郭麗

【摘要】本文提出了一種基于Cortex-M3與Android的智能家居控制系統(tǒng)解決方案。系統(tǒng)采用智能手機作為控制終端，設(shè)計基于Android的客戶端應(yīng)用程序。智能家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行搭建，最終實現(xiàn)通過手機對家居內(nèi)部設(shè)備進行遠程實時監(jiān)控的目的。

【關(guān)鍵詞】智能家居 Cortex-M3 Android ZigBee

智能家居是在傳統(tǒng)住宅的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)代科學技術(shù)，諸如網(wǎng)絡(luò)通信、安全防范、自動控制、音視頻等技術(shù)將家居生活有關(guān)的各種家具設(shè)施集成，構(gòu)成的高效、便利、舒適、節(jié)能環(huán)保的家具環(huán)境。通過搭建ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，采用改進的ZigBee路由算法，制定完善的通信協(xié)議，提高網(wǎng)絡(luò)通信性能，最終實現(xiàn)手機對智能家居的遠程和本地的實時監(jiān)控。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計

本文所設(shè)計的智能家居控制系統(tǒng)主要包括嵌入式服務(wù)器，Android客戶端和ZigBee節(jié)點。移動控制終端和ZigBee節(jié)點通過嵌入式服務(wù)器進行通信實現(xiàn)信息交互。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計

（一）設(shè)計原則

嵌入式服務(wù)器在整個系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，其實現(xiàn)的主要原則應(yīng)從下面幾點出發(fā)：允許Android客戶端遠程登錄到服務(wù)器，并能夠保存登錄用戶的基本信息，實現(xiàn)多用戶登錄，為每個用戶都能提供相應(yīng)的服務(wù)；能夠正確接收客戶端發(fā)送的控制命令，并能夠返回相應(yīng)信息；能夠與ZigBee協(xié)調(diào)器實現(xiàn)信息交互，完成命令傳輸和信息采集。

（二）服務(wù)器硬件設(shè)計

根據(jù)需求，外圍需擴展的功能模塊主要包括與ZigBee協(xié)調(diào)器通信模塊和與控制終端實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信硬件模塊。其中與ZigBee協(xié)調(diào)器通信采用串口通信方式實現(xiàn)。

（1）網(wǎng)絡(luò)通信接口。網(wǎng)絡(luò)通信接口是服務(wù)器與控制終端實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的橋梁。STM32F107內(nèi)部集成了一個以太網(wǎng)MAC，并有專用的DMA控制，實現(xiàn)內(nèi)部數(shù)據(jù)的高速傳輸。STM32F107還同時支持MII和RMII兩種物理層接口，因此只需外界一片物理層收發(fā)器，即可實現(xiàn)以太網(wǎng)幀的發(fā)生和接收，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。支持平行交叉網(wǎng)線自適應(yīng)，實現(xiàn)以太網(wǎng)通信功能。

（2）Zigbee節(jié)點。智能家居中，家居內(nèi)部無線網(wǎng)絡(luò)通信方式的選擇至關(guān)重要。在本次智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計中，家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee組網(wǎng)技術(shù)。在智能家居網(wǎng)絡(luò)中，ZigBee節(jié)點被分為主節(jié)點和從節(jié)點，主節(jié)點主要負責建立無線網(wǎng)絡(luò)，分配從節(jié)點網(wǎng)絡(luò)地址，并與從節(jié)點和嵌入式服務(wù)器實現(xiàn)指令的發(fā)送和接收。ZigBee從節(jié)點主要嵌入到終端設(shè)備中用于采集檢測信息發(fā)送到主節(jié)點，或者接收控制命令實現(xiàn)對終端設(shè)備的控制。

數(shù)據(jù)采集節(jié)點主要包括一些通過傳感器實現(xiàn)的信號采集類模塊，比如溫濕度采集，可燃氣體泄露或者火災(zāi)發(fā)生時的信號采集并報警。設(shè)備控制節(jié)點主要嵌入到家電設(shè)備中，以實現(xiàn)門禁系統(tǒng)、燈光控制、智能窗簾、智能熱水器、智能空調(diào)、攝像頭云臺等的遠程控制。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件主要包括3個部分：嵌入式服務(wù)器軟件平臺、ZigBee節(jié)點控制程序、控制終端的Android應(yīng)用程序。

嵌入式服務(wù)器軟件實現(xiàn)。嵌入式服務(wù)器軟件平臺的搭建根據(jù)一下兩點需求來進行：服務(wù)器要實現(xiàn)實時多任務(wù)操作；服務(wù)器要實現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信功能。

（1）操作系統(tǒng)移植。微控制器和數(shù)字處理芯片，是和很多商業(yè)操作系統(tǒng)性能相當?shù)膶崟r操作系統(tǒng)。

（2）LwIP協(xié)議棧移植。LwIP是TCP/IP協(xié)議棧的一個實現(xiàn)。它的目的是減少內(nèi)存使用率和代碼大小，使LwIP用于資源受限系統(tǒng)，本次設(shè)計的嵌入式系統(tǒng)正屬于此列。

四、結(jié)束語

將完成的Android客戶端安裝到手機，并搭建服務(wù)器平臺，在實驗環(huán)境下進行實驗和調(diào)試。實驗結(jié)果表明系統(tǒng)運行穩(wěn)定，Android手機客戶端可以通過無線網(wǎng)對家居設(shè)備實現(xiàn)遠程控制，并且能夠?qū)崟r接收并顯示住宅環(huán)境信息，當檢測到異常時能夠及時的發(fā)出警報。

本次設(shè)計的智能家居控制系統(tǒng)，采用了當下最流行也最實用的智能手機實現(xiàn)對家居環(huán)境的實時監(jiān)控。這種方式通用性強，操作便捷，易于安裝推廣，運行穩(wěn)定可靠。

參考文獻：

[1]王朝華，陳德艷，黃國宏，童懷.基于Android的智能家居系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2012，（06） .

[2]于春雪.基于STM32F107的高速以太網(wǎng)接口設(shè)計與應(yīng)用[J].電聲技術(shù)，2011，（09）.

[3]章偉聰，俞新武，李忠成.基于CC2530及ZigBee協(xié)議棧設(shè)計無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2011，（07） .

[4]臧大進，劉增良，高干，楊入超.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].襄樊學院學報，2010，（11） .

[5]楊維國，殳國華.基于ZigBee模塊JN5139無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電氣自動化，2010，（01）.