向明尚　張志華　潘麗艷

摘 要：利用手機、有線設備、無線設備組建家庭網(wǎng)絡，以ARM開發(fā)板為核心，設計嵌入式控制系統(tǒng)?；赗FID理論和Zigbee技術組建家庭物聯(lián)網(wǎng)絡，實現(xiàn)家庭人員之間、人員與設備之間的互聯(lián)互通。簡要介紹了家居物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的總體設計，講述了控制系統(tǒng)硬件設計方法和實現(xiàn)步驟，給出了應用軟件的實現(xiàn)方法，闡明了網(wǎng)絡組建原理和分層實現(xiàn)步驟，以期為日后相關工作的順利進行提供參考。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；RFID理論；Zigbee技術；嵌入式控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP273+.5 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.05.026

隨著人們生活水平的提高，智能手機已經(jīng)成為生活中的必備物品；隨著科技的進步和網(wǎng)絡理論、技術的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品逐漸進入人們的日常生活，比如智能家電、智能廚房、智能衛(wèi)浴、智能安保和智能看護等物聯(lián)網(wǎng)智能終端系列產(chǎn)品。物聯(lián)網(wǎng)常用的Zigbee傳感網(wǎng)絡具有自組織、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、功耗低等一系列優(yōu)點。Zigbee技術是一種短距離、低復雜度、低速率、低成本的雙向無線通信技術或無線網(wǎng)絡技術。智能終端種類繁多，應用廣泛，在給居家生活帶來便利的同時，也在使用和管理上帶來諸多不便。物聯(lián)網(wǎng)智能終端位于物聯(lián)網(wǎng)感知層，物聯(lián)網(wǎng)中的感知層包括傳感器的數(shù)據(jù)采集設備和數(shù)據(jù)接入網(wǎng)絡之前的傳感器網(wǎng)絡，將其與智能手機結合起來，可以組建家居物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)，將其與家用智能設備有機結合起來，充分發(fā)揮設備的功能、性能，通過網(wǎng)絡實現(xiàn)信息共享、人員的遠程監(jiān)護、設備的遠程監(jiān)控和報警。本文利用智能手機、嵌入式開發(fā)板、RFID閱讀器、Zigbee智能終端設計了手機家居物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)，利用網(wǎng)絡化、信息化、智能化的技術手段來管理家居設備，提高了家居設備的工作效率，降低了設備的使用難度，極大地方便了人們的生活。

1 總體設計

系統(tǒng)總體設計框架如圖1所示。

手機家居物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的核心是數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，它負責家居設備的數(shù)據(jù)采集、設備運行、信息傳輸和設備調度等，配合傳感器、控制器實現(xiàn)對家居設備的控制。智能手機方便用戶隨時隨地遠程監(jiān)控家居情況。PC終端作為數(shù)據(jù)服務器，用來存儲家居設備的各類數(shù)據(jù)，比如設備運行記錄、室內(nèi)語音信息記錄和室內(nèi)外監(jiān)控錄像數(shù)據(jù)等；Wi-Fi無線模塊和有線網(wǎng)絡交換機用于搭建家庭通訊的主干網(wǎng)絡；RFID閱讀器作為收發(fā)器，協(xié)調管理Zigbee智能終端設備，組建家庭物聯(lián)網(wǎng)，與家庭主干網(wǎng)共同組成網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)，承擔室內(nèi)外家居設備之間的信息交換、遠程數(shù)據(jù)傳輸、遠程控制指令的接收與發(fā)布等。

2 硬件系統(tǒng)設計

硬件系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)、家用設備傳感器網(wǎng)絡、家用設備控制器網(wǎng)絡、手機和PC終端、供電網(wǎng)絡組成。

2.1 數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集和控制是整個系統(tǒng)的核心部分，系統(tǒng)能否穩(wěn)定、可靠、安全、高效運行，取決于這部分設計。因此，在設計時，可以采用以ARM處理器為核心的開發(fā)板，配合開發(fā)板上豐富的硬件資源設計嵌入式控制系統(tǒng)，組成采集、控制系統(tǒng)的核心。開發(fā)板上配備了RJ45網(wǎng)絡接口、Wi-Fi模塊和物聯(lián)網(wǎng)收發(fā)器模塊，用于組建基本的家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，管理、監(jiān)控家居設備的運行狀態(tài)，有效地進行數(shù)據(jù)的有線傳輸和無線傳輸。對于不具備網(wǎng)絡功能的家居設備，開發(fā)板上的GPIO接口提供了擴展連接方式，可以控制傳感器數(shù)據(jù)的采集、設備的監(jiān)控運行。而開發(fā)板上的紅外收發(fā)器可以直接控制具有紅外功能的家居設備。另外，開發(fā)板上還配備了按鍵、蜂鳴器、指示燈、液晶顯示器和觸摸屏，以方便系統(tǒng)的設計和調試。開發(fā)板具有很強的擴展能力，對于需要藍牙、GMS等通訊接口的家居設備，可以額外配置相關模塊，實現(xiàn)家居物聯(lián)網(wǎng)的有效擴展。數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)主要用于接收傳感器網(wǎng)絡發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)系統(tǒng)設定的參數(shù)范圍，通過家用設備控制器網(wǎng)絡啟動相應的設備來調節(jié)家居環(huán)境參數(shù)，形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，完成相關設備的數(shù)據(jù)采集和控制。

2.2 家用設備傳感器網(wǎng)絡

家居環(huán)境情況復雜，需要監(jiān)控、采集的環(huán)境參數(shù)比較多，對應的傳感器種類繁多，其型號、功能差異比較大，組成了復雜的傳感器網(wǎng)絡。系統(tǒng)配備了以Zigbee傳感器節(jié)點模塊為核心的溫度、濕度、光照、紅外、氣體、語音和攝像等智能終端感知設備，以RFID閱讀器為收發(fā)器，共同組成基本的傳感器網(wǎng)絡，即家庭物聯(lián)網(wǎng)。Zigbee節(jié)點設備采集室內(nèi)外環(huán)境的各類信息，并控制智能設備的工作。RFID收發(fā)器將Zigbee節(jié)點采集的信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，并接收控制系統(tǒng)發(fā)布的指令。

2.3 家用設備控制器網(wǎng)絡

家居設備種類繁多，功能、性能不盡相同，組成了復雜的控制器網(wǎng)絡，其中主要包括照明、溫濕度調節(jié)子系統(tǒng)，有害氣體檢測子系統(tǒng)，老人、兒童監(jiān)護子系統(tǒng)，防盜監(jiān)控子系統(tǒng)，家居設備控制子系統(tǒng)等。這些子系統(tǒng)可以根據(jù)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)設定的工作參數(shù)，及時采集、監(jiān)控室內(nèi)環(huán)境、家庭人員情況、室內(nèi)外安全態(tài)勢、家居設備運行狀況等，并錄像，傳遞數(shù)據(jù)，發(fā)出報警信息。

2.4 網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)

網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)由交換機組成的有線網(wǎng)絡、Wi-Fi組成的無線網(wǎng)絡、RIFD收發(fā)器和Zigbee節(jié)點組成的家居設備物聯(lián)網(wǎng)絡組成。交換機連接開發(fā)板、帶有RJ45接口的家居設備，Wi-Fi連接無線家居設備，RFID收發(fā)器和Zigbee節(jié)點連接專用的物聯(lián)網(wǎng)家居設備。

PC終端作為網(wǎng)絡服務器，用于存儲大量的家居信息數(shù)據(jù)。而智能手機通過移動通信網(wǎng)絡、Wi-Fi接入網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)，用于遠程接收家居信息，實時跟蹤家庭人員的情況和家居設備的運行狀況，同時，根據(jù)情況發(fā)出遠程控制指令，與家人溝通，并控制家居設備的運行。

2.5 家居物聯(lián)網(wǎng)絡

以RFID收發(fā)器為核心、Zigbee智能終端設備為節(jié)點構建家居物聯(lián)網(wǎng)絡。由收發(fā)器組建網(wǎng)絡，與開發(fā)板建立通道，完成開發(fā)板、收發(fā)器、節(jié)點之間的通訊和數(shù)據(jù)交換；節(jié)點設備負責信息的采集、傳輸，并控制執(zhí)行機構完成設備的運行監(jiān)控。

2.6 家居供電網(wǎng)絡

家居設備供電系統(tǒng)由市電系統(tǒng)、自備電系統(tǒng)組成。市電系統(tǒng)即城市供電系統(tǒng)，而自備電系統(tǒng)由太陽能、風能組成綠色、清潔、環(huán)保的供電系統(tǒng)。系統(tǒng)工作電源以自備電系統(tǒng)為主，市電系統(tǒng)為輔，可以完成2種電源的自動無縫切換，保證家居設備的安全、可靠運行。

3 軟件系統(tǒng)設計

軟件系統(tǒng)由手機、PC終端軟件、開發(fā)板數(shù)據(jù)采集和控制軟件、RFID收發(fā)器軟件、Zigbee節(jié)點控制軟件、供電網(wǎng)絡控制軟件等組成。

3.1 手機軟件

手機軟件采用Android系統(tǒng)和Java語言開發(fā)。Android作為手機移動終端的操作系統(tǒng)被應用廣泛，得到了人們的認可。它是基于Linux系統(tǒng)的、自由且代碼開放的操作系統(tǒng)，主要用于智能手機、平板電腦等移動設備，由系統(tǒng)內(nèi)核、中間件、GUI和應用軟件組成。Java是一種跨平臺、分布式、可移植、面向對象的程序設計語言，具有良好的通用性、安全性、高效性，給系統(tǒng)設計帶來了極大的便利。

3.2 開發(fā)板軟件

開發(fā)板以嵌入式Linux為操作系統(tǒng)，將Qt的圖形用戶界面GUI作為開發(fā)平臺，利用C++開發(fā)數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡通訊、設備控制等軟件，是整個系統(tǒng)的核心軟件。軟件開發(fā)過程包括操作系統(tǒng)內(nèi)核的定制和移植、驅動程序的設計、應用軟件的開發(fā)等。

操作系統(tǒng)內(nèi)核的定制和移植是設計的難點。該系統(tǒng)以Linux 3.0.1內(nèi)核為源碼，添加了文件系統(tǒng)、內(nèi)存管理、中斷控制、網(wǎng)絡通訊、液晶顯示及觸摸屏、鼠標鍵盤、音視頻、I2C、SPI、USB、UART、SD和GPIO等多種設備的支持。

對于驅動程序設計，除了內(nèi)核定制和移植時所開發(fā)的設備驅動外，針對一些特定的外圍設備開發(fā)了相關驅動，包括字符設備驅動程序的開發(fā)，比如溫濕度、超聲波等傳感器；塊設備驅動程序開發(fā)，比如SD卡、flash存儲等設備；網(wǎng)絡驅動程序開發(fā)，比如以太網(wǎng)卡、Wi-Fi、Zigbee物聯(lián)網(wǎng)通訊設備等。

對于應用軟件的開發(fā)，主要包括手機終端的監(jiān)控顯示圖形界面程序，PC終端的網(wǎng)絡服務器系統(tǒng)軟件，開發(fā)板的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)軟件，RIFD收發(fā)器管理軟件，Zigbee節(jié)點管理與執(zhí)行機構控制軟件等。

3.3 RFID收發(fā)器、Zigbee節(jié)點軟件

C++面向對象的程序設計語言，利用它開發(fā)收發(fā)器管理軟件、數(shù)據(jù)交換和節(jié)點應用軟件。收發(fā)器采用消息循環(huán)機制，建立開發(fā)板、收發(fā)器、節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交換通道，完成開發(fā)板控制指令的下達，開發(fā)板與節(jié)點之間、節(jié)電與節(jié)點之間的通訊和數(shù)據(jù)交換，節(jié)點設備執(zhí)行機構的控制等。

4 網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)設計

網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)負責控制指令的發(fā)布、數(shù)據(jù)信息的傳遞、設備運行狀況的反饋、報警信息的發(fā)送、網(wǎng)絡安全的管理和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的備份等。而網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)主要包括服務器，用于管理網(wǎng)絡、備份數(shù)據(jù)；開發(fā)板的網(wǎng)絡模塊，建立數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)與家具網(wǎng)絡的有線、無線網(wǎng)絡連接；Wi-Fi模塊，建立家庭無線網(wǎng)絡環(huán)境，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和無線傳輸；GSM、藍牙模塊，實現(xiàn)手機、藍牙等設備通訊和數(shù)據(jù)交換；Zigbee家居物聯(lián)網(wǎng)絡，由收發(fā)器、節(jié)點設備組成，完成Zigbee設備信息的采集、運行控制。

Zigbee家居物聯(lián)網(wǎng)是整個網(wǎng)絡構建的核心。它是基于IEEE802.15.4標準的局域網(wǎng)通訊協(xié)議，可以組建適用于家庭的短距離、低功耗的無線通信網(wǎng)絡，可用于室內(nèi)人員監(jiān)護，比如病人、老人、兒童的監(jiān)護，通過可穿戴設備隨時監(jiān)測血壓、心率、體溫和運動狀態(tài)等信息。病人攜帶的Zigbee設備，可以周期性地采集血壓、心率等健康信息，通過無線網(wǎng)絡傳送到家庭網(wǎng)絡服務器存儲，由服務器配備的健康管理軟件初步分析數(shù)據(jù)，一些重要的信息可以通過互聯(lián)網(wǎng)遠程傳輸給醫(yī)療機構，由醫(yī)護人員作出相應的處置。同時，它也可以獲取老人、兒童的家庭生活狀態(tài)信息，通過可穿戴設備采集信息，并發(fā)送到服務器存儲，由服務器配備的家庭人員生活狀況管理軟件進行分析，根據(jù)情況適時發(fā)出室內(nèi)警告，或通過手機遠程發(fā)出警告提醒家人注意，也可向醫(yī)療部門發(fā)出有助信息。另外，它還可用于家居設備的監(jiān)控和管理，比如家用電器、廚房和衛(wèi)浴專用設備、安全監(jiān)控設備等。如果發(fā)生緊急情況，可向醫(yī)療機構、公安、消防部門發(fā)出報警信號。具體網(wǎng)絡結構如圖2所示。

5 結束語

智能家居設備的應用越來越普及，組建家居物聯(lián)網(wǎng)管理家用設備，實現(xiàn)對家庭人、財、物的監(jiān)控和信息共享是家居生活的新方向。手機家居物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)以智能終端和物聯(lián)網(wǎng)技術理論為基礎，實現(xiàn)了對家庭人員監(jiān)護、家居設備的智能控制、室內(nèi)外環(huán)境的監(jiān)控、遠程數(shù)據(jù)傳輸和報警等，具有很強的實用性和一定的推廣意義。

參考文獻

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〔編輯：白潔〕