通信安全及遠程監控目標下的物聯網智能化家居系統開發

摘 要： 基于ZigBee設計智能化家居控制系統的方案，通過深入分析該系統的應用場合及各項技術特點，提出以3C2440為家庭網關中央控制器，采用ZigBee和GPRS通信技術實現整個系統的統籌管理和遠程通信，展現出智能家居人性化、智能化的特點。實驗結果表明，1 h，10 h，20 h系統接收數據正確率為：98.93%，99.88%，99.93%，說明該系統穩定可靠、通信準確率高。

關鍵詞： 物聯網； 智能化家居系統； 軟件； ZigBee通信模塊

中圖分類號： TN948.64?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）20?0061?03

Abstract： The design scheme of intelligent home control system based on ZigBee， in which S3C2440 is taken as the central controller of home gateway， and ZigBee and GPRS communication technologies are used， is proposed by means of deep analysis of application occasions and technical features of the system to achieve the overall management and remote communication， and show the characteristics of intelligent home humanization and intelligentization. The test result shows that the receiving data accuracy of the system is 98.93%， 99.88% and 99.93% corresponding to the test time of 1 h， 10 h and 20 h， which indicates that the system is stable and reliable， and the communication accurate rate is high.

Keywords： Internet of Things； intelligent home system； software； ZigBee communication module

隨著人們生活水平的提高，人們的生活方式和精神追求發生明顯變化。物聯網技術的發展及應用，成功掀起一場信息技術和產業革命，為智能化發展提供重要支撐。智能家居是指借助計算機、通信、傳感等技術把家居環境中各種設備相互連接，集合各項功能為一體的系統[1]。物聯網智能化家居系統是以住宅為載體，通過無線聯動方法控制各種設備，從而實現自動化、智能化家居管理功能，為人們提供安全、便捷的生活空間做出重要貢獻。

1 物聯網智能化家居系統設計方案

1.1 分析智能家居系統的需求

現階段，我國智能化家居行業發展并不成熟，國內并未制定統一的行業設計標準作為參照[2]。設計的智能家居系統必須遵循用戶的需求和以家居環境為依據，從而滿足不同類型用戶的需求。智能化家居系統必須滿足下列標準：

（1） 保證數據傳輸的可靠性，無線數據傳輸的信息要保障安全可靠，促使中央控制中心對內實現對其家居模式信息的處理[3]。

（2） 成本低廉。智能化家居系統要考慮普及推廣效果，根據多數消費者的消費能力展開設計，選擇的技術、硬件均在消費者能夠承受的范圍內。

1.2 物聯網智能家居系統總體設計

物聯網智能化家居系統主要包含家庭網關、硬件、軟件、無線通信單元等部分[4]。家庭網關作為整個家居系統的關鍵環節，不單單承擔著內部和外部網絡的相互通信，也借助無線通信網絡對設備終端開展實施監控及管理[5]。家居環境內各類智能用電器借助無線網絡實現連接，達到交換信息的目的。家居安保系統把門禁控制、防火、防盜等系統合理結合，確保人們家居環境的安全。在室內安裝的各個傳感器采用ZigBee技術與ARM控制器相互連接，如果傳感器檢測到室內存在異常情況，借助ZigBee無線通信網絡及時通知ARM控制器，由該控制器依據不同信號開展針對性處理[6]。本次設計的智能化家居系統還配備友好用戶界面，本界面可以展現系統內各個部件的運行情況，便于用戶實時查詢家居設備運行情況。

2 設計智能化家居系統硬件設計

本設計中使用三星公司生產的S3C2440微處理器芯片。這種芯片是CPU設計ARM920T內核，與普通的單片機比較，其運行速度更快，可以滿足系統對實時性的需求[7]。同時，這種芯片設置兩通道SPI、三通道UART、USB主設備芯片，便于及時擴展外圍設備。因此，本設計中，在S3C2440芯片上添加電源模塊、報警模塊、以太網模塊、按鍵與顯示模塊等外圍設備。S3C2440芯片包含相應的內存管理單元（MMU），能夠更好地運行Linux嵌入式操作系統，這種設計具有功耗低、性能好等優點，完全滿足設計要求[8]。硬件系統結構見圖1。

2.1 GPRS通信模塊

GPRS是移動數據重要的承載方式，與其他通信方式比較，該模塊具有覆蓋面廣、運營費用低、實時傳輸信息等優點[9]。本設計挑選雙頻GPRS模塊西門子MC35I，該模塊工作性能穩定，與S3C2440使用串口方式實現連接。串行線通過轉換能與RS 232串口直接相連。中央控制器借助異步收發器所提供的串口，用戶根據放置的狀態寄存器對操作狀態進行判斷和定位。

2.2 ZigBee無線通信模塊

ZigBee技術是根據IEEE 802.15.4協議設計的短距離、低功耗、低成本雙向無線網絡技術，主要用來完成數千個微小傳感器間的相互通信[10]。ZigBee技術能夠在設備處在休閑狀態進入休眠期，只依靠2節5號電池即可連續工作半年[11]。同時，ZigBee通信響應時間較短（30 ms）。深入分析并根據家居具體的環境情況可知，在各類近距離無線通信技術中，ZigBee技術最適宜用于智能化家居系統中。ZigBee技術主要支持樹狀、網狀和星狀三種網絡形式，本設計使用星狀網絡結構。在這種結構中，如果第一次激活某個全功能設備，其會自動創建相應的網絡，且與已有的其他星形網絡相互獨立[12]。ZigBee網絡中的協調器主要用來搜索有效的信道及終端節點，借助RS 232串行口與家庭網絡實施數據傳輸。終端節點主要接收協調器發出的命令，對各個電氣開關和溫度傳感器展開控制，并將上述開關的狀態及溫度信息反饋至家庭網關。

2.3 設計合理的電源電路

電源作為整個控制系統的核心部門，是決定系統是否正常運行的關鍵。本次設計電源電路模塊要遵循以下原則：提升系統的穩定性；本次設計使用穩定性高的5 V直流電壓為輸入電壓，達到低成本、高效率的設計要求[13]。因智能化家居系統中央處理器及少數外圍器件需要3.3 V電源，本系統使用某公司生產的DC?AC變換器輸出3.3 V電壓。無線傳感節點使用充電電池與太陽能電池板相互結合的供電模式，這種設計成本低、無需人工干預，展現出智能化的特點。

3 智能化家居系統軟件設計

因智能化家居系統各項任務處于相對獨立狀態，所以，使用模塊化設計模式，這一設計模式具有維護方便、層次清晰的優點，也能有效提升整個系統的運行效率[14]。智能家居系統中，各個家用電器與其傳感器作為各自獨立的節點，各個節點由ZigBee模塊展開通信，及時控制各種家電及信息反饋效果，系統流程如圖2所示。本系統通信串口設置波特率為9 600 b/s RS 232，在程序中必須對串口實施初始化和端口配置，確保串口能夠正常工作。在ARM通信過程中，由于ARM為固定的命令數據包格式，多數功能均借助對接收數據包的特定字節進行判斷完成，因此，設計的串口中斷服務程序顯得尤為重要，具體代碼如下：

智能化家居軟件系統使用嵌入式Linux操作系統為開發平臺，其內核代碼較大，能夠支持各類不同主流硬件與最新硬件技術，這種內核代碼處于全部開發狀態，用戶能夠依據自己的需求修改內核，從而開發出所需的嵌入式系統[15]。內核編譯使用交叉編譯環境，在內核進行剪裁操作后執行Makezimage等指令，從而生成映像文件Zimage。控制器是內核的重要組成部分，必須配備多個驅動程序。驅動程序選用編譯進內核或采用模塊的形式存在，設計完成后，編寫Makefile，Kconfig文件并執行相應的命令，最后，根據insmod命令將編譯好的模塊調入內存即可，如：設計GPRS模塊源代碼，從而達到相應的報警功能：

ZigBee協調器在整個家居系統中發揮通信媒介的作用，用來負責中央控制中心與各個子系統間的通信，控制中心對各個設備的監控均在ZigBee協調器中實施命令解析后完成。因本次設計創建在Linux操作系統之上，協調器驅動模塊加載操作如圖3所示。

4 試驗結果

為檢驗設計的智能化家居系統的準確性，對其實施模擬試驗。由中央控制系統發布指令至控制中心，通過協調器傳遞至ZigBee終端節點，終端節點接收數據后通過串口將其發送至PC機，在PC機上對控制中心發布與ZigBee接收的數據展開比較，通過反復測試，具體結果如表1所示。

表1 實驗具體結果

由表1各項數據可知，本系統運行穩定，各個節點之間的干擾比較低，三次測試接收數據的準確率分別為：98.93%，99.88%，99.93%，通信結果準確可靠，完全滿足智能家居的控制需求。

5 結 語

物聯網作為未來網絡發展的必然趨勢，基于物聯網設計以S3C2440為中央控制器的智能化家居系統，該系統采用ZigBee技術、GPRS技術等實現對智能家居的控制和通信。通過反復測試，該系統能夠滿足智能家居的監控要求，在一定程度上提升控制系統的工作效率，對未來智能化家居的發展提供重要的輔助作用。

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