隨著網(wǎng)絡技術(shù)和當代通訊技術(shù)發(fā)展的不斷完善，家居智能化已經(jīng)愈來愈受到人們的關(guān)注。智能家居控制系統(tǒng)是以家庭住宅為平臺，控制各種家居電器設(shè)備，完美地將系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務、管理集合為一體的控制系統(tǒng)。
系統(tǒng)通過對住宅內(nèi)部環(huán)境的長期監(jiān)測智能的獲取用戶的居住習慣，并結(jié)合人為設(shè)定的控制指令自動調(diào)節(jié)設(shè)備狀態(tài)實現(xiàn)住宅的智能化、人性化，為人們營造一個節(jié)能、安全、舒適的居住環(huán)境。
利用ＡＲＭ 和ZigBee無線模塊技術(shù)，設(shè)計了一款新型智能家居終端控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對家庭內(nèi)的家居電器遠程控制。系統(tǒng)最終調(diào)試的結(jié)果能夠滿足用戶對家居電器設(shè)備的遠程監(jiān)測和控制的需求。該設(shè)計合理，能夠達到預期的目標。
1 整體方案的設(shè)計
結(jié)合設(shè)計理念和整個系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能，對整個系統(tǒng)進行設(shè)計如圖１ 所示。
圖１ 整體系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)圖
在智能家居控制系統(tǒng)中，根據(jù)各個系統(tǒng)的模塊，對整個方案進行設(shè)計，總體來說整個方案可以分成以下幾個單元。
１） ZigBee無線數(shù)據(jù)采集單元
ZigBee無線數(shù)據(jù)采集單元利用最新的無線ZigBee通訊技術(shù)，使用無線子節(jié)點模擬家庭內(nèi)的家居電器，并由多個ZigBee無線數(shù)傳節(jié)點組成的家庭內(nèi)部的無線局域網(wǎng)。用戶（智能網(wǎng)關(guān)）發(fā)來控制信息，經(jīng)過中央控制器處理，由協(xié)調(diào)器節(jié)點根據(jù)信息中的地址傳輸給相應的無線子節(jié)點，完成對家庭內(nèi)電器的控制和監(jiān)測。
２） ZigBee無線模塊數(shù)傳單元
ZigBee無線模塊數(shù)傳單元是整個系統(tǒng)的核心部分，它一方面通過串口和ＷＩＦＩ 與家庭無線局域網(wǎng)中的協(xié)調(diào)器相連接，通過協(xié)調(diào)器接收發(fā)送控制信息；同時通過網(wǎng)口與路由器相連，接入以太網(wǎng)中，用戶可以遠程發(fā)送命令經(jīng)以太網(wǎng)控制家庭內(nèi)部的家居電器設(shè)備。
３） 數(shù)據(jù)處理單元
數(shù)據(jù)處理單元主要指用戶通過各種智能終端，如智能網(wǎng)關(guān)、智能手機，掌上電腦等，發(fā)送控制命令控制家庭內(nèi)部的環(huán)境狀況。
對整體系統(tǒng)方案的設(shè)計，是在綜合各種因素的基礎(chǔ)上設(shè)計完成的。不僅實現(xiàn)系統(tǒng)要完成的功能，而且在擴展性提高以及降低成本方面都有所發(fā)展。在本設(shè)計中，家居控制終端釆用嵌入式處理器，在家庭無線局域網(wǎng)中釆用ZigBee技術(shù)作為無線組網(wǎng)技術(shù)。嵌入式設(shè)備不僅擁有功耗低、體積小、成本低等優(yōu)勢，同時也具有良好的穩(wěn)定性和實用性，可以快速的接入以太網(wǎng)，徹底擺脫了以往對計算機的依賴性。同樣ZigBee無線數(shù)傳技術(shù)也具有成本低，組網(wǎng)自組織能力強，更為各個節(jié)點設(shè)備制定了統(tǒng)一的標準。整個系統(tǒng)滿足了用戶的需求和功能要求。
2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計
2 .1 智能網(wǎng)關(guān)電路設(shè)計
選用ＴＩ 公司新一代移動應用處理器——— ＯＭＡＰ３５３０ ，該處理器在單個的芯片上集成了６００‐ＭＨｚ ＡＲＭＣｏｒｔｅｘ‐Ａ８ Ｃｏｒｅ 、４１２‐ＭＨｚ ＴＭＳ３２０Ｃ６４ｘ ＋ ＤＳＰ Ｃｏｒｅ 、圖形引擎、視頻加速器以及富足的多媒體外設(shè)。Ｃｏｒｔｅｘ‐Ａ８ 內(nèi)核是采用ＡＲＭｖ７ 指令體系架構(gòu)，是ＡＲＭ 公司歷史上性能最強大的一款處理器，適合用于復雜的操作系統(tǒng)和用戶應用，運轉(zhuǎn)速率可達６００ ＭＨｚ 至１ ＧＨｚ ，功耗一般在３００ ｍＷ 以下，而性能可高達２０００ＭＩＰＳ 。
智能網(wǎng)關(guān)使用的是核心板加底板的模式。在系統(tǒng)中，使用了７ 寸ＴＦＴ ２４ 位液晶觸摸屏，由于接口資源豐富，又增添了通用的存儲器、通訊接口。使嵌入式最小系統(tǒng)具備了體積小、高性能、低功耗等特點。硬件結(jié)構(gòu)如圖２ 所示。
圖２ 智能網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)框圖
在本設(shè)計中，ＵＡＲＴ 和ZigBee數(shù)傳模塊協(xié)調(diào)器相連接，外部Ｉｎｔｅｒ
ｎｅｔ 網(wǎng)通過ＤＭ９０００ 網(wǎng)卡接入。ＯＰＡＭ３５３０ 處理器根據(jù)接收到的各種輸入信息來進行處理和分析工作，并把處理后的結(jié)果通過通信接口分別傳輸給用戶或者ZigBee無線模塊節(jié)點設(shè)備。
2 .2 ZigBee 模塊電路設(shè)計
ZigBee無線模塊主要的功能是負責家庭內(nèi)部無線局域網(wǎng)的搭建，并完成用戶發(fā)送的控制命令和ＺｉｇＢｅｅ無線模塊采集的信息的傳輸。當前，市場上選用較多的無線模塊是ＴＩ 公司生產(chǎn)的ＣＣ２５３０ 芯片，它不僅集成了一個增強型８０５１ 處理器，而且還集成了符合ＩＥＥＥ８０２.１５ .４／ZigBee聯(lián)盟標準的射頻收發(fā)芯片于一體，并且支持ＩＥＥＥ ８０２ .１５ .４ 、ＺｉｇＢｅｅ２００７／Ｐｒｏ／ＲＦ４ＣＤ 等多種協(xié)議標準。同時ＣＣ２５３０ 可以在多種模式下進行工作，符合系統(tǒng)的低功耗工作要求。ＣＣ２５３０ 應用電路電路圖如圖３ 所示。
圖３ ＣＣ２５３０ 應用電路
3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計
嵌入式操作系統(tǒng)選用Ｗｉｎｄｏｗｓ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ ＣＥ ６.０ 系統(tǒng)。因為該系統(tǒng)具備開發(fā)周期短，相對簡單，工具強大，ＧＵＩ 豐富，內(nèi)核完善等優(yōu)點。所以被廣泛用以手持設(shè)備的開發(fā)。
3 .1 嵌入式平臺的搭建在Ｗｉｎｄｏｗｓ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ ＣＥ ６ .０ 開發(fā)中，微軟公司經(jīng)過戰(zhàn)略性的調(diào)整，把Ｐｌａｔｆｏｒｍ Ｂｕｉｌｄｅｒ 制作成了Ｖｉｓｕａｌ Ｓｔｕｄｉｏ ２００５ 的一個插件。如同Ｖｉｓｕａｌ Ｃ ＃ 和Ｖｉｓｕａｌ Ｃ ＋ ＋ 一樣，被全部集成到Ｖｉｓｕａｌ Ｓｔｕｄｉｏ ２００５ 一樣。
針對嵌入式系統(tǒng)交叉編譯環(huán)境的特點，Ｗｉｎｄｏｗｓ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ ＣＥ ６.０
開發(fā)環(huán)境在ＰＣ 機上的搭建步驟做如下簡單的介紹：
② 安裝Ｖｉｓｕａｌ Ｓｔｕｄｉｏ ２００５ 安裝包
② 安裝Ｖｉｓｕａｌ Ｓｔｕｄｉｏ ２００５ Ｔｅａｍ Ｓｕｉｔｅ ＳｅｒｖｉｃｅＰａｃｋ １ 安裝包
③ 安裝Ｖｉｓｕａｌ Ｓｔｕｄｉｏ ２００５ ＳＰ１ Ｕｐｄａｔｅ ｆｏｒ Ｖｉｓｔａ 安裝包（如果需要的話）
④ 安裝Ｗｉｎｄｏｗｓ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ ＣＥ ６.０ 安裝包
⑤ 安裝Ｗｉｎｄｏｗｓ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ ＣＥ ６.０ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｐａｃｋ １ 安裝包
⑥ 安裝Ｗｉｎｄｏｗｓ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ ＣＥ ６.０ Ｒ２ 安裝包
⑦ 安裝Ｗｉｎｄｏｗｓ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ ＣＥ ６.０ Ｒ３ 安裝包
⑧ 安裝Ｕｐｄａｔｅ 升級包在安裝相關(guān)軟件之前，必需確保ＰＣ 機上系統(tǒng)所在磁盤有足夠的使用空間，建議系統(tǒng)磁盤至少有８ ＧＢ的使用空間，并在安裝完所有軟件之后，至少有４ ＧＢ 的剩余使用空間。
至此，實現(xiàn)了Ｐｌａｔｆｏｒｍ Ｂｕｉｌｄｅｒ ６.０ 安裝，在Ｖｉｓｕａｌ Ｓｔｕｄｉｏ ２００５ 中新建項目時，便會出現(xiàn)ＰｌａｔｆｏｒｍＢｕｉｌｄｅｒ ６.０ 項目類型。
然后，利用Ｖｉｓｕａｌ Ｓｔｕｄｉｏ ２００５ 中的Ｐｌａｔｆｏｒｍ Ｂｕｉｌｄｅｒ ６.０ 項目類型定制內(nèi)核，并對其進行編譯，導出并安裝ＳＤＫ 。至此，ＷｉｎＣＥ 的開發(fā)環(huán)境建立完成。
3 .2 ZigBee 節(jié)點軟件開發(fā)
３ .２ .１ ZigBee數(shù)傳模塊協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設(shè)計協(xié)調(diào)器是整個家庭內(nèi)部無線局域網(wǎng)的核心。在組網(wǎng)成功后，協(xié)調(diào)器充當一個路由器的作用。它的功能主要是負責無線網(wǎng)絡的建立、網(wǎng)絡參數(shù)的設(shè)定、網(wǎng)絡信息的管理及維護等功能。協(xié)調(diào)器的程序設(shè)計流程如圖４所示。
圖４ ＺｉｇＢｅｅ 協(xié)調(diào)器程序流程圖
系統(tǒng)首先上電，在完成協(xié)調(diào)器硬件和協(xié)議棧的初始化以后，協(xié)調(diào)器就開始進行信道能量檢測和信道掃描，從中選擇出空閑信道中能量最強的作為所建無線網(wǎng)絡的信道，從而建立無線網(wǎng)絡并生成無線網(wǎng)絡編號ＰＡＮ ＩＤ 和配置無線網(wǎng)絡參數(shù)。建立ZigBee無線網(wǎng)絡成功后，協(xié)調(diào)器會進入偵聽狀態(tài)，若有ZigBee數(shù)傳模塊子節(jié)點申請入網(wǎng)，則允許子節(jié)點加入，并且為它分配無線網(wǎng)絡地址、建立綁定文件。
３ .２ .２ 終端節(jié)點的軟件設(shè)計
無線終端節(jié)點的主要功能是完成接收用戶發(fā)送的控制和查詢數(shù)據(jù)，和上傳無線終端節(jié)點傳感器采集的信息。上電初始化模塊后，首先是信道掃描，查詢是否有可加入的ZigBee無線數(shù)傳網(wǎng)絡信道，即向協(xié)調(diào)器發(fā)送申請入網(wǎng)請求，然后檢查是否加入網(wǎng)絡成功。如果加入網(wǎng)絡未成功，ZigBee無線數(shù)傳子節(jié)點則繼續(xù)發(fā)送申請加入網(wǎng)絡請求。如果加入網(wǎng)絡成功，協(xié)調(diào)器就會分配無線網(wǎng)絡地址。在加入網(wǎng)絡成功后，ZigBee無線數(shù)傳子節(jié)點就會偵聽網(wǎng)絡信息，查詢是否接收到數(shù)據(jù)，如果接受到網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，則會進一步判斷數(shù)據(jù)類型，當接收到的是用戶的查詢信息時，則獲取與之相應的傳感器節(jié)點信息，并經(jīng)ZigBee無線局域網(wǎng)把數(shù)據(jù)傳輸給協(xié)調(diào)器；當接收到的是用戶的控制指令時，則與之相應的ＺｉｇＢｅｅ 無線子節(jié)點執(zhí)行控制操作。ＺｉｇＢｅｅ 無線終端節(jié)點的程序設(shè)計流程圖如圖５ 所示。
圖５ ＺｉｇＢｅｅ 無線終端節(jié)點程序流程圖
4 系統(tǒng)的性能測試
在測試過程中，整套系統(tǒng)有６ 個無線節(jié)點、１ 個協(xié)調(diào)器、１ 個ＣＯＲＴＥＸ Ａ８ＤＢ 智能網(wǎng)關(guān)。每１ 個無線節(jié)點都有１ 個ＣＣ２５３０ 模塊，和１ 個電源板，電源板上有１ 個蜂鳴器、６ 個ＬＥＤ 燈、和功能不同的傳感器。在這個系統(tǒng)中，有溫濕度傳感器、光傳感器、煙霧傳感器、繼電器、電機驅(qū)動等模塊，作為家居中的模擬電器設(shè)備。
在系統(tǒng)性能測試時，智能網(wǎng)關(guān)通過以太網(wǎng)與路由器連接，協(xié)調(diào)器通過串轉(zhuǎn)網(wǎng)模塊與路由器相連。在此特別說明，串轉(zhuǎn)網(wǎng)模塊的ＩＰ 地址和智能網(wǎng)關(guān)的ＩＰ 地址必須在同一個局域網(wǎng)內(nèi)。然后打開智能網(wǎng)關(guān)和協(xié)調(diào)器開關(guān)，當協(xié)調(diào)器的指示燈處于閃爍狀態(tài)時，說明協(xié)調(diào)器組網(wǎng)成功，然后打開子節(jié)點開關(guān)，接入?yún)f(xié)調(diào)器的組網(wǎng)中，子節(jié)點的指示燈處于閃爍狀態(tài)時，說明入網(wǎng)成功。到此，硬件連接成功。在智能網(wǎng)關(guān)中打開應用程序，然后點擊打開連接按鈕，輸入串轉(zhuǎn)網(wǎng)模塊的ＩＰ 地址，然后點擊確定。然后就可用智能網(wǎng)關(guān)中的應用程序?qū)?/span>ZigBee無線模塊節(jié)點進行實時監(jiān)測和控制。圖６ 為溫度采集模塊在智能網(wǎng)關(guān)中的應用程序界面的實時監(jiān)測顯示。
圖６ 溫度采集節(jié)點實時監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示
5 結(jié)語
本設(shè)計的智能家居系統(tǒng)，是采用ＡＲＭ 和ZigBee無線模塊技術(shù)，在分別以ＯＭＡＰ３５３０ 為控制核心和ＣＣ２５３０ 為無線控制核心的基礎(chǔ)上，完成了智能網(wǎng)關(guān)和ZigBee數(shù)傳模塊節(jié)點的設(shè)計，實現(xiàn)了ZigBee無線數(shù)據(jù)采集和實時監(jiān)測和控制家居電器的設(shè)計。該系統(tǒng)具有傳輸快捷安全、組網(wǎng)簡易靈活等優(yōu)點，達到了對家庭設(shè)備的智能化管理，所以該系統(tǒng)在未來市場中具有良好的競爭力。