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                        智能家居監控系統設計開發(Linux+ZigBee)

                        添加時間:2018/07/23 來源:電子測量技術 作者:趙亮 朱明明 劉起明
                        國務院于2015年7月頒布了《關于積極推進“互聯網+”行動的指導意見》, 鼓勵傳統家居企業與互聯網企業開展集成創新, 提升家居產品的智能化水平并推動經濟發展, 目前智能家居已經成為研究熱點。
                          以下為本篇論文正文:

                          摘要:針對目前智能家居系統功能單一、遠程監控實時性與客戶端兼容性問題, 設計并實現了一種基于Linux和ZigBee的通用性智能家居監控系統。以ARM Cortex-A8處理器與Linux為智能家居的硬、軟件平臺, 通過采用低功耗CC2530組建ZigBee網絡, 實現了對家居通用環境信息的采集與控制。此外, 采用Qt編寫的遠程客戶端能兼容各種操作系統 (Windows、MacOS、Android、iOS) , 實現了基于TCP Socket的遠程實時監測與控制。實驗結果表明, 該系統監控準確, 時延較短, 運行穩定, 且客戶端功能豐富, 具有良好的推廣價值。

                          關鍵詞:智能家居; Linux; ZigBee; Qt; TCP Socket; 遠程監控;

                          Abstract:By considering the problems of single function, a universal smart home monitoring system with multi-client, was designed and implemented based on Linux and ZigBee technology.An ARM Cortex-A8 microprocessor and Linux were applied as the hardware and software platform, respectively.And a ZigBee network was built by using low-power CC2530 to collect various information of general home environment and to control them.In addition, several common remote clients compiled by Qt were designed to remotely monitor and control various appliances through TCP Socket, which can be compatible with some popular operating systems (such as Windows, MacOS, Android and iOS) .The experimental results showed that the proposed system can accurately monitor and control various home appliances with short time delay.

                          Keyword:smart home; Linux; ZigBee; Qt; TCP Socket; remote monitoring;

                          近年來, 隨著互聯網的飛速發展, “互聯網+”已被廣泛的關注[1]。國務院于2015年7月頒布了《關于積極推進“互聯網+”行動的指導意見》, 鼓勵傳統家居企業與互聯網企業開展集成創新, 提升家居產品的智能化水平并推動經濟發展, 目前智能家居已經成為研究熱點[2]。文獻[3]基于Arduino實現了家居內溫濕度和空氣質量的測量, 采集的參數類型較為單一, 且CPU采用的傳統ATmega2560芯片, 當數據量增大時, ATmega2560的處理能力將會下降。文獻[4]提出了一種基于BOA和nRF24L01的智能家居系統, 由于該系統的遠程通信采用的是GPRS技術, 其傳輸速率最大只能達到114Kbps。文獻[5]基于STM32設計了一種無線智能家居舒適度測控系統。文獻[6]設計了一種基于Android的智能家居無線監控系統, 但遠程客戶端兼容性不足。針對這些問題, 通過ZigBee無線傳感網絡監測豐富的家居環境參數, 利用ARM Cortex-A8內核的AM3359為CPU, 以Linux為操作系統, 本文提出了一種基于Linux和ZigBee的通用性智能家居監控系統。為更好地實現數據處理、存儲和轉發, 采用TCP/IP替代GPRS, 增強遠程監控的實時性, 并使用Qt編寫了多種可選的GUI。該系統具有較好的實用性和穩定性且開發和維護成本較低, 具有良好的應用前景。

                          1、系統需求分析與總體設計

                          在智能家居系統建設中, 一般都需要采集溫濕度、火焰值等環境參數并且控制風扇、窗簾、門禁等家電設備, 而且當用戶離家以后, 往往還希望通過手機等移動設備對家居環境進行遠程監控, 為了滿足這些需求, 設計了智能家居監控系統框架如圖1所示。

                          系統主要由無線傳感網監控裝置、ARM主控平臺、智能家居服務器和客戶端三大部分組成。無線傳感網監控裝置以低功耗CC2530組建ZigBee網絡, 實現了對家居各環境信息的采集與控制。ARM主控平臺以AM3359開發板和Linux系統為硬、軟件平臺, 并且利用7in觸摸屏進行人機交互, 實現了數據的處理、存儲和轉發。智能家居服務器和客戶端使用Qt編寫了多種可選的GUI, 并利用TCP/IP技術進行數據交換, 實現了遠程實時監控。

                        圖1 智能家居監控系統框架
                        圖1 智能家居監控系統框架

                          2、系統硬件設計

                          2.1、無線傳感網硬件設計

                          無線傳感網的感知、通信、計算能力等特點使之非常適合于智能家居領域[7]。ZigBee由于其低成本低功耗等特點[8], 取締了研究人員對于WiFi和Bluetooth的熱衷[9-10]。

                          ZigBee模塊采用CC2530芯片來縮短不同運行模式間的切換時間并降低能耗[11]。溫濕度監測采用SHT11傳感器, 具有低功耗和穩定性等優點;易燃氣體監測采用MQ-3酒精傳感器, 測量精度高;防盜監測采用HC-SR501人體紅外模塊, 監測范圍為5~7m;身份識別采用RFID模塊讀取ID卡號;開關窗簾采用步進電機模塊帶動齒輪正/反轉。

                          2.2、主控平臺硬件設計

                          ARM硬件平臺采用英蓓特公司的SBC8600開發板, 其核心板采用Cortex-A8架構的AM3359處理器, 支持Linux、Android、WinCE等高級操作系統;其底板板載豐富的外設接口, 利用串口和以太網接口實現了數據的透傳。

                          3、系統軟件設計

                          3.1、ZigBee程序設計

                          ZigBee程序使用了TI公司提供的Z-Stack協議棧, 它將ZigBee協議的PHY層、MAC層、NWK層、APP層等定義都集合到了一起, 以函數的形式封裝并提供API, 方便了用戶的調用。

                          根據各種傳感器的數據手冊, 將其驅動程序移植到協議棧的APP層, 實現了對家居各環境信息的采集與控制。以RFID模塊的軟件設計為例, 軟件流程如圖2所示。

                        圖2 RFID模塊軟件流程
                        圖2 RFID模塊軟件流程

                          3.2、操作系統設計

                          Linux系統移植主要包括Bootloader的移植、內核移植、根文件系統的移植等三大部分[12]。

                          在Ubuntu15.04下, 首先搭建了交叉編譯環境并配置了環境變量, 然后在Linux 3.2.0源碼包目錄下運行make menuconfig、make uImage生成了內核鏡像uImage, 之后, 將庫文件 (tslib、Qwt 6.1.2、fonts等) 移植到根文件系統并編譯出鏡像ubi.img。最后, 用Bootloader將uImage和ubi.img燒寫到Nand Flash中。

                          Qt能夠給用戶提供強大的GUI功能[13]。傳統的Linux進程間通訊不是面向對象的, 可拓展性不強[14]。因此, 本文采用Signal-Slot (信號和槽) 機制, 實現了Qt應用進程之間的通信。智能家居監控系統的軟件設計流程圖如圖3所示。

                          3.3、服務器和客戶端程序設計

                          基于Qt強大的跨平臺特性, 使用它提供的QTcpSocket和QTcpServer類編寫了服務器和各種客戶端應用程序, 增加了遠程客戶端的兼容性[15]。服務器與客戶端之間的通信流程如圖4所示。

                        圖3 智能家居監控系統軟件設計流程
                        圖3 智能家居監控系統軟件設計流程

                        圖4 服務器與客戶端通信流程
                        圖4 服務器與客戶端通信流程

                          服務器創建socket之后一直處于監聽狀態, 一旦發現客戶端連接請求, 就會發出newConnection () 信號, 并觸發HandleArmData/HandleClientData。而在客戶端, 一旦有數據到來就會發出readyRead () 并觸發readMessage處理數據。

                          4、系統測試與分析

                          整機系統的測試包括近端ARM平臺監控測試和遠端電子設備監控測試、功能性與指標性測試。

                          在近端ARM測試中, 首先組裝好整個系統并上電, 然后在ARM板上成功登錄, 最后在家居監控界面監測各種家居環境參數并通過點擊開關按鈕控制多類家電設備。值得一提的是, 該系統使用了Dial和Thermo控件更直觀地顯示了當前的溫濕度, 使用了Knob控件更便捷地控制了風扇的轉速。家居監控界面如圖5所示, 近端測試結果如表1所示。

                        圖5 家居監控界面
                        圖5 家居監控界面

                        表1 近端測試結果
                        表1 近端測試結果

                          表1的測試結果表明, 該系統實現了各種家居環境信息的采集和多類家電設備的控制。

                          遠端設備測試是在近端測試的基礎上進行的, 首先運行服務器和客戶端軟件, 然后重復上述近端測試的基本操作, 看遠程客戶端能否實時、準確地對家居環境進行遠程監控。遠程客戶端的監控界面如圖6所示, 遠端測試結果如表2所示。

                        表2 遠端測試結果
                        表2 遠端測試結果

                          表2的測試結果表明, 該系統遠程監控的正確率不低于97%且時延不超過0.5s, 實現了較為準確、實時地遠程監控, 但是一些測試選項存在少量錯誤。分析可知, 該錯誤是由傳輸過程中數據包丟失和手機觸摸屏靈敏度低等造成的。通過優化ZigBee自組與路由算法和采用觸屏靈敏度高的手機可以使系統更加完善。

                        圖6 遠程客戶端監控界面
                        圖6 遠程客戶端監控界面

                          5、結論

                          通過分析智能家居監控系統的現狀和發展趨勢, 構建了一種感知家居環境參數ZigBee無線傳感網絡系統。通過在嵌入式平臺移植Linux操作系統, 并采用Qt編寫了多類遠程設備的GUI, 實現了基于TCP Socket的遠程實時監控。實驗測試表明, 該系統功能強大, 性能穩定, 實時性好, 具有良好的推廣價值。在后續工作中, 將強化ZigBee自組與路由算法, 并通過SQLite數據庫實現家居環境數據預警功能。

                          參考文獻
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