基于ARM的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計

楊曉迪等

摘 要： 針對傳統(tǒng)智能家居采用有線組建布線繁瑣，增減設(shè)備需要重新布線，影響美觀，且系統(tǒng)中的家電需要依靠家庭內(nèi)部的PC，升級和維護均不方便。在此將ZigBee無線通信技術(shù)及嵌入式ARM技術(shù)結(jié)合在一起， 利用Qt技術(shù)通過觸摸屏進行人機交互，設(shè)計了一種既能利用PC機又能利用手持終端對家居進行控制的智能家居控制系統(tǒng)。以現(xiàn)有嵌入式ARM微處理器的開發(fā)和控制水平，開展基于ZigBee的網(wǎng)點部署的研究，以無線網(wǎng)實施家居電器的控制和管理。測試表明，該系統(tǒng)具有良好的實用性、可靠性和可擴展性。

關(guān)鍵詞： 智能家居； 無線通信； ZigBee； 嵌入式ARM 技術(shù)； Qt技術(shù)

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）08?0093?03

Design of smart home control system based on ARM

YANG Xiao?di， LIAO Xin， Gulimila·kezierbieke， SUN Zhong?hua

（Institute of Computer and Information Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China）

Abstract： Since the cumbersome wired formation is used in traditional smart home， rewiring is needed when equipment changes， its appearance is affected， the appliances in the system rely on the PC in the house， and upgrades and maintenance are not convenient. Therefore， a smart home control system controlled by PC or hand?held terminal was designed by combining the ZigBee wireless communication technology with the embedded ARM technology and Qt technology for human?computer interaction via the touch screen. Based on developing level and control ability of existing embedded ARM microprocessor， the research on network deployment based on ZigBee was carried out. The control and management of household electrical appliances are implemented through wireless network. Test results show that the system has good practicability， reliability and scalability.

Keywords： smart home； wireless communication； ZigBee； embedded ARM technology； Qt technology

0 引 言

隨著人們對高品質(zhì)生活的不斷追求，智能控制技術(shù)已應(yīng)用于生活中的各方面，可提供一個高效、舒適、便捷的生活環(huán)境。智能家居已成為當(dāng)今研究的熱點問題，成本低、性能好且擴展性好是研究人員亟待解決的關(guān)鍵問題。相關(guān)的研究有尹紀庭等提出了家居網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的遠程控制系統(tǒng)，有效解決了家庭組網(wǎng)形式單一、布線繁瑣、成本較高的問題[1]；辛海量等以Linux系統(tǒng)為核心，以ZigBee無線通信技術(shù)進行信號傳輸并以GPRS通信技術(shù)進行系統(tǒng)遠程控制[2?3]；龐泳等對MAC協(xié)議提出了改進方案，解決了當(dāng)前智能家居布線系統(tǒng)存在的不足[4]；文獻[5]基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了與家居能耗信息的管理與控制。

傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)一般是以有線的方式來組建的，布線麻煩，增減設(shè)備需要重新布線，而且影響美觀。傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)中的家電需要依靠家庭內(nèi)部的PC，否則家庭內(nèi)部的管理就無法進行，無論是升級和維護都不方便。正式基于以上的事實，本文考慮將ZigBee技術(shù)與ARM技術(shù)相結(jié)合，以ARM微處理器為中心建立家庭智能家居控制中心，對家用電器進行控制和管理。因此本系統(tǒng)具有研究的社會價值和經(jīng)濟價值，符合當(dāng)前的實際應(yīng)用需要。本文旨在開發(fā)出一套智能家居的基礎(chǔ)版本，為以后的智能項目提供一個模板的支持，項目中的終端空調(diào)等設(shè)備沒有采用實際的設(shè)備，而是采用LED燈來代替設(shè)備的工作狀態(tài)。

1 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

本設(shè)計在Windows系統(tǒng)和Ubuntu系統(tǒng)下進行Linux內(nèi)核的裁剪編譯工作和ZigBee無線傳輸模塊的驅(qū)動程序的開發(fā)，通過LED燈點亮和熄滅模擬家電的控制。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)主要包括ARM cortext A8架構(gòu)的處理器、ZigBee無線傳輸模塊和顯示模塊。工作方式如下：主控系統(tǒng)通過顯示模塊對下發(fā)命令，有無線傳輸模塊把命令發(fā)送到和家居連接的ZigBee終端，通過遠程的ZigBee設(shè)備對家居進行控制。

1.1 硬件結(jié)構(gòu)

如圖2所示為設(shè)計的硬件結(jié)構(gòu)主要包括控制器模塊、觸摸屏顯示模塊、存儲模塊和ZigBee無線傳輸模塊。該項目的存儲系統(tǒng)采用NAND FLASH和SDRAM相結(jié)合，在提供充足的存儲空間的同時，也保證了系統(tǒng)的運行速度。顯示模塊采用7寸的電容屏，很好方便的用戶的操作。

圖2 智能家居硬件結(jié)構(gòu)圖

控制器是整個系統(tǒng)的核心，采用ARM Cortext A8架構(gòu)的處理器，實現(xiàn)功耗低，性能高的效果；在節(jié)能的同時，還有較高工作的效率和可控性?？刂破骱徒K端設(shè)備的通信采用采用ZigBee無線傳輸模塊，使得網(wǎng)絡(luò)的部署和拓展方便。ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。其特點主要有以下幾點：

（1） 功耗低：在低功耗待機模式下，2節(jié)普通5號電池可使用6～24個月；

（2） 成本低：ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本；

（3） 網(wǎng)絡(luò)容量大：網(wǎng)絡(luò)可容納65 000個設(shè)備；

（4） 時延短：典型搜索設(shè)備時延為30 ms，休眠激活時延為15 ms，活動設(shè)備信道接入時延為15 ms；

（5） 網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強，通信可靠；

（6） 數(shù)據(jù)安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES?128加密算法（美國新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一），各個應(yīng)用可靈活確定其安全屬性。

（7） 工作頻段靈活：使用頻段為2.4 GHz，868 MHz（歐洲）和915 MHz（美國），均為免執(zhí)照（免費）的頻段。

每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)允許有一個ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器首先選擇一個信道和網(wǎng)絡(luò)標示，然后開啟這個網(wǎng)絡(luò)。因為協(xié)調(diào)器是整個網(wǎng)絡(luò)的開始，它具有網(wǎng)絡(luò)的最高權(quán)限，是整個網(wǎng)絡(luò)的維護者，還可以保持間接尋址用的表格綁定，同時還可以涉及安全和執(zhí)行其他的動作，保持網(wǎng)絡(luò)其他設(shè)備的通信。在智能家居控制系統(tǒng)中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)作為橋梁，進行控制器終端與中央控制器的信息交互，接受命令等[6]。ZigBee終端節(jié)點一般處于網(wǎng)絡(luò)的邊緣，主要任務(wù)就是發(fā)送和接收信息，但它不能夠轉(zhuǎn)發(fā)信息，也不能讓其他節(jié)點加入到網(wǎng)絡(luò)中來，通常一個終端節(jié)點是有電池來供電的，并且為了節(jié)能，當(dāng)它不在收發(fā)的時候都是處于休眠狀態(tài)的。

1.2 軟件平臺設(shè)計

系統(tǒng)采用星型拓撲結(jié)構(gòu)，在家居環(huán)境中部署溫度傳感器節(jié)點和紅外傳感器節(jié)點，各傳感器節(jié)點與家庭網(wǎng)關(guān)之間通過ZigBee協(xié)議棧無線連接，對家居環(huán)境中的溫度和紅外進行實時監(jiān)測，并將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過無線方式實時發(fā)送到家庭網(wǎng)關(guān)，家庭網(wǎng)關(guān)將采集到的家居環(huán)境中的信息傳輸?shù)紸RM，進行顯示和處理，控制家居電器，例如溫度過高，打開空調(diào)等，實現(xiàn)家居生活的智能控制，軟件整體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖3所示。

系統(tǒng)采用Qt實現(xiàn)界面的開發(fā)。界面和開發(fā)板服務(wù)程序的通信，來用封裝的一個動態(tài)庫，該動態(tài)庫實現(xiàn)了一個數(shù)據(jù)的傳輸通道的作用。內(nèi)核中加入了開發(fā)板服務(wù)程序，用來接收Qt控制界面發(fā)出的控制消息，從而從發(fā)驅(qū)動程序進行設(shè)備的控制。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.1 主界面設(shè)計

用戶對于系統(tǒng)的操作是通過界面完成的。本系統(tǒng)共開發(fā)出兩套界面，一套是Linux下的Qt界面，一套是PC下的Qt界面。用戶既可以通過主控設(shè)備對家居進行控制，也可用通過電腦上的Qt界面對家居設(shè)備進行控制。包括對照明、熱水器、窗簾、冰箱家居設(shè)備的控制和相關(guān)工作狀態(tài)的查看等功能。系統(tǒng)的主界面如圖4所示。

友好的操作界面為用戶的操作提供便捷。系統(tǒng)提供了各個模塊的接口，點擊界面的按鈕主控系統(tǒng)就會發(fā)送響應(yīng)的命令來控制家居設(shè)備。界面功能所涉及的部分函數(shù)如下：

2.2 智能家居管理軟件

嵌入式智能家居系統(tǒng)的主體流程如圖5所示。啟動系統(tǒng)后先進行嵌入式設(shè)備初始化，并采集家居設(shè)施的狀態(tài)信息和各種環(huán)境參數(shù)，這些信息將首先更新在基于ARM的嵌入式控制終端中。

3 系統(tǒng)測試

為了測試系統(tǒng)功能的完善性，把系統(tǒng)做了簡單部署，ZigBee終端設(shè)備采用Led等的亮滅和傳感器來代替家居。對PC機做了簡單設(shè)置，配置了IP地址為192.168.1.3?？刂葡到y(tǒng)配置IP地址192.168.1.2。通過PC機對設(shè)備進行控制，打開基于Windows系統(tǒng)開發(fā)的Qt控制界面。輸入控制系統(tǒng)的IP地址，登錄控制界面。從界面上可以看到設(shè)備的狀態(tài)的情況，點擊開關(guān)按鈕可以對設(shè)備進行操作。終端的Led燈能正常被點亮或熄滅。通過主控系統(tǒng)的界面，按照在PC機上的操作方式，對系統(tǒng)進行驗證，也能夠得到預(yù)期的效果。測試結(jié)果都表明了該系統(tǒng)具有一定的可行性和可靠性。該系統(tǒng)對未來智能家居系統(tǒng)的研究和應(yīng)用都具有很好的參考價值和指導(dǎo)意義。

4 結(jié) 語

隨著生活品質(zhì)的不斷提高，人們越來越追求家居環(huán)境的智能化和舒適性。本文將ZigBee無線通信技術(shù)及嵌入式ARM技術(shù)結(jié)合在一起， 利用Qt技術(shù)通過觸摸屏進行人機交互。安裝方便，無需重新布線，也無需對室內(nèi)電線做任何改動，可擴展性強，具有很強的實用性，適合家庭住宅、公寓、公司寫字樓等場所推廣使用，具有很好的市場前景。但是作為一個完善的系統(tǒng)需要考慮到用戶的各種需求，可以在此系統(tǒng)的基礎(chǔ)上通過后續(xù)的開發(fā)來實現(xiàn)更多的功能。

參考文獻

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[2] 辛海亮，鐘佩思，朱紹琦，等.基于ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39（12）：79?81.

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