基于ARM的智能家居控制系统设计

杨晓迪等

摘 要： 针对传统智能家居采用有线组建布线繁琐，增减设备需要重新布线，影响美观，且系统中的家电需要依靠家庭内部的PC，升级和维护均不方便。在此将ZigBee无线通信技术及嵌入式ARM技术结合在一起， 利用Qt技术通过触摸屏进行人机交互，设计了一种既能利用PC机又能利用手持终端对家居进行控制的智能家居控制系统。以现有嵌入式ARM微处理器的开发和控制水平，开展基于ZigBee的网点部署的研究，以无线网实施家居电器的控制和管理。测试表明，该系统具有良好的实用性、可靠性和可扩展性。

关键词： 智能家居； 无线通信； ZigBee； 嵌入式ARM 技术； Qt技术

中图分类号： TN964?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）08?0093?03

Design of smart home control system based on ARM

YANG Xiao?di， LIAO Xin， Gulimila·kezierbieke， SUN Zhong?hua

（Institute of Computer and Information Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China）

Abstract： Since the cumbersome wired formation is used in traditional smart home， rewiring is needed when equipment changes， its appearance is affected， the appliances in the system rely on the PC in the house， and upgrades and maintenance are not convenient. Therefore， a smart home control system controlled by PC or hand?held terminal was designed by combining the ZigBee wireless communication technology with the embedded ARM technology and Qt technology for human?computer interaction via the touch screen. Based on developing level and control ability of existing embedded ARM microprocessor， the research on network deployment based on ZigBee was carried out. The control and management of household electrical appliances are implemented through wireless network. Test results show that the system has good practicability， reliability and scalability.

Keywords： smart home； wireless communication； ZigBee； embedded ARM technology； Qt technology

0 引 言

随着人们对高品质生活的不断追求，智能控制技术已应用于生活中的各方面，可提供一个高效、舒适、便捷的生活环境。智能家居已成为当今研究的热点问题，成本低、性能好且扩展性好是研究人员亟待解决的关键问题。相关的研究有尹纪庭等提出了家居网络节点的远程控制系统，有效解决了家庭组网形式单一、布线繁琐、成本较高的问题[1]；辛海量等以Linux系统为核心，以ZigBee无线通信技术进行信号传输并以GPRS通信技术进行系统远程控制[2?3]；庞泳等对MAC协议提出了改进方案，解决了当前智能家居布线系统存在的不足[4]；文献[5]基于ZigBee无线网络实现了与家居能耗信息的管理与控制。

传统的智能家居系统一般是以有线的方式来组建的，布线麻烦，增减设备需要重新布线，而且影响美观。传统的智能家居系统中的家电需要依靠家庭内部的PC，否则家庭内部的管理就无法进行，无论是升级和维护都不方便。正式基于以上的事实，本文考虑将ZigBee技术与ARM技术相结合，以ARM微处理器为中心建立家庭智能家居控制中心，对家用电器进行控制和管理。因此本系统具有研究的社会价值和经济价值，符合当前的实际应用需要。本文旨在开发出一套智能家居的基础版本，为以后的智能项目提供一个模板的支持，项目中的终端空调等设备没有采用实际的设备，而是采用LED灯来代替设备的工作状态。

1 系统的体系结构

本设计在Windows系统和Ubuntu系统下进行Linux内核的裁剪编译工作和ZigBee无线传输模块的驱动程序的开发，通过LED灯点亮和熄灭模拟家电的控制。整体结构如图1所示。

系统主要包括ARM cortext A8架构的处理器、ZigBee无线传输模块和显示模块。工作方式如下：主控系统通过显示模块对下发命令，有无线传输模块把命令发送到和家居连接的ZigBee终端，通过远程的ZigBee设备对家居进行控制。

1.1 硬件结构

如图2所示为设计的硬件结构主要包括控制器模块、触摸屏显示模块、存储模块和ZigBee无线传输模块。该项目的存储系统采用NAND FLASH和SDRAM相结合，在提供充足的存储空间的同时，也保证了系统的运行速度。显示模块采用7寸的电容屏，很好方便的用户的操作。

图2 智能家居硬件结构图

控制器是整个系统的核心，采用ARM Cortext A8架构的处理器，实现功耗低，性能高的效果；在节能的同时，还有较高工作的效率和可控性。控制器和终端设备的通信采用采用ZigBee无线传输模块，使得网络的部署和拓展方便。ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点主要有以下几点：

（1） 功耗低：在低功耗待机模式下，2节普通5号电池可使用6～24个月；

（2） 成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本；

（3） 网络容量大：网络可容纳65 000个设备；

（4） 时延短：典型搜索设备时延为30 ms，休眠激活时延为15 ms，活动设备信道接入时延为15 ms；

（5） 网络的自组织、自愈能力强，通信可靠；

（6） 数据安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES?128加密算法（美国新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一），各个应用可灵活确定其安全属性。

（7） 工作频段灵活：使用频段为2.4 GHz，868 MHz（欧洲）和915 MHz（美国），均为免执照（免费）的频段。

每个ZigBee网络允许有一个ZigBee协调器，协调器首先选择一个信道和网络标示，然后开启这个网络。因为协调器是整个网络的开始，它具有网络的最高权限，是整个网络的维护者，还可以保持间接寻址用的表格绑定，同时还可以涉及安全和执行其他的动作，保持网络其他设备的通信。在智能家居控制系统中，ZigBee网络作为桥梁，进行控制器终端与中央控制器的信息交互，接受命令等[6]。ZigBee终端节点一般处于网络的边缘，主要任务就是发送和接收信息，但它不能够转发信息，也不能让其他节点加入到网络中来，通常一个终端节点是有电池来供电的，并且为了节能，当它不在收发的时候都是处于休眠状态的。

1.2 软件平台设计

系统采用星型拓扑结构，在家居环境中部署温度传感器节点和红外传感器节点，各传感器节点与家庭网关之间通过ZigBee协议栈无线连接，对家居环境中的温度和红外进行实时监测，并将监测到的数据通过无线方式实时发送到家庭网关，家庭网关将采集到的家居环境中的信息传输到ARM，进行显示和处理，控制家居电器，例如温度过高，打开空调等，实现家居生活的智能控制，软件整体设计结构如图3所示。

系统采用Qt实现界面的开发。界面和开发板服务程序的通信，来用封装的一个动态库，该动态库实现了一个数据的传输通道的作用。内核中加入了开发板服务程序，用来接收Qt控制界面发出的控制消息，从而从发驱动程序进行设备的控制。

2 系统的软件设计

2.1 主界面设计

用户对于系统的操作是通过界面完成的。本系统共开发出两套界面，一套是Linux下的Qt界面，一套是PC下的Qt界面。用户既可以通过主控设备对家居进行控制，也可用通过电脑上的Qt界面对家居设备进行控制。包括对照明、热水器、窗帘、冰箱家居设备的控制和相关工作状态的查看等功能。系统的主界面如图4所示。

友好的操作界面为用户的操作提供便捷。系统提供了各个模块的接口，点击界面的按钮主控系统就会发送响应的命令来控制家居设备。界面功能所涉及的部分函数如下：

2.2 智能家居管理软件

嵌入式智能家居系统的主体流程如图5所示。启动系统后先进行嵌入式设备初始化，并采集家居设施的状态信息和各种环境参数，这些信息将首先更新在基于ARM的嵌入式控制终端中。

3 系统测试

为了测试系统功能的完善性，把系统做了简单部署，ZigBee终端设备采用Led等的亮灭和传感器来代替家居。对PC机做了简单设置，配置了IP地址为192.168.1.3。控制系统配置IP地址192.168.1.2。通过PC机对设备进行控制，打开基于Windows系统开发的Qt控制界面。输入控制系统的IP地址，登录控制界面。从界面上可以看到设备的状态的情况，点击开关按钮可以对设备进行操作。终端的Led灯能正常被点亮或熄灭。通过主控系统的界面，按照在PC机上的操作方式，对系统进行验证，也能够得到预期的效果。测试结果都表明了该系统具有一定的可行性和可靠性。该系统对未来智能家居系统的研究和应用都具有很好的参考价值和指导意义。

4 结 语

随着生活品质的不断提高，人们越来越追求家居环境的智能化和舒适性。本文将ZigBee无线通信技术及嵌入式ARM技术结合在一起， 利用Qt技术通过触摸屏进行人机交互。安装方便，无需重新布线，也无需对室内电线做任何改动，可扩展性强，具有很强的实用性，适合家庭住宅、公寓、公司写字楼等场所推广使用，具有很好的市场前景。但是作为一个完善的系统需要考虑到用户的各种需求，可以在此系统的基础上通过后续的开发来实现更多的功能。

参考文献

[1] 尹纪庭，袁佳，焦志曼，等.基于ARM和ZigBee的智能家居控制系统研究与开发[J].计算机测量与控制，2013，21（9）：2451?2454.

[2] 辛海亮，钟佩思，朱绍琦，等.基于ZigBee的物联网智能家居控制系统[J].电子技术应用，2013，39（12）：79?81.

[3] 叶高扬，毕冉.基于物联网的智能家居系统设计与实现[J].计算机应用，2014，34（z1）：318?319.

[4] 庞泳，李光明.基于ZigBee的智能家居系统改进研究[J].计算机工程与设计，2014，35（5）：1547?1550.

[5] HAN Dae?Man， LIM Jae?Hyun. Design and implementation of smart home energy management systems based on ZigBee [J]. IEEE Transactions on Consumer Electronics， 2010， 56（3）： 1417?1425.

[6] 徐书芳，王金海，宫玉龙，等.基于ZigBee的智能家居控制系统的研究与设计[J].电子技术应用，2013，39（8）：81?83.