基于ARM和ZigBee的智能家居系统的设计

衡阳师范学院物理与电子工程学院 许岳兵

衡阳师范学院初等教育学院 何烨雯

衡阳师范学院物理与电子工程学院 谭岳衡

基于ARM和ZigBee的智能家居系统的设计

衡阳师范学院物理与电子工程学院 许岳兵

衡阳师范学院初等教育学院 何烨雯

衡阳师范学院物理与电子工程学院 谭岳衡

针对智能家居系统布线复杂、扩展性差、应用成本高等缺点，设计了一款基于ARM和ZigBee技术的智能家居系统。系统以三星Exynos4412为控制核心，移植了Linux 操作系统和Boa 服务器，采用ZigBee无线模块组建了家庭内部网，通过4G无线模块接入Internet，实现了智能家居系统的远程监控。

智能家居系统；Exynos4412；CC2630；ME3760

1.引言

智能家居又称智能住宅，融合了计算机技术、网络通讯技术和传感器技术于一体的智能化家居控制系统。国外的智能家居系统发展较快，美国的X-10系统，德国的EIB系统和新加坡的8x系统等，这些系统在国内应用较少，系统架构、灵活性、价格等方面难以满足要求。国内的智能家居起步较晚，但一些企业也推出了不少好产品，如清华同方的e-Home数字家园，海尔U-Home家电和海信DNet-home数字家庭等。这些系统基于有线方案，布线麻烦，增减设备需要重新布线；同时依靠PC机进行管理，升级和维护不方便。因此，本文设计了一款低成本、高性能的智能家居系统。

图1 系统原理框图

2.系统总体设计方案

系统原理框图如图1所示。系统由Exynos4412 ARM控制平台、USB摄像头、ZigBee通信电路、LCD触摸屏、4G通信模块和声光报警电路等构成。图中检测电路由传感器阵列组成，利用传感器检测室内温湿度、亮度、可燃气体泄漏、烟雾和盗贼入侵等情况。控制电路实现对家用电器的控制，包括对空调、电视、热水器、LED灯、加湿器、门窗等的开启和关闭。系统以ARM平台为控制中心，利用USB摄像头采集视频，ZigBee无线网络连接检测电路和控制电路，通过4G通信模块接入网络，当家庭内部发生煤气泄漏或火灾等危及生命财产的安全事故时，系统自动报警。用户也可以使用远程终端登录ARM平台上的web服务器，实时查看家庭内部的监控情况或发送控制命令，实现对家庭内部各种家居设备的监控及管理。

3.系统硬件电路的设计

系统硬件电路包括ARM平台、ZigBee模块、4G通信模块和传感器检测电路等。系统ARM平台由三星Exynos4412主处理器、1G DDR3内存、4GB eMMC高速闪存及其他外围电路构成，具有mini PCI-E接口、2路RS232 UART串口、4路TTL UART接口、4路I2C接口和1路USB2.0接口等，支持4G通信模块。Exynos4412四核处理器基于ARM Cortex-A9内核，主频高达1.4～1.6GHz，ARMv7指令集，采用128/64位内部总线结构。一级缓存用于数据和指令的容量都是32 KB，二级缓存容量为1024 KB，运算性能十分突出。

ZigBee模块采用TI公司的CC2630，集成符合2.4GHz IEEE 802.15.4的无线收发器，含有32位ARM Cortex-M3处理器，128KB闪存，8KB RAM，12位ADC，多达31个通用I/O接口，具有I2C、UART等外设接口，具有低MCU电流、有源RF和低功耗模式，可使用纽扣电池供电。ZigBee协调器模块通过UART接口与ARM平台连接，通过2.4G无线通信与ZigBee节点控制器模块实现通信。

4G通信模块采用中兴公司的ME3760，是一款Mini PCI-E接口的LTE 模块，支持4GTDD-LTE/FDD-LTE网络、全频段，理论上支持最大100 Mb/s下行，50 Mb/s上行的数据传输速率，完全满足系统的设计要求。ME3760模块通过Mini PCI-E接口与ARM平台连接，通过串口AT指令实现数据通信。

温湿度传感器采用Sensirion公司SHT31，具有I2C接口，电压输出。SHT31通过I2C接口与ZigBee节点控制器模块连接。亮度检测采用光敏电阻，由于室内亮度的改变会引起光敏电阻阻值的变化，从而引起其在电路中电压值的变化，通过ZigBee节点控制器模块的12位A/D采集光敏电阻两端电压值，实现室内亮度的采集。煤气检测传感器采用MQ4，对甲烷的灵敏度较高。烟雾传感器采用MQ2，其电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大，将电导率的变化转换为与气体浓度相对应的输出信号。热释红外传感器采用基于红外线技术的HR-SR501，可靠性强，灵敏度高，超低电压工作模式。

4.系统软件的设计

系统软件的设计主要包括Linux操作系统的移植，Web服务器的设计，ZigBee程序设计，视频采集程序设计和4G通信程序设计等。

Linux操作系统的移植首先需要搭建交叉编译环境。PC机安装的是Ubuntu16.04操作系统，ARM平台的Bootloader引导程序和内核在PC机上交叉编译后，下载到目标板上运行。本文采用的交叉编译器为arm-linux-gcc-4.5.1，下载、解压，把arm-linux路径添加到环境变量PATH中，保存退出即可。然后进行Bootloader移植，Bootloader类似于PC机的BIOS，引导加载程序。本文采用u-boot-2015.10.tar.bz2，下载、解压，修改Makefile文件，指定交叉编译工具链。修改相似的BOARD配置，使其支持Exynos4412 CPU，编译运行。最后进行内核移植，系统Linux内核版本为3.5.0，在内核配置时，完成对串口、USB摄像头和4G通信模块等驱动的配置，并对YAFF2S根文件系统进行配置，保存退出。执行命令make uImage，编译完成后，在arch/arm/boot目录下生成了内核镜像文件uImage，把这个文件烧写到目标板上运行，就可以看到Linux的启动信息了。

Web 服务器采用Boa服务器，利用CGI 技术可以实现对家居设备的监控。Boa服务器的移植步骤：修改Makefile文件，指定交叉编译工具链；修改boa.conf文件，配置相关目录，包括修改Group开放用户组的限制，配置HTML文件存放目录，修改ScriptAlias配置CGI脚本的存放目录，修改mime.type文件的存放目录；在制作好的根文件系统下创建相应的目录，将上述文件拷贝到对应的目录。当Boa服务器接收到用户的请求时，CGI 程序就处理浏览器发过来的参数，生成HTML页面，为用户提供浏览。

ZigBee程序设计包括协调器节点和节点控制程序。本文采用TI公司的Z-STACK 协议栈，调用系统提供的API接口来开发应用程序。ZigBee协调器节点负责建立和维护无线网络的运行，向节点控制发送控制指令和接收传感器采集的信息，通过串口发送给ARM平台。ZigBee节点控制将传感器采集到的数据发送给协调器节点，同时接收协调器节点发送过来的控制指令。当传感器节点和ARM平台没有数据请求时，节点控制进入休眠模式；当有数据请求时，实时完成数据采集并发送至协调节点。

视频采集程序的设计基于Video for Linux Two（简称V4L2）技术，V4L2是Linux操作系统中关于设备的内核驱动，提供了用于采集视频等数据的API接口，加载相应的设备驱动，可以实现视频的采集。实现流程：首先打开视频设备，获取设备信息，使用ioctl（）函数设置视频格式；申请帧缓冲区，映射到用户空间；将申请到的帧缓冲区在视频采集输入队列中排队，保证视频流的顺序；启动视频采集，使用VIDIOC_DQBUF使视频帧出队列，取出的视频帧，使用VIDIOC_QBUF使视频帧入队列，循环往复，可采集连续的视频数据；采集完成后释放缓冲区，并关闭摄像头设备文件。

4G通信模块程序设计采用基于TCP/IP 协议的流式Socket 通信，通过Linux下的Sockets套接字编程实现。服务器使用socket（）函数创建套接字，用bind（）函数绑定服务器IP地址和端口号，创建socket对象。客户端调用sendto（）函数向服务器发送服务请求报文，调用recvfrom（）函数等待并接收服务器的应答报文；双方通过socket套接字进行数据的发送与接收，实现用户远程终端与ARM平台之间的通信。

5.结束语

设计了一款基于ARM和ZigBee的智能家居系统，以三星Exynos4412为控制核心，结合ZigBee模块、4G通信模块和传感器等完成了系统硬件设计，通过移植Linux操作系统，Web服务器以及编写ZigBee程序、视频采集程序和4G通信程序，实现了用户远程终端与系统监控平台之间的互通互联。经测试，系统运行稳定，具有实时性好、可靠性高、扩展性好等特点，具有广阔的市场前景。

［1］尹纪庭等.基于ARM和ZigBee的智能家居控制系统研究与开发［J］.计算测量与控制，2011，21（9）：2451-2454.

［2］杨新华，王彦龙，薛健.光伏储能电动汽车充电站的监控系统研究［J］.单片机与嵌入式系统应用，2015（9）：65-68.

［3］赵建华，张占华.基于ARM和ZigBee的便携式智能家居终端系统［J］.计算机与数字工程，2013，41（9）：1529：1531.

［4］许岳兵等.基于S3C2440的家用视频监控系统的设计［J］.衡阳师范学院学报，2011，32（3）：52：55.

许岳兵（1980—），男，湖南岳阳人，讲师，主要研究方向为机器学习，嵌入式及应用。

湖南省教育厅高校科研计划项目（12C0532）。

何烨雯（通信作者）（1980—），女，湖南岳阳人，中教二级，主要研究方向为物理学教育，嵌入式及应用。