智能家居监控系统设计开发（Linux+ZigBee）

　　摘要：针对目前智能家居系统功能单一、远程监控实时性与客户端兼容性问题, 设计并实现了一种基于Linux和ZigBee的通用性智能家居监控系统。以ARM Cortex-A8处理器与Linux为智能家居的硬、软件平台, 通过采用低功耗CC2530组建ZigBee网络, 实现了对家居通用环境信息的采集与控制。此外, 采用Qt编写的远程客户端能兼容各种操作系统 (Windows、MacOS、Android、iOS) , 实现了基于TCP Socket的远程实时监测与控制。实验结果表明, 该系统监控准确, 时延较短, 运行稳定, 且客户端功能丰富, 具有良好的推广价值。

　　关键词：智能家居; Linux; ZigBee; Qt; TCP Socket; 远程监控;

　　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;

　　近年来, 随着互联网的飞速发展, “互联网+”已被广泛的关注[1]。国务院于2015年7月颁布了《关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》, 鼓励传统家居企业与互联网企业开展集成创新, 提升家居产品的智能化水平并推动经济发展, 目前智能家居已经成为研究热点[2]。文献[3]基于Arduino实现了家居内温湿度和空气质量的测量, 采集的参数类型较为单一, 且CPU采用的传统ATmega2560芯片, 当数据量增大时, ATmega2560的处理能力将会下降。文献[4]提出了一种基于BOA和nRF24L01的智能家居系统, 由于该系统的远程通信采用的是GPRS技术, 其传输速率最大只能达到114Kbps。文献[5]基于STM32设计了一种无线智能家居舒适度测控系统。文献[6]设计了一种基于Android的智能家居无线监控系统, 但远程客户端兼容性不足。针对这些问题, 通过ZigBee无线传感网络监测丰富的家居环境参数, 利用ARM Cortex-A8内核的AM3359为CPU, 以Linux为操作系统, 本文提出了一种基于Linux和ZigBee的通用性智能家居监控系统。为更好地实现数据处理、存储和转发, 采用TCP/IP替代GPRS, 增强远程监控的实时性, 并使用Qt编写了多种可选的GUI。该系统具有较好的实用性和稳定性且开发和维护成本较低, 具有良好的应用前景。

　　1、系统需求分析与总体设计

　　在智能家居系统建设中, 一般都需要采集温湿度、火焰值等环境参数并且控制风扇、窗帘、门禁等家电设备, 而且当用户离家以后, 往往还希望通过手机等移动设备对家居环境进行远程监控, 为了满足这些需求, 设计了智能家居监控系统框架如图1所示。

　　系统主要由无线传感网监控装置、ARM主控平台、智能家居服务器和客户端三大部分组成。无线传感网监控装置以低功耗CC2530组建ZigBee网络, 实现了对家居各环境信息的采集与控制。ARM主控平台以AM3359开发板和Linux系统为硬、软件平台, 并且利用7in触摸屏进行人机交互, 实现了数据的处理、存储和转发。智能家居服务器和客户端使用Qt编写了多种可选的GUI, 并利用TCP/IP技术进行数据交换, 实现了远程实时监控。

图1 智能家居监控系统框架

　　2、系统硬件设计

　　2.1、无线传感网硬件设计

　　无线传感网的感知、通信、计算能力等特点使之非常适合于智能家居领域[7]。ZigBee由于其低成本低功耗等特点[8], 取缔了研究人员对于WiFi和Bluetooth的热衷[9-10]。

　　ZigBee模块采用CC2530芯片来缩短不同运行模式间的切换时间并降低能耗[11]。温湿度监测采用SHT11传感器, 具有低功耗和稳定性等优点;易燃气体监测采用MQ-3酒精传感器, 测量精度高;防盗监测采用HC-SR501人体红外模块, 监测范围为5~7m;身份识别采用RFID模块读取ID卡号;开关窗帘采用步进电机模块带动齿轮正/反转。

　　2.2、主控平台硬件设计

　　ARM硬件平台采用英蓓特公司的SBC8600开发板, 其核心板采用Cortex-A8架构的AM3359处理器, 支持Linux、Android、WinCE等高级操作系统;其底板板载丰富的外设接口, 利用串口和以太网接口实现了数据的透传。

　　3、系统软件设计

　　3.1、ZigBee程序设计

　　ZigBee程序使用了TI公司提供的Z-Stack协议栈, 它将ZigBee协议的PHY层、MAC层、NWK层、APP层等定义都集合到了一起, 以函数的形式封装并提供API, 方便了用户的调用。

　　根据各种传感器的数据手册, 将其驱动程序移植到协议栈的APP层, 实现了对家居各环境信息的采集与控制。以RFID模块的软件设计为例, 软件流程如图2所示。

图2 RFID模块软件流程

　　3.2、操作系统设计

　　Linux系统移植主要包括Bootloader的移植、内核移植、根文件系统的移植等三大部分[12]。

　　在Ubuntu15.04下, 首先搭建了交叉编译环境并配置了环境变量, 然后在Linux 3.2.0源码包目录下运行make menuconfig、make uImage生成了内核镜像uImage, 之后, 将库文件 (tslib、Qwt 6.1.2、fonts等) 移植到根文件系统并编译出镜像ubi.img。最后, 用Bootloader将uImage和ubi.img烧写到Nand Flash中。

　　Qt能够给用户提供强大的GUI功能[13]。传统的Linux进程间通讯不是面向对象的, 可拓展性不强[14]。因此, 本文采用Signal-Slot (信号和槽) 机制, 实现了Qt应用进程之间的通信。智能家居监控系统的软件设计流程图如图3所示。

　　3.3、服务器和客户端程序设计

　　基于Qt强大的跨平台特性, 使用它提供的QTcpSocket和QTcpServer类编写了服务器和各种客户端应用程序, 增加了远程客户端的兼容性[15]。服务器与客户端之间的通信流程如图4所示。

图3 智能家居监控系统软件设计流程

图4 服务器与客户端通信流程

　　服务器创建socket之后一直处于监听状态, 一旦发现客户端连接请求, 就会发出newConnection () 信号, 并触发HandleArmData/HandleClientData。而在客户端, 一旦有数据到来就会发出readyRead () 并触发readMessage处理数据。

　　4、系统测试与分析

　　整机系统的测试包括近端ARM平台监控测试和远端电子设备监控测试、功能性与指标性测试。

　　在近端ARM测试中, 首先组装好整个系统并上电, 然后在ARM板上成功登录, 最后在家居监控界面监测各种家居环境参数并通过点击开关按钮控制多类家电设备。值得一提的是, 该系统使用了Dial和Thermo控件更直观地显示了当前的温湿度, 使用了Knob控件更便捷地控制了风扇的转速。家居监控界面如图5所示, 近端测试结果如表1所示。

图5 家居监控界面

表1 近端测试结果

　　表1的测试结果表明, 该系统实现了各种家居环境信息的采集和多类家电设备的控制。

　　远端设备测试是在近端测试的基础上进行的, 首先运行服务器和客户端软件, 然后重复上述近端测试的基本操作, 看远程客户端能否实时、准确地对家居环境进行远程监控。远程客户端的监控界面如图6所示, 远端测试结果如表2所示。

表2 远端测试结果

　　表2的测试结果表明, 该系统远程监控的正确率不低于97%且时延不超过0.5s, 实现了较为准确、实时地远程监控, 但是一些测试选项存在少量错误。分析可知, 该错误是由传输过程中数据包丢失和手机触摸屏灵敏度低等造成的。通过优化ZigBee自组与路由算法和采用触屏灵敏度高的手机可以使系统更加完善。

图6 远程客户端监控界面

　　5、结论

　　通过分析智能家居监控系统的现状和发展趋势, 构建了一种感知家居环境参数ZigBee无线传感网络系统。通过在嵌入式平台移植Linux操作系统, 并采用Qt编写了多类远程设备的GUI, 实现了基于TCP Socket的远程实时监控。实验测试表明, 该系统功能强大, 性能稳定, 实时性好, 具有良好的推广价值。在后续工作中, 将强化ZigBee自组与路由算法, 并通过SQLite数据库实现家居环境数据预警功能。

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