手机家居物联网控制系统设计与实现

向明尚　张志华　潘丽艳

摘 要：利用手机、有线设备、无线设备组建家庭网络，以ARM开发板为核心，设计嵌入式控制系统。基于RFID理论和Zigbee技术组建家庭物联网络，实现家庭人员之间、人员与设备之间的互联互通。简要介绍了家居物联网控制系统的总体设计，讲述了控制系统硬件设计方法和实现步骤，给出了应用软件的实现方法，阐明了网络组建原理和分层实现步骤，以期为日后相关工作的顺利进行提供参考。

关键词：物联网；RFID理论；Zigbee技术；嵌入式控制系统

中图分类号：TP273+.5 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.05.026

随着人们生活水平的提高，智能手机已经成为生活中的必备物品；随着科技的进步和网络理论、技术的发展，物联网产品逐渐进入人们的日常生活，比如智能家电、智能厨房、智能卫浴、智能安保和智能看护等物联网智能终端系列产品。物联网常用的Zigbee传感网络具有自组织、稳定性好、抗干扰能力强、功耗低等一系列优点。Zigbee技术是一种短距离、低复杂度、低速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术。智能终端种类繁多，应用广泛，在给居家生活带来便利的同时，也在使用和管理上带来诸多不便。物联网智能终端位于物联网感知层，物联网中的感知层包括传感器的数据采集设备和数据接入网络之前的传感器网络，将其与智能手机结合起来，可以组建家居物联网控制系统，将其与家用智能设备有机结合起来，充分发挥设备的功能、性能，通过网络实现信息共享、人员的远程监护、设备的远程监控和报警。本文利用智能手机、嵌入式开发板、RFID阅读器、Zigbee智能终端设计了手机家居物联网控制系统，利用网络化、信息化、智能化的技术手段来管理家居设备，提高了家居设备的工作效率，降低了设备的使用难度，极大地方便了人们的生活。

1 总体设计

系统总体设计框架如图1所示。

手机家居物联网控制系统的核心是数据采集控制系统，它负责家居设备的数据采集、设备运行、信息传输和设备调度等，配合传感器、控制器实现对家居设备的控制。智能手机方便用户随时随地远程监控家居情况。PC终端作为数据服务器，用来存储家居设备的各类数据，比如设备运行记录、室内语音信息记录和室内外监控录像数据等；Wi-Fi无线模块和有线网络交换机用于搭建家庭通讯的主干网络；RFID阅读器作为收发器，协调管理Zigbee智能终端设备，组建家庭物联网，与家庭主干网共同组成网络通讯系统，承担室内外家居设备之间的信息交换、远程数据传输、远程控制指令的接收与发布等。

2 硬件系统设计

硬件系统由数据采集控制系统、网络通讯系统、家用设备传感器网络、家用设备控制器网络、手机和PC终端、供电网络组成。

2.1 数据采集控制系统

数据采集和控制是整个系统的核心部分，系统能否稳定、可靠、安全、高效运行，取决于这部分设计。因此，在设计时，可以采用以ARM处理器为核心的开发板，配合开发板上丰富的硬件资源设计嵌入式控制系统，组成采集、控制系统的核心。开发板上配备了RJ45网络接口、Wi-Fi模块和物联网收发器模块，用于组建基本的家居物联网系统，管理、监控家居设备的运行状态，有效地进行数据的有线传输和无线传输。对于不具备网络功能的家居设备，开发板上的GPIO接口提供了扩展连接方式，可以控制传感器数据的采集、设备的监控运行。而开发板上的红外收发器可以直接控制具有红外功能的家居设备。另外，开发板上还配备了按键、蜂鸣器、指示灯、液晶显示器和触摸屏，以方便系统的设计和调试。开发板具有很强的扩展能力，对于需要蓝牙、GMS等通讯接口的家居设备，可以额外配置相关模块，实现家居物联网的有效扩展。数据采集控制系统主要用于接收传感器网络发送的数据信息，根据系统设定的参数范围，通过家用设备控制器网络启动相应的设备来调节家居环境参数，形成一个闭环控制系统，完成相关设备的数据采集和控制。

2.2 家用设备传感器网络

家居环境情况复杂，需要监控、采集的环境参数比较多，对应的传感器种类繁多，其型号、功能差异比较大，组成了复杂的传感器网络。系统配备了以Zigbee传感器节点模块为核心的温度、湿度、光照、红外、气体、语音和摄像等智能终端感知设备，以RFID阅读器为收发器，共同组成基本的传感器网络，即家庭物联网。Zigbee节点设备采集室内外环境的各类信息，并控制智能设备的工作。RFID收发器将Zigbee节点采集的信息传输到数据采集控制系统，并接收控制系统发布的指令。

2.3 家用设备控制器网络

家居设备种类繁多，功能、性能不尽相同，组成了复杂的控制器网络，其中主要包括照明、温湿度调节子系统，有害气体检测子系统，老人、儿童监护子系统，防盗监控子系统，家居设备控制子系统等。这些子系统可以根据数据采集控制系统设定的工作参数，及时采集、监控室内环境、家庭人员情况、室内外安全态势、家居设备运行状况等，并录像，传递数据，发出报警信息。

2.4 网络通讯系统

网络通讯系统由交换机组成的有线网络、Wi-Fi组成的无线网络、RIFD收发器和Zigbee节点组成的家居设备物联网络组成。交换机连接开发板、带有RJ45接口的家居设备，Wi-Fi连接无线家居设备，RFID收发器和Zigbee节点连接专用的物联网家居设备。

PC終端作为网络服务器，用于存储大量的家居信息数据。而智能手机通过移动通信网络、Wi-Fi接入网络通讯系统，用于远程接收家居信息，实时跟踪家庭人员的情况和家居设备的运行状况，同时，根据情况发出远程控制指令，与家人沟通，并控制家居设备的运行。

2.5 家居物联网络

以RFID收发器为核心、Zigbee智能终端设备为节点构建家居物联网络。由收发器组建网络，与开发板建立通道，完成开发板、收发器、节点之间的通讯和数据交换；节点设备负责信息的采集、传输，并控制执行机构完成设备的运行监控。

2.6 家居供电网络

家居设备供电系统由市电系统、自备电系统组成。市电系统即城市供电系统，而自备电系统由太阳能、风能组成绿色、清洁、环保的供电系统。系统工作电源以自备电系统为主，市电系统为辅，可以完成2种电源的自动无缝切换，保证家居设备的安全、可靠运行。

3 软件系统设计

软件系统由手机、PC终端软件、开发板数据采集和控制软件、RFID收发器软件、Zigbee节点控制软件、供电网络控制软件等组成。

3.1 手机软件

手机软件采用Android系统和Java语言开发。Android作为手机移动终端的操作系统被应用广泛，得到了人们的认可。它是基于Linux系统的、自由且代码开放的操作系统，主要用于智能手机、平板电脑等移动设备，由系统内核、中间件、GUI和应用软件组成。Java是一种跨平台、分布式、可移植、面向对象的程序设计语言，具有良好的通用性、安全性、高效性，给系统设计带来了极大的便利。

3.2 开发板软件

开发板以嵌入式Linux为操作系统，将Qt的图形用户界面GUI作为开发平台，利用C++开发数据采集、网络通讯、设备控制等软件，是整个系统的核心软件。软件开发过程包括操作系统内核的定制和移植、驱动程序的设计、应用软件的开发等。

操作系统内核的定制和移植是设计的难点。该系统以Linux 3.0.1内核为源码，添加了文件系统、内存管理、中断控制、网络通讯、液晶显示及触摸屏、鼠标键盘、音视频、I2C、SPI、USB、UART、SD和GPIO等多种设备的支持。

对于驱动程序设计，除了内核定制和移植时所开发的设备驱动外，针对一些特定的外围设备开发了相关驱动，包括字符设备驱动程序的开发，比如温湿度、超声波等传感器；块设备驱动程序开发，比如SD卡、flash存储等设备；网络驱动程序开发，比如以太网卡、Wi-Fi、Zigbee物联网通讯设备等。

对于应用软件的开发，主要包括手机终端的监控显示图形界面程序，PC终端的网络服务器系统软件，开发板的数据采集与控制系统软件，RIFD收发器管理软件，Zigbee节点管理与执行机构控制软件等。

3.3 RFID收发器、Zigbee节点软件

C++面向对象的程序设计语言，利用它开发收发器管理软件、数据交换和节点应用软件。收发器采用消息循环机制，建立开发板、收发器、节点之间的数据交换通道，完成开发板控制指令的下达，开发板与节点之间、节电与节点之间的通讯和数据交换，节点设备执行机构的控制等。

4 网络通讯系统设计

网络通讯系统负责控制指令的发布、数据信息的传递、设备运行状况的反馈、报警信息的发送、网络安全的管理和网络数据的备份等。而网络通讯系统主要包括服务器，用于管理网络、备份数据；开发板的网络模块，建立数据控制系统与家具网络的有线、无线网络连接；Wi-Fi模块，建立家庭无线网络环境，实现数据的共享和无线传输；GSM、蓝牙模块，实现手机、蓝牙等设备通讯和数据交换；Zigbee家居物联网络，由收发器、节点设备组成，完成Zigbee设备信息的采集、运行控制。

Zigbee家居物联网是整个网络构建的核心。它是基于IEEE802.15.4标准的局域网通讯协议，可以组建适用于家庭的短距离、低功耗的无线通信网络，可用于室内人员监护，比如病人、老人、儿童的监护，通过可穿戴设备随时监测血压、心率、体温和运动状态等信息。病人携带的Zigbee设备，可以周期性地采集血压、心率等健康信息，通过无线网络传送到家庭网络服务器存储，由服务器配备的健康管理软件初步分析数据，一些重要的信息可以通过互联网远程传输给医疗机构，由医护人员作出相应的处置。同时，它也可以获取老人、儿童的家庭生活状态信息，通过可穿戴设备采集信息，并发送到服务器存储，由服务器配备的家庭人员生活状况管理软件进行分析，根据情况适时发出室内警告，或通过手机远程发出警告提醒家人注意，也可向医疗部门发出有助信息。另外，它还可用于家居设备的监控和管理，比如家用电器、厨房和卫浴专用设备、安全监控设备等。如果发生紧急情况，可向医疗机构、公安、消防部门发出报警信号。具体网络结构如图2所示。

5 结束语

智能家居设备的应用越来越普及，组建家居物联网管理家用设备，实现对家庭人、财、物的监控和信息共享是家居生活的新方向。手机家居物联网控制系统以智能终端和物联网技术理论为基础，实现了对家庭人员监护、家居设备的智能控制、室内外环境的监控、远程数据传输和报警等，具有很强的实用性和一定的推广意义。

參考文献

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〔编辑：白洁〕