基于ARM和ZIGBEE的无线智能家居控制系统的研究与设计

董萍

（三门峡职业技术学院信息传媒学院，河南三门峡472000）

基于ARM和ZIGBEE的无线智能家居控制系统的研究与设计

董萍

（三门峡职业技术学院信息传媒学院，河南三门峡472000）

将ARM处理器、ZIGBEE与无线传感器网络技术相结合，以ARM微处理器作为核心建立硬件平台，Android系统作为智能家居客户端对智能家居进行远程控制，设计了一个基于ARM和ZIGBEE的无线智能家居控制系统，该系统具备良好的通用性和稳定性，能满足用户对现代家居环境的需求。

ARM处理器；ZIGBEE；嵌入式Linux；智能家居；节点

随着人们对家庭环境要求的不断提高，网络技术的高速发展和科学技术的不断进步，以及人们对物质和精神生活需求的更近一步，以住宅为平台，在住宅环境中具备通信、信息化家电、自动化设备功能的个性化居住环境越来越受到欢迎，正逐渐走进人们的生活，不断改善着人们的生活水平和生活方式，以人为本、舒适、便利、智能化已成为家庭智能系统的重要设计理念，也成为必然的趋势［1］。

智能家居系统综合了计算机技术、无线传感器技术、网络技术、自动化等技术，具有方便、安全、智能的特点，对改善现代居民的生活质量，提供安全、舒适、方便的家居空间显得非常重要，具有广阔的市场应用前景，是今后未来家居生活的发展趋势。因此，设计一款易用、高效、友好的智能家居系统是非常重要的。

1　相关概念

1.1智能家居系统

智能家居系统综合了计算机技术、无线传感器技术、网络技术、自动化等技术，能使居住者通过各类通信手段从中获取各类控制指令，由原来的用户主动参与管理转变为自动能动的自动化管理方式，并能够根据传感器网络提供的信息做出智能判断和执行［2］。智能家庭主控端、无线传感器网络、用户交互界面和控制器组成了一个完整的智能家居系统。

1.2ARM处理器

ARM是高级RISC机器的简称，是基于32位RISC（精简指令集）的处理器架构，具有能耗低的特点。应用领域主要体现在技术性能要求较高的电子产品上，从平板电脑、智能手机、PDA、游戏机、超级本等便携式消费电子产品到硬盘驱动器、便携式路由器等网络和电脑外设，以及在军用设施、实时操作系统和国内的嵌入式开发领域中广泛被采用的导航计算机中都有ARM处理器的身影［3］。因此非常适用于手机、平板电脑、传感器等移动通信领域，可以实现高性能、低功耗和低成本特性的设计目标。ARM处理器寄存器如图1所示。

图1　ARM处理器寄存器

在图1中，16位通用寄存器为R0～R12，16位堆栈指针寄存器SP相当于ARM处理器寄存器中的R13，16位链接寄存器LR相当于ARM处理器寄存器中的R14，16位程序计数器PC相当于ARM处理器寄存器中的R15。

1.3嵌入式Linux操作系统

主机操作系统采用易修改、使用自由、能实现多用户多任务、传输控制协议的驱动程序块、支持虚拟内存、运行效率快利于硬件功能实现、具有版权费免费、丰富的源代码资源、注释全面、开源、容易实现交叉编译、移植性好、内核结构在设计过程中充分考虑了系统的可裁减性要求优点的Linux操作系统［4］。

嵌入式Linux对底层设备和网络协议栈的良好支持为家庭智能系统在驱动开发和网络上的应用打下坚实基础，并使图形用户界面GUI易于使用，能为用户带来良好的视觉享受。因此，将嵌入式Linux应用于家庭智能系统能有效降低系统的开发成本，缩短开发周期，降低开发难度，提高开发速度。

1.4无线传感器网络

无线传感器网络是多种学科交叉研究领域，工作原理是通过大量具有通信和计算能力的微型传感器节点相互协调进行操作。网络节点具有网络自组织、网络配置、网络管理和节能功能，整个智能家居网络能根据需要动态地进行网络调整，促进网络正常运行。

1.5ZIGBEE

ZIGBEE技术是一种新兴的短距离无线传感器网络标准，主要应用于家庭居住控制、建筑、车间等市场领域，具有低功耗、省电、可靠性高、扩充性强、低延迟、电池寿命长的特点［5］。

2　ARM、ZIGBEE的技术优势

ARM处理器具有指令系统强、数据存储容量大、数据传输速率高的特点，已被广泛应用于嵌入式系统中。ZIGBEE是用于个人区域网的短程无线通讯技术，具有架构简单、低消耗功率、低传输率等特点，ZIGBEE无线智能家居将逐渐成为目前的主流，家居应通过ZIGBEE协议栈连接成一个物联网络进行通讯。

因此，将ARM、ZIGBEE技术应用于家庭智能系统中，以ARM微处理器为中心建立智能家居硬件平台，对家用电器使用ZIGBEE无线局域网，用户通过远程终端设备方便快捷地实现对家居的控制和管理。

3　整体结构设计和工作方式的选择

图2　智能家居控制系统示意图

3.1系统功能和整体结构设计

智能家居系统的功能主要是居住者通过电脑、遥控器、手机等远程终端设备对居住环境的照明、空调、电视、安全防护等家用设备进行调节、监测、管理和控制。能化的家居环境能实现类似空调、冰箱、电视机、DVD、相机等各种不同类型设备之间的数据信号转换，能在家庭内部和外部实现各种视频、音频信号的相互传输，极大地方便了人们的生活。

一个完整的智能家居系统主要由智能家庭主端点、无线传感器网络及用户交互界面和控制器三个部分组成。其中，智能家庭主端点主要负责用户通过短信、遥控器等终端设备对无线传感器网络进行管理和控制。无线传感器网络被设计为以主控端点为中心，各个传感器为分支的星型结构。用户交互界面和控制器主要负责智能家居控制系统的软件后期维护工作。智能家居控制系统示意图如图2所示。

3.2工作方式的选择

智能家居系统在设计过程中选取具有通信、感知和计算能力的无线传感器网络。在无线传感器网络中使用的传感器节点具有获取、处理、指令接收、存储信息的功能，节点具有网络自组织、网络动态化、节点节能化的优点，在其他节点的配合下共同完成不同的指令任务。无线传感器网络结构示意图如图3所示。

图3　无线传感器网络结构示意图

4　智能家居系统的硬件和软件设计

4.1智能家居产品组成

智能家居系统里面的产品分为诸如遥控面板的发射部分和诸如智能开关、智能插座、智能模块、感应探头等接收部分两大类。一套智能家居系统最基本的配置就是要有一个具备集中控制功能的遥控面板和若干智能开关来接收信号控制电器。

（1）控制器。控制器的主要功能是将智能家居的所有控制功能都集中在诸如遥控器、触摸屏等遥控面板中，用户根据自己的喜好选择配置，通过红外线或者无线电波发出信号，只需弹指一挥间就能轻松控制家里的电器设备。

（2）智能开关和插座。智能开关不仅具有控制电源的功能，而且在信息接收方面起到非常重要的作用。插座主要负责控制电器的工作状态，常见的插座品牌有GKB、索博。

图4　主控端硬件结构图

（3）感应探头。主要是指红外感应开关和一些安防探头，依靠感应的原理。红外感应一类的开关和探头主要用在那些不太需要手动控制的地方，比如储藏室、车库等等。

4.2硬件设计方面

智能家居系统中央控制节点采用中南大学微电子设计中心设计生产的价格低廉、可靠性高、具备MMU、支持嵌入式Linux系统、资源较为丰富的ARM720T处理器SEP4020。主端点配备能接入GSM网络的串口GSM设备，人机交互方面采用触摸屏。图4是主控端的硬件结构图。

4.3软件设计方面

软件系统是智能家居系统的核心和基础，软件系统决定着管理系统的各个部分能否紧密地结合在一起以及如何结合。因此，软件系统设计是管理系统开发和建设的重要组成部分。智能家居控制系统的客户端采用操作系统是Android、iPhone、Windows的能够安装任何软件、程序等的智能手机。本系统选用开放、系统灵活、能跨平台使用、效率高、实现交叉编译的安卓Android系统作为智能家居客户端。其核心是通过Android系统控制智能家居的远程控制系统，对智能家居系统及其相关的电器等设备进行远程控制。Android智能家居远程客户端分为登录、设备控制、情景模式控制三个模块，如图5所示。

图5　基于Android操作系统的智能家居结构图

（1）登录模块。用户输入正确的用户名和密码，验证通过后通过网络登录到控制系统进行实时控制。

（2）设备控制模块。用户控制并存储智能家居控制系统的控制方式，用户通过登录验证模块获取智能家居控制系统的操作界面，用户点击操作界面的操作按钮，实时远程控制智能家居中的各类设备。

（3）情景模式控制模块。用户事先设定好智能家居的设备信息和控制信息，满足不同用户的不同场合需求。

4.4嵌入式数据库的设计

目前，广泛被用户应用在移动设备或者智能化嵌入式设备上的嵌入式数据库系统，不仅具有普通操作系统的优点，而且具有数据存储容量大、读写操作能力强、可移植性能好、稳定性好、可靠性高的特点。将该系统应用在智能家居系统中，能较好地完成数据管理和数据操作功能。

嵌入式数据库与操作系统和具体应用集成在一起，应用在嵌入式设备中的数据库管理系统，其核心是在嵌入式环境中以SOC技术作为硬件驱动，专门的硬件驱动芯片作为对数据的访问，给上层应用提供标准接口，并且使用数据库中基本的SQL语句完成对数据库中数据的备份、恢复、同步等操作。操作系统的内核编程语言使用简洁、表达能力强、易于理解、语言生成的代码质量高、可直接访问物理地址、可移植性好、易于实现对硬件和低层系统软件访问的C语言。嵌入式数据库驱动结构图如图6所示。

图6　嵌入式数据库驱动结构图

使用嵌入式SQL数据库引擎SQLite的一个扩展sqlite作为智能家居系统主机控制器的数据库，该数据库是关系型数据库产品，主要应用在手机、IPAD等嵌入式终端设备中，具有内存容量小、检索效率高、操作系统兼容性好、能跟各类高级语言相结合、简单易用的API特点，支持SQL查询语言等核心技术，是一个实现嵌入式SQL数据库引擎的小型C语言库。目前的智能手机主要以Android为主，它集成了sqlite数据库的开发环境，包括内核、编译器和各类附件，能通过虚拟机进行调试和扩展内核功能。

5　智能家居控制系统的实现

5.1网络的建立

ZIGBEE网络的拓扑结构有星型、树型、网状3种，如图7所示，其中1表示协调器，2表示路由器，3表示终端。

图7　ZIGBEE 3种网络结构

5.2智能家居控制系统的基本架构

用户通过终端设备在客户端浏览器中输入智能家居控制系统的IP地址、正确的用户名和密码，输入后其内容被存储在嵌入式数据库中，验证通过后进入该系统的登录界面，用户根据自己的需求进行选择并对家中的各种设备进行远程控制。其基本架构如图8所示。

5.3智能家居控制系统的实现

用户输入正确的主机地址和密码，点击连接服务器登录到智能家居控制系统的客户端，用户登录系统后会有灯光、窗帘、多媒体、安防、环境、能效等几个设备类型，用户根据系统显示的内容和自身的需要进行相关的操作，如图9、10所示。

图8　智能家居控制系统基本架构

图9　前台控制端设备按键控制界面

图10　前台控制端设备场景控制界面

6　结语

本文将ARM、ZIGBEE技术相结合，以高性能的ARM微处理器为控制核心，并有效融合了Linux系统、sqlite数据库等技术，设计和开发了一套界面友好、使用方便、系统设计先进、扩展性能和通用性能好、可靠性强的基于嵌入式Linux系统的家庭智能系统。目前，三门峡市西苑小区、天鹅堡小区、正和小区已经采用该智能系统，系统为其他地市小区的智能化作出初步尝试，对智能家居的推广具有一定的参考价值。

［1］冯承金.基于Zigbee和ARM9的智能家居系统的研究与设计［D］.武汉：武汉理工大学，2010.

［2］王淑华，陈国定，赵国炳.一种无线传感器网络能耗模型及有效性分析［J］.计算机应用与软件，2011，28（2）：215-217.

［3］罗正军，罗鹏辉，王晓娟，等.基于Linux系统和ZigBee的智能家居系统［J］.现代电子技术，2012，35（1）：37-39，44.

［4］董萍.基于无线传感器网络的智能家庭系统的设计与实现［J］.三门峡职业技术学院学报，2013，12（4）：106-110.

［5］董萍.基于nRF2401A的家庭智能系统的设计与实现［J］.武汉轻工大学学报，2015，34（2）：87-91.

【责任编辑：王桂珍foshanwgzh@163.com】

Research and design of wireless smart home control system based on ARM and ZIGBEE

DONG Ping

（Institute of Information Media，Sanmenxia Polytechnic，Sanmenxia 472000，China）

This paper，ARM processor，ZIGBEE and wireless sensor network technology are combined，to establish the ARM microprocessor as the core of hardware platform，while Android system as smart home client for smart home remote control.A wireless smart home control system based on ARM and ZIGBEE is designed，the system has good generality and stability that can meet the needs of modern Home Furnishing environment.

ZIGBEE；embedded Linux；smart home；node

TP29

A

1008-0171（2016）05-0046-06

2015-12-17

河南省教育厅科学技术重点项目（15B520026）

董萍（1980-），女，河南淮阳人，三门峡职业技术学院副教授。