基于Linux系統(tǒng)和ZigBee的智能家居系統(tǒng)方案EEFOCUS

摘要：根據(jù)現(xiàn)代家居的發(fā)展需求，本文提出了一種智能家居系統(tǒng)的整體設計方案,以為核心處理器，Linux嵌入式系統(tǒng)為家居總中心監(jiān)控系統(tǒng)，使用LinuxQt完成了控制程序及人機界面的編寫，采用GPRS通信技術完成了系統(tǒng)的遠程通信及監(jiān)控，組建基于ZigBee無線通信技術的系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡,并完成了對家電的基于統(tǒng)一協(xié)議的控制,實現(xiàn)了家居的智能化。0引言GPRS遠程通信技術和短距離無線網(wǎng)絡GPRS網(wǎng)絡通信GPRS距離不受限制,通信費用相對低廉，傳輸速率較快?！狟ee短距離無線通信技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術，主GPRS遠程通信、ZigBee無線通信、家電解碼及編碼、家居控制協(xié)議等相關技術難點,分析了其各自基本特點和所要實現(xiàn)的基本功能，并在此基礎上提出了基于Linux嵌入式系統(tǒng)和ZigBee網(wǎng)絡及GPRS無線通信的智能家居系統(tǒng)的總體解決方案.1系統(tǒng)整體設計方案連接起來,實現(xiàn)對所有智能家居網(wǎng)絡上設備的遠程使用和控制及任何要求的信息交換，如音樂、門窗、電源、電視或數(shù)據(jù)等等。智能家居網(wǎng)絡的構(gòu)架包括家庭內(nèi)部網(wǎng)絡系統(tǒng)、智能家居控制器以及智能家居網(wǎng)絡與外部網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)通信.其中,智能家居控制器是智能家庭網(wǎng)絡的一個重要組成部分，起到核心的管理、控統(tǒng)有機結(jié)合的一個系統(tǒng),也是連接家庭智能內(nèi)部和外部網(wǎng)絡的物理接口,完成家庭內(nèi)部同外部通信網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)交換功能，同時還負責家庭設備的管理和控制。智能家居控制器一方面需要為家庭內(nèi)部布線提供通信接口，采集家庭設備的信息，并進行處理、自動控制和調(diào)節(jié)；另一方面智能家居控制器作為家庭網(wǎng)關,也為外部提供網(wǎng)絡接口，連通家庭內(nèi)部網(wǎng)絡和外部網(wǎng)絡，使得用戶可以通過GPRS網(wǎng)絡等方式訪問家庭內(nèi)部網(wǎng)絡，實現(xiàn)監(jiān)視和控制。系統(tǒng)控制方案如圖1所示。圖1系統(tǒng)整體控制框圖本系統(tǒng)采用三星公司最新推出的控制芯片為核心控制器，完成所有家庭內(nèi)部數(shù)據(jù)的處理，包括數(shù)據(jù)的采集與控制命令的發(fā)出,是整個智能家居控制的核心，采用Linux嵌入式系統(tǒng)為家居總中心監(jiān)控系統(tǒng),能夠自動運行、處理數(shù)據(jù)，通過串口管理、無線網(wǎng)絡來控制各控制終端，并且中心控制器通過GPRS,控制器還采用10.3LinuxQt完成人機界面的編寫，通過ZigBee無線通信協(xié)議完成家庭內(nèi)部數(shù)據(jù)的傳輸,設備，并通過控制總線將這些小的控制系統(tǒng)組成網(wǎng)絡，連接到智能家居控制器，受智能家居控制器控制。2基于ZigBee無線網(wǎng)絡和統(tǒng)一家電協(xié)議的家居網(wǎng)絡系統(tǒng)2.1整體設計為通信平臺,將家庭的安防系統(tǒng)、門窗控制系統(tǒng)、家電照明系統(tǒng)和能源計量系統(tǒng)用智能手機或者終端實現(xiàn)本地集中控制，也可以通過使用遠程接入Internet網(wǎng)絡總控制層組成.上端總控制層主要是以ARM6410中控系統(tǒng)為核心、利用無線通信結(jié)構(gòu)形成GPRS系，并可以通過手機控制上端總控制層，達到遠程控制的效果。通信功能）的各種不同安防系統(tǒng)、家電控制、家庭照明、家庭安防、溫濕度數(shù)據(jù)采集和通信系統(tǒng)等模塊組成.智能終端層以AT89C51I/O口進行傳感器檢測陣列的信號采集，其中包括紅外人體探測信號、火警探測信號、有毒氣體探測信號、門窗開閉信號等信號的檢測；使用紅外發(fā)射芯片IR6721C芯片進行家電設備控制信號的發(fā)射,可以完成家庭內(nèi)部控制和GPRS1連接無線數(shù)據(jù)傳輸芯片XL02—232AP1,XL02-232AP1是UART接口半雙工無線傳輸模塊。本文采用了加強型的ZigBee無線技術,符合工業(yè)標準應用的無線數(shù)據(jù)通信設備，可實現(xiàn)多設備間的數(shù)據(jù)透明傳輸；通過無線ZigBee進行組網(wǎng)通信；無線功能強大；具備中繼路由和終端設備功能。單個終端硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。圖2終端硬件結(jié)構(gòu)框圖智能終端與中心控制器通過基于ZigBee的無線網(wǎng)絡完成通信，傳輸一個指令的數(shù)據(jù)包由以下幾部分組成：起始編碼bite［0］[1]，地址編碼［2據(jù)類型編碼［4],功能編碼bite[5]，效驗編碼［6,結(jié)束編碼［7]。每個編碼1個字節(jié)，發(fā)送數(shù)據(jù)范圍在0~255之間,不同家庭內(nèi)部的起始編碼都是惟一否為自己接收的數(shù)據(jù)包,是則接收,否則不接收,功能進行校驗，校驗正確，則進行解碼，并且在解碼成功后通過ZigBee的無線指令,否則間隔100ms再次發(fā)生相同指令,確保整個ZigBee的無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信的據(jù)信號完成相應家庭內(nèi)部的控制工作,所以家電設備的控制信號都是由統(tǒng)一的紅外編碼完成的,不同家電的紅外編碼各不相同，必須進行紅外編碼的解碼和重新的編碼，解碼工作利用400MHz的具有存儲功能的高精度示波器采集完成，編碼采用AT89C51I/O口產(chǎn)生對應的脈沖，脈沖輸出測試結(jié)果如圖3所示。圖3AT89C51產(chǎn)生的紅外解碼脈沖2.2GPRS遠程通信設計以為總控制核心，通過GPRS進行遠程數(shù)據(jù)的發(fā)送與處理,使用6410串口2與GPRS進行數(shù)據(jù)通信,可以將家庭內(nèi)部數(shù)據(jù)信息發(fā)送給遠離房間像頭的攝像處理、空調(diào)溫度設置等。GPRS通信模塊安裝在智能家居控制器中，主要功能為通過GPRS網(wǎng)絡連接到Internet網(wǎng)絡，并主動與監(jiān)控中心建立通信鏈路，進行雙向數(shù)據(jù)通信.GPRS通信模塊設計采用了Freescale公司生產(chǎn)的內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議的［8,功耗低，便于集成。GPRS通信終端收發(fā)模塊主要由G24SIMRS2325V，可采用USB端口供電；通過RS232串行口與智能家居控制器ARM進行通信。G24收發(fā)模塊采用AT指令操作，通過RS232串行口進行數(shù)據(jù)通信。GPRS網(wǎng)絡通信原理如下：首先通過SGSN節(jié)點使通信終端模塊附在GPRS網(wǎng)絡上；然后通過GGSN節(jié)點由PPPPointtoPointProtocol）協(xié)議獲得一個隨機分配的IP地址，連接到Internet上;最后通信終端模塊通過Internet，按照監(jiān)控中心設定的端口號與監(jiān)控中心建立通信鏈路。2。3系統(tǒng)軟件系統(tǒng)采用Linux操作系統(tǒng)，Linux內(nèi)核是一種源碼開放的操作系統(tǒng),采用模塊化的設計.在此只保留了必需的功能模塊，刪除了冗余的功能模塊，并對內(nèi)核重新編譯,從而使系統(tǒng)運行所需的硬件資源顯著減少.Linux系統(tǒng)內(nèi)核集成了大量的網(wǎng)絡應用程序，支持全部的標準因特網(wǎng)協(xié)議和幾乎所有的聯(lián)網(wǎng)技術,因此將其應用于智能家居控制器的設計，具有代碼量小、制器對于操作系統(tǒng)的要求。Qt作為一種跨平臺的基于C++的GUI供給用戶構(gòu)造圖形用戶界面的強大功能。本文選用移植性強的Qt軟件設計圖形用戶界面，所設計的GUI實用、簡潔、實現(xiàn)了人機交互，可通過鍵盤或面板對GUI達到了整合系統(tǒng)的目的。在Qt系統(tǒng)中，不僅有著構(gòu)造完善的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且為了滿足用戶對編寫圖形用戶界面應用的種種需求,還創(chuàng)建了許多新的系統(tǒng)機制,其中QtQt應用進程之間通信機制是Signal—Slot機制和FIFO機制.Linux系統(tǒng)不斷偵查本地GUI消息，任何一個Qt消息被觸發(fā)，系統(tǒng)都會立即執(zhí)行相應程序，提高了整個系統(tǒng)的反應速度和穩(wěn)定性,系統(tǒng)軟件設計流程如圖4所示。圖4系統(tǒng)軟件設計流程3結(jié)語整套系統(tǒng)的設計充分利用了的硬件功能和處理速度，成功移植