一種智能家居系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

孫俊杰++張偉++劉洋

摘 要：智能家居作為物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的主要應(yīng)用方向，近年來快速發(fā)展?，F(xiàn)階段智能家居系統(tǒng)還沒有普及到千家萬戶。提出一種采用嵌入式Linux系統(tǒng)為核心控制網(wǎng)關(guān)，以價(jià)格低廉的單片機(jī)為節(jié)點(diǎn)控制器，采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，允許多方式控制的技術(shù)方案，通過實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)具有高效率、高可靠性和低成本的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：智能家居；ZigBee；控制網(wǎng)關(guān)；單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）02-00-02

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，智能家居作為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要分支已經(jīng)已經(jīng)走進(jìn)人們的生活[1-3]。在智能家居領(lǐng)域，人機(jī)交互的便捷、高效是關(guān)注的重點(diǎn)。

目前智能家居系統(tǒng)主要的控制方式為傳統(tǒng)的固定式家居開關(guān)或功能簡(jiǎn)單的無線按鍵遙控器。語音交互有著以上交互方式無法比擬的便捷、學(xué)習(xí)成本低等方面的優(yōu)勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)外的公司相繼進(jìn)行語音智能家居系統(tǒng)方向的研發(fā)[4-6]。在此，文章提出一種簡(jiǎn)單便捷的語音智能家居系統(tǒng)，通過整合現(xiàn)有的資源構(gòu)建語音智能家居系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

語音智能系統(tǒng)由智能節(jié)點(diǎn)、智能家居網(wǎng)關(guān)（以下簡(jiǎn)稱網(wǎng)關(guān)）和控制終端三個(gè)部分組成。其中智能家居網(wǎng)關(guān)為系統(tǒng)的核心處理單元，是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，其他部分都可以理解為智能家居系統(tǒng)的子節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能家居網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)框架

系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)與控制由網(wǎng)關(guān)完成，智能節(jié)提供數(shù)據(jù)支撐與功能的具體執(zhí)行，控制終端完成人機(jī)交互。其中，智能節(jié)點(diǎn)分為兩類，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)與執(zhí)行節(jié)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)完成環(huán)境監(jiān)測(cè)功能，例如環(huán)境溫度濕度監(jiān)測(cè)、光照強(qiáng)度監(jiān)測(cè)、可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)、煙霧檢測(cè)等等環(huán)境的監(jiān)測(cè)；執(zhí)行節(jié)點(diǎn)完成電器的控制，例如燈光的控制、窗簾的控制等?？刂平K端分為三類，專用控制終端、手機(jī)客戶端和網(wǎng)頁(yè)控制端。以上所有種類設(shè)備根據(jù)不同的需要選擇相應(yīng)的連接方式連接到智能家居網(wǎng)關(guān)上。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件方案實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)分三個(gè)部分進(jìn)行說明。

智能節(jié)點(diǎn)設(shè)備，采用無線傳輸技術(shù)ZigBee方案組網(wǎng)傳輸信息，具體的硬件采用CC2530芯片與STM8單片機(jī)協(xié)同工作的系統(tǒng)方案。CC2530模塊部分完成與網(wǎng)關(guān)通信功能，STM8單片機(jī)驅(qū)動(dòng)外圍功能設(shè)備，連個(gè)模塊間采用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

控制終端分為三類，采用的方式各不相同。專用終端采用ZigBee方式連接網(wǎng)關(guān)，采用STM32單片作為主控芯片，通過按鍵、觸摸屏與液晶屏等完成人機(jī)交互任務(wù)。手機(jī)使用專用的手機(jī)客戶端軟件通過Internet連接網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居系統(tǒng)的控制。網(wǎng)頁(yè)客戶端的功能實(shí)現(xiàn)是在網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)器的功能，智能家居系統(tǒng)能夠通過網(wǎng)頁(yè)方式訪問控制。

網(wǎng)關(guān)由Cortex A8芯片作為處理器的嵌入式系統(tǒng)與其他外圍期間組成。網(wǎng)關(guān)硬件包含有ZigBee模塊、以太網(wǎng)模塊、GPRS模塊等。

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

2.2.1 數(shù)據(jù)幀格式設(shè)計(jì)

以一個(gè)電燈為例說明數(shù)據(jù)類型，表3中為燈申請(qǐng)入網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀，1為幀頭，每個(gè)幀固定為0xEECC；2為協(xié)調(diào)器地址；3為燈節(jié)點(diǎn)的ZigBee地址，協(xié)調(diào)器自動(dòng)分配；4為幀類型，燈為執(zhí)行節(jié)點(diǎn)故數(shù)據(jù)為0x02，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的類型為0x01，控制幀類型為0x03；5為內(nèi)容長(zhǎng)度，計(jì)算可得程度為8個(gè)字節(jié)；6為設(shè)備編號(hào)，燈的標(biāo)號(hào)為1；7為同類型設(shè)備編號(hào)，這里是第一個(gè)燈，編號(hào)為1；8為數(shù)據(jù)內(nèi)容，該幀的數(shù)據(jù)內(nèi)容為0；9為擴(kuò)展內(nèi)容，申請(qǐng)注冊(cè)的擴(kuò)展內(nèi)容為1；10為校驗(yàn)字，相加后的校驗(yàn)字為7F；11為結(jié)束符0xFF。

2.2.2 智能家居網(wǎng)關(guān)軟件實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)關(guān)的軟件框架如圖2所示，從圖中可以看到網(wǎng)關(guān)軟件系統(tǒng)由三個(gè)大的部分構(gòu)成，即SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)、Web服務(wù)器和網(wǎng)關(guān)決策程序構(gòu)成。SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)完成對(duì)網(wǎng)關(guān)歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。Web服務(wù)器提供網(wǎng)頁(yè)訪問需求，系統(tǒng)移植使用BOA服務(wù)器。

圖2 智能家居網(wǎng)關(guān)軟件框架

智能家居網(wǎng)關(guān)決策程序主要由三個(gè)線程完成主要功能，三個(gè)線程共享一個(gè)公共的系統(tǒng)狀態(tài)，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)，由各自的事件推動(dòng)完成系統(tǒng)設(shè)定的功能。網(wǎng)關(guān)決策程序啟動(dòng)后，先完成初始化，然后依次啟動(dòng)三個(gè)服務(wù)線程。ZigBee服務(wù)線程啟動(dòng)后等待讀取ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，然后根據(jù)不同的數(shù)據(jù)幀與當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)完成相應(yīng)的處理任務(wù)，最后等待下一個(gè)數(shù)據(jù)幀的讀取；手機(jī)與Web客戶端服務(wù)線程的工作模式與ZigBee服務(wù)線程的基本相同，區(qū)別在于本線程的數(shù)據(jù)讀取自網(wǎng)絡(luò)Socket接口。計(jì)劃任務(wù)服務(wù)線程工作于定時(shí)工作模式，查詢當(dāng)前的需要完成的任務(wù)，完成任務(wù)后線程定時(shí)一定時(shí)間后重新工作，功能的實(shí)現(xiàn)由時(shí)間時(shí)間推動(dòng)。

3 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試分為兩個(gè)部分，數(shù)據(jù)通信測(cè)試與使用功能測(cè)試。

數(shù)據(jù)通信測(cè)試實(shí)驗(yàn)的硬件條件設(shè)定如下：網(wǎng)關(guān)1個(gè)，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行節(jié)點(diǎn)、專用控制終端各5個(gè)，手機(jī)客戶端1個(gè)。設(shè)定計(jì)劃任務(wù)每秒向各個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備發(fā)送10幀數(shù)據(jù)，一共發(fā)送200 s，統(tǒng)計(jì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)收到的取平均數(shù)作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不同組實(shí)驗(yàn)間以ZigBee設(shè)備與網(wǎng)關(guān)間的距離作為變量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信方案基本滿足智能家居使用的環(huán)境需求。

使用功能測(cè)試實(shí)驗(yàn)的硬件條件與數(shù)據(jù)通信測(cè)試設(shè)定一致，節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器間的距離為10 m。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)定為系統(tǒng)工作30 min，隨機(jī)每個(gè)控制終端完成20次控制指令，觀察系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。在30 min的實(shí)驗(yàn)過程中，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)顯示正常，控制命令沒有出現(xiàn)無效或錯(cuò)誤的現(xiàn)象，手機(jī)客戶端控制命令存在延時(shí)，延時(shí)在1 s左右，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明智能家居系統(tǒng)能夠完成系統(tǒng)設(shè)定的任務(wù)，功能正常。

4 結(jié) 語

智能化的家居系統(tǒng)未來家居發(fā)展的方向，廉價(jià)可靠的智能家居系統(tǒng)是智能家居系統(tǒng)發(fā)展的必由之路。文章提供了一個(gè)高效率、高可靠性和低成本的智能家居解決方案，有利于智能家居系統(tǒng)的實(shí)用化推進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

[1]葉國(guó)偉. 智能家居市場(chǎng)現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].中國(guó)建設(shè)信息，2012（9）：54-55.

[2]戴敏，王宜懷，潘啟勇. 基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2013，21（3）：706-708.

[3] Jin Cheng ， Thomas Kunz. A survery on Smart Home Networking. Carleton University， Systems and Computer Engineering[R]. Technical Report SCE-09_10， 2009.

[4] Yun Wang， Kai Li. Topology mining of sensor networks for smart home environments[J]. International Journal of Ad Hoc and Ubiquitous Computing， 2001，7（3）， 163-173.

[5]童曉渝，房秉毅，張?jiān)朴? 物聯(lián)網(wǎng)智能家居發(fā)展分析[J]. 移動(dòng)通信，2010（9）：16-20.

[6]王銘明，陳濤，王建立，等. 基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制2014.21（4）：1021-1026.