摘 要： 智能家居系統(tǒng)是利用嵌入式技術(shù)和無線傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的遠(yuǎn)程監(jiān)控。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)高效、舒適、安逸的生活方式的渴望與日俱增。相關(guān)傳感器的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化極大推進(jìn)了智能家居的實(shí)現(xiàn)進(jìn)程。該文以S3C6410為主控單元的核心處理器，使用ZigBee無線通信模塊實(shí)現(xiàn)ZigBee終端與各個(gè)功能模塊之間的相互通信，通過嵌入式操作系統(tǒng)將各個(gè)部分有機(jī)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

關(guān)鍵詞： 智能家居； 嵌入式技術(shù)； 無線傳感器技術(shù)； ZigBee； 操作系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TN926?34； TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）10?0159?03

Design and implementation of S3C6410?based remote monitoring system for smart home

ZHANG Yu， YAO Kaixue， HE Yong， BI Ganbin

（College of Computer Sciences Technology， Guizhou University， Guiyang 550000， China）

Abstract： The embedded technology and wireless sensor technology are adopted in the smart home system to achieve the remote monitoring of home appliances. With the rapid development of Internet of Things technology， people's desire for high efficiency， comfort and ease life style is increasing. The standardization and modularization of the related sensors greatly have propelled the progress of the smart home. The SΛmsung S3C6410 is used as the core processor of the main control unit. ZigBee wireless communication module is used to achieve mutual communication between ZigBee terminal and every function module. The embedded operating system is used for the organic combination of various parts in the monitoring system to realize the remote control of home appliances.

Keywords： smart home； embedded technology； wireless sensor technology； ZigBee； operating system

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，加快了我國信息化的腳步。這些高科技技術(shù)已經(jīng)開始慢慢影響到人們生活的各個(gè)方面，人們對(duì)高效、安全、舒適輕松的家居生活的渴望與日俱增[1]。隨著傳感器使用量增加、價(jià)格和功耗的下降，以及傳感器標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，給智能家居的實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)帶來極大的方便[2]。本文主要是利用嵌入式技術(shù)和無線傳感器技術(shù)去實(shí)現(xiàn)智能家居控制系統(tǒng)。

1 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee技術(shù)是一種新興的、短距離、低速率、低功耗、低成本、自組網(wǎng)、低復(fù)雜度、安全可靠、高擴(kuò)展性的雙向無線通信技術(shù)[3]。它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)。ZigBee的基礎(chǔ)是IEEE 802.15.4，這是IEEE無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（Personal Area Network，PAN）工作組的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，被稱作IEEE 802.15.4 ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，通信距離一般在100 m范圍內(nèi)，主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，支持地理定位功能[4?5]。

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功率損耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率、低成本的新興雙向無線通信技術(shù)，在無線定位、數(shù)據(jù)傳輸、傳感網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用領(lǐng)域具有不可替代的優(yōu)勢(shì)[6]。

2 智能家居系統(tǒng)整體框圖

智能家居是以住宅為研究對(duì)象，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)等，將家庭生活相關(guān)的家用電器有機(jī)結(jié)合在一起，讓家庭生活更加方便、快捷、舒適[7?8]。

智能家居系統(tǒng)三個(gè)主要的組成部分包括：主控制器（智能網(wǎng)關(guān)）、ZigBee通信模塊、手機(jī)終端/云端。智能網(wǎng)關(guān)作為智能家居的中心，主要作用是負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行和信息處理，實(shí)現(xiàn)ZigBee模塊與手機(jī)終端/云端的通信。ZigBee模塊是智能家居系統(tǒng)中各個(gè)功能模塊與智能網(wǎng)關(guān)之間信息的交流，手機(jī)終端/云端是實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)家用電器的遠(yuǎn)程控制。

本文的智能家居系統(tǒng)主要是以三星的S3C6410為主控制器；ZigBee模塊通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行各個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部之間的通信，其采用的是德州儀器（Texas Instruments）的CC2530 芯片[9]，通過嵌入式操作系統(tǒng)將各個(gè)功能模塊與其他部分有機(jī)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的智能控制。整個(gè)系統(tǒng)如圖1所示。

智能家居系統(tǒng)以三星的S3C6410處理器為核心，集合各種傳感器（溫/濕度傳感器，煙霧傳感器，PM2.5傳感器）及各種開關(guān)控制（如門磁，電視、空調(diào)等的紅外遙控）。由此簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)家居中的布線技術(shù)、不容易改造等方面，而且大大降低成本。智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)利用手機(jī)/平板、電腦等終端通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送控制信息到終端節(jié)點(diǎn)。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)將采集到的傳感器數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送至ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器作為中轉(zhuǎn)結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)送至嵌入式智能網(wǎng)關(guān)。智能網(wǎng)關(guān)具有分析、處理、轉(zhuǎn)發(fā)等功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)命令的控制。另外用戶也可以通過云端應(yīng)用或者手機(jī)應(yīng)用發(fā)送指令到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)分析指令并把指令發(fā)送至ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過無線技術(shù)把指令發(fā)送至ZigBee節(jié)點(diǎn)，并且ZigBee節(jié)點(diǎn)去執(zhí)行指令返回操作結(jié)果。手機(jī)應(yīng)用通過智能家居與網(wǎng)關(guān)可以輕松控制到家中的電器，而且智能網(wǎng)關(guān)集合了無線路由器功能，在家中隨時(shí)隨地享受暢游網(wǎng)絡(luò)的快樂。

3 智能家居系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

硬件部分是整個(gè)系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)，它提供了軟件的運(yùn)行平臺(tái)和通信接口。

3.1 智能網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)

智能網(wǎng)關(guān)是智能家居系統(tǒng)的核心控制單元，是實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)通信的橋梁。智能網(wǎng)關(guān)的硬件主要包括微處理器、存儲(chǔ)器以及外圍功能電路。

本智能家居智能網(wǎng)關(guān)主要由核心板和相關(guān)的外圍電路組成。核心板集成了100M以太網(wǎng)芯片，兩片16位的128 MB Mobile DDR 內(nèi)存、1 GB的NAND FLASH、S3C6410處理器、電源管理單元等功能電路。外圍電路主要有：以太網(wǎng)模塊、紅外模塊、存儲(chǔ)器模塊等。智能家居網(wǎng)關(guān)的硬件框圖如圖2所示。

3.2 ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件框圖

ZigBee無線通信模塊在智能家居系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用。ZigBee模塊采用美國德州儀器的CC2530芯片，CC2530具有一個(gè)IEEE 802.15.4兼容無線收發(fā)器。RF收發(fā)器是ZigBee設(shè)備的核心，任何ZigBee設(shè)備都要有RF收發(fā)器。它與用于廣播的普通無線收發(fā)器的不同之處在于體積小，功耗低，支持電池供電的設(shè)備。它主要進(jìn)行信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)、發(fā)送和接收等。ZigBee模塊由協(xié)調(diào)器和多個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)組成，為智能家居系統(tǒng)提供無線數(shù)據(jù)傳輸功能。ZigBee模塊還包括存儲(chǔ)器、晶振、串口等器件。ZigBee模塊硬件框圖如圖4所示。

4 智能家居的軟件架構(gòu)

智能家居軟件部分分為三層：ARM平臺(tái)智能網(wǎng)關(guān)、服務(wù)、智能終端。以ARM11為平臺(tái)的智能網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)傳感器的數(shù)據(jù)采集和控制，配置與云服務(wù)器的交互、與智能手機(jī)的交互系統(tǒng)管理，包括網(wǎng)關(guān)配置、日志記錄、網(wǎng)關(guān)初始化、啟動(dòng)和管理上述功能服務(wù)、重啟網(wǎng)關(guān)等。

傳感器服務(wù)按照串口協(xié)議，解析ZigBee模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)包，從而獲取傳感器數(shù)據(jù)；同時(shí)把云端、PAD/智能手機(jī)的控制命令按照串口協(xié)議封裝起來，由ZigBee模塊傳遞給傳感器。手機(jī)服務(wù)負(fù)責(zé)與智能手機(jī)的通信交互，響應(yīng)智能手機(jī)的命令請(qǐng)求，包括查詢傳感器狀態(tài)、數(shù)據(jù)、控制傳感器、設(shè)置傳感器相關(guān)參數(shù)和配置智能網(wǎng)關(guān)。服務(wù)與應(yīng)用之間用Json數(shù)據(jù)包的形式進(jìn)行交互。云端交互服務(wù)負(fù)責(zé)與PC端服務(wù)器的交互，接收PC端的控制請(qǐng)求，包括查詢傳感器狀態(tài)、數(shù)據(jù)、控制傳感器、設(shè)置傳感器參數(shù)和配置智能網(wǎng)關(guān)。云端服務(wù)與PC端應(yīng)用之間使用Json數(shù)據(jù)包進(jìn)行交互。如圖5所示。

手機(jī)應(yīng)用/云端應(yīng)用通過Socket發(fā)送Json格式的數(shù)據(jù)包與智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。手機(jī)應(yīng)用/云端應(yīng)用發(fā)送數(shù)據(jù)包指令至智能網(wǎng)關(guān)，智能網(wǎng)關(guān)分析數(shù)據(jù)包指令，分析數(shù)據(jù)包指令屬于查詢請(qǐng)求?請(qǐng)求結(jié)果、控制請(qǐng)求?控制結(jié)果和心跳包中的哪一種請(qǐng)求。按照分析后的結(jié)果發(fā)送指令到ZigBee協(xié)調(diào)器，直至到ZigBee終端節(jié)點(diǎn)。命令執(zhí)行完畢后，把結(jié)果按照命令執(zhí)行的過程返回到云端應(yīng)用/手機(jī)應(yīng)用。

5 系統(tǒng)測(cè)試

ZigBee終端節(jié)點(diǎn)通信測(cè)試包括信號(hào)強(qiáng)度與丟包率的測(cè)試。信號(hào)強(qiáng)度與丟包率的測(cè)試是在室內(nèi)環(huán)境測(cè)試，距離分別有1 m，5 m，7 m，10 m，15 m。

圖6是信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果，圖7是丟包率的測(cè)試結(jié)果，其中15 m是穿墻測(cè)試的結(jié)果。終端節(jié)點(diǎn)A、終端節(jié)點(diǎn)B是自己焊制的模塊。在實(shí)際測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)：室內(nèi)無隔墻的情況下各ZigBee模塊通信信號(hào)較為穩(wěn)定，丟包率幾乎為0，信號(hào)強(qiáng)度平均在-70 dB左右。穿墻情況：根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，自主研發(fā)模塊穿墻丟包率比無線龍模塊的丟包率大。觀察數(shù)據(jù)可知：ZigBee信號(hào)傳輸受穿墻影響大，在10 m的范圍內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度在-70～-80 dB之間節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度與丟包率幾乎差不多。但是在穿墻的條件下，信號(hào)強(qiáng)度越弱，丟包率就比較大。因此，在居家小范圍內(nèi)ZigBee的信號(hào)傳輸還是相對(duì)可靠的，自主研發(fā)的模塊還有待改進(jìn)，工藝上的提高會(huì)使ZigBee的通信質(zhì)量進(jìn)一步的提高。

6 結(jié) 語

本文提出了基于S3C6410的新型智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，完成了硬件和軟件的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了空調(diào)、燈帶、溫/濕度、煙霧等家居的遠(yuǎn)程智能控制，通過ZigBee無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了低成本、低功耗、高可靠性的近距離傳輸方案，與傳統(tǒng)有線的智能家居相比，本系統(tǒng)有易于實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展、方便實(shí)用、成本低廉的優(yōu)勢(shì)。隨著該技術(shù)在智能家居市場(chǎng)的推廣，這個(gè)系統(tǒng)將有良好的應(yīng)用前景。

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