基于嵌入式的智能家居系统研究和实现

姜文秀

摘要：目前对智能家居系统的需求越来越多，从而对智能家居系统提出了更高的要求；传统的智能家居系统大多以有线的方式完成，存在扩展性差、成本高等缺点。以ZigBee为代表的嵌入式技术可以解决能够以无线方式组网，实现家居系统的智能控制。

关键词：智能家居；嵌入式；照明控制

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）03-0266-03

随着生活水平的日益提高，人民对居家环境的便利性、舒适性等提出了更高的要求；计算机、传感等新兴技术的发展也使实现智能化的家具系统成为可能。

智能家居系统建立在普通的家庭住宅基础上的，以计算机技术、传感技术和电子通讯技术为手段的集生活、安防、娱乐为一体的智能化管理家居模式。传统的智能家居系统存在诸如成本高、扩展性差等不足，对智能家居行业的发展存在重要的不利影响，所以最大化地发挥“智能”因素在家居系统中的作用，成为决定家居系统能否更好地应用并推广的首要因素。

1 嵌入式技术及ZigBee

随着通信技术的普遍应用，嵌入式技术越来越多地被用于移动通信终端、家用电器以及智能设备等领域。嵌入式系统的核心是业务应用，主要用于对可靠性、功耗等 要求比较严格的应用系统。嵌入式系统一般包括软件、硬件两部分：硬件部分主要是嵌入式处理器、存储器以及外围设备等物理设备，软件部分包括嵌入式操作系统和嵌入式应用程序。

ZigBee是一种类似于WiFi的短距离无线网络通信技术，传输距离一般在10m到100m之间，相当于WiFi而言ZigBee的优点在于[1]：（1）传输数据的高可靠性。ZigBee使用AES-128加密算法对传输的报文进行加密，并且只有在冗余校验确认后才认为数据传输成功，因此具有较高的可靠性。（2）功耗和成本较低。由于发射功率只有1mW，较低的功耗使得ZigBee相对省电；而且其工业制造成本非常低。（3）组网方便、时延短。ZigBee技术组网比较方便，组网时延很短，而且一个网络最多允许65535个节点连接。

2 智能家居功能及设计

智能家居系统要可以查询家居环境的实时信息、控制家电的状态，以实现对家电的本地或远程控制、监控。

2.1 功能分析

根据人们对日常家居设备的需求，本文将智能家居系统的主要功能设计如下[2]：

1） 温度、湿度控制功能。事先在室内安装温度传感器和湿度传感器，在采集到室内的温湿度后将其传输到服务器上，用户可以借助网络在电脑、手机等终端查看。在温湿度数据发送到用户后，用户可以通过控制终端设置温湿度。

2） 智能照明控制功能。作为智能家居系统必备的功能，不仅需要控制照明灯的开关，还需要能够调节灯光的亮度。在布置家居系统时，需要将照明设备同开关继电器、光敏传感器一起考虑。用户可以手工控制开关继电器，以便打开、关闭照明设备，或调节照明设备的亮度；也可以预先设置一个亮度阈值，当光敏传感器检测到的光线亮度低于阈值时，可以自动执行开关、调节操作。

3） 家电智能控制功能。目前冰箱、洗衣机、热水器以及电视等家电都具备了智能控制功能，这些电器可以和家庭无线网络结合起来，使用户通过移动终端（手机）即可控制家电设备的运行。比如，在下班回家的路上就可以借助手机打开热水器、电饭锅等，这样回到家即可享受舒适的家居生活。

4） 安防监控功能。智能家居系统的一个重要功能是其安防监控，需要对门窗、室内火警以及入室盗窃等问题进行重点监控；这可以通过红外传感器、烟雾传感器、声控设备等实现。

2.2 设计要求及方案

智能家居系统使用了嵌入式芯片，在进行硬件设计时需要考虑如下因素[3]：（1）硬件系统的安装、维护要简便，并且方便升级。（2）嵌入式系统的电路需要尽量简化。（3）尽量使用性价比高的芯片。

软件系统是智能家居系统的核心，其优劣直接决定了智能家居系统的性能高低，从而影响用户体验。本文设计的智能家居系统的嵌入式软件系统包括一个Linux操作系统、驱动程序以及业务程序。嵌入式操作系统使用了开源的操作系统内核，并根据功能需求进行了裁剪，以便更好地利用有限内存实现智能家居控制任务。驱动程序的作用是直接操作硬件設备，向上屏蔽底层实现细节。业务程序根据驱动程序提供的接口，完成用户指定的智能家居控制指令。业务程序在实现时综合考虑用户的需要，具备可靠性、可修改、易于使用等优点。

本文在设计智能家居系统时的方案是：1）使用嵌入式设备代替传统的PC机，并用ZigBee技术将家庭内部的各种电器设备组成一个内部网络。无线组网方式代替了传统的家居系统中的有线组网，有效降低了成本。2）嵌入式服务器安装了Linux操作系统，操作硬件的底层是命令终端，提高了智能控制的效率，降低了延时。3）扩展性及学习能力。为了智能家居系统后续的扩展，软件在编写时需要采用模块化思想；另外，还要可以根据传感器采集到的数据信息、用户的使用习惯等，借助机器学习算法实现智能家居系统的自动控制。

本文设计的智能家居系统采用了分层结构模型，其结构如图1所示：

系统的最底层是家用电器设备层，此层和用户直接相关，需要将家用电器通过无线网络组成一个家庭内部网络，以实现智能控制的目的。设备层之上是传感节点，嵌入式传感器采集的数据作为智能家居系统运行的必要基础。传感层之上是网络层，为智能家居系统中的智能设备间的通信提供支持。服务层和应用层的目的都是响应用户，为用户提供更加便利、智能的服务。

根据设计，可以将智能家居系统主要分为三大模块：无线通信硬件模块、终端控制硬件模块以及嵌入式软件模块。

3 智能家居系统设计

3.1 硬件设计

根据网络中所起的角色可以将无线网络节点分为协调器节点、路由器节点以及终端节点[4]。智能家居系统的无线通信模块使用ZigBee技术组成星形拓扑，包括一个协调器节点、若干在室内四周的终端节点。协调器节点借助串口连接到家庭无线网络的网关，主要作用是启动无线网络。终端节点与智能家电相连，目的是采集智能家电设备的数据信息，并将其上传到协调器节点。

无线通信硬件模块中使用的硬件设备有：射频芯片、电源、串口以及天线等。目前主流的嵌入式射频芯片是美国德州仪器公司的CC2530系列，本文的智能家居系统即使用CC2530F256；它集成了无线收发器内核，具有超低功耗的SRAM，而且具备256K的可编程闪存，提供的非易失性存储能够保存代码、网络配置数据，因此保证了无线网络中的节点在掉电后还可以读取之前的数据，快速的加入原先的智能家居系统中。

终端控制硬件模块的目的是及时执行用户指令。温湿度控制模块的连接点是无线网络中的终端节点，借助温湿度传感器采集家庭内的温度和湿度，并将信息上传到网关服务器，用户可以通过手机等移动终端查看服务器上的温湿度信息，并作出是否进行调节的指令。用户下发的指令会通过无线通信硬件模块下发到温湿度传感器，从而控制空调、加湿器等对室内温湿度进行调节。

3.2 软件设计

当新的智能设备请求加入无线网络时，会自动查找信号最强的协调器节点，并且在协调器节点同意加入后建立和协调器节点的父子关系。当智能设备的状态发生改变时，比如发现无线网络、试图加入网络、成功加入网络等，都会会收到Z-Stack协议的相关信号。发送数据时所有的网络帧内部都有源地址及目的地址，并且请求Z-Stack协议栈中MAC 层的数据服务实体将网络帧发送出去。无线网络节点发送数据的流程如图2所示：

协调器节点在整个智能家居系统中的作用是负责建立智能家居系统的网络，并分配网络短地址给节点设備。在有节点加入到无线网络后，协调器节点就负责接收此节点按照规定的数据协议发送来的数据，并发送给网关软件进行处理。另外，协调器节点在收到智能网关发来的控制命令数据包后，会将其转发给智能家居网络中的相应节点，节点接收到控制命令后会立即执行动作。

以智能家居系统中的照明模块控制单元为例，其软件设计包括主程序设计、可编程逻辑器件设计以及收入板的软件设计[5]。主程序负责控制程序流程、调用并协调各子模块的工作。主函数开始时限初始化单板，并通过FPGA读取控制指令的值，接下来根据指令处理事件，示意图如图3所示：

主要代码逻辑如下：

[assign data=（（num==5'd26）&&（dir==1'b0））？keyin：8'hzz；//向mcu提供按键状

reg[7：0] duty[23：0]；

always@（posedge clk or negedge nRS）

begin

if（！nRS）

begin

keyout<=8'd0；

duty[0]<=8'd250；

…

duty[23]<=8'd250；//复位时控制灯具全灭

end

else

begin

if（dir===1'b1）

begin

if（num=5'd24）

keyout<=data；//接收mcu发送的按键指示灯控制值

else

duty[num]<=data； //接收mcu发送的第num通道的占空比值

end

end

end ]

5 总结

本文对智能家居系统进行研究，以将嵌入式技术引入到智能家居系统的无线组网中，介绍了智能家居系统的软硬件设计，实现了家居系统的智能控制。

参考文献：

[1] 祝章伟.基于ZigBee网络的智能家居网关及终端节点设计与实现[D].吉林：吉林大学，2016.

[2] Yu Hu， Tao Zhou. The Smart Home Security System Based on Wireless Sensor Network.EI Advanced Materials Research ISSN： 1022- 6680 20-1.

[3] 李鸿. 几种智能家居网络控制系统方案的分析与比较化现代电子技术[J]. 2010，22（3）：132-135.

[4] 吕值敏.基于嵌入式智能家居安防远程监控系统软件设计与实现[D].四川：电子科技大学，2017.

[5] 徐振福.ZigBee技术在智能家居系统中的应用研究[D].中国科学院大学（工程管理与信息技术学院），2016.