衡陽師范學院物理與電子工程學院 許岳兵

衡陽師范學院初等教育學院 何燁雯

衡陽師范學院物理與電子工程學院 譚岳衡

基于ARM和ZigBee的智能家居系統(tǒng)的設計

衡陽師范學院物理與電子工程學院 許岳兵

衡陽師范學院初等教育學院 何燁雯

衡陽師范學院物理與電子工程學院 譚岳衡

針對智能家居系統(tǒng)布線復雜、擴展性差、應用成本高等缺點，設計了一款基于ARM和ZigBee技術的智能家居系統(tǒng)。系統(tǒng)以三星Exynos4412為控制核心，移植了Linux 操作系統(tǒng)和Boa 服務器，采用ZigBee無線模塊組建了家庭內(nèi)部網(wǎng)，通過4G無線模塊接入Internet，實現(xiàn)了智能家居系統(tǒng)的遠程監(jiān)控。

智能家居系統(tǒng)；Exynos4412；CC2630；ME3760

1.引言

智能家居又稱智能住宅，融合了計算機技術、網(wǎng)絡通訊技術和傳感器技術于一體的智能化家居控制系統(tǒng)。國外的智能家居系統(tǒng)發(fā)展較快，美國的X-10系統(tǒng)，德國的EIB系統(tǒng)和新加坡的8x系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)在國內(nèi)應用較少，系統(tǒng)架構、靈活性、價格等方面難以滿足要求。國內(nèi)的智能家居起步較晚，但一些企業(yè)也推出了不少好產(chǎn)品，如清華同方的e-Home數(shù)字家園，海爾U-Home家電和海信DNet-home數(shù)字家庭等。這些系統(tǒng)基于有線方案，布線麻煩，增減設備需要重新布線；同時依靠PC機進行管理，升級和維護不方便。因此，本文設計了一款低成本、高性能的智能家居系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2.系統(tǒng)總體設計方案

系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)由Exynos4412 ARM控制平臺、USB攝像頭、ZigBee通信電路、LCD觸摸屏、4G通信模塊和聲光報警電路等構成。圖中檢測電路由傳感器陣列組成，利用傳感器檢測室內(nèi)溫濕度、亮度、可燃氣體泄漏、煙霧和盜賊入侵等情況?？刂齐娐穼崿F(xiàn)對家用電器的控制，包括對空調(diào)、電視、熱水器、LED燈、加濕器、門窗等的開啟和關閉。系統(tǒng)以ARM平臺為控制中心，利用USB攝像頭采集視頻，ZigBee無線網(wǎng)絡連接檢測電路和控制電路，通過4G通信模塊接入網(wǎng)絡，當家庭內(nèi)部發(fā)生煤氣泄漏或火災等危及生命財產(chǎn)的安全事故時，系統(tǒng)自動報警。用戶也可以使用遠程終端登錄ARM平臺上的web服務器，實時查看家庭內(nèi)部的監(jiān)控情況或發(fā)送控制命令，實現(xiàn)對家庭內(nèi)部各種家居設備的監(jiān)控及管理。

3.系統(tǒng)硬件電路的設計

系統(tǒng)硬件電路包括ARM平臺、ZigBee模塊、4G通信模塊和傳感器檢測電路等。系統(tǒng)ARM平臺由三星Exynos4412主處理器、1G DDR3內(nèi)存、4GB eMMC高速閃存及其他外圍電路構成，具有mini PCI-E接口、2路RS232 UART串口、4路TTL UART接口、4路I2C接口和1路USB2.0接口等，支持4G通信模塊。Exynos4412四核處理器基于ARM Cortex-A9內(nèi)核，主頻高達1.4～1.6GHz，ARMv7指令集，采用128/64位內(nèi)部總線結構。一級緩存用于數(shù)據(jù)和指令的容量都是32 KB，二級緩存容量為1024 KB，運算性能十分突出。

ZigBee模塊采用TI公司的CC2630，集成符合2.4GHz IEEE 802.15.4的無線收發(fā)器，含有32位ARM Cortex-M3處理器，128KB閃存，8KB RAM，12位ADC，多達31個通用I/O接口，具有I2C、UART等外設接口，具有低MCU電流、有源RF和低功耗模式，可使用紐扣電池供電。ZigBee協(xié)調(diào)器模塊通過UART接口與ARM平臺連接，通過2.4G無線通信與ZigBee節(jié)點控制器模塊實現(xiàn)通信。

4G通信模塊采用中興公司的ME3760，是一款Mini PCI-E接口的LTE 模塊，支持4GTDD-LTE/FDD-LTE網(wǎng)絡、全頻段，理論上支持最大100 Mb/s下行，50 Mb/s上行的數(shù)據(jù)傳輸速率，完全滿足系統(tǒng)的設計要求。ME3760模塊通過Mini PCI-E接口與ARM平臺連接，通過串口AT指令實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

溫濕度傳感器采用Sensirion公司SHT31，具有I2C接口，電壓輸出。SHT31通過I2C接口與ZigBee節(jié)點控制器模塊連接。亮度檢測采用光敏電阻，由于室內(nèi)亮度的改變會引起光敏電阻阻值的變化，從而引起其在電路中電壓值的變化，通過ZigBee節(jié)點控制器模塊的12位A/D采集光敏電阻兩端電壓值，實現(xiàn)室內(nèi)亮度的采集。煤氣檢測傳感器采用MQ4，對甲烷的靈敏度較高。煙霧傳感器采用MQ2，其電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大，將電導率的變化轉換為與氣體濃度相對應的輸出信號。熱釋紅外傳感器采用基于紅外線技術的HR-SR501，可靠性強，靈敏度高，超低電壓工作模式。

4.系統(tǒng)軟件的設計

系統(tǒng)軟件的設計主要包括Linux操作系統(tǒng)的移植，Web服務器的設計，ZigBee程序設計，視頻采集程序設計和4G通信程序設計等。

Linux操作系統(tǒng)的移植首先需要搭建交叉編譯環(huán)境。PC機安裝的是Ubuntu16.04操作系統(tǒng)，ARM平臺的Bootloader引導程序和內(nèi)核在PC機上交叉編譯后，下載到目標板上運行。本文采用的交叉編譯器為arm-linux-gcc-4.5.1，下載、解壓，把arm-linux路徑添加到環(huán)境變量PATH中，保存退出即可。然后進行Bootloader移植，Bootloader類似于PC機的BIOS，引導加載程序。本文采用u-boot-2015.10.tar.bz2，下載、解壓，修改Makefile文件，指定交叉編譯工具鏈。修改相似的BOARD配置，使其支持Exynos4412 CPU，編譯運行。最后進行內(nèi)核移植，系統(tǒng)Linux內(nèi)核版本為3.5.0，在內(nèi)核配置時，完成對串口、USB攝像頭和4G通信模塊等驅動的配置，并對YAFF2S根文件系統(tǒng)進行配置，保存退出。執(zhí)行命令make uImage，編譯完成后，在arch/arm/boot目錄下生成了內(nèi)核鏡像文件uImage，把這個文件燒寫到目標板上運行，就可以看到Linux的啟動信息了。

Web 服務器采用Boa服務器，利用CGI 技術可以實現(xiàn)對家居設備的監(jiān)控。Boa服務器的移植步驟：修改Makefile文件，指定交叉編譯工具鏈；修改boa.conf文件，配置相關目錄，包括修改Group開放用戶組的限制，配置HTML文件存放目錄，修改ScriptAlias配置CGI腳本的存放目錄，修改mime.type文件的存放目錄；在制作好的根文件系統(tǒng)下創(chuàng)建相應的目錄，將上述文件拷貝到對應的目錄。當Boa服務器接收到用戶的請求時，CGI 程序就處理瀏覽器發(fā)過來的參數(shù)，生成HTML頁面，為用戶提供瀏覽。

ZigBee程序設計包括協(xié)調(diào)器節(jié)點和節(jié)點控制程序。本文采用TI公司的Z-STACK 協(xié)議棧，調(diào)用系統(tǒng)提供的API接口來開發(fā)應用程序。ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點負責建立和維護無線網(wǎng)絡的運行，向節(jié)點控制發(fā)送控制指令和接收傳感器采集的信息，通過串口發(fā)送給ARM平臺。ZigBee節(jié)點控制將傳感器采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點，同時接收協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送過來的控制指令。當傳感器節(jié)點和ARM平臺沒有數(shù)據(jù)請求時，節(jié)點控制進入休眠模式；當有數(shù)據(jù)請求時，實時完成數(shù)據(jù)采集并發(fā)送至協(xié)調(diào)節(jié)點。

視頻采集程序的設計基于Video for Linux Two（簡稱V4L2）技術，V4L2是Linux操作系統(tǒng)中關于設備的內(nèi)核驅動，提供了用于采集視頻等數(shù)據(jù)的API接口，加載相應的設備驅動，可以實現(xiàn)視頻的采集。實現(xiàn)流程：首先打開視頻設備，獲取設備信息，使用ioctl（）函數(shù)設置視頻格式；申請幀緩沖區(qū)，映射到用戶空間；將申請到的幀緩沖區(qū)在視頻采集輸入隊列中排隊，保證視頻流的順序；啟動視頻采集，使用VIDIOC_DQBUF使視頻幀出隊列，取出的視頻幀，使用VIDIOC_QBUF使視頻幀入隊列，循環(huán)往復，可采集連續(xù)的視頻數(shù)據(jù)；采集完成后釋放緩沖區(qū)，并關閉攝像頭設備文件。

4G通信模塊程序設計采用基于TCP/IP 協(xié)議的流式Socket 通信，通過Linux下的Sockets套接字編程實現(xiàn)。服務器使用socket（）函數(shù)創(chuàng)建套接字，用bind（）函數(shù)綁定服務器IP地址和端口號，創(chuàng)建socket對象?？蛻舳苏{(diào)用sendto（）函數(shù)向服務器發(fā)送服務請求報文，調(diào)用recvfrom（）函數(shù)等待并接收服務器的應答報文；雙方通過socket套接字進行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，實現(xiàn)用戶遠程終端與ARM平臺之間的通信。

5.結束語

設計了一款基于ARM和ZigBee的智能家居系統(tǒng)，以三星Exynos4412為控制核心，結合ZigBee模塊、4G通信模塊和傳感器等完成了系統(tǒng)硬件設計，通過移植Linux操作系統(tǒng)，Web服務器以及編寫ZigBee程序、視頻采集程序和4G通信程序，實現(xiàn)了用戶遠程終端與系統(tǒng)監(jiān)控平臺之間的互通互聯(lián)。經(jīng)測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，具有實時性好、可靠性高、擴展性好等特點，具有廣闊的市場前景。

［1］尹紀庭等.基于ARM和ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)研究與開發(fā)［J］.計算測量與控制，2011，21（9）：2451-2454.

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［4］許岳兵等.基于S3C2440的家用視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計［J］.衡陽師范學院學報，2011，32（3）：52：55.

許岳兵（1980—），男，湖南岳陽人，講師，主要研究方向為機器學習，嵌入式及應用。

湖南省教育廳高?？蒲杏媱濏椖浚?2C0532）。

何燁雯（通信作者）（1980—），女，湖南岳陽人，中教二級，主要研究方向為物理學教育，嵌入式及應用。