基于嵌入式WiFi物联网的无线家居监控系统研究

蒋琴 李桂春 毛文慧 四川幼儿师范高等专科学校

现代高新科技的发展，促进了信息技术和嵌入式技术的优化应用，而随着我们步入PC时代，结合嵌入式系统完成对智能家居的监控已然成为一种全新的设计理念。智能家居以数据信息采集与处理为核心，实现对室内环境的监测与控制，而环境数据属于中央控制器对环境进行分析、决策以及具体实施的主要依据。随着智能家居需求的逐步拓展，提高环境采集系统的准确性与便捷性非常重要，已经成为一个科研热点。

1 智能家居系统总体设计

针对智能家居监控系统，需要采取层次化设计的方式，将ARM平台为基础构建智能家居主机，并以ZigBee无线传感控制网络作为家庭内部网络，应用QT技术实现对客户端软件的编写。系统主要分成家庭内部网络与外部网络，其中内网指的是以ZigBee协议为核心构建起的无线传感控制网络，实现对家电节点与环境采集传感器节点的控制；而外网指的是WiFi热点与Internet网络，客户端软件和主机之间通过外网实现连接。外网与内网间通过智能家居主机进行连接，同时完成对相关信息的交互。

1.1 主机设计

智能家居的主机是家庭内部网关，属于家庭环境监测与控制系统的核心组成部分，通过ZigBee传感控制网络与Internet网络完成异构网络间数据转发与控制协议解析。无线传感网络当中全部传感器所采集的数据信息、家电控制信息等都需要传输至主机，而PC客户端则通过IP地质与端口实现对主机的访问，使用户获得想要的家居信息，还可以通过对主机的控制，向无线网络当中各类控制设备以及家电发送指令。ZigBee网络自身具备一套传输协议，不过只适合用在对家庭内部传感网络当中数据信息的发送与接收，用户若想发送相关的控制指令，必须要通过主机才能实现，以解析与转发协议。智能家居主机向Internet网络的接入，要利用gSOAP工具在主机中增添简单对象的访问协议；ZigBee和主机通信主要采取串口方式，因此主机需要具备串口通信模块；主机还要实现对家庭内部传感器与家电相关控制信息的存储，因此需要配置数据存储模块。

1.2 内部网络设计

家庭环境监测与控制网络主要通过ZigBee传感控制网络，对远程PC端利用Internet或WiFi热点实现连接，使用户实现对家居环境的远程监测与控制。在ZigBee终端节点之上，可以搭载一些常用的控制设备与传感器模块，共同构成以ZigBee为基础的无线控制网络。

2 智能家居主机软硬件设计

2.1 主机硬件电路

硬件设计内容主要有主控芯片S3C2400、串行通信接口电路、电源电路、USB及触摸屏接口电路、存储电路等。

2.1.1 主控芯片 S3C2400

S3C2400属于韩国三星公司设计与研发的一种微处理器，具有体积小、能耗低以及性能高等特征，其中配置了多种常用硬件接口与总线，内部集成的GPIO接口和LCD控制其达到130个之多，中断控制源60个。

2.1.2 串行通信接口电路

用作PC端串口调试、主机全双工串口通信，主机和协调器间串口通信则可利用交叉串口线实现连接。S3C2400主要供给了三个通道的异步收发传输器，在程序编写过程中，需要设定UART对于CPU所发送数据传输请求的具体方式，配置了串口控制寄存器。

2.1.3 USB 接口电路

这一设计当中USB端口的作用在于下载程序以及外部USB设备连接。S3C2400可以支持两种USB接口：USB Host以及USB Slave。

2.2 主机Linux操作系统移植

Linux具备内核较小、源代码开放以及内核可直供给网络支持等优势，对大多数Linux软件的开发都需要以native方式开展，也就是本机开发、调试以及运行。但是此种方式一般不适合用在对嵌入式系统中软件的开发，可选择交叉编译的调试方式。

2.2.1 Bootloader 移植

本设计系统主要利用开源U-Boot，将其作为开机之前的引导和加载程序，需要完成对硬件的初始化处理，使内核启动相关参数传递至内核。

2.2.2 Linux 内核移植

需要对顶层Makefile与Flash分区进行预先修改，同时引用make menuconfig配置内核实现对.config文件的修改。Linux内核可以支持S3C2410，其芯片内部设备方面的区别较小，只需要以S3C2410代码为基础做出适当的修改，便能符合S3C2440的应用需求。本次设计当中的Linux内核移植需要更改DM9000网卡驱动及液晶触摸屏驱动，并且配置相应的USB外设驱动，实现内核对USB设备与根文件系统的支持。

2.3 USB驱动

USB无线网卡驱动主要包含两个方面的内容：USB驱动与网卡驱动。USB设备主要结构包括USB总线控制器、总线驱动以及USB驱动；网络设备结构则包括媒介层、设备接口、网络驱动以及协议层。因为USB设备需要完成对热插拔的支持，因此USB驱动要对设备探测函数进行调动，以实现对相关信息的检测。

3 智能家居无线传感控制网络设计

3.1 ZigBee无线传感控制

主要利用网拓扑作为其树形结构，无线传感网络中主要由ZigBee协调器、路由器节点以及终端传感器节点等部分构成。由终端节点实现对家居环境温度、湿度、火焰、人体红外、烟雾、灯光以及窗帘等部分的控制。

3.2 系统数据通信协议

智能家居当中应用频率较高的传感器数据样式较多，在应用实践中，依据常用设备类型可以将其分成三个部分：感知型传感器类、多媒体类以及执行控制类。依据通信数据位数则可分成：开关量与数据量。对于全部终端的子节点，在加入到传感器网络时，协调器将会为其分配一个地址，同时主机会为其配置一个节点编号。

以上设计能够实现对家庭室内环境温度、湿度等相关数据的采集，主要利用到网络分布式方法，在温度或者湿度过高（亦或是室内出现其他环境异常情况）时，系统将自动将房屋内排气扇、窗帘等设备打开，实现对室内环境的调节，直至环境具有良好的适宜程度为止。主要利用嵌入式WiFi模块来完成对数据的无线传输，能够起到节能降耗的效果。以PC端为依托设计出一个具有较强直观性的界面，人员能够随时随地对室内温湿度等主要环境数据进行观察。

4 结束语

总而言之，以嵌入式WiFi物联网为基础的无线家居监控系统设计与研发已经成为现代家居的重要发展趋势之一。作为一名家居设计人员，应该在日常工作中积极探索，对国内外其他企业的一些先进设计理念加以借鉴，继而与我国智能家居发展的整体情况相结合，创建出一套更加符合我国国情的智能家居设计与研发体系，为国家经济建设注入源源不断的活力。