智能家居监控原型系统设计

摘要：为了实现用户随时随地对家庭的监测和控制，在此以智能家居监控系统为研究对象，设计了一种智能家居监控原型系统。设计的基于Android的手机客户端，使用户可以在任何能够连接Internet的地方轻松方便地实现对家庭的监控操作。其原型系统采用基于ZigBee的家庭无线网络，可以实现监测节点的任意放置。系统组织灵活，避免了家庭布线的复杂性和高成本。
关键词：智能家居；ARM-Linux；Android；ZigBee

    随着人类科技的发展，计算机技术、通信技术、网络技术、控制技术都取得了迅猛的发展与提高，人们对居住环境提出了更高的要求，智能家居的概念应运而生，人们希望可以随时随地监测家庭内部情况并实现整个家庭的实时控制。为了实现用户方便灵活地对家庭的监测和控制，本文设计了一种智能家居监控的原型系统。当前智能家居系统设计存在诸多问题，如家庭布线复杂且成本高，用户对系统的使用仅局限于家庭内部等。针对当前智能家居系统中存在的问题，本文设计的原型系统对其进行了改进与提高。本文设计了基于Android的手机客户端，使用户在任何可以连接Internet的地方轻松方便地实现对家庭的监控操作；本文所设计的原型系统采用了基于ZigBee的家庭无线网络，可以实现监测节点的任意放置，系统组织灵活，避免了家庭布线的复杂性和高成本。

1 智能家居监控原型系统组成结构
    本文设计的智能家居监控原型系统主要由3部分组成，即基于Androld的手机客户端、基于ARM-Linux的主控制器以及基于ZigBee的家庭无线网络。图1所示为该智能家居监控原型系统的组成结构。

2 基于Android的手机客户端设计
    Android是一种以Linux为基础的开放源码操作系统。Androld最初主要支持手机，2005年由谷歌收购注资，并组建开放手机联盟开发改良，逐渐扩展到平板电脑及其他领域上。Android系统层次如图2所示。本文基于Android的手机客户端设计，主要包括手机客户端界面设计和手机客户端底层通信方式设计。界面设计，将以家庭房间为单位，每个房间对应一个界面，界面中包含有该房间中的所有传感器及可控设备。通信方式采用HTTP请求方式，经过Internet与主控制器进行通信，以实现对家庭情况的实时监测和控制。

3 基于ARM-Linux系统的主控制器设计
    主控制器作为智能家居系统的核心设备，主要完成两方面的任务：按照采集周期循环读取传感器数据并判断传感器数据是否异常，如果异常，则通过移动电话网络实时向手机发送报警短信；主控制器同时作为Web服务器，通过Internet接收手机的监测和控制请求，利用CGI脚本响应手机的请求。

    主控制器是一个以ARM微处理器、嵌入式Linux为核心的嵌入式系统。图3所示为主控制器的硬件结构。主控制器采用ARM920T微处理器，64 MBSDRAM，256 MB FLASH，且具有串口、网口等诸多通信接口。
    在主控制器硬件设备基础上，对Linux系统进行裁剪、修改及交叉编译，生成合适的嵌入式Linux操作系统。在操作系统基础之上，再移植嵌入式Web服务器软件。针对主控制器的2个主要任务，分别编写循环监测程序和CGI脚本予以实现。图4所示为主控制器软件结构。

    循环监测程序从串口发送命令，通过家庭无线网络传递至终端节点，终端节点接收命令，并在读取传感器数据或执行控制操作之后发送返回数据，循环监测程序再由串口读取返回数据。若返回数据异常，主控制器将向另外一个串口发送命令，而与该串口相连的TC35模块则会根据命令执行相应操作，如向某个手机号发出报警短信。图5为循环监测程序流程图。
    CGI(通用网关接口)定义了Web服务器与CGI脚本之间的接口标准。由于用户能传递不同的参数给CGI脚本，所以CGI技术使得客户端和服务器之间具有交互性。在主控制器接收到手机发送的HTTP请求之后，脚本程序将立刻执行，利用CGI标准接口函数来提取URL中附带的参数并由串口发送相应命令。图6所示为CGI脚本程序流程图。

    循环采集程序和CGI脚本程序的区别是，前者是随着系统开机自动启动并不断循环执行，且只负责监测各传感器数据，而后者只有在接到手机的HTTP请求时，才会立即执行一次，可以获取传感器的监测数据或者执行对家庭设备的控制。

4 基于ZigBee的家庭无线网络设计
    ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，是一组基于IEEE 802．15．4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术。在标准化方面，IEEE 802．15．4工作组定义了物理层和介质访问控制层的协议。物理层规范确定无线网络的工作频段以及该频段上传输数据的基准传输速率。介质访问控制层规范定义了在同一区域工作的多个IEEE 802．15．4无线信号如何共享空中信道。ZigBee联盟主要负责网络层与应用层的协议。在本文所设计的系统中，家庭无线网络采用星形拓扑结构。主控制器通过串口与协调器节点相连，将命令发送至各个终端节点，终端节点接收命令后执行相应操作并返回数据，协调器节点将返回数据通过串口传给主控制器。协调器节点和终端节点的程序流程图如图7，图8所示。

5 结语
    本文设计了一个智能家居监控原型系统，该系统主要包括基于Android的手机客户端设计、基于ARM-Linux的主控制器设计以及基于Zig Bee的家庭无线网络设计，实现了用户随时随地对家庭的监测和控制。下一步的研究重点将是如何在该系统中实现家庭新设备的简易添加。