基于物联网的智能家居系统设计

  本文关键词：面向移动互联网的智能家居系统研究，由笔耕文化传播整理发布。

　　摘 要：给出了基于物联网技术设计的一种智能家居系统。该系统通过ZigBee技术将各种安防设备和家用电器组建成无线通信网络，以实现无线数据采集和命令控制；同时使用ARM9高性能处理器S3C2410作为嵌入式网关和网络服务器，并采用嵌入式Internet技术，通过IE浏览器访问监控网页，以实现对家居环境的远程监控；可利用GPRS通信技术连接用户手机，提供实时报警服务。应用结果表明，该系统运行稳定可靠、实时性好，能有效避免家居异常造成的损失。
　　关键词：ZigBee；S3C2410；GPRS；物联网；智能家居
　　中图分类号：TP273.5；TP872 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2013）07-0062-03
　　0 引 言
　　智能家居是物联网技术的第三大应用领域。物联网大潮下的智能家居行业在中国乃至全世界都有广阔的前景，是一个朝阳行业，蕴含着巨大的市场潜力[1]。本系统利用物联网的传感、互联、智能控制等技术特点构建新型智能家居系统[2]，将GPRS移动通信技术、嵌入式Internet技术与新一代无线网络通信技术ZigBee相结合，克服了有线布线的弊端，配置灵活、实时性好，势必是未来智能家居系统的发展趋势。
　　1 系统的结构特点
　　基于物联网的智能家居系统的结构如图1所示，本系统按照物联网的三层架构设计。其中，传感层包括搭载了ZigBee无线通信模块的各种传感器和家用电器，可与ARM9智能家居监控仪交互数据及命令，实现对家居环境的全面感知；互联层中，，ARM9智能家居监控仪作为嵌入式网关和网络服务器[3]，用于连接传感层和监控层； 监控层包括远程电脑、小区监控中心和用户手机，可通过Internet登录监控仪IP访问监控网页，实时监测家居环境，控制家电的开启和关闭，真正实现智能控制。若出现异常，则执行预定的控制动作，例如启动蜂鸣器响铃、启动排风扇排风等，同时通过小区网络向小区监控中心报警，并通过GPRS自动给主人手机发报警短信，实现联合安防。
　　2 系统硬件设计
　　本系统采用的是Samsung 公司的基于ARM920T内核的处理器S3C2410，它不仅具有独立的16 KB指令和16 KB数据cache、全功能的MMU虚拟内存管理单元，还集成了大量的功能接口[4]，本系统对相应接口进行了配置和扩展。
　　图1 基于物联网的智能家居系统结构
　　ZigBee无线通信网络的组建依靠ZigBee模块芯片CC2430，每个传感器及家用电器均配置一个CC2430芯片构成通信节点[5]。S3C2410通过SPI总线与CC2430进行通信，接收传感器采集的信号及控制家用电器继电器的闭合和断开；利用DM9000芯片把网口外扩为以太网接口RJ45，与以太网连接，提供远程网络服务；通过串口连接GPRS模块提供GPRS移动通信功能；LCD控制器外挂LCD触摸屏；I2S总线控制器外扩蜂鸣器提供音频报警；通过USB HOST控制器外扩USB接口连接摄像头。系统硬件架构如图2所示。
　　图2 系统硬件架构图
　　3 系统软件架构
　　本系统的软件架构有三个层次：驱动层、系统层和应用层。在驱动层，移植I2S驱动、USB摄像头驱动、LCD驱动和以太网驱动，并编写ADC驱动，用以保证各个硬件模块能正常工作。在系统层，移植Linux操作系统、QT触摸屏界面开发环境及BOA嵌入式网络服务器。在应用层，采用多线程编程方法实现各个功能模块，并通过编写CGI程序和远程监控网页交互数据[6]。系统软件架构如图3所示。
　　图3 系统软件架构图
　　3.1 嵌入式Web服务器远程监控设计
　　要实现远程访问服务，必须先构建嵌入式Web服务器。本系统移植了BOA Web服务器，再通过CGI建立Web浏览器与Web服务器之间的交互。CGI程序能够嵌入HTML脚本，用C语言编写，使用ARM-GCC编译，采用GET、POST或直接的URL参数传递方法与远程客户端进行通信，实现动态监控[7]。首先，浏览器将远程客户端发送的请求送到Web服务器，Web服务器将数据使用STDIN送给CGI程序，执行CGI程序后获得缓冲区中的设备信息，最后，使用STDOUT输出包含家居环境信息的HTML形式的结构文件，经Web服务器送回浏览器，显示给远程客户端。CGI工作流程如图4所示。
　　图4 CGI工作流程图
　　3.2 ZigBee无线通信设计
　　ZigBee无线通信网络由若干个通信节点组成[8]，通信节点由传感器或家用电器配置一个ZigBee无线模块芯片CC2430芯片构成。其中，每个传感器通信节点的无线通信流程是：CC2430芯片完成硬件初始化以后，向监控仪发出入网申请，成为通信节点；为实现系统的低耗能性，在通信节点成功接入网络后立即转入低耗能等待模式，尽可能减少能量消耗；系统随时检测传感器信号状态，一旦接收到异常的中断请求即进入全功能状态，否则继续等待；处于全功能状态的通信节点接收传感器传递过来的信号，如果是模拟信号，需先进行A/D转换，再将数据通过ZigBee网络传输到监控仪；传输完毕后，返回低能耗等待模式。其通信流程如图5所示。
　　3.3 GPRS短信报警设计
　　本系统有现场声光报警和短信报警两种报警方式，当系统监测到有火灾或者有门禁入侵时，就会触发报警系统。其中，短信报警通过GPRS模块实现。GPRS模块通过串口与S3C2410连接，它具有一套标准的AT命令集，包括呼叫控制命令、网络服务相关命令、电话本命令、短信息命令等[9]。本系统通过对串口编程，给GPRS模块发送包含AT短信息命令的字符串[10]，从而实现发送固定内容的短信。GPRS短信报警流程如图6所示。
　　图5 ZigBee无线通信流程图 　　图6 GPRS短信报警流程图
　　4 系统测试结果
　　启动系统后，智能家居监控仪的触摸屏上可显示实时的监控界面，包括火警、烟雾、红外门禁入侵等报警状态及热水器等家用电器的开启或关闭状态，并可通过触摸屏上的按键对系统、家电等进行控制，触摸屏监控界面如图7所示。通过任一远程电脑的浏览器登录系统IP，可访问系统的远程监控页面，在线查看家居环境、控制家电、实时拍照及录像等，远程图像监控页面如图8所示。
　　图7 触摸屏监控界面
　　图8 远程图像监控页面
　　5 结 语
　　本系统基于物联网的全面感知、互联传输及智能控制三层架构设计，并使用ZigBee无线通信技术克服了有线布线的弊端，使得监控点配置灵活。GPRS移动通信技术、嵌入式Internet技术的综合应用，则实现了小区乃至更大区域的联合和实时安防，实现了多平台、多网络的无缝连接。
　　参 考 文 献
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