基于嵌入式WiFi物聯網的無線家居監控系統研究

蔣琴 李桂春 毛文慧 四川幼兒師范高等專科學校

現代高新科技的發展，促進了信息技術和嵌入式技術的優化應用，而隨著我們步入PC時代，結合嵌入式系統完成對智能家居的監控已然成為一種全新的設計理念。智能家居以數據信息采集與處理為核心，實現對室內環境的監測與控制，而環境數據屬于中央控制器對環境進行分析、決策以及具體實施的主要依據。隨著智能家居需求的逐步拓展，提高環境采集系統的準確性與便捷性非常重要，已經成為一個科研熱點。

1 智能家居系統總體設計

針對智能家居監控系統，需要采取層次化設計的方式，將ARM平臺為基礎構建智能家居主機，并以ZigBee無線傳感控制網絡作為家庭內部網絡，應用QT技術實現對客戶端軟件的編寫。系統主要分成家庭內部網絡與外部網絡，其中內網指的是以ZigBee協議為核心構建起的無線傳感控制網絡，實現對家電節點與環境采集傳感器節點的控制；而外網指的是WiFi熱點與Internet網絡，客戶端軟件和主機之間通過外網實現連接。外網與內網間通過智能家居主機進行連接，同時完成對相關信息的交互。

1.1 主機設計

智能家居的主機是家庭內部網關，屬于家庭環境監測與控制系統的核心組成部分，通過ZigBee傳感控制網絡與Internet網絡完成異構網絡間數據轉發與控制協議解析。無線傳感網絡當中全部傳感器所采集的數據信息、家電控制信息等都需要傳輸至主機，而PC客戶端則通過IP地質與端口實現對主機的訪問，使用戶獲得想要的家居信息，還可以通過對主機的控制，向無線網絡當中各類控制設備以及家電發送指令。ZigBee網絡自身具備一套傳輸協議，不過只適合用在對家庭內部傳感網絡當中數據信息的發送與接收，用戶若想發送相關的控制指令，必須要通過主機才能實現，以解析與轉發協議。智能家居主機向Internet網絡的接入，要利用gSOAP工具在主機中增添簡單對象的訪問協議；ZigBee和主機通信主要采取串口方式，因此主機需要具備串口通信模塊；主機還要實現對家庭內部傳感器與家電相關控制信息的存儲，因此需要配置數據存儲模塊。

1.2 內部網絡設計

家庭環境監測與控制網絡主要通過ZigBee傳感控制網絡，對遠程PC端利用Internet或WiFi熱點實現連接，使用戶實現對家居環境的遠程監測與控制。在ZigBee終端節點之上，可以搭載一些常用的控制設備與傳感器模塊，共同構成以ZigBee為基礎的無線控制網絡。

2 智能家居主機軟硬件設計

2.1 主機硬件電路

硬件設計內容主要有主控芯片S3C2400、串行通信接口電路、電源電路、USB及觸摸屏接口電路、存儲電路等。

2.1.1 主控芯片 S3C2400

S3C2400屬于韓國三星公司設計與研發的一種微處理器，具有體積小、能耗低以及性能高等特征，其中配置了多種常用硬件接口與總線，內部集成的GPIO接口和LCD控制其達到130個之多，中斷控制源60個。

2.1.2 串行通信接口電路

用作PC端串口調試、主機全雙工串口通信，主機和協調器間串口通信則可利用交叉串口線實現連接。S3C2400主要供給了三個通道的異步收發傳輸器，在程序編寫過程中，需要設定UART對于CPU所發送數據傳輸請求的具體方式，配置了串口控制寄存器。

2.1.3 USB 接口電路

這一設計當中USB端口的作用在于下載程序以及外部USB設備連接。S3C2400可以支持兩種USB接口：USB Host以及USB Slave。

2.2 主機Linux操作系統移植

Linux具備內核較小、源代碼開放以及內核可直供給網絡支持等優勢，對大多數Linux軟件的開發都需要以native方式開展，也就是本機開發、調試以及運行。但是此種方式一般不適合用在對嵌入式系統中軟件的開發，可選擇交叉編譯的調試方式。

2.2.1 Bootloader 移植

本設計系統主要利用開源U-Boot，將其作為開機之前的引導和加載程序，需要完成對硬件的初始化處理，使內核啟動相關參數傳遞至內核。

2.2.2 Linux 內核移植

需要對頂層Makefile與Flash分區進行預先修改，同時引用make menuconfig配置內核實現對.config文件的修改。Linux內核可以支持S3C2410，其芯片內部設備方面的區別較小，只需要以S3C2410代碼為基礎做出適當的修改，便能符合S3C2440的應用需求。本次設計當中的Linux內核移植需要更改DM9000網卡驅動及液晶觸摸屏驅動，并且配置相應的USB外設驅動，實現內核對USB設備與根文件系統的支持。

2.3 USB驅動

USB無線網卡驅動主要包含兩個方面的內容：USB驅動與網卡驅動。USB設備主要結構包括USB總線控制器、總線驅動以及USB驅動；網絡設備結構則包括媒介層、設備接口、網絡驅動以及協議層。因為USB設備需要完成對熱插拔的支持，因此USB驅動要對設備探測函數進行調動，以實現對相關信息的檢測。

3 智能家居無線傳感控制網絡設計

3.1 ZigBee無線傳感控制

主要利用網拓撲作為其樹形結構，無線傳感網絡中主要由ZigBee協調器、路由器節點以及終端傳感器節點等部分構成。由終端節點實現對家居環境溫度、濕度、火焰、人體紅外、煙霧、燈光以及窗簾等部分的控制。

3.2 系統數據通信協議

智能家居當中應用頻率較高的傳感器數據樣式較多，在應用實踐中，依據常用設備類型可以將其分成三個部分：感知型傳感器類、多媒體類以及執行控制類。依據通信數據位數則可分成：開關量與數據量。對于全部終端的子節點，在加入到傳感器網絡時，協調器將會為其分配一個地址，同時主機會為其配置一個節點編號。

以上設計能夠實現對家庭室內環境溫度、濕度等相關數據的采集，主要利用到網絡分布式方法，在溫度或者濕度過高（亦或是室內出現其他環境異常情況）時，系統將自動將房屋內排氣扇、窗簾等設備打開，實現對室內環境的調節，直至環境具有良好的適宜程度為止。主要利用嵌入式WiFi模塊來完成對數據的無線傳輸，能夠起到節能降耗的效果。以PC端為依托設計出一個具有較強直觀性的界面，人員能夠隨時隨地對室內溫濕度等主要環境數據進行觀察。

4 結束語

總而言之，以嵌入式WiFi物聯網為基礎的無線家居監控系統設計與研發已經成為現代家居的重要發展趨勢之一。作為一名家居設計人員，應該在日常工作中積極探索，對國內外其他企業的一些先進設計理念加以借鑒，繼而與我國智能家居發展的整體情況相結合，創建出一套更加符合我國國情的智能家居設計與研發體系，為國家經濟建設注入源源不斷的活力。