一种智能家居系统的实现

孙俊杰++张伟++刘洋

摘 要：智能家居作为物联网时代的主要应用方向，近年来快速发展。现阶段智能家居系统还没有普及到千家万户。提出一种采用嵌入式Linux系统为核心控制网关，以价格低廉的单片机为节点控制器，采用ZigBee无线网络技术，允许多方式控制的技术方案，通过实验证明该系统具有高效率、高可靠性和低成本的特点。

关键词：智能家居；ZigBee；控制网关；单片机

中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）02-00-02

0 引 言

随着物联网技术的飞速发展，智能家居作为物联网发展的重要分支已经已经走进人们的生活[1-3]。在智能家居领域，人机交互的便捷、高效是关注的重点。

目前智能家居系统主要的控制方式为传统的固定式家居开关或功能简单的无线按键遥控器。语音交互有着以上交互方式无法比拟的便捷、学习成本低等方面的优势。目前国内外的公司相继进行语音智能家居系统方向的研发[4-6]。在此，文章提出一种简单便捷的语音智能家居系统，通过整合现有的资源构建语音智能家居系统。

1 系统设计

语音智能系统由智能节点、智能家居网关（以下简称网关）和控制终端三个部分组成。其中智能家居网关为系统的核心处理单元，是系统的数据中心，其他部分都可以理解为智能家居系统的子节点。系统结构如图1所示。

图1 智能家居网关系统框架

系统功能的实现与控制由网关完成，智能节提供数据支撑与功能的具体执行，控制终端完成人机交互。其中，智能节点分为两类，监测节点与执行节点。监测节点完成环境监测功能，例如环境温度湿度监测、光照强度监测、可燃气体监测、烟雾检测等等环境的监测；执行节点完成电器的控制，例如灯光的控制、窗帘的控制等。控制终端分为三类，专用控制终端、手机客户端和网页控制端。以上所有种类设备根据不同的需要选择相应的连接方式连接到智能家居网关上。

2 系统实现

2.1 硬件方案实现

系统硬件实现分三个部分进行说明。

智能节点设备，采用无线传输技术ZigBee方案组网传输信息，具体的硬件采用CC2530芯片与STM8单片机协同工作的系统方案。CC2530模块部分完成与网关通信功能，STM8单片机驱动外围功能设备，连个模块间采用串口进行数据传输。

控制终端分为三类，采用的方式各不相同。专用终端采用ZigBee方式连接网关，采用STM32单片作为主控芯片，通过按键、触摸屏与液晶屏等完成人机交互任务。手机使用专用的手机客户端软件通过Internet连接网关，实现对家居系统的控制。网页客户端的功能实现是在网关实现Web服务器的功能，智能家居系统能够通过网页方式访问控制。

网关由Cortex A8芯片作为处理器的嵌入式系统与其他外围期间组成。网关硬件包含有ZigBee模块、以太网模块、GPRS模块等。

2.2 软件实现

2.2.1 数据帧格式设计

以一个电灯为例说明数据类型，表3中为灯申请入网的数据帧，1为帧头，每个帧固定为0xEECC；2为协调器地址；3为灯节点的ZigBee地址，协调器自动分配；4为帧类型，灯为执行节点故数据为0x02，监测节点的类型为0x01，控制帧类型为0x03；5为内容长度，计算可得程度为8个字节；6为设备编号，灯的标号为1；7为同类型设备编号，这里是第一个灯，编号为1；8为数据内容，该帧的数据内容为0；9为扩展内容，申请注册的扩展内容为1；10为校验字，相加后的校验字为7F；11为结束符0xFF。

2.2.2 智能家居网关软件实现

网关的软件框架如图2所示，从图中可以看到网关软件系统由三个大的部分构成，即SQLite数据库、Web服务器和网关决策程序构成。SQLite数据库完成对网关历史数据的存储。Web服务器提供网页访问需求，系统移植使用BOA服务器。

图2 智能家居网关软件框架

智能家居网关决策程序主要由三个线程完成主要功能，三个线程共享一个公共的系统状态，根据系统状态，由各自的事件推动完成系统设定的功能。网关决策程序启动后，先完成初始化，然后依次启动三个服务线程。ZigBee服务线程启动后等待读取ZigBee协调器发送的数据帧，然后根据不同的数据帧与当前系统状态完成相应的处理任务，最后等待下一个数据帧的读取；手机与Web客户端服务线程的工作模式与ZigBee服务线程的基本相同，区别在于本线程的数据读取自网络Socket接口。计划任务服务线程工作于定时工作模式，查询当前的需要完成的任务，完成任务后线程定时一定时间后重新工作，功能的实现由时间时间推动。

3 系统测试

系统测试分为两个部分，数据通信测试与使用功能测试。

数据通信测试实验的硬件条件设定如下：网关1个，监测节点、执行节点、专用控制终端各5个，手机客户端1个。设定计划任务每秒向各个节点设备发送10帧数据，一共发送200 s，统计每个节点收到的取平均数作为实验结果，不同组实验间以ZigBee设备与网关间的距离作为变量，实验结果如表4所示。由实验结果可以得出，系统数据通信方案基本满足智能家居使用的环境需求。

使用功能测试实验的硬件条件与数据通信测试设定一致，节点与协调器间的距离为10 m。实验内容设定为系统工作30 min，随机每个控制终端完成20次控制指令，观察系统运行状态。在30 min的实验过程中，监测节点数据显示正常，控制命令没有出现无效或错误的现象，手机客户端控制命令存在延时，延时在1 s左右，实验结果证明智能家居系统能够完成系统设定的任务，功能正常。

4 结 语

智能化的家居系统未来家居发展的方向，廉价可靠的智能家居系统是智能家居系统发展的必由之路。文章提供了一个高效率、高可靠性和低成本的智能家居解决方案，有利于智能家居系统的实用化推进。

参考文献

[1]叶国伟. 智能家居市场现状与趋势[J].中国建设信息，2012（9）：54-55.

[2]戴敏，王宜怀，潘启勇. 基于ZigBee技术的智能家居系统设计[J]. 计算机测量与控制，2013，21（3）：706-708.

[3] Jin Cheng ， Thomas Kunz. A survery on Smart Home Networking. Carleton University， Systems and Computer Engineering[R]. Technical Report SCE-09_10， 2009.

[4] Yun Wang， Kai Li. Topology mining of sensor networks for smart home environments[J]. International Journal of Ad Hoc and Ubiquitous Computing， 2001，7（3）， 163-173.

[5]童晓渝，房秉毅，张云勇. 物联网智能家居发展分析[J]. 移动通信，2010（9）：16-20.

[6]王铭明，陈涛，王建立，等. 基于ZigBee网络的室内环境监测预警系统设计[J]. 计算机测量与控制2014.21（4）：1021-1026.