一種智能家居系統的實現

孫俊杰++張偉++劉洋

摘 要：智能家居作為物聯網時代的主要應用方向，近年來快速發展。現階段智能家居系統還沒有普及到千家萬戶。提出一種采用嵌入式Linux系統為核心控制網關，以價格低廉的單片機為節點控制器，采用ZigBee無線網絡技術，允許多方式控制的技術方案，通過實驗證明該系統具有高效率、高可靠性和低成本的特點。

關鍵詞：智能家居；ZigBee；控制網關；單片機

中圖分類號：TP319 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）02-00-02

0 引 言

隨著物聯網技術的飛速發展，智能家居作為物聯網發展的重要分支已經已經走進人們的生活[1-3]。在智能家居領域，人機交互的便捷、高效是關注的重點。

目前智能家居系統主要的控制方式為傳統的固定式家居開關或功能簡單的無線按鍵遙控器。語音交互有著以上交互方式無法比擬的便捷、學習成本低等方面的優勢。目前國內外的公司相繼進行語音智能家居系統方向的研發[4-6]。在此，文章提出一種簡單便捷的語音智能家居系統，通過整合現有的資源構建語音智能家居系統。

1 系統設計

語音智能系統由智能節點、智能家居網關（以下簡稱網關）和控制終端三個部分組成。其中智能家居網關為系統的核心處理單元，是系統的數據中心，其他部分都可以理解為智能家居系統的子節點。系統結構如圖1所示。

圖1 智能家居網關系統框架

系統功能的實現與控制由網關完成，智能節提供數據支撐與功能的具體執行，控制終端完成人機交互。其中，智能節點分為兩類，監測節點與執行節點。監測節點完成環境監測功能，例如環境溫度濕度監測、光照強度監測、可燃氣體監測、煙霧檢測等等環境的監測；執行節點完成電器的控制，例如燈光的控制、窗簾的控制等。控制終端分為三類，專用控制終端、手機客戶端和網頁控制端。以上所有種類設備根據不同的需要選擇相應的連接方式連接到智能家居網關上。

2 系統實現

2.1 硬件方案實現

系統硬件實現分三個部分進行說明。

智能節點設備，采用無線傳輸技術ZigBee方案組網傳輸信息，具體的硬件采用CC2530芯片與STM8單片機協同工作的系統方案。CC2530模塊部分完成與網關通信功能，STM8單片機驅動外圍功能設備，連個模塊間采用串口進行數據傳輸。

控制終端分為三類，采用的方式各不相同。專用終端采用ZigBee方式連接網關，采用STM32單片作為主控芯片，通過按鍵、觸摸屏與液晶屏等完成人機交互任務。手機使用專用的手機客戶端軟件通過Internet連接網關，實現對家居系統的控制。網頁客戶端的功能實現是在網關實現Web服務器的功能，智能家居系統能夠通過網頁方式訪問控制。

網關由Cortex A8芯片作為處理器的嵌入式系統與其他外圍期間組成。網關硬件包含有ZigBee模塊、以太網模塊、GPRS模塊等。

2.2 軟件實現

2.2.1 數據幀格式設計

以一個電燈為例說明數據類型，表3中為燈申請入網的數據幀，1為幀頭，每個幀固定為0xEECC；2為協調器地址；3為燈節點的ZigBee地址，協調器自動分配；4為幀類型，燈為執行節點故數據為0x02，監測節點的類型為0x01，控制幀類型為0x03；5為內容長度，計算可得程度為8個字節；6為設備編號，燈的標號為1；7為同類型設備編號，這里是第一個燈，編號為1；8為數據內容，該幀的數據內容為0；9為擴展內容，申請注冊的擴展內容為1；10為校驗字，相加后的校驗字為7F；11為結束符0xFF。

2.2.2 智能家居網關軟件實現

網關的軟件框架如圖2所示，從圖中可以看到網關軟件系統由三個大的部分構成，即SQLite數據庫、Web服務器和網關決策程序構成。SQLite數據庫完成對網關歷史數據的存儲。Web服務器提供網頁訪問需求，系統移植使用BOA服務器。

圖2 智能家居網關軟件框架

智能家居網關決策程序主要由三個線程完成主要功能，三個線程共享一個公共的系統狀態，根據系統狀態，由各自的事件推動完成系統設定的功能。網關決策程序啟動后，先完成初始化，然后依次啟動三個服務線程。ZigBee服務線程啟動后等待讀取ZigBee協調器發送的數據幀，然后根據不同的數據幀與當前系統狀態完成相應的處理任務，最后等待下一個數據幀的讀取；手機與Web客戶端服務線程的工作模式與ZigBee服務線程的基本相同，區別在于本線程的數據讀取自網絡Socket接口。計劃任務服務線程工作于定時工作模式，查詢當前的需要完成的任務，完成任務后線程定時一定時間后重新工作，功能的實現由時間時間推動。

3 系統測試

系統測試分為兩個部分，數據通信測試與使用功能測試。

數據通信測試實驗的硬件條件設定如下：網關1個，監測節點、執行節點、專用控制終端各5個，手機客戶端1個。設定計劃任務每秒向各個節點設備發送10幀數據，一共發送200 s，統計每個節點收到的取平均數作為實驗結果，不同組實驗間以ZigBee設備與網關間的距離作為變量，實驗結果如表4所示。由實驗結果可以得出，系統數據通信方案基本滿足智能家居使用的環境需求。

使用功能測試實驗的硬件條件與數據通信測試設定一致，節點與協調器間的距離為10 m。實驗內容設定為系統工作30 min，隨機每個控制終端完成20次控制指令，觀察系統運行狀態。在30 min的實驗過程中，監測節點數據顯示正常，控制命令沒有出現無效或錯誤的現象，手機客戶端控制命令存在延時，延時在1 s左右，實驗結果證明智能家居系統能夠完成系統設定的任務，功能正常。

4 結 語

智能化的家居系統未來家居發展的方向，廉價可靠的智能家居系統是智能家居系統發展的必由之路。文章提供了一個高效率、高可靠性和低成本的智能家居解決方案，有利于智能家居系統的實用化推進。

參考文獻

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