韓進，楊穎超，秦宏超，劉文武

(山東科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，青島 266590)

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ZigBee及GPRS模塊的智能家居系統(tǒng)設(shè)計*

韓進，楊穎超，秦宏超，劉文武

(山東科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，青島 266590)

基于ZigBee、智能識別及GPRS技術(shù)，以三星公司S3C6440為核心芯片，利用S3C6440核心板模塊、ZigBee模塊及GPRS模塊設(shè)計了一套功能較為完善的智能家居控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要實現(xiàn)人臉智能識別門禁系統(tǒng)、室內(nèi)各種環(huán)境參數(shù)的檢測、GPRS短信通知及局域網(wǎng)異地控制等功能。系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試及優(yōu)化，能夠滿足普通住戶對智能家居的需求，達到了預(yù)期設(shè)計目標。

嵌入式技術(shù)；智能識別；智能家居；ZigBee；GPRS

引 言

現(xiàn)代家居越來越追求高效、便捷、智能理念，不僅僅表現(xiàn)在物理層面上的生存空間，更表現(xiàn)為追求安全、舒適、方便、智能的生活環(huán)境。這使得智能家居系統(tǒng)成為一種強烈的需求。人們越來越重視智能家居系統(tǒng)，家居智能化是大勢所趨。在這種趨勢下，本文給出了一種基于ZigBee、智能識別及GPRS技術(shù)的嵌入式智能家居系統(tǒng)方案[1]。

1 系統(tǒng)方案

本文設(shè)計完成的智能家居管理系統(tǒng)為了完成既定的人臉智能識別門禁系統(tǒng)、室內(nèi)各種環(huán)境參數(shù)的檢測、GPRS短信通知及局域網(wǎng)異地控制等功能，在家庭組網(wǎng)技術(shù)中采用具有近距離、高安全性、低復(fù)雜度、低功耗及低成本優(yōu)點的ZigBee技術(shù)[2]。在遠程網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)中采用成本低、可靠性高、性能優(yōu)良的GPRS技術(shù)。利用這兩種技術(shù)，完全可以對智能家居進行近程及遠程控制，提高了智能家居管理系統(tǒng)的實用性。

本文完成的智能識別家居控制系統(tǒng)是以嵌入式技術(shù)及ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合Internet網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、GPRS無線通信建立起來的智能家居系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 家庭控制子網(wǎng)組建

2.1.1 家居節(jié)點

在智能家居系統(tǒng)中，家居主節(jié)點作為協(xié)調(diào)器，處于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的最上層，完成保證家居設(shè)備節(jié)點之間數(shù)據(jù)信息傳輸及節(jié)點控制等功能，完成的功能相對復(fù)雜，這里采用全能型設(shè)備。

ZigBee模塊作為家居設(shè)備節(jié)點，在各設(shè)備節(jié)點之間組成網(wǎng)絡(luò)，來完成檢測各種室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，進行信號的接收及發(fā)送，以及對數(shù)據(jù)進行處理等功能。用于家居設(shè)備節(jié)點的ZigBee模塊分別完成溫度濕度檢測、煙霧濃度檢測、門磁模擬、紅外對射檢測等功能。根據(jù)這些功能，可以把各個ZigBee模塊設(shè)計為溫度濕度檢測設(shè)備節(jié)點、煙霧濃度檢測節(jié)點及報警信號采集節(jié)點等家居設(shè)備節(jié)點。

家居節(jié)點拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 家居節(jié)點拓撲結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 子網(wǎng)通信協(xié)議

家居設(shè)備節(jié)點和家居主節(jié)點之間必須制定統(tǒng)一的通信協(xié)議，用以識別設(shè)備之間發(fā)送的數(shù)據(jù)所包含的信息。家居主節(jié)點對家居設(shè)備節(jié)點的操作主要有查看設(shè)備節(jié)點的狀態(tài)及對設(shè)備節(jié)點進行功能性的操作等。本次智能識別家居控制系統(tǒng)使用的ZigBee子網(wǎng)通信協(xié)議使用的是ZigBee模塊中默認的子網(wǎng)通信協(xié)議。

2.2 家庭網(wǎng)關(guān)

2.2.1 家庭網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)和功能

家庭控制網(wǎng)絡(luò)需要家庭網(wǎng)關(guān)[3]來與外界進行信息交換，同時對家中設(shè)備進行遠程控制及管理。家庭控制網(wǎng)絡(luò)必須通過家庭網(wǎng)關(guān)才能與外界網(wǎng)絡(luò)進行連接，才能實現(xiàn)遠程控制。家庭網(wǎng)關(guān)應(yīng)具備協(xié)議轉(zhuǎn)換及提供遠程控制接口的功能。

家庭網(wǎng)關(guān)在本智能識別家居控制系統(tǒng)中充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)接口單元的作用，既可以與家庭內(nèi)部子網(wǎng)的設(shè)備進行直接通信，還能與外部Internet進行直接連接。

2.2.2 家庭網(wǎng)關(guān)軟件

家庭網(wǎng)關(guān)軟件系統(tǒng)設(shè)計主要分為用戶界面和程序模塊兩部分。

用戶界面設(shè)計主要體現(xiàn)在智能家居主控界面的設(shè)計。智能家居主控界面使用Qt來進行開發(fā)制作。Qt既可以開發(fā)GUI程序，也可以開發(fā)非GUI程序。良好的封裝機制、signals/slots安全類型、豐富的應(yīng)用程序編程接口等優(yōu)勢，使得用戶開發(fā)變得非常方便快捷。

程序模塊主要完成對整個系統(tǒng)所用功能的模塊劃分及實現(xiàn)，并為用戶界面提供接口支持。這樣的劃模塊設(shè)計使得整個系統(tǒng)具有更強的擴展性和更清晰的結(jié)構(gòu)。本智能識別家居控制系統(tǒng)所涉及的程序模塊的編寫，是由Qt在進行智能家居主控界面設(shè)計時自動生成程序模塊主函數(shù)。

2.3 人臉識別模塊設(shè)計

在本智能識別家居控制系統(tǒng)中，智能識別主要體現(xiàn)在采用先進的人臉識別機制的門禁安防系統(tǒng)。設(shè)計中，使用OpenCV來實現(xiàn)人臉識別的功能。

2.3.1 OpenCV項目配置及文件說明

(1) 相關(guān)項目及UI配置

對Qt進行相關(guān)的項目配置，指定相關(guān)庫文件目錄，利用Qt軟件來制作基于OpenCV的智能門禁系統(tǒng)的UI界面。在UI人機交互界面上添加人臉顯示區(qū)域、顯示系統(tǒng)中存入人臉圖像的區(qū)域及對系統(tǒng)中的存儲的人臉信息進行相關(guān)操作的按鍵，如加入、刪除、上移、下移等，完成UI界面的制作。

(2) 核心代碼編寫

本文設(shè)計的智能識別人臉門禁系統(tǒng)中的人臉識別功能是以人臉信息為基礎(chǔ)來完成的[4]。編碼過程中最核心的部分為添加及刪除授權(quán)人的人臉信息的相關(guān)代碼的編寫。

添加人臉按鍵及刪除人臉按鍵事件的代碼如下：

void MainWidget::on_pushButton_Up_clicked(){

QListWidgetItem *item= listWidget->currentItem();

if(item){

int id=item->text().toInt();

if(id==1) return;

QFile::rename(QString("data/%1.pgm").arg(id),QString("data/tmp.pgm"));

QFile::rename(QString("data/%1.pgm").arg(id-1),QString("data/%1.pgm").arg(id));

QFile::rename(QString("data/tmp.pgm"),QString("data/%1.pgm").arg(id-1));

fresh();

}

}

void MainWidget::on_pushButton_Down_clicked(){

QListWidgetItem *item= listWidget->currentItem();

if(item){

int id=item->text().toInt();

if(id==faceNum) return;

QFile::rename(QString("data/%1.pgm").arg(id),QString("data/tmp.pgm"));

QFile::rename(QString("data/tmp.pgm"),QString("data/%1.pgm").arg(id+1));

fresh();

}

}

2.3.2 OpenCV在ARM上的移植

在ARM上移植OpenCV需要執(zhí)行以下步驟[5]。OpenCV的移植環(huán)境為PC機系統(tǒng)Ubuntu10.10。交叉編譯工具為arm-linux-gcc 4.5.1。對OpenCV壓縮包進行解壓，轉(zhuǎn)到OpenCV目錄，進行相關(guān)配置，然后對其進行編譯安裝。將相關(guān)庫文件移植到嵌入式芯片中，測試移植是否成功。

OpenCV在開發(fā)板上移植成功后即可完成利用攝像頭進行人臉識別的功能。實現(xiàn)了本智能識別家居系統(tǒng)的智能識別功能。

2013年11月，習(xí)近平總書記首次提出“扶貧要精準扶貧”[1]，指出“扶貧要實事求是，因地制宜。要精準扶貧，切忌喊口號，也不要定好高騖遠的目標”。2018年3月，李克強總理在政府工作報告再次強調(diào)了要加大精準扶貧的力度。2015年7月，在國務(wù)院印發(fā)的《關(guān)于積極推進“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導(dǎo)意見》中，“互聯(lián)網(wǎng)+”現(xiàn)代農(nóng)業(yè)作為11個方面的具體行動之一提了出來。將現(xiàn)代信息技術(shù)引入農(nóng)業(yè)，大力發(fā)展智能農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式、運作模式和銷售模式，積極探索“互聯(lián)網(wǎng)+”現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的有效途徑，激發(fā)內(nèi)部活力，實施精準扶貧，實現(xiàn)精準脫貧。

2.4 GPRS模塊設(shè)計

GPRS[6]在智能家居安防系統(tǒng)中在如下情況下將會向用戶發(fā)送短消息：如果家里有安全隱患時，需通過GPRS網(wǎng)絡(luò)向用戶發(fā)送短信，以便用戶及時處理。本文根據(jù)相關(guān)ARM體系結(jié)構(gòu)進行編程[7]。

GPRS模塊的主要軟件編程如下：

void gprs_msg(char *number, int num){

printf("*******************gprs_msg start write sensor:%d***************** ",num);

tty_writecmd(gprs_fd, "AT", strlen("AT"));

tty_writecmd(gprs_fd, "AT+CMGF=1", strlen("AT+CMGF=1"));

//發(fā)送修改字符集命令

tty_write(gprs_fd, "AT+CMGS=", strlen("AT+CMGS=")); //發(fā)送發(fā)短信命令

tty_write(gprs_fd, """, strlen("""));

tty_write(gprs_fd, number, 11);

tty_write(gprs_fd, """, strlen("""));

tty_write(gprs_fd, "; ", strlen("; "));

sensor=num;

}

void gprs_baud(char *baud,int num){

tty_write(gprs_fd, "AT+IPR=", strlen("AT+IPR="));

tty_writecmd(gprs_fd, baud, strlen(baud) );

usleep(200000);

}

3 調(diào)試結(jié)果

經(jīng)過一系列軟硬件設(shè)計及軟件調(diào)試，基于S3C6440嵌入式芯片及外部模塊電路的智能識別家居控制系統(tǒng)設(shè)計完成，并較好地實現(xiàn)了既定的目標。具體的調(diào)試結(jié)果如下。

外部模塊各ZigBee節(jié)點信息如圖3所示；智能家居主控界面如圖4示。

圖3 ZigBee節(jié)點信息

圖4 智能家居主控界面

人臉識別通過時，智能家居相關(guān)功能激活，如圖5所示；人臉識別未通過時，智能家居的相關(guān)功能未激活，如圖6所示。

圖5 智能家居功能激活界面

圖6 智能家居功能未激活界面

局域網(wǎng)異地控制客戶端如圖7所示。

Intelligent Home System Design Based on ZigBee and GPRS Module

Han Jin, Yang Yingchao, Qin Hongchao, Liu Wenwu

(School of Information Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590,China)

Based on ZigBee, intelligent identification and GPRS technology, Samsung S3C6440 chip as the core chip, using S3C6440 core board module, ZigBee module and GPRS module, a set of relatively complete intelligent home control system is designed and implemented. This system mainly completes face intelligent identification entrance guard system, all sorts of indoor environmental parameter detection, GPRS SMS and LAN long-distance control and other functions. After debugging and optimization, system can meet the needs of ordinary residents of smart home, achieving the desired design goal.

embedded technology; intelligent recognition; intelligent household; ZigBee; GPRS

* 國家自然科學(xué)基金(No.41072212)；青島經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)重點科技發(fā)展計劃項目(2013-1-62)；山東科技大學(xué)研究生教育創(chuàng)新計劃(KDYC13012)。

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