基于嵌入式的智能家居系統研究和實現

姜文秀

摘要：目前對智能家居系統的需求越來越多，從而對智能家居系統提出了更高的要求；傳統的智能家居系統大多以有線的方式完成，存在擴展性差、成本高等缺點。以ZigBee為代表的嵌入式技術可以解決能夠以無線方式組網，實現家居系統的智能控制。

關鍵詞：智能家居；嵌入式；照明控制

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）03-0266-03

隨著生活水平的日益提高，人民對居家環境的便利性、舒適性等提出了更高的要求；計算機、傳感等新興技術的發展也使實現智能化的家具系統成為可能。

智能家居系統建立在普通的家庭住宅基礎上的，以計算機技術、傳感技術和電子通訊技術為手段的集生活、安防、娛樂為一體的智能化管理家居模式。傳統的智能家居系統存在諸如成本高、擴展性差等不足，對智能家居行業的發展存在重要的不利影響，所以最大化地發揮“智能”因素在家居系統中的作用，成為決定家居系統能否更好地應用并推廣的首要因素。

1 嵌入式技術及ZigBee

隨著通信技術的普遍應用，嵌入式技術越來越多地被用于移動通信終端、家用電器以及智能設備等領域。嵌入式系統的核心是業務應用，主要用于對可靠性、功耗等 要求比較嚴格的應用系統。嵌入式系統一般包括軟件、硬件兩部分：硬件部分主要是嵌入式處理器、存儲器以及外圍設備等物理設備，軟件部分包括嵌入式操作系統和嵌入式應用程序。

ZigBee是一種類似于WiFi的短距離無線網絡通信技術，傳輸距離一般在10m到100m之間，相當于WiFi而言ZigBee的優點在于[1]：（1）傳輸數據的高可靠性。ZigBee使用AES-128加密算法對傳輸的報文進行加密，并且只有在冗余校驗確認后才認為數據傳輸成功，因此具有較高的可靠性。（2）功耗和成本較低。由于發射功率只有1mW，較低的功耗使得ZigBee相對省電；而且其工業制造成本非常低。（3）組網方便、時延短。ZigBee技術組網比較方便，組網時延很短，而且一個網絡最多允許65535個節點連接。

2 智能家居功能及設計

智能家居系統要可以查詢家居環境的實時信息、控制家電的狀態，以實現對家電的本地或遠程控制、監控。

2.1 功能分析

根據人們對日常家居設備的需求，本文將智能家居系統的主要功能設計如下[2]：

1） 溫度、濕度控制功能。事先在室內安裝溫度傳感器和濕度傳感器，在采集到室內的溫濕度后將其傳輸到服務器上，用戶可以借助網絡在電腦、手機等終端查看。在溫濕度數據發送到用戶后，用戶可以通過控制終端設置溫濕度。

2） 智能照明控制功能。作為智能家居系統必備的功能，不僅需要控制照明燈的開關，還需要能夠調節燈光的亮度。在布置家居系統時，需要將照明設備同開關繼電器、光敏傳感器一起考慮。用戶可以手工控制開關繼電器，以便打開、關閉照明設備，或調節照明設備的亮度；也可以預先設置一個亮度閾值，當光敏傳感器檢測到的光線亮度低于閾值時，可以自動執行開關、調節操作。

3） 家電智能控制功能。目前冰箱、洗衣機、熱水器以及電視等家電都具備了智能控制功能，這些電器可以和家庭無線網絡結合起來，使用戶通過移動終端（手機）即可控制家電設備的運行。比如，在下班回家的路上就可以借助手機打開熱水器、電飯鍋等，這樣回到家即可享受舒適的家居生活。

4） 安防監控功能。智能家居系統的一個重要功能是其安防監控，需要對門窗、室內火警以及入室盜竊等問題進行重點監控；這可以通過紅外傳感器、煙霧傳感器、聲控設備等實現。

2.2 設計要求及方案

智能家居系統使用了嵌入式芯片，在進行硬件設計時需要考慮如下因素[3]：（1）硬件系統的安裝、維護要簡便，并且方便升級。（2）嵌入式系統的電路需要盡量簡化。（3）盡量使用性價比高的芯片。

軟件系統是智能家居系統的核心，其優劣直接決定了智能家居系統的性能高低，從而影響用戶體驗。本文設計的智能家居系統的嵌入式軟件系統包括一個Linux操作系統、驅動程序以及業務程序。嵌入式操作系統使用了開源的操作系統內核，并根據功能需求進行了裁剪，以便更好地利用有限內存實現智能家居控制任務。驅動程序的作用是直接操作硬件設備，向上屏蔽底層實現細節。業務程序根據驅動程序提供的接口，完成用戶指定的智能家居控制指令。業務程序在實現時綜合考慮用戶的需要，具備可靠性、可修改、易于使用等優點。

本文在設計智能家居系統時的方案是：1）使用嵌入式設備代替傳統的PC機，并用ZigBee技術將家庭內部的各種電器設備組成一個內部網絡。無線組網方式代替了傳統的家居系統中的有線組網，有效降低了成本。2）嵌入式服務器安裝了Linux操作系統，操作硬件的底層是命令終端，提高了智能控制的效率，降低了延時。3）擴展性及學習能力。為了智能家居系統后續的擴展，軟件在編寫時需要采用模塊化思想；另外，還要可以根據傳感器采集到的數據信息、用戶的使用習慣等，借助機器學習算法實現智能家居系統的自動控制。

本文設計的智能家居系統采用了分層結構模型，其結構如圖1所示：

系統的最底層是家用電器設備層，此層和用戶直接相關，需要將家用電器通過無線網絡組成一個家庭內部網絡，以實現智能控制的目的。設備層之上是傳感節點，嵌入式傳感器采集的數據作為智能家居系統運行的必要基礎。傳感層之上是網絡層，為智能家居系統中的智能設備間的通信提供支持。服務層和應用層的目的都是響應用戶，為用戶提供更加便利、智能的服務。

根據設計，可以將智能家居系統主要分為三大模塊：無線通信硬件模塊、終端控制硬件模塊以及嵌入式軟件模塊。

3 智能家居系統設計

3.1 硬件設計

根據網絡中所起的角色可以將無線網絡節點分為協調器節點、路由器節點以及終端節點[4]。智能家居系統的無線通信模塊使用ZigBee技術組成星形拓撲，包括一個協調器節點、若干在室內四周的終端節點。協調器節點借助串口連接到家庭無線網絡的網關，主要作用是啟動無線網絡。終端節點與智能家電相連，目的是采集智能家電設備的數據信息，并將其上傳到協調器節點。

無線通信硬件模塊中使用的硬件設備有：射頻芯片、電源、串口以及天線等。目前主流的嵌入式射頻芯片是美國德州儀器公司的CC2530系列，本文的智能家居系統即使用CC2530F256；它集成了無線收發器內核，具有超低功耗的SRAM，而且具備256K的可編程閃存，提供的非易失性存儲能夠保存代碼、網絡配置數據，因此保證了無線網絡中的節點在掉電后還可以讀取之前的數據，快速的加入原先的智能家居系統中。

終端控制硬件模塊的目的是及時執行用戶指令。溫濕度控制模塊的連接點是無線網絡中的終端節點，借助溫濕度傳感器采集家庭內的溫度和濕度，并將信息上傳到網關服務器，用戶可以通過手機等移動終端查看服務器上的溫濕度信息，并作出是否進行調節的指令。用戶下發的指令會通過無線通信硬件模塊下發到溫濕度傳感器，從而控制空調、加濕器等對室內溫濕度進行調節。

3.2 軟件設計

當新的智能設備請求加入無線網絡時，會自動查找信號最強的協調器節點，并且在協調器節點同意加入后建立和協調器節點的父子關系。當智能設備的狀態發生改變時，比如發現無線網絡、試圖加入網絡、成功加入網絡等，都會會收到Z-Stack協議的相關信號。發送數據時所有的網絡幀內部都有源地址及目的地址，并且請求Z-Stack協議棧中MAC 層的數據服務實體將網絡幀發送出去。無線網絡節點發送數據的流程如圖2所示：

協調器節點在整個智能家居系統中的作用是負責建立智能家居系統的網絡，并分配網絡短地址給節點設備。在有節點加入到無線網絡后，協調器節點就負責接收此節點按照規定的數據協議發送來的數據，并發送給網關軟件進行處理。另外，協調器節點在收到智能網關發來的控制命令數據包后，會將其轉發給智能家居網絡中的相應節點，節點接收到控制命令后會立即執行動作。

以智能家居系統中的照明模塊控制單元為例，其軟件設計包括主程序設計、可編程邏輯器件設計以及收入板的軟件設計[5]。主程序負責控制程序流程、調用并協調各子模塊的工作。主函數開始時限初始化單板，并通過FPGA讀取控制指令的值，接下來根據指令處理事件，示意圖如圖3所示：

主要代碼邏輯如下：

[assign data=（（num==5'd26）&&（dir==1'b0））？keyin：8'hzz；//向mcu提供按鍵狀

reg[7：0] duty[23：0]；

always@（posedge clk or negedge nRS）

begin

if（！nRS）

begin

keyout<=8'd0；

duty[0]<=8'd250；

…

duty[23]<=8'd250；//復位時控制燈具全滅

end

else

begin

if（dir===1'b1）

begin

if（num=5'd24）

keyout<=data；//接收mcu發送的按鍵指示燈控制值

else

duty[num]<=data； //接收mcu發送的第num通道的占空比值

end

end

end ]

5 總結

本文對智能家居系統進行研究，以將嵌入式技術引入到智能家居系統的無線組網中，介紹了智能家居系統的軟硬件設計，實現了家居系統的智能控制。

參考文獻：

[1] 祝章偉.基于ZigBee網絡的智能家居網關及終端節點設計與實現[D].吉林：吉林大學，2016.

[2] Yu Hu， Tao Zhou. The Smart Home Security System Based on Wireless Sensor Network.EI Advanced Materials Research ISSN： 1022- 6680 20-1.

[3] 李鴻. 幾種智能家居網絡控制系統方案的分析與比較化現代電子技術[J]. 2010，22（3）：132-135.

[4] 呂值敏.基于嵌入式智能家居安防遠程監控系統軟件設計與實現[D].四川：電子科技大學，2017.

[5] 徐振福.ZigBee技術在智能家居系統中的應用研究[D].中國科學院大學（工程管理與信息技術學院），2016.