ZigBee及GPRS模塊的智能家居系統設計*

韓進，楊穎超，秦宏超，劉文武

(山東科技大學 信息科學與工程學院，青島 266590)

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ZigBee及GPRS模塊的智能家居系統設計*

韓進，楊穎超，秦宏超，劉文武

(山東科技大學 信息科學與工程學院，青島 266590)

基于ZigBee、智能識別及GPRS技術，以三星公司S3C6440為核心芯片，利用S3C6440核心板模塊、ZigBee模塊及GPRS模塊設計了一套功能較為完善的智能家居控制系統。本系統主要實現人臉智能識別門禁系統、室內各種環境參數的檢測、GPRS短信通知及局域網異地控制等功能。系統經過調試及優化，能夠滿足普通住戶對智能家居的需求，達到了預期設計目標。

嵌入式技術；智能識別；智能家居；ZigBee；GPRS

引 言

現代家居越來越追求高效、便捷、智能理念，不僅僅表現在物理層面上的生存空間，更表現為追求安全、舒適、方便、智能的生活環境。這使得智能家居系統成為一種強烈的需求。人們越來越重視智能家居系統，家居智能化是大勢所趨。在這種趨勢下，本文給出了一種基于ZigBee、智能識別及GPRS技術的嵌入式智能家居系統方案[1]。

1 系統方案

本文設計完成的智能家居管理系統為了完成既定的人臉智能識別門禁系統、室內各種環境參數的檢測、GPRS短信通知及局域網異地控制等功能，在家庭組網技術中采用具有近距離、高安全性、低復雜度、低功耗及低成本優點的ZigBee技術[2]。在遠程網絡控制技術中采用成本低、可靠性高、性能優良的GPRS技術。利用這兩種技術，完全可以對智能家居進行近程及遠程控制，提高了智能家居管理系統的實用性。

本文完成的智能識別家居控制系統是以嵌入式技術及ZigBee技術為基礎，綜合Internet網絡通信技術、GPRS無線通信建立起來的智能家居系統。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

2 系統設計

2.1 家庭控制子網組建

2.1.1 家居節點

在智能家居系統中，家居主節點作為協調器，處于ZigBee網絡的最上層，完成保證家居設備節點之間數據信息傳輸及節點控制等功能，完成的功能相對復雜，這里采用全能型設備。

ZigBee模塊作為家居設備節點，在各設備節點之間組成網絡，來完成檢測各種室內環境參數，進行信號的接收及發送，以及對數據進行處理等功能。用于家居設備節點的ZigBee模塊分別完成溫度濕度檢測、煙霧濃度檢測、門磁模擬、紅外對射檢測等功能。根據這些功能，可以把各個ZigBee模塊設計為溫度濕度檢測設備節點、煙霧濃度檢測節點及報警信號采集節點等家居設備節點。

家居節點拓撲結構如圖2所示。

圖2 家居節點拓撲結構圖

2.1.2 子網通信協議

家居設備節點和家居主節點之間必須制定統一的通信協議，用以識別設備之間發送的數據所包含的信息。家居主節點對家居設備節點的操作主要有查看設備節點的狀態及對設備節點進行功能性的操作等。本次智能識別家居控制系統使用的ZigBee子網通信協議使用的是ZigBee模塊中默認的子網通信協議。

2.2 家庭網關

2.2.1 家庭網關的結構和功能

家庭控制網絡需要家庭網關[3]來與外界進行信息交換，同時對家中設備進行遠程控制及管理。家庭控制網絡必須通過家庭網關才能與外界網絡進行連接，才能實現遠程控制。家庭網關應具備協議轉換及提供遠程控制接口的功能。

家庭網關在本智能識別家居控制系統中充當網絡接口單元的作用，既可以與家庭內部子網的設備進行直接通信，還能與外部Internet進行直接連接。

2.2.2 家庭網關軟件

家庭網關軟件系統設計主要分為用戶界面和程序模塊兩部分。

用戶界面設計主要體現在智能家居主控界面的設計。智能家居主控界面使用Qt來進行開發制作。Qt既可以開發GUI程序，也可以開發非GUI程序。良好的封裝機制、signals/slots安全類型、豐富的應用程序編程接口等優勢，使得用戶開發變得非常方便快捷。

程序模塊主要完成對整個系統所用功能的模塊劃分及實現，并為用戶界面提供接口支持。這樣的劃模塊設計使得整個系統具有更強的擴展性和更清晰的結構。本智能識別家居控制系統所涉及的程序模塊的編寫，是由Qt在進行智能家居主控界面設計時自動生成程序模塊主函數。

2.3 人臉識別模塊設計

在本智能識別家居控制系統中，智能識別主要體現在采用先進的人臉識別機制的門禁安防系統。設計中，使用OpenCV來實現人臉識別的功能。

2.3.1 OpenCV項目配置及文件說明

(1) 相關項目及UI配置

對Qt進行相關的項目配置，指定相關庫文件目錄，利用Qt軟件來制作基于OpenCV的智能門禁系統的UI界面。在UI人機交互界面上添加人臉顯示區域、顯示系統中存入人臉圖像的區域及對系統中的存儲的人臉信息進行相關操作的按鍵，如加入、刪除、上移、下移等，完成UI界面的制作。

(2) 核心代碼編寫

本文設計的智能識別人臉門禁系統中的人臉識別功能是以人臉信息為基礎來完成的[4]。編碼過程中最核心的部分為添加及刪除授權人的人臉信息的相關代碼的編寫。

添加人臉按鍵及刪除人臉按鍵事件的代碼如下：

void MainWidget::on_pushButton_Up_clicked(){

QListWidgetItem *item= listWidget->currentItem();

if(item){

int id=item->text().toInt();

if(id==1) return;

QFile::rename(QString("data/%1.pgm").arg(id),QString("data/tmp.pgm"));

QFile::rename(QString("data/%1.pgm").arg(id-1),QString("data/%1.pgm").arg(id));

QFile::rename(QString("data/tmp.pgm"),QString("data/%1.pgm").arg(id-1));

fresh();

}

}

void MainWidget::on_pushButton_Down_clicked(){

QListWidgetItem *item= listWidget->currentItem();

if(item){

int id=item->text().toInt();

if(id==faceNum) return;

QFile::rename(QString("data/%1.pgm").arg(id),QString("data/tmp.pgm"));

QFile::rename(QString("data/tmp.pgm"),QString("data/%1.pgm").arg(id+1));

fresh();

}

}

2.3.2 OpenCV在ARM上的移植

在ARM上移植OpenCV需要執行以下步驟[5]。OpenCV的移植環境為PC機系統Ubuntu10.10。交叉編譯工具為arm-linux-gcc 4.5.1。對OpenCV壓縮包進行解壓，轉到OpenCV目錄，進行相關配置，然后對其進行編譯安裝。將相關庫文件移植到嵌入式芯片中，測試移植是否成功。

OpenCV在開發板上移植成功后即可完成利用攝像頭進行人臉識別的功能。實現了本智能識別家居系統的智能識別功能。

2013年11月，習近平總書記首次提出“扶貧要精準扶貧”[1]，指出“扶貧要實事求是，因地制宜。要精準扶貧，切忌喊口號，也不要定好高騖遠的目標”。2018年3月，李克強總理在政府工作報告再次強調了要加大精準扶貧的力度。2015年7月，在國務院印發的《關于積極推進“互聯網+”行動的指導意見》中，“互聯網+”現代農業作為11個方面的具體行動之一提了出來。將現代信息技術引入農業，大力發展智能農業、生態農業，轉變傳統農業生產方式、運作模式和銷售模式，積極探索“互聯網+”現代農業的有效途徑，激發內部活力，實施精準扶貧，實現精準脫貧。

2.4 GPRS模塊設計

GPRS[6]在智能家居安防系統中在如下情況下將會向用戶發送短消息：如果家里有安全隱患時，需通過GPRS網絡向用戶發送短信，以便用戶及時處理。本文根據相關ARM體系結構進行編程[7]。

GPRS模塊的主要軟件編程如下：

void gprs_msg(char *number, int num){

printf("*******************gprs_msg start write sensor:%d***************** ",num);

tty_writecmd(gprs_fd, "AT", strlen("AT"));

tty_writecmd(gprs_fd, "AT+CMGF=1", strlen("AT+CMGF=1"));

//發送修改字符集命令

tty_write(gprs_fd, "AT+CMGS=", strlen("AT+CMGS=")); //發送發短信命令

tty_write(gprs_fd, """, strlen("""));

tty_write(gprs_fd, number, 11);

tty_write(gprs_fd, """, strlen("""));

tty_write(gprs_fd, "; ", strlen("; "));

sensor=num;

}

void gprs_baud(char *baud,int num){

tty_write(gprs_fd, "AT+IPR=", strlen("AT+IPR="));

tty_writecmd(gprs_fd, baud, strlen(baud) );

usleep(200000);

}

3 調試結果

經過一系列軟硬件設計及軟件調試，基于S3C6440嵌入式芯片及外部模塊電路的智能識別家居控制系統設計完成，并較好地實現了既定的目標。具體的調試結果如下。

外部模塊各ZigBee節點信息如圖3所示；智能家居主控界面如圖4示。

圖3 ZigBee節點信息

圖4 智能家居主控界面

人臉識別通過時，智能家居相關功能激活，如圖5所示；人臉識別未通過時，智能家居的相關功能未激活，如圖6所示。

圖5 智能家居功能激活界面

圖6 智能家居功能未激活界面

局域網異地控制客戶端如圖7所示。

Intelligent Home System Design Based on ZigBee and GPRS Module

Han Jin, Yang Yingchao, Qin Hongchao, Liu Wenwu

(School of Information Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590,China)

Based on ZigBee, intelligent identification and GPRS technology, Samsung S3C6440 chip as the core chip, using S3C6440 core board module, ZigBee module and GPRS module, a set of relatively complete intelligent home control system is designed and implemented. This system mainly completes face intelligent identification entrance guard system, all sorts of indoor environmental parameter detection, GPRS SMS and LAN long-distance control and other functions. After debugging and optimization, system can meet the needs of ordinary residents of smart home, achieving the desired design goal.

embedded technology; intelligent recognition; intelligent household; ZigBee; GPRS

* 國家自然科學基金(No.41072212)；青島經濟技術開發區重點科技發展計劃項目(2013-1-62)；山東科技大學研究生教育創新計劃(KDYC13012)。

TP273

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