VID為0x148f，PID為0x3070，這樣不必從頭開(kāi)始編寫無(wú)線網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)程序，只需要配置Linux內(nèi)核，使其支持無(wú)線網(wǎng)卡即可。配置內(nèi)核之前，需要配置開(kāi)發(fā)環(huán)境，使得物理機(jī)、宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)在同一個(gè)IP網(wǎng)段。進(jìn)入到內(nèi)核目錄drivers/net/wireless/中，使用PID查找配置選項(xiàng)。經(jīng)grep "0x3070" * -nR命令搜索后，得到rtlWiFi/rtl8192cu/sw.c:273:{RTL_USB_DEVICE(USB_VENDER_ID_REALTEK,0x3070,rtl92cu_hal_cfg)},打開(kāi)rtlWiFi/rtl8192cu/Makefile確定需要配置的選項(xiàng)為CONFIG_RTL8192CU。配置成功后使用make uImage命令就可以生成需要的內(nèi)核鏡像文件。使用開(kāi)源的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)配置工具wpa_supplicant可以對(duì)無(wú)線網(wǎng)卡進(jìn)行測(cè)試和配置。它可以用來(lái)掃描附近的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；開(kāi)啟連接無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；停止使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；設(shè)置熱點(diǎn)。

3 智能家居無(wú)線傳感控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee無(wú)線傳感控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇闃?shù)型結(jié)構(gòu)，整個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)由1個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器、2個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)、6個(gè)終端傳感器節(jié)點(diǎn)組成。其中終端節(jié)點(diǎn)主要是溫濕度采集節(jié)點(diǎn)、火焰檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、人體紅外檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、煙霧檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、窗簾控制節(jié)點(diǎn)、燈光控制節(jié)點(diǎn)。

3.1.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器給終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令數(shù)據(jù)采用的是廣播的方式，終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)判斷發(fā)送命令的內(nèi)容，找到相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)后，將傳感器采集到的信息以點(diǎn)播的方式傳送給協(xié)調(diào)器[10]。協(xié)調(diào)器中還需要添加與智能家居主機(jī)間的串口通信程序，能夠向智能家居主機(jī)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在Z-Stack協(xié)議棧中，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的建立和管理是由操作系統(tǒng)抽象層(Operating System Abstraction Layer, OSAL)來(lái)對(duì)系統(tǒng)的初始化函數(shù)、掃描信道函數(shù)、網(wǎng)絡(luò)建立函數(shù)、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收函數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，其具體的軟件流程如圖7所示。

3.1.2 路由節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

路由器作為一種中介，其作用是增加協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和所有的終端節(jié)點(diǎn)的通信距離，實(shí)現(xiàn)在多跳中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。路由器節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)后會(huì)自動(dòng)發(fā)出綁定申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，綁定成功后協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息會(huì)被路由器自動(dòng)接收并且轉(zhuǎn)發(fā)，路由器節(jié)點(diǎn)的軟件流程如圖8所示。

圖7 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件流程

圖8 路由器節(jié)點(diǎn)軟件流程

3.1.3 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)主要完成對(duì)智能家電設(shè)備的控制和傳感器數(shù)據(jù)的采集[11]，包括電動(dòng)窗簾控制、人體紅外檢測(cè)、火焰檢測(cè)、煙霧檢測(cè)、溫度檢測(cè)、濕度檢測(cè)。為了降低功耗，終端節(jié)點(diǎn)可以設(shè)置工作在睡眠模式，由需要執(zhí)行的事件喚醒，因此，終端節(jié)點(diǎn)就使用一塊電池供電。其程序工作流程如圖9所示。

3.2 智能家居傳感控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

下面以電動(dòng)窗簾控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為例進(jìn)行介紹。

電動(dòng)窗簾由佳麗斯電機(jī)、同步帶靜音軌道、窗簾主體和墻上控制器組成。本設(shè)計(jì)中要實(shí)現(xiàn)對(duì)窗簾的智能控制，實(shí)際上就是設(shè)計(jì)智能家居主機(jī)控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，通過(guò)滑輪拉動(dòng)窗簾自動(dòng)打開(kāi)或者關(guān)閉。佳麗斯電機(jī)有三個(gè)接線柱：公共端(M_Blue)、正轉(zhuǎn)(M_Brown)和反轉(zhuǎn)(M_Black)。公共端接入220 V交流的零線，正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)引腳分別通過(guò)繼電器接入到220 V交流的火線，具體的電路如圖10所示。

考慮到CC2530抗干擾性能，本設(shè)計(jì)采用外接單片機(jī)STC12C5A60S2進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。智能家居主機(jī)對(duì)電動(dòng)窗簾的控制命令，采用CC2530與STC12C5A60S2通過(guò)串口通信的方式來(lái)傳遞。為了能夠?qū)崟r(shí)地查詢窗簾開(kāi)合的狀態(tài)，提高系統(tǒng)控制的可靠性，在電動(dòng)窗簾節(jié)點(diǎn)處設(shè)計(jì)了窗簾開(kāi)合度檢測(cè)模塊，利用紅外對(duì)管進(jìn)行開(kāi)合度檢測(cè)。開(kāi)合度測(cè)量原理：每間隔一段距離在窗簾軌道上安裝一個(gè)紅外發(fā)射對(duì)管(發(fā)射接收距離小于10 cm)，當(dāng)有窗簾覆蓋時(shí)，紅外接收器收到信號(hào)，說(shuō)明窗簾已經(jīng)合上，狀態(tài)為關(guān)閉。電動(dòng)窗簾節(jié)點(diǎn)通過(guò)STC12C5A60S2上的3個(gè)引腳連接進(jìn)行開(kāi)合度的檢測(cè)，無(wú)窗簾覆蓋時(shí)紅外傳感器信號(hào)為空。除無(wú)線控制外，窗簾旁裝有手動(dòng)開(kāi)關(guān)，采用觸摸開(kāi)關(guān)控制。有線控制可以任意控制窗簾的開(kāi)合度，無(wú)線控制只能調(diào)整窗簾的開(kāi)合度為預(yù)先設(shè)定的值。在有線控制和無(wú)線控制同時(shí)響應(yīng)時(shí)優(yōu)先執(zhí)行有線控制。

圖9 終端節(jié)點(diǎn)軟件流程

圖10 電動(dòng)窗簾電機(jī)控制原理

3.3 智能家居系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

在智能家居系統(tǒng)中常用的傳感器數(shù)據(jù)有很多，常用的執(zhí)行控制類數(shù)據(jù)也有很多。實(shí)際的應(yīng)用中，按照常用設(shè)備的類型總體分為3個(gè)部分：感知型傳感器類(0x01)、執(zhí)行控制類(0x02)和多媒體類(0x03)，占用一個(gè)字節(jié)；按照通信數(shù)據(jù)的位數(shù)可以分為：開(kāi)關(guān)量(0x01)和數(shù)據(jù)量(0x02)，占用一個(gè)字節(jié)。所有的終端子節(jié)點(diǎn)加入傳感網(wǎng)絡(luò)時(shí)不僅協(xié)調(diào)器會(huì)為它分配一個(gè)地址，智能家居主機(jī)也會(huì)為它注冊(cè)一個(gè)節(jié)點(diǎn)編號(hào)。所以，對(duì)于ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)可用ID號(hào)來(lái)表示，節(jié)點(diǎn)ID說(shuō)明如表2所示。

表2 節(jié)點(diǎn)ID說(shuō)明

3.3.1 智能家居主機(jī)和協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)通信協(xié)議

智能家居主機(jī)和ZigBee協(xié)調(diào)器之間通信方式有：SPI、IIC、串口。為了便于整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信格式統(tǒng)一，本設(shè)計(jì)采用串行通信接口作為整個(gè)智能家居系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信方式。智能家居主機(jī)和協(xié)調(diào)器之間通信具體數(shù)據(jù)幀如表3。起始特征字的第1個(gè)字節(jié)固定為0xFFFA，它用來(lái)判定接收的數(shù)據(jù)是否在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)；第2個(gè)數(shù)據(jù)有智能家居主機(jī)定義；第3個(gè)數(shù)據(jù)是協(xié)調(diào)器自動(dòng)分配的16位段地址。

表3 智能家居主機(jī)和協(xié)調(diào)器通信數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

3.3.2 ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信

終端節(jié)點(diǎn)設(shè)定只能使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式，只有協(xié)調(diào)器有發(fā)起群發(fā)和廣播的權(quán)限，無(wú)線通信的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如表4。

表4 ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)通信數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

3.3.3 擴(kuò)展板與CC2530小系統(tǒng)串口通信協(xié)議

擴(kuò)展板與CC2530小系統(tǒng)串口通信協(xié)議如表5所示。

表5 擴(kuò)展板與CC2530小系統(tǒng)串口協(xié)議

3.3.4 智能家居數(shù)據(jù)通信協(xié)議實(shí)例應(yīng)用分析

終端節(jié)點(diǎn)的類型主要有3類，選取了感知型傳感器類和控制類的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，如表6所示。智能家居無(wú)線傳感和控制網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)通信方式主要有三種：廣播、點(diǎn)播和組播。本實(shí)例中點(diǎn)播用于終端子節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。廣播用于協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)中其他的節(jié)點(diǎn)都可以接收到協(xié)調(diào)器發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，所有的子節(jié)點(diǎn)設(shè)備根據(jù)發(fā)送的數(shù)據(jù)和命令判斷是否響應(yīng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。組播用于對(duì)預(yù)先選取的一部分節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，只需要將這些節(jié)點(diǎn)標(biāo)有相同的組號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)制定組號(hào)即可。

表6 終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信協(xié)議

4 智能家居網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試

智能家居無(wú)線傳感控制網(wǎng)絡(luò)首先要測(cè)試每個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠加入到ZigBee網(wǎng)絡(luò)中；其次協(xié)調(diào)器能夠通過(guò)廣播的方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有終端節(jié)點(diǎn)廣播命令消息，終端節(jié)點(diǎn)收到命令之后，能夠?qū)⒉杉降男畔⒁渣c(diǎn)播的方式傳給協(xié)調(diào)器；此外，協(xié)調(diào)器也能夠直接控制終端節(jié)點(diǎn)。對(duì)整個(gè)智能家居系統(tǒng)而言還需要對(duì)ZigBee的通信距離進(jìn)行測(cè)量，合理地布局各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置。

4.1 智能家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)測(cè)試

Z-Sensor Monitor是TI公司開(kāi)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試軟件，可以用于星型網(wǎng)絡(luò)、樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)、Mesh網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試。它與協(xié)調(diào)器之間數(shù)據(jù)的傳送是通過(guò)串口通信發(fā)送，協(xié)調(diào)器中本身就記錄有網(wǎng)絡(luò)中個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)備類型和地址，這樣整個(gè)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就會(huì)顯示在軟件的界面中。ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器工作后會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建傳感網(wǎng)絡(luò)，其他的子節(jié)點(diǎn)上電后，會(huì)自動(dòng)地發(fā)送請(qǐng)求并加入到網(wǎng)絡(luò)中，測(cè)試程序?qū)⒔K端節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，路由節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)的多跳傳輸，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)連接串口后就會(huì)將網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的信息發(fā)送給上位機(jī)軟件Z-Sensor Monitor，成功解析后的數(shù)據(jù)顯示在PC屏幕上。測(cè)試中，使用了1個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、1個(gè)路由節(jié)點(diǎn)和4個(gè)終端子節(jié)點(diǎn)。子節(jié)點(diǎn)可以將采集到的溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器中，最終顯示在PC的上位機(jī)軟件Z-Sensor Monitor中。測(cè)試結(jié)果如圖11所示。

4.2 智能家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試

主要測(cè)試協(xié)調(diào)器以廣播的形式發(fā)送命令消息，對(duì)應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)收到消息后將采集到的溫度數(shù)據(jù)和段地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器，在PC端的串口測(cè)試軟件中顯示。發(fā)送的命令中，第一位S代表發(fā)送，第二位數(shù)字代表自定義的終端節(jié)點(diǎn)，第三位代表傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是溫度(T)。測(cè)試中僅以溫度為例將終端節(jié)點(diǎn)采集的溫度消息以點(diǎn)播的方式發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器就會(huì)把各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的收到的命令數(shù)據(jù)、采集節(jié)點(diǎn)處溫度和節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)時(shí)自動(dòng)分配的地址發(fā)送給串口。測(cè)試結(jié)果如圖12所示。

圖11 ZigBee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)傳輸測(cè)試結(jié)果

圖12 ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試結(jié)果

5 智能家居系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能測(cè)試

客戶端要遠(yuǎn)程地查詢家居環(huán)境和控制家電設(shè)備，就需要在智能家居主機(jī)中建立Web服務(wù)，而此系統(tǒng)則采用gSOAP工具包開(kāi)發(fā)Web Service。gSOAP工具包能夠提供XML(Extensive Markup Language)到C/C++語(yǔ)言的映射，基于XML的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，能夠跨越不同的操作系統(tǒng)和語(yǔ)言環(huán)境，對(duì)于開(kāi)發(fā)者而言，只需要用C/C++編寫應(yīng)用程序，而不需要知道細(xì)節(jié)，就能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)Web Service程序和客戶端程序[12]。

整個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)分為三個(gè)部分：ZigBee無(wú)線傳感控制網(wǎng)絡(luò)、智能家居主機(jī)(ARM開(kāi)發(fā)板)和智能家居客戶端軟件。首先，配置ZigBee網(wǎng)絡(luò)，先選擇一個(gè)模塊作為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)燒入?yún)f(xié)調(diào)器程序，之后依次打開(kāi)其他的各終端節(jié)點(diǎn)模塊，當(dāng)其加入到主協(xié)調(diào)器組建的ZigBee網(wǎng)絡(luò)時(shí)，自身的入網(wǎng)指示燈就會(huì)亮起，表明成功加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器通過(guò)USB串口芯片PL2303與智能家居主機(jī)先連接，通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口來(lái)完成智能家居主機(jī)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)通信。客戶端軟件是用QT編寫的，可以直接在PC上運(yùn)行，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)IP和端口如：172.20.46.230：8888與智能家居主機(jī)進(jìn)行連接。在連接之前，還需要配置無(wú)線路由器的DMZ主機(jī)的IP為172.20.46.230，此時(shí)就把智能家居主機(jī)的IP和端口號(hào)映射到wan的端口上，當(dāng)開(kāi)啟智能家居主機(jī)Web Service，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)端口、USB轉(zhuǎn)串口的設(shè)備名稱，具體命令：./smart_home_server/dev/ttyUSB0 8888。

打開(kāi)PC上的QT客戶端軟件，輸入智能家居主機(jī)IP和端口號(hào)，連接成功后應(yīng)用軟件就可以與智能家居主機(jī)通信。主界面可以顯示ZigBee網(wǎng)絡(luò)的傳感器數(shù)據(jù)，還可以控制ZigBee網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)備。連接成功的主界面如圖13所示。

在室內(nèi)燈光控制功能中，可以對(duì)LED1～LED8共8盞燈實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)控制，同時(shí)可以根據(jù)自己的需要同時(shí)打開(kāi)所有的燈，關(guān)閉所有的燈。在窗簾控制功能中，可以控制電動(dòng)窗簾的電機(jī)是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，同時(shí)還可以預(yù)先設(shè)定窗簾的開(kāi)合度為全開(kāi)、全閉、1/3開(kāi)、1/3關(guān)。在室內(nèi)溫濕度采集功能中，可以預(yù)先設(shè)定要采集設(shè)備的節(jié)點(diǎn)號(hào)，就會(huì)顯示對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的溫度，同樣濕度采集顯示界面中也可以顯示預(yù)先設(shè)定節(jié)點(diǎn)的濕度。實(shí)驗(yàn)中還對(duì)人體檢測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)距離設(shè)定為3 m，廣角為100°，當(dāng)檢測(cè)到有人進(jìn)入感應(yīng)區(qū)時(shí)，此時(shí)當(dāng)房間照明比較暗的情況下燈會(huì)自動(dòng)打開(kāi)。

圖13 客戶端軟件主界面顯示結(jié)果

6 結(jié)語(yǔ)

本文采用ZigBee技術(shù)組建的無(wú)線傳感控制網(wǎng)絡(luò)為家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，以ARM平臺(tái)構(gòu)建的智能家居主機(jī)為核心，使用QT技術(shù)編寫智能家居客戶端軟件，設(shè)計(jì)出一套實(shí)時(shí)性好、高智能化且易于擴(kuò)展的智能家居無(wú)線控制系統(tǒng)方案，實(shí)現(xiàn)了家居生活的智能化，并經(jīng)過(guò)后期的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性和實(shí)用性。但是整個(gè)系統(tǒng)在功能上還有待完善：

1)視頻監(jiān)控是整個(gè)智能家居的重要部分，本文在這方面涉及得比較少。后續(xù)還要增加視頻監(jiān)控功能，通過(guò)硬盤錄像機(jī)可以遠(yuǎn)程地監(jiān)控和保存家居環(huán)境信息。

2)智能家居系統(tǒng)容易遭受到網(wǎng)絡(luò)通信干擾和外來(lái)入侵。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)而言，必須有完善的安全機(jī)制，這方面是今后一個(gè)重要的研究方向。

3)在ZigBee無(wú)線傳感控制網(wǎng)絡(luò)中，可以增加一些功耗處理機(jī)制，提高終端節(jié)點(diǎn)電池的使用壽命。

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This work is partially supported by the National Natural Science Foundation of China (61262075), Guangxi Universities Major Science and Technology Research Projects (201201ZD012), Guangxi Universities Science and Technology Research Projects (ZD2014065), Project Foundation of Guangxi Experiment Center of Information Science, Guilin University of Electronic Technology (20130206).

DENG Yun, born in 1980, M.S., associate professor.His research interests include Internet of things, embedded system.

LI Chaoqing, born in 1993, M.S.candidate.His research interests include Internet of things, embedded system.

CHENG Xiaohui, born in 1961, professor.His research interests include Internet of things, embedded system.

Design of remote wireless monitoring system for smart home based on Internet of things

DENG Yun, LI Chaoqing, CHEN Xiaohui*

(InstituteofInformationScience&Engineering,GuilinUniversityofTechnology,GuilinGuangxi541004,China)

Based on ARM920T kernel S3C2440, embedded Web services, QT technology and wireless networking technology, a smart home monitoring system was designed.The system was composed of a host of smart home, ZigBee/Wi-Fi wireless sensor control network and smart home client software.The hardware and software design of the host of smart home was completed: the embedded Linux operating system was transplanted in the ARM platform; the embedded Web services were established by using gSOAP tool; USB to serial driver and Wi-Fi wireless LAN (Local Area Network) driver were configured; ZigBee wireless sensor control network was formed, the program design of the coordinator node and terminal node was completed, the data communication protocol was made, and the client program was designed by using QT technology.Finally, the tests of establishment of ZigBee network, terminal nodes joining the network and sensor node data transmission were done.The test results show that the sensor nodes in the network can transmit the detection information to the coordinator, and the smart home client software can complete the remote monitoring and control of home environment through the host of smart home.

smart home monitoring system; host of smart home; ZigBee wireless sensor and control network; embedded Web service; data communication protocol

2016-07-29;

2016-08-05。 基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61262075)；廣西高等學(xué)校重大項(xiàng)目(201201ZD012)；廣西高等學(xué)校重點(diǎn)科研資助項(xiàng)目(ZD2014065)；廣西信息科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(20130206)。

鄧昀(1980—)，男，湖南祁陽(yáng)人，副教授，碩士，CCF會(huì)員，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式系統(tǒng)； 李朝慶(1993—)，男，湖南邵陽(yáng)人，碩士研究生，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式系統(tǒng)； 程小輝(1961—)，男，江西贛州人，教授，CCF會(huì)員，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式系統(tǒng)。

1001-9081(2017)01-0159-07

10.11772/j.issn.1001-9081.2017.01.0159

TP212.9

A