基于C 語言的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設計和實現

宋蕊

（黃河水利職業(yè)技術學院 電氣工程學院，河南開封，475004）

隨著人們生活水平的不斷提升，對家居生活各方面功能也提出越來越高的要求，信息技術被廣泛應用于人們生活的方方面面，尤其近年來應運而生的物聯(lián)網技術，更是一步步改變了人們理想的智能家居生活方式[1]。智能家居運用先進無線通信技術、計算機技術、傳感器技術、網絡技術，有機結合生活相關家居設備，實現集中管理創(chuàng)造舒適度較高的智能居住環(huán)境。作為一個新興產業(yè)，有著巨大的消費市場潛力，智能家居系統(tǒng)早在歐美等發(fā)達地區(qū)有比較成熟的技術經驗，可是國內智能家居系統(tǒng)依然處于發(fā)展階段，將從實際出發(fā)提出基于C 語言的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)思路，這對于我國智能家居市場的未來技術發(fā)展有重大意義。

1 總體設計方案

■1.1 設計思路

智能家居監(jiān)控系統(tǒng)具備低能耗、智能化的技術特點，包括寬帶上網、設備監(jiān)控、遠程管理功能，通過基于家庭網關搭建嵌入式Linux 操作系統(tǒng)軟件平臺，利用以太網與WiFi接口滿足智能家居監(jiān)控聯(lián)網需求，在ZigBee 技術下采集家居設備相關信息，搭建數據庫統(tǒng)一管理設備信息，設計相應功能模塊響應用戶家居設備管理功能[2]。

■1.2 系統(tǒng)架構

根據上述分析智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的設計功能需求思路，圖1 為本次設計該系統(tǒng)的總架構，包括家庭網關、家庭內部控制網絡、家庭內部數據網絡、家庭外部網絡。系統(tǒng)的核心組成為家庭網關，經串口連接ZigBee 協(xié)調器，能夠運用ZigBee 技術構建家庭內部控制網絡，與各家居設備相連接，經USB 口與無線通信模塊相連接，與外部無線網相接實現遠程監(jiān)控[3]。

圖1 系統(tǒng)總體方案框圖

■1.3 系統(tǒng)模塊劃分

本次設計總體方案中，所要實現重中之重即家庭控制網絡與家庭網關，通過網關各模塊實現家庭控制網絡各功能，所以設計家庭網關作為本次設計的重點工作。利用網關ZigBee 協(xié)調器完成系統(tǒng)軟件設計，負責智能控制家居設備與信息上報功能，那么家庭網關就要負責信息處理模塊及時處理網關上報具體信息，達到有線、無線撥號模塊，搭設Web 服務器、數據庫，劃分系統(tǒng)包括用戶登錄、設備查詢、設備控制、設備添加、注銷模塊以上幾部分，實現智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的遠程管理功能[4]。

2 系統(tǒng)硬件設計

本次系統(tǒng)設計智能家居控制系統(tǒng)的硬件結構（見圖2），包括以下模塊：

圖2 家庭網關硬件結構圖

■2.1 處理器模塊

在智能家居監(jiān)控系統(tǒng)家庭網關硬件設計中，處理器模塊作為重點設計內容，由于考慮到系統(tǒng)功能復雜性，家庭網關需要滿足監(jiān)控需求的同時，后續(xù)還要向綜合平臺方向發(fā)展，因此本次設計選用OMAP3530 雙核處理器，此處理器有著功能低、性能高的技術優(yōu)勢，具備了高級數字信號處理技術，600Hz處理內核、圖形引擎與視頻加速器，還可以為系統(tǒng)研發(fā)人員提供完善軟件開發(fā)外設平臺[5]。

■2.2 WCDMA 無線通信模塊

為了達到本次設計該智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的家庭網關無線接入，經USB 接口連接處理器芯片，并選用目前在無線通信網絡制式中最高通信速率的SIM5218A 模塊，能夠成功集成GSM、WCDMA、GPRS、EDGE 解決方案套片。不僅可以支持傳統(tǒng)操作指令控制監(jiān)控系統(tǒng)各功能模塊，還可以實現USB 接口、SIM 卡、UART 異步串口等聯(lián)網、語音控制、數據等功能[6]。

■2.3 ZigBee 協(xié)調器模塊

ZigBee 技術作為繼Bluetooth 之后提出的無線傳感器網絡新技術，具備了低功耗、短距離、低成本的應用優(yōu)勢，有自己的無線電標準，能夠在多個微小傳感器之間實現信息的相互協(xié)調傳遞，基于ZigBee 聯(lián)盟開發(fā)通信標準，能夠實現多達65000 個無線節(jié)點組成無線網絡平臺[7]。應用本次智能家居監(jiān)控系統(tǒng)中，可以經串口連接處理器芯片，實現無線控制網絡組網，提供設備各節(jié)點與網關通信。

■2.4 交換機模塊

該模塊可以實現連接各家居設備同步上網，選用IP175D交換芯片，集成6端口IP交換控制器、以太網收發(fā)器、RMII 接口[8]，有著強大的QoS 功能，可以實現流量策略與靈活隊列調度，能夠支持端口和標簽VLAN，在防火墻、路由器、IGMP、IEEE802.1Q 等場合。

3 系統(tǒng)軟件設計

根據上述系統(tǒng)設計總思路，系統(tǒng)軟件設計核心關鍵在于家庭網關、寬帶聯(lián)網、遠程管理、無線控制等家居設備智能控制。選用嵌入式Linux 操作系統(tǒng)開發(fā)平臺，C 編程語言基礎上，構造家庭網關軟件方案，該嵌入式平臺的分層結構，其中UBoot、XLoader 實現初始化硬件設備，建立內存空間映射圖，為實時調用操作系統(tǒng)做好準備。操作系統(tǒng)Linux內核應當支持USB、串口、以太網驅動。在應用層負責系統(tǒng)可實現的業(yè)務，根據系統(tǒng)功能需求實現撥號、設備信息處理、遠程管理、數據庫各功能模塊。底層驅動以UBoot、XLoader、以太網、串口實現，應用層的軟件功能模塊。

■3.1 用戶登錄

遠程用戶想要遠程管理智能家居，經互聯(lián)網、Web 瀏覽器方式登錄家庭網關，所需用戶授權，經用戶登錄模塊向遠程用戶發(fā)送登錄界面，發(fā)送包括用戶名與密碼信息的登錄請求，網關服務器在對用戶信息分辨后響應登陸請求，在數據庫內查詢用戶名與登錄密碼的正確與否，正確就同意，錯誤就拒絕。

■3.2 設備控制

設備控制包括處理器設備控制模塊及協(xié)調器設備控制模塊兩個子模塊，在家庭網關內可以和設備控制響應模塊共同控制家居設備，這也作為無線控制設計中的關鍵所在。用戶在請求遠程控制家居設備時，網關處理器設備執(zhí)行控制程序，對用戶的家居設備控制請求進行解析，以用戶的控制請求內容為依據，在網關數據庫內查找設備控制的相關信息，對控制需求的合法性與設備ID 號仔細檢查，生成控制指令并向網關串口發(fā)送控制指令。網關ZigBee 協(xié)調器設備控制程序，經串口利用無線網發(fā)送所接收設備控制指令，各自ZigBee 節(jié)點接收指令，起動設備控制程序，向各家居設備發(fā)送完成編譯處理的控制指令，經空中接口將各ZigBee 節(jié)點的執(zhí)行情況反饋至ZigBee 協(xié)調器。向網關處理器經串行口發(fā)送智能家居的控制結果，各網關處理器設備信息上報響應程序，對串口實時監(jiān)測在數據庫內寫入控制結果信息。之后Web 服務器可以向遠程用戶發(fā)送控制結果信息，這樣即可在瀏覽器界面遠程看到控制結果。

■3.3 設備查詢

該功能模塊主要負責對用戶向網關發(fā)送查詢請求的實時接收，向數據庫轉發(fā)此請求，之后數據庫可以向設備查詢模塊反饋家居設備的目前信息與狀態(tài)信息，經Web 服務器轉發(fā)給遠程用戶，能夠讓用戶遠程了解智能家居設備的具體運行情況。例如用戶可以遠程調用監(jiān)控攝像頭對家中兒童、老人的情況實時查看，或者查看照明設備、空調等設備狀態(tài)情況?？刂平Y果信息同時通過 Web 服務器分發(fā)給遠程用戶，遠程用戶將就會在瀏覽器界面上看到控制的結果。

■3.4 設備注銷

此模塊主要實現了智能家居控制網絡拆除其中某個設備時，可以在系統(tǒng)中刪除該設備的相關數據庫信息，經Web 瀏覽器人機接口界面發(fā)起設備注銷請求，網關服務器即可執(zhí)行此程序，向數據庫發(fā)送設備查詢指令，在數據庫內刪除此設備，向用戶反饋查詢刪除結果。

■3.5 注冊信息響應

此模塊主要經ZigBee 控制網絡所發(fā)來的設備注冊信息執(zhí)行功能，具體過程為處理器注冊信息響應模塊、協(xié)調器注冊信息響應模塊，通過觸發(fā)這兩模塊響應，均經無限控制網絡設備注冊模塊，將注冊信息成功發(fā)送至網關。此模塊的詳細過程為：設備開機并定期注冊更新，這時家居設備可以經ZigBee 端節(jié)點，執(zhí)行設備注冊程序向ZigBee 協(xié)調器發(fā)送自身注冊信息。之后成功啟動ZigBee 協(xié)調器的注冊信息響應程度，經串行口可以向家庭網關處理器發(fā)送注冊信息。然后經家庭網關處理器執(zhí)行注冊信息響應程序，可以對串口數據實時讀取，這時可以發(fā)現此串口信息是否作為設備注冊信息，如果確認則在網關服務器存儲信息，這樣用戶即可應用智能家居系統(tǒng)實時查看管理設備。

■3.6 信息上報響應模塊

在此系統(tǒng)信息上報響應模塊中，主要實現了處理器設備信息上報響應功能，與協(xié)調器設備信息上報響應功能，以這兩個功能模塊執(zhí)行響應操作，可以成功向網關發(fā)送設備狀態(tài)更改信息。具體過程為：在改變設備發(fā)送狀態(tài)情況下，家居設備可以經ZigBee 端節(jié)點相關設備信息，將自身狀態(tài)信息向ZigBee 協(xié)調器中上報程序，并經串行口向家庭網關處理器發(fā)送設備狀態(tài)信息。家庭網關處理器設備信息的上報響應程序，可以對串口數據實時讀取，一旦發(fā)現此串口信息更改設備狀態(tài)相關信息，可以在網關服務器數據庫中存儲設備狀態(tài)信息。

■3.7 撥號模塊

撥號模塊包括兩種：有線撥號模塊、無線撥號模塊。其中有線撥號模塊本文采用的是交叉編譯已有的有線撥號軟件，來完成有線撥號功能，在此就不做詳細的設計。而無線撥號模塊是通過編寫撥號腳本。來建立家庭網關、5G 網絡、Internet 之間的連接。

4 系統(tǒng)實現

開發(fā)嵌入式Linux 系統(tǒng)一般經過以下過程：建立交叉編譯環(huán)境、配置編譯內核、系統(tǒng)引導程序BootLoader、建立根文件系統(tǒng)。通過在此平臺生成可執(zhí)行代碼，本文采用C語言編程，在PC 端完成代碼編譯，經調試器下載至目標平臺中調試運行，那么在開發(fā)嵌入式系統(tǒng)前，就要安裝負責指定操作系統(tǒng)的PC 端為宿主機，設計相應C 編程語言完成操作系統(tǒng)安裝，其中一段C 編程語言示例如下：

在該系統(tǒng)C 編程語言調試階段，均基于SD 卡上完成，所以設計FAT、EXT32，在各區(qū)分別拷貝C 編程語言程序，分區(qū)支持系統(tǒng)功能即通過C 編程語言搭建智能家居控制系統(tǒng)軟件平臺。

5 結語

總而言之，本次完成基于C 語言的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設計，實現了用戶登錄、設備查詢、設備控制、設備添加、注銷模塊等功能模塊，采用C 語言編程，在PC 端完成代碼編譯，經調試器下載至目標平臺中調試運行，實現家庭網關能夠同步智能家居的監(jiān)控信息，在系統(tǒng)數據庫內存入此類狀態(tài)監(jiān)控信息。