基于ARM-A9和Zig Bee技術的智能家居系統(tǒng)設計概述*

王文強 李利 陳宇 李磊

北華航天工業(yè)學院 河北 廊坊 065000

前言

本系統(tǒng)主要使用ARM-A9架構的三星 exynos 4412處理器的itop 4412開發(fā)板作為手持終端，使用Zig Bee無線通信技術，并結合溫濕度采集模塊、煙霧濃度采集模塊等。軟件設計基于Ubuntu12.04的系統(tǒng)作為開發(fā)環(huán)境，從嵌入式底層到應用層的開發(fā)流程，設計了一個具有人機交互友好的界面，實現(xiàn)了對家庭環(huán)境的監(jiān)控及家電的控制。

1 系統(tǒng)方案設計

系統(tǒng)主要分為硬件部分和軟件部分，主要工作原理為Zig Bee終端驅動各個傳感器模塊采集數(shù)據(jù)，然后發(fā)送給Zig Bee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送至itop 4412開發(fā)板，開發(fā)板收到數(shù)據(jù)后進行相應的解析并顯示在界面上。其中開發(fā)板上運行的是使用QT編寫的程序，經(jīng)過交叉編譯后移植到了開發(fā)板上[1]。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 基于cc2530的Zig Bee通信模塊設計

該模塊用于Zig Bee網(wǎng)絡之間的通信，主要有組網(wǎng)、收發(fā)數(shù)據(jù)等功能，Zig Bee終端設備主要用于控制溫濕度采集模塊、煙霧濃度采集模塊、LED燈等，同時完成傳感器數(shù)據(jù)的采集工作，Zig Bee通信模塊選用CC2530芯片。

2.2 溫濕度采集模塊設計

溫濕度采集模塊主要負責采集室內(nèi)溫濕度，通過Zig Bee通信傳輸?shù)绞殖侄瞬@示在LCD屏幕上，用戶可根據(jù)室內(nèi)溫濕度做出相對應操作。選用DS18B20模塊，該具有體積小，成本低，抗干擾能力強、精度高的特點，并且該模塊的通信方式簡單，為單總線結構，使用便捷[2]。

2.3 煙霧濃度采集模塊設計

煙霧濃度采集模塊主要用于檢測傳感器所處環(huán)境中的煙霧濃度，當煙霧濃度超標時，報警信號通過Zig Bee通信傳輸至手持端，同時觸發(fā)蜂鳴器報警功能。本設計中選用MQ-2煙霧感應模塊，該模塊成本低廉、對氣體檢測有較好的靈敏度、可靠性高。

2.4 LED模塊設計

LED模塊主要用于模擬室內(nèi)光照環(huán)境，主要通過CC2530芯片的GPIO口輸出高低電平來控制LED燈的開關。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 嵌入式Linux系統(tǒng)移植

本系統(tǒng)將QT編寫的程序移植到itop 4412開發(fā)板上并且成功運行，首先需要將嵌入式Linux系統(tǒng)移植到itop 4412開發(fā)板，系統(tǒng)移植過程主要包括以下三個步驟：

（1）Boot Loader移植。Boot Loader是引導系統(tǒng)啟動的一段代碼，具有不通用性，不同的處理器和架構所使用的Boot Loader也不相同，根據(jù)處理器架構選擇不同版本進行移植，本設計采用U-boot移植[3]。

（2）內(nèi)核移植。Linux kernel主要由進程調(diào)度（SCHED）、內(nèi)存管理（MM）、虛擬文件系統(tǒng)（Virtual File System ,VFS）、網(wǎng)絡接口（NET）、進程間通信（IPC）五大模塊構成，移植過程中選擇SoC 廠商移植過的Linux kernel版本會減少很多不必要的工作量，本設計中選擇移植2.6.35.7版本Linux kernel。

（3）根文件系統(tǒng)燒寫。根文件系統(tǒng)可以理解為最基礎的文件系統(tǒng)，不同的文件系統(tǒng)，主要在于它們對扇區(qū)管理的策略和方法不同，本設計主要通過Busy Box軟件配置ext2格式的根文件系統(tǒng)并燒寫到開發(fā)板上。

3.2 QT程序設計

itop 4412開發(fā)板上位機軟件主要使用c++語言在QT平臺進行設計，程序界面的渲染采用qss 既Qt Style Sheets進行界面渲染[4]。上位機軟件主要實現(xiàn)了以下幾個功能。

（1）模擬室內(nèi)三個場景：臥室、客廳、廚房。

（2）分別對這個三個場景下的溫度，濕度以及煙霧濃度進行一個測量并顯示。

（3）使用LED燈模擬室內(nèi)照明燈。

3.3 QT程序移植到itop 4412開發(fā)板

（1）在虛擬機里安裝ARM版QT所在的目錄下尋找?guī)旒跋嚓P鏈接文件。

（2）在/opt目錄下建立“qt-4.8.5-arm”目錄，根據(jù)開發(fā)過程中使用的QT版本命名。

（3）將U盤里從虛擬機上拷貝的文件全部復制到/opt/qt-4.8.5-arm中，包括lib以及l(fā)ib下的fonts目錄，全部移到開發(fā)板上。

（4）設置環(huán)境變量。

（5）將編譯好的可執(zhí)行文件移植到開發(fā)板上[5]。

4 結束語

本文通過硬件設計和軟件設計相結合的方式完成了基于ARM-A9和Zig Bee技術的智能家居系統(tǒng)設計，與傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)相比，通過對嵌入式Linux操作系統(tǒng)的移植和剪切，以及Zig Bee通信技術的使用，克服了傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)能耗大、穩(wěn)定性差等問題，更好地滿足了家庭日常使用需求。