智能家居监控系统

摘 要：本设计是由ARM 嵌入式网关、ZigBee 协调器、ZigBee 传感器节点构成的智能家居控制系统。通过ARM11作为主控制器并利用internet网络实现远程访问，以CC2530和各种传感起作为zigbee协调器和zigbee传感网络的硬件。本文主要的工作是移植嵌入式Linux操作系统、构建Web服务器Boa；设计Zigbee数据采集的软硬件和CGI程序。最终，本系统为用户提供了一个通过 Internet了解家庭环境、设备状况，控制家居电子电气设备的平台。

关键词：ARM；ZigBee；web服务器

中图分类号：TU855

由于社会、经济水平的发展，人们所追求的生活是自动化、个性化、快节奏，并且生活方式充满乐趣。所以，人们对家居品质有了很高的要求，要求居住环境安全化、舒适化，家居生活智能化、人性化[1]。目前我国在智能家居系统上有了一定的研究，并且一些科研机构和公司研发了相应的产品，这些产品通信方式大多分为：RS485、EIB、CEBUS等。虽然在不同的场合，智能家居系统有不同的应用，但是这些智能家居系统普遍存在一些问题：首先系统的通信方式是采用有线通信，这样带来的问题是布线比较繁琐，设备的安装调试复杂以及移动性比较差，造成的成本较高，其次很多系统对PC机的依赖性很强、系统的构架复杂、灵活性差。

综合考虑到以上智能家居存在的缺点，因此在以后的智能家居的研发工程中无线网络通信技术的运用是必然的趋势，运用无线网络主要优势在于设备安装的灵活性强，这样可以节省综合布线的成本以及安装和维护上的精力。基于以上优点的考虑，本课题主要研究一款基于ARM11和Zigbee技术的智能家居系统，以Zigbee技术和传感器技术作为前端数据采集，核心主控制器是ARM11（tiny6410）通过以太网实现数据远程访问。本设计是以linux为嵌入式开发环境，建立良好的人及交互界面，可以实现对家居环境、设备的远程监控。

1 系统设计

1.1 系统总体设计结构

本系统是由ARM控制设计的智能家居系统，其系统总体设计系结构如图1所示，用户登录到用户管理系统可以通过远程浏览器，其远程访问家庭内部的嵌入式主控制器是通过Intnet，嵌入式Web服务器会根据用户的需求，利用Rs232串口向ZigBee家庭网络的协调器（Coordinator）发送交互指令，家庭网络节点以无线的方式接收控制信息和发送传感器信息。

远端的客户浏览器：本系统在嵌入式主控制器上实现了数据库和WEB服务器的功能，并且利用网页设计和相应的CGI程序设计人机交互的界面，从而达到方便用户管理和使用的目的。

嵌入式智能家居主控制器：嵌入式控制器是整个家居系统的最核心的部分，它是链接外部intemet和内部无线家庭网络的一个桥梁，起着非常重要的作用。首先，嵌入式控制器要能提供web服务，但其前提是其要支持TCP/IP协议，由此就可以实现远程访问；其次是它要实现内部家庭网络和外部Internet之间协议的转换、路由等功能和地址转换。

无线家庭网络：此设计部分设计中，采用的是ZigBee技术。一个ZigBee节点由一个嵌入ZigBee模块组成，则整个家庭无无线局域网可以由很多ZigBee节点组成的。嵌入式控制器接收来自远端用户发来的控制信息，经过嵌入式主控制器处理后，根据信息中要求的信息，通过协调器，将命令转发给ZigBee网络中相应的ZigBee节点，其将采集的数据发送给主控制器，主控制器继续将数据发送远程请求的用户，这样就实现对家庭内的信息监测和控制。[2]

1.2 系统主要传感器接口电路设计

1.2.1 温湿度采集节点接口电路

智能家居监控系统温湿度采集采用AM2305数字式温湿度传感器。由于采用温湿度传感和数字模块采集技术，具有精度高、性价比高、稳定性好、体积小等优点。其温度测量范围是-40～125℃，分辨率0.1℃，精度±0.2℃，湿度测量范围是0～100RH%，分辨率0.1RH%，精度±2RH%，因此其可以满足测量要求。由于传感器传输数据采用单总线，只需要一根数据线外加电源线和接地线即可实现与控制器的通信。它的供电电压为3.3～6V，上电后须延时1s以确保数据稳定，采样周期最小为2s[2]。根据上述要求设计的AM2305接口电路如图2所示：

1.2.2 烟雾、可燃气体浓度采集节点接口电路

本设计针对不同可燃气体现有的检测方式及检测特点，选择ZYMQ-2型可燃气体和烟雾浓度检测传感器作为检测器。气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）。传感器的电导率随所处环境中可燃气体浓度的增加而增大，如烟雾、液化气、丙烷、丁烷、甲烷、氢气、酒精等常见可燃气体的监测装置，均适用。采用简单的电路将电导率转换为与该相对应气体的浓度信号。气体传感器ZYMQ-2信号调理电路原理图如图3所示。采用LM393芯片放大信号，输出信号有两路，其中AOUT输出的是气体的浓度转化为0～5V模拟量电压，DOUT低电平有效，输出的是TTL电平，RP是滑动变阻器，用于是调节输出的灵敏性。AOUT连接在CC2530的P0^0口上用于检测气体浓度的大小，用于向服务器提供采集的数据。DOUT连接CC2530的P1^4口，用于检测房屋内是否有烟雾及可燃气体等，发光管用于检测气体是否达到报警值，通过调节RP的值来调节报警阈值。

1.2.3 电子锁控制接口电路

无线控制电子锁的控制部分由CC2530MCU、存储、电源、显示、驱动、电磁铁及机械锁体等单元组成。通过无线接收加密控制信息实现电子锁开关功能。完善的电源是电子锁控制部分和执行部分都必不可少的。电子锁的执行机构一般采用电磁铁或微型电动机拖动锁体。本设计中无线电子锁设接口电路如图4所示。

1.2.4 语音模块

系统语音报警模块采用WT588D集成语音芯片，模块接口电路原理如图5所示。用上位机软件对WT588D语音模块烧写语音程序时，选择三线串口控制模式。I/O口P0.3被定义为数据端口，P02为CS片选口，P01为CLK时钟端口，单片机可通过三个I/O口对WT588D语音模块进行控制。三线串口控制模式下，其它端口都没有作用。P17端口为BUSY忙信号输出端。WT588D模块的VCC输入端的电压要保证在2.8V～3.5V，模块VCC的电压如果大于3.5V，有可能会导致模块内部的存储器烧坏。[3]

1.3 系统软件设计

本系统软件设计分为嵌入式控制器软件设计和家庭无线网络数据采集两大部分。从总体看系统的软件设计包括：嵌入式Linux系统的移植、嵌入式liunx系统串口编程、嵌入式WEB服务器boa的移植和相关程序的实现、传感器驱动代码的编写、Zigbee网路的组建和传感器数据的传输、视频信息的采集等。系统软件流程图如图6。

在进行主程序设计之前，首先必须Linux操作系统移植成功，Boa服务器移植成功。然后就是Zigbee网络组网成功及各采集点数据采集成功、家电可控。最后就是USB视频数据采集成功。

主控制器上电之后，程序的运行步骤如下：

（1）启动Linux操作系统。在此过程中，要初始化各硬件，包括串口，USB视频采集模块；

（2）主控制器发送命令。主控制器向ZigBee协调器发送命令，ZigBee协调器向ZigBee终端采集节点发送命令，ZigBee终端采集节点执行相应的动作。

（3）主控制器，也是服务器等待客户端发送请求。当有客户端发送请求时，服务器判断请求的类型，若是室内状况查看请求，则向客户端返回传感器数据和门锁的状态及窗帘的状态；若是远程网络视频查看请求，则向客户端返回室内监控视频；若是家电控制请求，服务器继续判断控制家电的类型，然后将相应的家电控制到相应的状态。最后服务器又要等待客户端发送请求。

2 结论

本系统以Tiny6410开发板为主控制器，利用ZigBee无线通信技术，在此基础上增加了温湿度监控，窗帘控制，有害气体检测，USB视频采集等硬件模块，还为系统移植了linux操作系统，最后又在移植的Linux系统上开发了各硬件模块的驱动程序和系统应用程序，成功实现了一个成本低、效率高、体积小、容易使用的嵌入式智能家居监控系统。

参考文献

[1]杨杰.基于Zigbee和ARM9的智能家居系统的研究与设计[D].武汉：武汉理工大学，2010.

[2]王良，马克军.基于Zigbee技术粮仓环境监测系统的设计[J].信息通信，2012.

[3]彭建盛.基于CC1110单片机公交报站系统的设计与实现[J].电子设计工程，2010.

[4]侯立功.基于物联网技术的智能家居系统构想[J].数字通信，2011.

[5]马佳佳.“环境智能”前景下的家庭智能清洁服务设施设计[D].南京：南京艺术学院.2011.

[6]易璐，余伟伟论智能化设计理念在室内环境中的运用及体现[J].现代商贸工业.2011.

作者简介：李涛（1984.5-），男，河南洛阳人，助教，学士，教务处科长，研究方向：计算机应用研究、教学管理研究、教学信息化研究。

作者单位：银川能源学院教务处，银川 750105