宋蕊

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，河南開封，475004）

隨著人們生活水平的不斷提升，對(duì)家居生活各方面功能也提出越來(lái)越高的要求，信息技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們生活的方方面面，尤其近年來(lái)應(yīng)運(yùn)而生的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，更是一步步改變了人們理想的智能家居生活方式[1]。智能家居運(yùn)用先進(jìn)無(wú)線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，有機(jī)結(jié)合生活相關(guān)家居設(shè)備，實(shí)現(xiàn)集中管理創(chuàng)造舒適度較高的智能居住環(huán)境。作為一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，有著巨大的消費(fèi)市場(chǎng)潛力，智能家居系統(tǒng)早在歐美等發(fā)達(dá)地區(qū)有比較成熟的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，可是國(guó)內(nèi)智能家居系統(tǒng)依然處于發(fā)展階段，將從實(shí)際出發(fā)提出基于C 語(yǔ)言的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)思路，這對(duì)于我國(guó)智能家居市場(chǎng)的未來(lái)技術(shù)發(fā)展有重大意義。

1 總體設(shè)計(jì)方案

■1.1 設(shè)計(jì)思路

智能家居監(jiān)控系統(tǒng)具備低能耗、智能化的技術(shù)特點(diǎn)，包括寬帶上網(wǎng)、設(shè)備監(jiān)控、遠(yuǎn)程管理功能，通過(guò)基于家庭網(wǎng)關(guān)搭建嵌入式Linux 操作系統(tǒng)軟件平臺(tái)，利用以太網(wǎng)與WiFi接口滿足智能家居監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)需求，在ZigBee 技術(shù)下采集家居設(shè)備相關(guān)信息，搭建數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)一管理設(shè)備信息，設(shè)計(jì)相應(yīng)功能模塊響應(yīng)用戶家居設(shè)備管理功能[2]。

■1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)上述分析智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能需求思路，圖1 為本次設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的總架構(gòu)，包括家庭網(wǎng)關(guān)、家庭內(nèi)部控制網(wǎng)絡(luò)、家庭內(nèi)部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、家庭外部網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)的核心組成為家庭網(wǎng)關(guān)，經(jīng)串口連接ZigBee 協(xié)調(diào)器，能夠運(yùn)用ZigBee 技術(shù)構(gòu)建家庭內(nèi)部控制網(wǎng)絡(luò)，與各家居設(shè)備相連接，經(jīng)USB 口與無(wú)線通信模塊相連接，與外部無(wú)線網(wǎng)相接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控[3]。

圖1 系統(tǒng)總體方案框圖

■1.3 系統(tǒng)模塊劃分

本次設(shè)計(jì)總體方案中，所要實(shí)現(xiàn)重中之重即家庭控制網(wǎng)絡(luò)與家庭網(wǎng)關(guān)，通過(guò)網(wǎng)關(guān)各模塊實(shí)現(xiàn)家庭控制網(wǎng)絡(luò)各功能，所以設(shè)計(jì)家庭網(wǎng)關(guān)作為本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)工作。利用網(wǎng)關(guān)ZigBee 協(xié)調(diào)器完成系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，負(fù)責(zé)智能控制家居設(shè)備與信息上報(bào)功能，那么家庭網(wǎng)關(guān)就要負(fù)責(zé)信息處理模塊及時(shí)處理網(wǎng)關(guān)上報(bào)具體信息，達(dá)到有線、無(wú)線撥號(hào)模塊，搭設(shè)Web 服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)，劃分系統(tǒng)包括用戶登錄、設(shè)備查詢、設(shè)備控制、設(shè)備添加、注銷模塊以上幾部分，實(shí)現(xiàn)智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程管理功能[4]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)智能家居控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)（見圖2），包括以下模塊：

圖2 家庭網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖

■2.1 處理器模塊

在智能家居監(jiān)控系統(tǒng)家庭網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)中，處理器模塊作為重點(diǎn)設(shè)計(jì)內(nèi)容，由于考慮到系統(tǒng)功能復(fù)雜性，家庭網(wǎng)關(guān)需要滿足監(jiān)控需求的同時(shí)，后續(xù)還要向綜合平臺(tái)方向發(fā)展，因此本次設(shè)計(jì)選用OMAP3530 雙核處理器，此處理器有著功能低、性能高的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，具備了高級(jí)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，600Hz處理內(nèi)核、圖形引擎與視頻加速器，還可以為系統(tǒng)研發(fā)人員提供完善軟件開發(fā)外設(shè)平臺(tái)[5]。

■2.2 WCDMA 無(wú)線通信模塊

為了達(dá)到本次設(shè)計(jì)該智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的家庭網(wǎng)關(guān)無(wú)線接入，經(jīng)USB 接口連接處理器芯片，并選用目前在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)制式中最高通信速率的SIM5218A 模塊，能夠成功集成GSM、WCDMA、GPRS、EDGE 解決方案套片。不僅可以支持傳統(tǒng)操作指令控制監(jiān)控系統(tǒng)各功能模塊，還可以實(shí)現(xiàn)USB 接口、SIM 卡、UART 異步串口等聯(lián)網(wǎng)、語(yǔ)音控制、數(shù)據(jù)等功能[6]。

■2.3 ZigBee 協(xié)調(diào)器模塊

ZigBee 技術(shù)作為繼Bluetooth 之后提出的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)，具備了低功耗、短距離、低成本的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，有自己的無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)，能夠在多個(gè)微小傳感器之間實(shí)現(xiàn)信息的相互協(xié)調(diào)傳遞，基于ZigBee 聯(lián)盟開發(fā)通信標(biāo)準(zhǔn)，能夠?qū)崿F(xiàn)多達(dá)65000 個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)組成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)[7]。應(yīng)用本次智能家居監(jiān)控系統(tǒng)中，可以經(jīng)串口連接處理器芯片，實(shí)現(xiàn)無(wú)線控制網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，提供設(shè)備各節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)通信。

■2.4 交換機(jī)模塊

該模塊可以實(shí)現(xiàn)連接各家居設(shè)備同步上網(wǎng)，選用IP175D交換芯片，集成6端口IP交換控制器、以太網(wǎng)收發(fā)器、RMII 接口[8]，有著強(qiáng)大的QoS 功能，可以實(shí)現(xiàn)流量策略與靈活隊(duì)列調(diào)度，能夠支持端口和標(biāo)簽VLAN，在防火墻、路由器、IGMP、IEEE802.1Q 等場(chǎng)合。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)總思路，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)核心關(guān)鍵在于家庭網(wǎng)關(guān)、寬帶聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程管理、無(wú)線控制等家居設(shè)備智能控制。選用嵌入式Linux 操作系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)，C 編程語(yǔ)言基礎(chǔ)上，構(gòu)造家庭網(wǎng)關(guān)軟件方案，該嵌入式平臺(tái)的分層結(jié)構(gòu)，其中UBoot、XLoader 實(shí)現(xiàn)初始化硬件設(shè)備，建立內(nèi)存空間映射圖，為實(shí)時(shí)調(diào)用操作系統(tǒng)做好準(zhǔn)備。操作系統(tǒng)Linux內(nèi)核應(yīng)當(dāng)支持USB、串口、以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)。在應(yīng)用層負(fù)責(zé)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的業(yè)務(wù)，根據(jù)系統(tǒng)功能需求實(shí)現(xiàn)撥號(hào)、設(shè)備信息處理、遠(yuǎn)程管理、數(shù)據(jù)庫(kù)各功能模塊。底層驅(qū)動(dòng)以UBoot、XLoader、以太網(wǎng)、串口實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用層的軟件功能模塊。

■3.1 用戶登錄

遠(yuǎn)程用戶想要遠(yuǎn)程管理智能家居，經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)、Web 瀏覽器方式登錄家庭網(wǎng)關(guān)，所需用戶授權(quán)，經(jīng)用戶登錄模塊向遠(yuǎn)程用戶發(fā)送登錄界面，發(fā)送包括用戶名與密碼信息的登錄請(qǐng)求，網(wǎng)關(guān)服務(wù)器在對(duì)用戶信息分辨后響應(yīng)登陸請(qǐng)求，在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)查詢用戶名與登錄密碼的正確與否，正確就同意，錯(cuò)誤就拒絕。

■3.2 設(shè)備控制

設(shè)備控制包括處理器設(shè)備控制模塊及協(xié)調(diào)器設(shè)備控制模塊兩個(gè)子模塊，在家庭網(wǎng)關(guān)內(nèi)可以和設(shè)備控制響應(yīng)模塊共同控制家居設(shè)備，這也作為無(wú)線控制設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵所在。用戶在請(qǐng)求遠(yuǎn)程控制家居設(shè)備時(shí)，網(wǎng)關(guān)處理器設(shè)備執(zhí)行控制程序，對(duì)用戶的家居設(shè)備控制請(qǐng)求進(jìn)行解析，以用戶的控制請(qǐng)求內(nèi)容為依據(jù)，在網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)查找設(shè)備控制的相關(guān)信息，對(duì)控制需求的合法性與設(shè)備ID 號(hào)仔細(xì)檢查，生成控制指令并向網(wǎng)關(guān)串口發(fā)送控制指令。網(wǎng)關(guān)ZigBee 協(xié)調(diào)器設(shè)備控制程序，經(jīng)串口利用無(wú)線網(wǎng)發(fā)送所接收設(shè)備控制指令，各自ZigBee 節(jié)點(diǎn)接收指令，起動(dòng)設(shè)備控制程序，向各家居設(shè)備發(fā)送完成編譯處理的控制指令，經(jīng)空中接口將各ZigBee 節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行情況反饋至ZigBee 協(xié)調(diào)器。向網(wǎng)關(guān)處理器經(jīng)串行口發(fā)送智能家居的控制結(jié)果，各網(wǎng)關(guān)處理器設(shè)備信息上報(bào)響應(yīng)程序，對(duì)串口實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)寫入控制結(jié)果信息。之后Web 服務(wù)器可以向遠(yuǎn)程用戶發(fā)送控制結(jié)果信息，這樣即可在瀏覽器界面遠(yuǎn)程看到控制結(jié)果。

■3.3 設(shè)備查詢

該功能模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)用戶向網(wǎng)關(guān)發(fā)送查詢請(qǐng)求的實(shí)時(shí)接收，向數(shù)據(jù)庫(kù)轉(zhuǎn)發(fā)此請(qǐng)求，之后數(shù)據(jù)庫(kù)可以向設(shè)備查詢模塊反饋家居設(shè)備的目前信息與狀態(tài)信息，經(jīng)Web 服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)給遠(yuǎn)程用戶，能夠讓用戶遠(yuǎn)程了解智能家居設(shè)備的具體運(yùn)行情況。例如用戶可以遠(yuǎn)程調(diào)用監(jiān)控?cái)z像頭對(duì)家中兒童、老人的情況實(shí)時(shí)查看，或者查看照明設(shè)備、空調(diào)等設(shè)備狀態(tài)情況?？刂平Y(jié)果信息同時(shí)通過(guò) Web 服務(wù)器分發(fā)給遠(yuǎn)程用戶，遠(yuǎn)程用戶將就會(huì)在瀏覽器界面上看到控制的結(jié)果。

■3.4 設(shè)備注銷

此模塊主要實(shí)現(xiàn)了智能家居控制網(wǎng)絡(luò)拆除其中某個(gè)設(shè)備時(shí)，可以在系統(tǒng)中刪除該設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)信息，經(jīng)Web 瀏覽器人機(jī)接口界面發(fā)起設(shè)備注銷請(qǐng)求，網(wǎng)關(guān)服務(wù)器即可執(zhí)行此程序，向數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)送設(shè)備查詢指令，在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)刪除此設(shè)備，向用戶反饋查詢刪除結(jié)果。

■3.5 注冊(cè)信息響應(yīng)

此模塊主要經(jīng)ZigBee 控制網(wǎng)絡(luò)所發(fā)來(lái)的設(shè)備注冊(cè)信息執(zhí)行功能，具體過(guò)程為處理器注冊(cè)信息響應(yīng)模塊、協(xié)調(diào)器注冊(cè)信息響應(yīng)模塊，通過(guò)觸發(fā)這兩模塊響應(yīng)，均經(jīng)無(wú)限控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)備注冊(cè)模塊，將注冊(cè)信息成功發(fā)送至網(wǎng)關(guān)。此模塊的詳細(xì)過(guò)程為：設(shè)備開機(jī)并定期注冊(cè)更新，這時(shí)家居設(shè)備可以經(jīng)ZigBee 端節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行設(shè)備注冊(cè)程序向ZigBee 協(xié)調(diào)器發(fā)送自身注冊(cè)信息。之后成功啟動(dòng)ZigBee 協(xié)調(diào)器的注冊(cè)信息響應(yīng)程度，經(jīng)串行口可以向家庭網(wǎng)關(guān)處理器發(fā)送注冊(cè)信息。然后經(jīng)家庭網(wǎng)關(guān)處理器執(zhí)行注冊(cè)信息響應(yīng)程序，可以對(duì)串口數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)讀取，這時(shí)可以發(fā)現(xiàn)此串口信息是否作為設(shè)備注冊(cè)信息，如果確認(rèn)則在網(wǎng)關(guān)服務(wù)器存儲(chǔ)信息，這樣用戶即可應(yīng)用智能家居系統(tǒng)實(shí)時(shí)查看管理設(shè)備。

■3.6 信息上報(bào)響應(yīng)模塊

在此系統(tǒng)信息上報(bào)響應(yīng)模塊中，主要實(shí)現(xiàn)了處理器設(shè)備信息上報(bào)響應(yīng)功能，與協(xié)調(diào)器設(shè)備信息上報(bào)響應(yīng)功能，以這兩個(gè)功能模塊執(zhí)行響應(yīng)操作，可以成功向網(wǎng)關(guān)發(fā)送設(shè)備狀態(tài)更改信息。具體過(guò)程為：在改變?cè)O(shè)備發(fā)送狀態(tài)情況下，家居設(shè)備可以經(jīng)ZigBee 端節(jié)點(diǎn)相關(guān)設(shè)備信息，將自身狀態(tài)信息向ZigBee 協(xié)調(diào)器中上報(bào)程序，并經(jīng)串行口向家庭網(wǎng)關(guān)處理器發(fā)送設(shè)備狀態(tài)信息。家庭網(wǎng)關(guān)處理器設(shè)備信息的上報(bào)響應(yīng)程序，可以對(duì)串口數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)讀取，一旦發(fā)現(xiàn)此串口信息更改設(shè)備狀態(tài)相關(guān)信息，可以在網(wǎng)關(guān)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)設(shè)備狀態(tài)信息。

■3.7 撥號(hào)模塊

撥號(hào)模塊包括兩種：有線撥號(hào)模塊、無(wú)線撥號(hào)模塊。其中有線撥號(hào)模塊本文采用的是交叉編譯已有的有線撥號(hào)軟件，來(lái)完成有線撥號(hào)功能，在此就不做詳細(xì)的設(shè)計(jì)。而無(wú)線撥號(hào)模塊是通過(guò)編寫撥號(hào)腳本。來(lái)建立家庭網(wǎng)關(guān)、5G 網(wǎng)絡(luò)、Internet 之間的連接。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

開發(fā)嵌入式Linux 系統(tǒng)一般經(jīng)過(guò)以下過(guò)程：建立交叉編譯環(huán)境、配置編譯內(nèi)核、系統(tǒng)引導(dǎo)程序BootLoader、建立根文件系統(tǒng)。通過(guò)在此平臺(tái)生成可執(zhí)行代碼，本文采用C語(yǔ)言編程，在PC 端完成代碼編譯，經(jīng)調(diào)試器下載至目標(biāo)平臺(tái)中調(diào)試運(yùn)行，那么在開發(fā)嵌入式系統(tǒng)前，就要安裝負(fù)責(zé)指定操作系統(tǒng)的PC 端為宿主機(jī)，設(shè)計(jì)相應(yīng)C 編程語(yǔ)言完成操作系統(tǒng)安裝，其中一段C 編程語(yǔ)言示例如下：

在該系統(tǒng)C 編程語(yǔ)言調(diào)試階段，均基于SD 卡上完成，所以設(shè)計(jì)FAT、EXT32，在各區(qū)分別拷貝C 編程語(yǔ)言程序，分區(qū)支持系統(tǒng)功能即通過(guò)C 編程語(yǔ)言搭建智能家居控制系統(tǒng)軟件平臺(tái)。

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，本次完成基于C 語(yǔ)言的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了用戶登錄、設(shè)備查詢、設(shè)備控制、設(shè)備添加、注銷模塊等功能模塊，采用C 語(yǔ)言編程，在PC 端完成代碼編譯，經(jīng)調(diào)試器下載至目標(biāo)平臺(tái)中調(diào)試運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)能夠同步智能家居的監(jiān)控信息，在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)存入此類狀態(tài)監(jiān)控信息。