基于嵌入式WiFi物聯(lián)網(wǎng)的無線家居監(jiān)控系統(tǒng)研究

蔣琴 李桂春 毛文慧 四川幼兒師范高等專科學(xué)校

現(xiàn)代高新科技的發(fā)展，促進(jìn)了信息技術(shù)和嵌入式技術(shù)的優(yōu)化應(yīng)用，而隨著我們步入PC時代，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)完成對智能家居的監(jiān)控已然成為一種全新的設(shè)計(jì)理念。智能家居以數(shù)據(jù)信息采集與處理為核心，實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測與控制，而環(huán)境數(shù)據(jù)屬于中央控制器對環(huán)境進(jìn)行分析、決策以及具體實(shí)施的主要依據(jù)。隨著智能家居需求的逐步拓展，提高環(huán)境采集系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與便捷性非常重要，已經(jīng)成為一個科研熱點(diǎn)。

1 智能家居系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

針對智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，需要采取層次化設(shè)計(jì)的方式，將ARM平臺為基礎(chǔ)構(gòu)建智能家居主機(jī)，并以ZigBee無線傳感控制網(wǎng)絡(luò)作為家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用QT技術(shù)實(shí)現(xiàn)對客戶端軟件的編寫。系統(tǒng)主要分成家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)，其中內(nèi)網(wǎng)指的是以ZigBee協(xié)議為核心構(gòu)建起的無線傳感控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對家電節(jié)點(diǎn)與環(huán)境采集傳感器節(jié)點(diǎn)的控制；而外網(wǎng)指的是WiFi熱點(diǎn)與Internet網(wǎng)絡(luò)，客戶端軟件和主機(jī)之間通過外網(wǎng)實(shí)現(xiàn)連接。外網(wǎng)與內(nèi)網(wǎng)間通過智能家居主機(jī)進(jìn)行連接，同時完成對相關(guān)信息的交互。

1.1 主機(jī)設(shè)計(jì)

智能家居的主機(jī)是家庭內(nèi)部網(wǎng)關(guān)，屬于家庭環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)的核心組成部分，通過ZigBee傳感控制網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)完成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與控制協(xié)議解析。無線傳感網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中全部傳感器所采集的數(shù)據(jù)信息、家電控制信息等都需要傳輸至主機(jī)，而PC客戶端則通過IP地質(zhì)與端口實(shí)現(xiàn)對主機(jī)的訪問，使用戶獲得想要的家居信息，還可以通過對主機(jī)的控制，向無線網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中各類控制設(shè)備以及家電發(fā)送指令。ZigBee網(wǎng)絡(luò)自身具備一套傳輸協(xié)議，不過只適合用在對家庭內(nèi)部傳感網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中數(shù)據(jù)信息的發(fā)送與接收，用戶若想發(fā)送相關(guān)的控制指令，必須要通過主機(jī)才能實(shí)現(xiàn)，以解析與轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議。智能家居主機(jī)向Internet網(wǎng)絡(luò)的接入，要利用gSOAP工具在主機(jī)中增添簡單對象的訪問協(xié)議；ZigBee和主機(jī)通信主要采取串口方式，因此主機(jī)需要具備串口通信模塊；主機(jī)還要實(shí)現(xiàn)對家庭內(nèi)部傳感器與家電相關(guān)控制信息的存儲，因此需要配置數(shù)據(jù)存儲模塊。

1.2 內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

家庭環(huán)境監(jiān)測與控制網(wǎng)絡(luò)主要通過ZigBee傳感控制網(wǎng)絡(luò)，對遠(yuǎn)程PC端利用Internet或WiFi熱點(diǎn)實(shí)現(xiàn)連接，使用戶實(shí)現(xiàn)對家居環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制。在ZigBee終端節(jié)點(diǎn)之上，可以搭載一些常用的控制設(shè)備與傳感器模塊，共同構(gòu)成以ZigBee為基礎(chǔ)的無線控制網(wǎng)絡(luò)。

2 智能家居主機(jī)軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 主機(jī)硬件電路

硬件設(shè)計(jì)內(nèi)容主要有主控芯片S3C2400、串行通信接口電路、電源電路、USB及觸摸屏接口電路、存儲電路等。

2.1.1 主控芯片 S3C2400

S3C2400屬于韓國三星公司設(shè)計(jì)與研發(fā)的一種微處理器，具有體積小、能耗低以及性能高等特征，其中配置了多種常用硬件接口與總線，內(nèi)部集成的GPIO接口和LCD控制其達(dá)到130個之多，中斷控制源60個。

2.1.2 串行通信接口電路

用作PC端串口調(diào)試、主機(jī)全雙工串口通信，主機(jī)和協(xié)調(diào)器間串口通信則可利用交叉串口線實(shí)現(xiàn)連接。S3C2400主要供給了三個通道的異步收發(fā)傳輸器，在程序編寫過程中，需要設(shè)定UART對于CPU所發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸請求的具體方式，配置了串口控制寄存器。

2.1.3 USB 接口電路

這一設(shè)計(jì)當(dāng)中USB端口的作用在于下載程序以及外部USB設(shè)備連接。S3C2400可以支持兩種USB接口：USB Host以及USB Slave。

2.2 主機(jī)Linux操作系統(tǒng)移植

Linux具備內(nèi)核較小、源代碼開放以及內(nèi)核可直供給網(wǎng)絡(luò)支持等優(yōu)勢，對大多數(shù)Linux軟件的開發(fā)都需要以native方式開展，也就是本機(jī)開發(fā)、調(diào)試以及運(yùn)行。但是此種方式一般不適合用在對嵌入式系統(tǒng)中軟件的開發(fā)，可選擇交叉編譯的調(diào)試方式。

2.2.1 Bootloader 移植

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要利用開源U-Boot，將其作為開機(jī)之前的引導(dǎo)和加載程序，需要完成對硬件的初始化處理，使內(nèi)核啟動相關(guān)參數(shù)傳遞至內(nèi)核。

2.2.2 Linux 內(nèi)核移植

需要對頂層Makefile與Flash分區(qū)進(jìn)行預(yù)先修改，同時引用make menuconfig配置內(nèi)核實(shí)現(xiàn)對.config文件的修改。Linux內(nèi)核可以支持S3C2410，其芯片內(nèi)部設(shè)備方面的區(qū)別較小，只需要以S3C2410代碼為基礎(chǔ)做出適當(dāng)?shù)男薷?，便能符合S3C2440的應(yīng)用需求。本次設(shè)計(jì)當(dāng)中的Linux內(nèi)核移植需要更改DM9000網(wǎng)卡驅(qū)動及液晶觸摸屏驅(qū)動，并且配置相應(yīng)的USB外設(shè)驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)內(nèi)核對USB設(shè)備與根文件系統(tǒng)的支持。

2.3 USB驅(qū)動

USB無線網(wǎng)卡驅(qū)動主要包含兩個方面的內(nèi)容：USB驅(qū)動與網(wǎng)卡驅(qū)動。USB設(shè)備主要結(jié)構(gòu)包括USB總線控制器、總線驅(qū)動以及USB驅(qū)動；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備結(jié)構(gòu)則包括媒介層、設(shè)備接口、網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動以及協(xié)議層。因?yàn)閁SB設(shè)備需要完成對熱插拔的支持，因此USB驅(qū)動要對設(shè)備探測函數(shù)進(jìn)行調(diào)動，以實(shí)現(xiàn)對相關(guān)信息的檢測。

3 智能家居無線傳感控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee無線傳感控制

主要利用網(wǎng)拓?fù)渥鳛槠錁湫谓Y(jié)構(gòu)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)中主要由ZigBee協(xié)調(diào)器、路由器節(jié)點(diǎn)以及終端傳感器節(jié)點(diǎn)等部分構(gòu)成。由終端節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對家居環(huán)境溫度、濕度、火焰、人體紅外、煙霧、燈光以及窗簾等部分的控制。

3.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信協(xié)議

智能家居當(dāng)中應(yīng)用頻率較高的傳感器數(shù)據(jù)樣式較多，在應(yīng)用實(shí)踐中，依據(jù)常用設(shè)備類型可以將其分成三個部分：感知型傳感器類、多媒體類以及執(zhí)行控制類。依據(jù)通信數(shù)據(jù)位數(shù)則可分成：開關(guān)量與數(shù)據(jù)量。對于全部終端的子節(jié)點(diǎn)，在加入到傳感器網(wǎng)絡(luò)時，協(xié)調(diào)器將會為其分配一個地址，同時主機(jī)會為其配置一個節(jié)點(diǎn)編號。

以上設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)對家庭室內(nèi)環(huán)境溫度、濕度等相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，主要利用到網(wǎng)絡(luò)分布式方法，在溫度或者濕度過高（亦或是室內(nèi)出現(xiàn)其他環(huán)境異常情況）時，系統(tǒng)將自動將房屋內(nèi)排氣扇、窗簾等設(shè)備打開，實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的調(diào)節(jié)，直至環(huán)境具有良好的適宜程度為止。主要利用嵌入式WiFi模塊來完成對數(shù)據(jù)的無線傳輸，能夠起到節(jié)能降耗的效果。以PC端為依托設(shè)計(jì)出一個具有較強(qiáng)直觀性的界面，人員能夠隨時隨地對室內(nèi)溫濕度等主要環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察。

4 結(jié)束語

總而言之，以嵌入式WiFi物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的無線家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研發(fā)已經(jīng)成為現(xiàn)代家居的重要發(fā)展趨勢之一。作為一名家居設(shè)計(jì)人員，應(yīng)該在日常工作中積極探索，對國內(nèi)外其他企業(yè)的一些先進(jìn)設(shè)計(jì)理念加以借鑒，繼而與我國智能家居發(fā)展的整體情況相結(jié)合，創(chuàng)建出一套更加符合我國國情的智能家居設(shè)計(jì)與研發(fā)體系，為國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)注入源源不斷的活力。