基于物聯網近程無線組網技術的嵌入式智能家居監(jiān)控系統設計

田仲富，王述洋

(東北林業(yè)大學 機電工程學院，哈爾濱 150040)

基于物聯網近程無線組網技術的嵌入式智能家居監(jiān)控系統設計

田仲富，王述洋

(東北林業(yè)大學 機電工程學院，哈爾濱 150040)

首先設計了該系統的總體方案，確定了系統的結構以及各組分之間的通信方式。然后根據系統的總體設計方案，對其相關的硬件和軟件進行了詳細設計，以一個高性價比的嵌入式微處理器為核心，并擴展系統所需的ZigBee模塊、GPRS模塊和外圍模塊，利用運行在該嵌入式微處理器上的Linux操作系統、ZigBee協議棧和所設計的相關應用程序，完成對家居設備的智能管理和控制。此外，利用Internet和GPRS網絡接口，完成了對家居設備的遠程監(jiān)控。本系統采用WCF模式和HDFS文件存儲系統，可以有效解決智能家居的大數據存儲問題。最后對該系統進行了相應的實驗。結果表明：該系統具有安全可靠、低功耗和低成本以及易擴展等特點。

物聯網；智能家居；嵌入式；監(jiān)控系統

隨著信息技術的迅猛發(fā)展，以物聯網為基礎的智能化產品己成為一種新的發(fā)展趨勢。將物聯網技術應用在家居監(jiān)控中，可通過構建一個智能家居監(jiān)控系統，對家居信息、設備實現統一的管理和監(jiān)控[1]。本文就是在此背景下，利用嵌入式技術、通信技術、ZigBee無線網絡技術，通過統一的無線協議和不同的控制協議，結合已有的智能家居監(jiān)控系統解決方案，提出了一種基于物聯網的嵌入式智能家居監(jiān)控系統的設計方案，實現了真正意義上的物聯網。同時，可以通過Web方式、短信方式以及無線等方式對家居設備實現遠程的實時監(jiān)控和管理[2]。該系統不僅可使家居生活環(huán)境的舒適性、便捷性以及安全性得到提高，而且對于改善家居控制的智能化以及促進物聯網技術的推廣和發(fā)展具有重要的現實意義。

1 系統總體方案設計系統概述

本系統主要著重研究家庭用戶通過電腦或手機等對家居的視頻監(jiān)控和家電控制的通用技術，主要包括基于ZigBee的家居互聯技術、基于WIFI的家居無線視頻監(jiān)控技術、基于GSM的短信監(jiān)控技術以及家居監(jiān)控中心平臺集成技術。通過這4種技術，提高了家居監(jiān)控系統的實用性、便利性、可靠性、兼容性和擴展性。

系統的總體結構如圖1所示。整個系統由應用層、網絡層和感知層構成[3]。

感知層的主要功能是實現底層ZigBee節(jié)點間的相互連接和感知用戶需要獲取的物理量，如溫度、濕度、速度、光感應、音頻信息以及視頻數據等。給實際物體加上信息收發(fā)裝置、智能標簽、數據處理芯片、數據通道等，按照設定的通信協議，物體就有了能在物聯網上唯一可被確認的標識，就能進入物聯網范圍內。ZigBee節(jié)點將傳感器采集的室內環(huán)境信息轉發(fā)給網關。ZigBee節(jié)點還可將應用層發(fā)出的命令轉發(fā)給終端設備從而實現特定的用戶操作。

圖1 系統總體結構Fig.1 General structure of the system

網絡層主要由ZigBee家庭內部網、互聯網和移動通信網構成，其主要功能是獲取家居內部網中的節(jié)點信息并進行相應的處理工作。

應用層的實現是本文的主要目標。利用應用層，用戶能夠很便捷地接入該系統，從而實現對家中安防預警、老人和兒童的監(jiān)護以及各種家電的控制等功能。

本設計方案中的無線通信方式采用了ZigBee 和WIFI兩種協議，這是因為ZigBee具有自組網、低功耗、低數據速率、傳輸速度比傳統射頻要快許多等優(yōu)勢，這樣有利于發(fā)揮二者的優(yōu)勢，所以沒有單純的采用WIFI協議。

2 系統硬件設計

2.1 ZigBee通信模塊設計

2.1.1 ZigBee協調器設計

在綜合考慮了智能家居監(jiān)控系統中家庭內部網絡的實際情況下，本智能家居監(jiān)控系統的ZigBee 網絡是由JN5139芯片構成的星型網絡[4]。系統中家居設備和網關的網絡通路是由ZigBee協調器提供的，無線網絡的建立和維護也是由ZigBee協調器實現的。ZigBee無線協調器的電路原理如圖2所示，JN5139為其電路的控制核心，協調器和網關的通信接口為RS232，因為功率放大和SMA天線連接接口都可由集成化模塊JN5139提供，所以該協調器無線收發(fā)功能的實現只要加配全向天線即可。

圖2 ZigBee無線協調器電路原理Fig.2 The circuit schematic of ZigBee wireless coordinator

2.1.2 ZigBee終端節(jié)點設計

ZigBee終端節(jié)點主要有采集和操控等節(jié)點，這些節(jié)點是多功能的獨立節(jié)點，所以在設計時應考慮這些節(jié)點所具有的特性，保證其調控和收集的獨立性。調控節(jié)點可收集處理其所接收到的控制指令；采集節(jié)點的功能是對工作條件的變換進行檢測，也可將相關的信息發(fā)送至下層服務器進行處理[5]。ZigBee終端節(jié)點的結構如圖3所示。采集和調控節(jié)點的內容是很相似的，但是調控節(jié)點具有繼電器單元，而采集節(jié)點卻沒有；采集節(jié)點具有傳感器單元，而調控節(jié)點卻沒有。

圖3 ZigBee終端節(jié)點結構Fig.3 ZigBee terminal node structure diagram

2.2 網關設計

網關在采集家居環(huán)境信息并將其進行處理的同時還負責對相關傳感器的參數進行設置。在邏輯上網關被劃分為匯聚層、融合層和決策層[6]。

本設計的網關是基于OK6410開發(fā)板進行設計的。該開發(fā)板中的控制核心是三星公司的S3C6410。S3C6410不僅支持從SD卡啟動，還支持從Nand啟動。此外，OK6410開發(fā)板具有豐富的外圍擴展接口，如觸摸屏接口、百兆以太網接口、無線接口、USB接口以及GPRS/3G模塊等組件。網關的結構如圖4所示。GPRS無線模塊和ZigBee無線模塊為主要的通信部分，包括LAN接口、RS232接口以及JTAG等接口，利用SD卡作為本地存儲、LCD作為本地顯示設備。通過采用高性能的嵌入式處理芯片作為網關的核心器件，可有效地提高調控節(jié)點的數據匯聚與調度，從而大大提升系統的數據處理和傳輸能力，真正做到對家居中家電設備的實時監(jiān)控。

圖4 網關結構Fig.4 Gateway structure diagram

3 軟件程序設計

3.1 ZigBee網絡程序設計

3.1.1 ZigBee協調器的程序設計

系統加電后完成初始化工作，協調器會匹配相應的信道，并設置PAN值。然后不停地對該網絡范圍內節(jié)點入網申請進行檢測。若檢測到某節(jié)點的申請后，會給檢測到的節(jié)點分配地址，同時把該地址加到本網絡的地址表中[7]。協調器組網流程如圖5所示。

圖5 協調器組網流程Fig.5 Network flow chart of coordinator

網路組成后，協調器的主要工作就是負責終端節(jié)點與網關之間數據傳輸、數據路由以及簡單的打包解析。其工作流程如圖6所示。

圖6 協調器工作流程Fig.6 Work flow chart of coordinator

3.1.2 ZigBee終端節(jié)點的程序設計

ZigBee終端節(jié)點程序有2個功能：① 接收控制指令(主要是協調器發(fā)來的)；② 將家電的當前工作狀態(tài)發(fā)給協調器[8]。終端節(jié)點一般為休眠狀態(tài)，直到收到協調器發(fā)來的控制指令后被激活，然后將接收到的控制指令做特定的處理，之后再次處于體眠狀態(tài)。其工作流程如圖7所示。

圖7 ZigBee終端節(jié)點工作流程Fig.7 Work flow chart of ZigBee terminal node

3.2 網關程序設計

網關程序主要通過兩個編程部分進行實現。一是基于QT的網關程序的設計。在該程序中，需完成一個用戶控制界面，并通過該界面可以對所有終端節(jié)點進行管理。利用代碼對網關的串口進行操作。在嵌入式操作系統中對串口的操作非常容易，實際上在一個已搭建好的嵌入式系統中，對串口進行操作與對普通文件的讀寫操作很相似，只需通過系統調用打開、讀和寫等函數即可。在本設計中，通過被Qt封裝好了的串口類實現對串口的操作，這里的封裝實際上也就是對打開、讀和寫等函數的調用。需要在網關上構建http服務器，這是實現網關程序的第2個主要部分。通常在嵌入式系統開發(fā)工程中，Linux中常用的apache服務器一般不被使用，而經常采用boa或者httpd更為小巧的服務器。上述兩種服務器雖然不支持并發(fā)，但其可同時支持CGI，可以給CGI程序獨立創(chuàng)建一個進程。CGI程序主要功能是負責執(zhí)行終端用戶發(fā)出的指令，這些指令是基于http協議中GET請求的。網關工作流程如圖8所示。

3.3 主控程序設計

主控程序主要功能包括對各種家居設備的控制、各種終端的數據采集、串口數據通信以及報警等功能。在主控程序中，首先對各種硬件設備進行初始化，并對各種安全參數的預警閾值進行設定。然后對應的采集電路對終端節(jié)點的狀態(tài)信息完成采集，并實時地把其所采集的信息按照特定的格式傳給服務層。如果檢測到有超過設定預警閾值的信息時，將立即發(fā)出報警信息。通過串口接收服務層用戶發(fā)來的控制指令，若這些控制指令為預定的指令格式，則進行相應的操作，進而實現對現場家居設備工作狀態(tài)的改變。

圖8 網關工作流程Fig.8 Work flow chart of gateway

3.3.1 溫度檢測程序設計

該部分程序的主要功能是系統經過串口定時地向協調器發(fā)出溫度采集指令，協調器將收到的指令發(fā)給溫度傳感器HS1101，HS1101收到指令后進行相應的采集工作，并將經過A/D變換后的信息發(fā)給協調器，以便能夠被主控制器接收、處理。溫度檢測程序的工作流程如圖9所示。

圖9 溫度檢測程序工作流程Fig.9 Work flow chart of temperature process

3.3.2 視頻監(jiān)控程序設計

該部分程序的開始階段是建立客戶端與服務器端的可靠連接。客戶端首先向服務器端發(fā)出連接請求，服務器端對該請求作出響應后二者便建立起了連接。然后客戶端發(fā)送開啟視頻采集的信息，服務器端則開啟視頻采集操作，同時將采集到的視頻數據發(fā)送給客戶端，客戶端對其接收到的視頻進行顯示[9]。具體工作流程如圖10所示。

圖10 視頻監(jiān)控程序流程Fig.10 Flow chart of video surveillance program

3.3.3 GPRS通信程序設計

在系統中，GPRS通信程序的主要功能是和嵌入式主控制器之間實現數據交換。本設計中選用DATA-6102作為通信模塊，主控器通過串口發(fā)送AT指令來對其進行控制，該模塊主要完成對SMS短消息的編碼、發(fā)送、接收以及解碼等操作。嵌入式開發(fā)板和該模塊間利用AT指令集經串口進行數據通信。當嵌入式開發(fā)板加電后，系統向DATA-6102發(fā)送AT指令對其進行初始化操作，之后系統處于待命狀態(tài)。通常有2個觸發(fā)條件可使DATA-6102進入工作狀態(tài)：一是主控器檢測到警報信息后，主控器將異常信息通過該模塊發(fā)送至用戶；二是移動終端用戶向主控器發(fā)送相應指令時，該模塊也會進入工作狀態(tài)。GPRS通信程序工作流程如圖11所示。

4 實驗及結果分析

在系統的整體實驗中，首先將所有的終端節(jié)點進行加電，協調器利用串口同網關進行連接，網關、PC機等均使用有線的方式連接到互聯網上。系統整體實物如圖12所示。

圖11 GPRS通信程序流程Fig.11 Flow chart of GPRS communication program

圖12 實驗系統實物Fig.12 Physical diagram of experimental system

4.1 基于Web方式控制實驗

嵌入式開發(fā)板與PC機間通過網線進行連接。本實驗是在局域網內完成的測試，所以需把二者的IP設置在同一網段內。設置完成后，通過在PC上的瀏覽器中鍵入嵌入式開發(fā)板的IP地址就可實現二者的連接。在客戶端基于Web的系統控制登陸頁面如圖13所示。當輸入正確的用戶名和密碼后，進去控制頁面，則可實現相應的遠程控制操作。

登陸控制頁面成功后，單擊網絡控制家電按鈕，則可進入控制頁面，如圖14所示。單擊網絡溫度顯示按鈕，則彈出室內當前環(huán)境參數的顯示頁面，如圖15所示。單擊網絡視頻監(jiān)控按鈕，顯示室內當前的視頻信息，如圖16所示。

圖13 系統登錄界面Fig.13 Login interface of the system

圖14 Web控制家電界面Fig.14 Web control household appliances interface

圖15 Web室內環(huán)境參數檢測Fig.15 Web indoor environmental parameters detection

圖16 Web遠程視頻監(jiān)控Fig.16 Web remote video surveillance

4.2 基于短信方式控制實驗

寫信息“L1ON”，同時發(fā)給無線通信模塊SIM卡所對應的號碼， 1號燈將被點亮，控制界面中對應的1號燈圖標變亮，按鈕的狀態(tài)也隨之變?yōu)椤瓣P”，同時收到反饋信息“L1ON：OK”(1號燈點亮成功)。寫短信“L10FF”，同時發(fā)給無線通信模塊SIM卡所對應的號碼，1號燈將被熄滅，控制界面中對應的1號燈圖標變暗，按鈕狀態(tài)也隨之變?yōu)?“開”，并可獲得無線通信模塊的回復短信“L10FF:OK”(1號燈熄滅成功)。短信方式控制燈的實驗如圖17所示。

圖17 短信方式控制燈Fig.17 Short message mode control lamp

4.3 基于無線視頻方式控制實驗

當所有的無線視頻節(jié)點入網，并且連接成功之后，每個無線視頻節(jié)點采集的家居視頻都可以在主控軟件上被看到，如圖18所示。

圖18 基于無線視頻方式家居控制界面Fig.18 Home control interface based on wireless video mode

5 結束語

本文在對當前國內外基于物聯網智能家居監(jiān)控系統的發(fā)展狀況進行充分研究的基礎上，結合智能家居監(jiān)控系統的實際需求，提出了一種基于物聯網的嵌入式智能家居監(jiān)控系統。依據系統的總體設計方案，首先從硬件方面對系統進行了詳細的設計，主要包括ZigBee通信模塊設計和家庭內部網關設計；然后從軟件方面對其進行了詳細的設計，主要包括ZigBee網絡程序設計、網關程序設計以及主控程序設計等；最后對系統進行了整體測試實驗。實驗結果表明：該系統達到了設計方案中的設計要求，且其具有實現簡單、運行穩(wěn)定和擴展性強等優(yōu)點。

本系統在嵌入式Linux操作系統上實現了嵌入式Web服務器的功能，用戶能夠利用電腦或手機實時控制家中的內部網絡終端設備，為工作和生活提供了舒適和便利。同時，本系統為物聯網在智能監(jiān)控領域的應用和發(fā)展提供了新的思路和方向，會進一步加快物聯網與智能家居監(jiān)控的融合。

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(責任編輯 楊文青)

Research and Design of Embedded Intelligent Home Monitoring System Based on Internet of Things

TIAN Zhong-fu, WANG Shu-yang

(School of Mechanical and Electrical Engineering,Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

In view of the limitations of the existing intelligent home monitoring system in the family network, this paper designs a kind of intelligent home monitoring system based on Internet of things. The system adopts networking short-range wireless networking technology, ZigBee Home Furnishing interconnection technology, based on WIFI Home Furnishing wireless video monitoring technology and GSM and SMS monitoring technology for the system of research and implementation. In terms of hardware, the embedded microprocessor S3C6410 as the control core, the controller compared with the current monitoring system used by the most intelligent Home Furnishing has high reliability, stability and low power consumption advantages; for software, modular design methods is adopted, and the communication between different modules are realized by the communication interface. In addition, this paper focuses on the problem of intelligent gateway access security system research and design. The results show that the system has the characteristics of safety, reliability, low power consumption, low cost and convenient extendibility.

internet of things; smart home; embedded; monitoring system

2016-10-08

國家自然科學基金資助項目(51378096)；黑龍江省自然科學基金資助項目(C201244)；中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目(DL12BB01)

田仲富(1978—)，男，山東鄆城人，博士，講師，主要從事智能控制方面的研究，E-mail:txl800328@126.com.

田仲富，王述洋.基于物聯網近程無線組網技術的嵌入式智能家居監(jiān)控系統設計[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(1):79-86.

format：TIAN Zhong-fu, WANG Shu-yang.Research and Design of Embedded Intelligent Home Monitoring System Based on Internet of Things[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(1):79-86.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.01.013

TP39

A

1674-8425(2017)01-0079-08