摘要：給出了基于物聯網技術設計的一種智能家居系統。該系統通過ZigBee技術將各種安防設備和家用電器組建成無線通信網絡，以實現無線數據采集和命令控制；同時使用ARM9高性能處理器S3C2410作為嵌入式網關和網絡服務器，并采用嵌入式Internet技術，通過IE瀏覽器訪問監(jiān)控網頁，以實現對家居環(huán)境的遠程監(jiān)控；可利用GPRS通信技術連接用戶手機，提供實時報警服務。應用結果表明，該系統運行穩(wěn)定可靠、實時，性好，能有效避免家居異常造成的損失。
關鍵詞：
0引言
智能家居是物聯網技術的第三大應用領域。物聯網大潮下的智能家居行業(yè)在中國乃至全世界都有廣闊的前景，是一個朝陽行業(yè)，蘊含著巨大的市場潛力o本系統利用物聯網的傳感、互聯、智能控制等技術特點構建新型智能家居系統，將GPRS移動通信技術、嵌入式Internet技術與新一代無線網絡通信技術ZigBee相結合，克服了有線布線的弊端，配置靈活、實時性好，勢必是未來智能家居系統的發(fā)展趨勢。
1系統的結構特點
基于物聯網的智能家居系統的結構如圖1所示，本系統按照物聯網的三層架構設計。其中，傳感層包括搭載了ZigBee無線通信模塊的各種傳感器和家用電器，可與ARM9智能家居監(jiān)控儀交互數據及命令，實現對家居環(huán)境的全面感知；互聯層中，ARM9智能家居監(jiān)控儀作為嵌入式網關和網絡服務器，用于連接傳感層和監(jiān)控層；監(jiān)控層包括遠程電腦、小區(qū)監(jiān)控中心和用戶手機，可通過Internet登錄監(jiān)控儀IP訪問監(jiān)控網頁，實時監(jiān)測家居環(huán)境，控制家電的開啟和關閉,真正實現智能控制。若出現異常，則執(zhí)行預定的控制動作，例如啟動蜂鳴器響鈴、啟動排風扇排風等，同時通過小區(qū)網絡向小區(qū)監(jiān)控中心報警,并通過GPRS自動給主人手機發(fā)報警短信,實現聯合安防。
2系統硬件設計
本系統采用的是Samsung公司的基于ARM920T內核的處理器S3C2410,它不僅具有獨立的16KB指令和16KB數據cache、全功能的MMU虛擬內存管理單元，還集成了大量的功能接口，本系統對相應接口進行了配置和擴展。
ZigBee無線通信網絡的組建依靠ZigBee模塊芯片CC2430,每個傳感器及家用電器均配置一個CC2430芯片構成通信節(jié)點。S3C2410通過SPI總線與CC2430進行通信,接收傳感器采集的信號及控制家用電器繼電器的閉合和斷開；利用DM9000芯片把網口外擴為以太網接口RJ45,與以太網連接，提供遠程網絡服務；通過串口連接GPRS模塊提供GPRS移動通信功能；LCD控制器外掛LCD觸摸屏；I2S總線控制器外擴蜂鳴器提供音頻報警；通過USBHOST控制器外擴USB接口連接攝像頭。系統硬件架構如圖2所示。
圖2系統硬件架構圖
3系統軟件架構
本系統的軟件架構有三個層次:驅動層、系統層和應用層。在驅動層，移植I2S驅動、USB攝像頭驅動、LCD驅動和以太網驅動，并編寫ADC驅動，用以保證各個硬件模塊能正常工作。在系統層，移植Linux操作系統、QT觸摸屏界面開發(fā)環(huán)境及BOA嵌入式網絡服務器。在應用層，采用多線程編程方法實現各個功能模塊，并通過編寫CGI程序和遠程監(jiān)控網頁交互數據。系統軟件架構如圖3所示。
圖3系統軟件架構圖
3.1 嵌入式 Web 服務器遠程監(jiān)控設計
要實現遠程訪問服務，必須先構建嵌入式Web服務器。本系統移植了BOAWeb服務器，再通過CGI建立Web瀏覽器與Web服務器之間的交互。CGI程序能夠嵌入HTML腳本,用C語言編寫，使用ARM-GCC編譯，采用GET、POST或直接的URL參數傳遞方法與遠程客戶端進行通信，實現動態(tài)監(jiān)控。首先，瀏覽器將遠程客戶端發(fā)送的請求送到Web服務器，Web服務器將數據使用STDIN送給CGI程序，執(zhí)行CGI程序后獲得緩沖區(qū)中的設備信息，最后，使用STDOUT輸出包含家居環(huán)境信息的HTML形式的結構文件，經Web服務器送回瀏覽器，顯示給遠程客戶端。CGI工作流程如圖4所示。
圖4CGI工作流程圖
ZigBee無線通信設計
ZigBee無線通信網絡由若干個通信節(jié)點組成，通信節(jié)點由傳感器或家用電器配置一個ZigBee無線模塊芯片CC2430芯片構成。其中，每個傳感器通信節(jié)點的無線通信流程是：CC2430芯片完成硬件初始化以后，向監(jiān)控儀發(fā)出入網申請，成為通信節(jié)點；為實現系統的低耗能性，在通信節(jié)點成功接入網絡后立即轉入低耗能等待模式，盡可能減少能量消耗;系統隨時檢測傳感器信號狀態(tài)，一旦接收到異常的中斷請求即進入全功能狀態(tài)，否則繼續(xù)等待；處于全功能狀態(tài)的通信節(jié)點接收傳感器傳遞過來的信號，如果是模擬信號，需先進行A/D轉換，再將數據通過ZigBee網絡傳輸到監(jiān)控儀；傳輸完畢后，返回低能耗等待模式。其通信流程如圖5所示。
GPRS短信報警設計
本系統有現場聲光報警和短信報警兩種報警方式，當系統監(jiān)測到有火災或者有門禁入侵時，就會觸發(fā)報警系統。其中，短信報警通過GPRS模塊實現。GPRS模塊通過串口與S3C2410連接，它具有一套標準的AT命令集，包括呼叫控制命令、網絡服務相關命令、電話本命令、短信息命令等。本系統通過對串口編程，給GPRS模塊發(fā)送包含AT短信息命令的字符串［10］，從而實現發(fā)送固定內容的短信。GPRS短信報警流程如圖6所示。
圖5ZigBee無線通信流程圖
圖6GPRS短信報警流程圖
4系統測試結果
啟動系統后，智能家居監(jiān)控儀的觸摸屏上可顯示實時的監(jiān)控界面，包括火警、煙霧、紅外門禁入侵等報警狀態(tài)及熱水器等家用電器的開啟或關閉狀態(tài)，并可通過觸摸屏上的按鍵對系統、家電等進行控制，觸摸屏監(jiān)控界面如圖7所示。通過任一遠程電腦的瀏覽器登錄系統IP,可訪問系統的遠程監(jiān)控頁面，在線查看家居環(huán)境、控制家電、實時拍照及錄像等,遠程圖像監(jiān)控頁面如圖8所示。
圖7觸摸屏監(jiān)控界面
圖8遠程圖像監(jiān)控頁面
5結語
本系統基于物聯網的全面感知、互聯傳輸及智能控制三層架構設計，并使用ZigBee無線通信技術克服了有線布線的弊端，使得監(jiān)控點配置靈活。GPRS移動通信技術、嵌入式Internet技術的綜合應用，則實現了小區(qū)乃至更大區(qū)域的聯合和實時安防，實現了多平臺、多網絡的無縫連接。
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