辛鈺博 尹航

摘要：為了實(shí)現(xiàn)對家居智能化控制，使用ARM Cortex-A8硬件平臺，以 ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，提出了一種智能家居模擬系統(tǒng)。該次提出的智能家居控制系統(tǒng)包括安全防盜系統(tǒng)、智能門禁系統(tǒng)、窗簾控制系統(tǒng)以及對可燃?xì)怏w泄漏的監(jiān)測和居室內(nèi)外溫度的檢測，通過短信把屋內(nèi)信息實(shí)時(shí)反饋給用戶，可以實(shí)現(xiàn)及時(shí)發(fā)現(xiàn)家居隱患以及簡單的安防。此系統(tǒng)秉承了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗、低成本、分布式和自組織的優(yōu)點(diǎn)，其靈活性和可靠性得到了提高，也方便用戶進(jìn)行無線和遠(yuǎn)程監(jiān)測控制。該系統(tǒng)能夠完成對家居的一般性智能控制。

關(guān)鍵詞：ARM Cortex-A8；ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；智能家居系統(tǒng)

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）24-5785-03

如今，利用無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建智能家居網(wǎng)已經(jīng)成為勢不可擋的發(fā)展趨勢，其關(guān)鍵技術(shù)為兼容性強(qiáng)的家庭控制器和滿足信息傳輸需要的家庭網(wǎng)絡(luò)[1]。該文設(shè)計(jì)了一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)，以高性能的、低功耗的中央控制器為核心，結(jié)合多種物聯(lián)網(wǎng)無線組網(wǎng)及控制技術(shù)，對系統(tǒng)中的家居，家電單元進(jìn)行監(jiān)視和控制。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了防盜的門禁控制、窗簾智能控制、監(jiān)測可燃?xì)怏w是否泄漏和居室內(nèi)外溫度變化的監(jiān)測等功能，并支持以短信方式與用戶進(jìn)行交互，在智能家居領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)構(gòu)建、監(jiān)控、安防、遙控等功能的原理和實(shí)施細(xì)節(jié)。

1 系統(tǒng)組成與硬件框架

1.1系統(tǒng)總體方案

總體方案如圖1所示，智能家居系統(tǒng)的控制中心，是支持整個(gè)系統(tǒng)工作的中心，支配著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作。由它給協(xié)調(diào)器發(fā)送命令，并由協(xié)調(diào)器通過無線網(wǎng)絡(luò)傳給終端，協(xié)調(diào)器和終端之間是ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信，ZigBee網(wǎng)絡(luò)遵循IEEE802.15.4規(guī)范，具有高效經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，功耗和復(fù)雜度都非常低[2]。在智能家居中，許多電器都不是固定的，因此，采用無線組建的家庭網(wǎng)絡(luò)更加適應(yīng)于智能家居系統(tǒng)[3]。終端收到由協(xié)調(diào)器傳來的信息后控制外部相應(yīng)的傳感器等，他們時(shí)刻都在等待接收的信息，一旦接受了信息便馬上執(zhí)行相應(yīng)操作。協(xié)調(diào)器是終端和控制中心的信息傳遞員，由它實(shí)現(xiàn)了在終端和控制中心之間的雙向無線通信。

1.2硬件框架

系統(tǒng)的硬件框架如圖2所示?？蚣軋D中勾勒出了系統(tǒng)大體硬件結(jié)構(gòu)。全部系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的邊界是由節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)2以及節(jié)點(diǎn)3構(gòu)成的，是以TI公司的CC2530開發(fā)板[4]為核心，外部連接了各種傳感器，人體紅外監(jiān)測模塊（采集安防數(shù)據(jù)），門禁模塊（讀卡器和數(shù)字電子控制鎖）和控制器件等。CC2530采用了新一代的2.4 GHz SoC片上系統(tǒng)，支持IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，其內(nèi)部集成了一個(gè)抗干擾性和靈敏度都較高的RF收發(fā)器和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型8051微處理器，擁有2個(gè)USART、12位的ADC和21個(gè)通用GPIO等較豐富的外設(shè)接口，并且支持4種供電模式，能夠友好地支持低功耗無線通信[5]。節(jié)點(diǎn)使用了溫濕度傳感器DHT11以及可燃?xì)怏w檢測傳感器MQ-2，；人體紅外監(jiān)測模塊用于檢測人體紅外線的釋放，獲得的數(shù)據(jù)用于安防系統(tǒng)；門禁的讀卡器用于讀取ID卡來識別身份；數(shù)字電子控制鎖是基于門禁讀卡器上的，需要鑒別用戶ID卡上的信息；器件直流減速電機(jī)用于窗簾智能控制。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)控制中心和節(jié)點(diǎn)之間的信息傳遞，也是CC2530開發(fā)板，各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)是通過無線傳輸?shù)玫降?，彼此之間的數(shù)據(jù)通訊遵循的是ZigBee協(xié)議?？刂浦行模ˋRM Cortex-A8） ，主要是綜合和控制信息，是整個(gè)系統(tǒng)的大腦。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1控制中心ARM Cortex-A8的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開始并初始化，進(jìn)入系統(tǒng)界面，協(xié)調(diào)器若傳來數(shù)據(jù)，則進(jìn)行UART1的BUFFER[num]==‘a(chǎn)？的判斷，接收完數(shù)據(jù)后進(jìn)行UART1的BUFFER[num]==‘b？的判斷，接收到數(shù)據(jù)后判斷ID卡號，若和已存的卡號相同則開鎖，若和火災(zāi)警報(bào)號碼相同則立即觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)；后若有GSM數(shù)據(jù)發(fā)送，則接收數(shù)據(jù)，若為呼叫本機(jī)，則判斷是否接聽，通話后結(jié)束；進(jìn)入主菜單后便可選擇語音通話、溫度查看、時(shí)間設(shè)置、門禁設(shè)置、火災(zāi)設(shè)置、鬧鐘定制等功能，選擇不同的功能會完成相應(yīng)的操作；時(shí)間若到達(dá)設(shè)置的早晚鬧鐘時(shí)間，則可進(jìn)行開關(guān)窗簾的選擇操作，最終結(jié)束。

2.2協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開始并初始化，建立網(wǎng)路，指示燈閃爍后若收到數(shù)據(jù)則接收，后結(jié)束。

2.3終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 終端節(jié)點(diǎn)1（火災(zāi)系統(tǒng)模塊）的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開始并初始化，設(shè)置節(jié)點(diǎn)ID、無線通訊信道、無線通信短地址后切換到公共信道，設(shè)置發(fā)射功率并加入到網(wǎng)絡(luò)，MAC層進(jìn)行通訊處理，定時(shí)采樣DHT11發(fā)送的數(shù)據(jù)以及MQ-2的返回狀態(tài)并定時(shí)發(fā)送溫濕度值，若MQ-2返回低電平，則定時(shí)發(fā)送溫濕度值，后結(jié)束。

2.3.2 終端節(jié)點(diǎn)2（門禁系統(tǒng)模塊）的軟件設(shè)計(jì)

前期工作同節(jié)點(diǎn)1，采樣數(shù)據(jù)后，定時(shí)發(fā)送溫濕度值，若室內(nèi)門禁開關(guān)按下且讀卡通過，則開鎖，后結(jié)束。

2.3.3 終端節(jié)點(diǎn)3（自動窗簾系統(tǒng)模塊）的軟件設(shè)計(jì)

前期工作同節(jié)點(diǎn)1，采樣數(shù)據(jù)后，定時(shí)發(fā)送溫濕度值，若收到開/關(guān)窗簾命令，則控制直流減速電機(jī)開關(guān)窗簾，后結(jié)束。

3 系統(tǒng)測試

ARM Cortex-A8測試：將編寫好的程序燒入主控制板，然后檢測每各個(gè)管腳的電壓，將其它的模塊與它相連來測試是否正常工作。

ZigBee節(jié)點(diǎn)測試：除了檢測各個(gè)管腳的電壓之外，將點(diǎn)對點(diǎn)的通信程序下載到CC2530開發(fā)板中，然后檢測它發(fā)送和接收數(shù)據(jù)是否是否正常。

智能門禁系統(tǒng)測試：1） 門禁讀卡器：在給讀卡器供電后之后，將讀卡器的數(shù)據(jù)線接入同CC2530開發(fā)板的普通I/O口上，在刷卡之后，會將該卡的ID號序列通過UART將其顯示在PC機(jī)上。2） 門禁鎖：用直流電源給門禁鎖供電，然后用CC2530的I/O口上的高低電平通過控制電磁繼電器來選通門禁鎖的工作電流。3） 人體紅外：將在給人體紅外模塊供電之后，將其數(shù)據(jù)線接在示波器上，如果它檢測到人體輻射的紅外線時(shí)，示波器原來顯示的低電平會變成高電平。

自動窗簾系統(tǒng)測試：1） 溫濕度傳感器：在給溫濕度傳感器供電之后，將其數(shù)據(jù)線接入CC2530的I/O口上，通過UART將其所采集的溫度和濕度的數(shù)據(jù)顯示在PC機(jī)上。2） 人體紅外：將在給人體紅外模塊供電之后，將其數(shù)據(jù)線接在示波器上，如果它檢測到人體輻的紅外線時(shí)，示波器原來顯示的低電平會變成高電平。3） 直流減速電機(jī)：將直流減速電機(jī)兩端接在L298的輸出引腳上，用CC2530開發(fā)板的普通I/O口上的高低電平來控制L298的使能端，從而來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)以達(dá)到窗簾的閉合。在給電機(jī)定時(shí)，當(dāng)時(shí)間到了之后，電機(jī)就會自行轉(zhuǎn)動來閉合窗簾。

可燃?xì)怏w泄漏檢測：①溫濕度傳感器DHT11：在給溫濕度傳感器供電之后，將其數(shù)據(jù)線接入CC2530開發(fā)板的普通I/O口上，通過串口調(diào)試工具將其所采集的溫度和濕度的數(shù)據(jù)顯示在PC機(jī)上。②MQ-2傳感器：在給其供電之后，將其數(shù)據(jù)線接在示波器上，然后將打火機(jī)里面的液化氣釋放在該傳感器的周圍，當(dāng)達(dá)到一定濃度后，示波器原來顯示的高電平會降低。

液晶屏測試：本系統(tǒng)使用的液晶屏是DM12864M，它能顯示32個(gè)漢字。將其與主控制芯片ARM Cortex-A8連接，字母可以讓液晶屏直接顯示，但是漢字和符號則需要控制其字形碼表才能正確的顯示。

4 結(jié)論

本次設(shè)計(jì)的基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)使用ARM Cortex-A8平臺，利用ZigBee節(jié)點(diǎn)作為基礎(chǔ)，進(jìn)行無線通信，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無線傳送。而且充分利用了ZigBee技術(shù)的低成本，低功耗，穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)。該智能家居控制系統(tǒng)的主要功能包括數(shù)據(jù)無線通信，對家居設(shè)備的自動控制和家庭安全防范等方面。我們采用的設(shè)備都是以低成本，低功耗，穩(wěn)定性好等為前提的。本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)完成了智能門禁，自動窗簾和可燃?xì)怏w（火災(zāi)）檢測，鬧鐘定制以及短信報(bào)警等功能。測試表明，該系統(tǒng)滿足一般家居的控制要求，可靠性高，成本低。

參考文獻(xiàn)：

[1] 侯俊，吳成東，袁中甲，等.基于ZigBee的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].機(jī)電工程，2009，26（1）：67-70.

[2] 紀(jì)金水.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2007，28（2）：404-408.

[3] 郭穩(wěn)濤，何怡剛智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2011，19（9）：2109-2112.

[4] 霍慶，黃興，黃浩揚(yáng)，等.基于ZigBee技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子世界，2014（6）：107-109.

[5] 辛海亮，鐘佩思，朱紹琦，等.基于ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)家居控制系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39（12）：79-82.