CN105278341A - 一种基于ARM和ZigBee的智能家居系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及智能家居技术领域，尤其涉及一种基于ARM和ZigBee的智能家居系统，包括ARM处理器、鼠标/键盘、液晶显示/触摸屏、图像/食品采集模块、音响/麦克、拓展读卡器、无线网片模块、存储模块、CDMA模块、Internet、Zigbee网络和检测终端，所述鼠标/键盘、液晶显示/触摸屏、图像/食品采集模块、音响/麦克、拓展读卡器、无线网片模块、存储模块、CDMA模块、均与ARM处理器相连，所述CDMA模块和Internet通信，所述ARM处理器和Internet通信，所述检测终端通过Zigbee网络与ARM处理器通信。该系统一方面可以通过对家居设施的有效控制实现节能环保和安全的家庭生活，另一方面通过方便的智能化操作提高人们生活质量，可满足家居系统的一般应用需求。
Description
技术领域
本发明涉及智能家居技术领域，尤其涉及一种基于ARM和ZigBee的智能家居系统。
背景技术
随着人们生活水平的提高以及计算机技术、通信技术和网络技术的发展，智能家居逐渐成为未来家居生活的发展方向。智能家居不仅能给用户提供安全、健康和舒适的生活环境，而且用户能够远程监控自己的家居状态和控制家庭电器设备。随着人们对家居设施的要求越来越高，智能家庭和物联网成为了研究热点。
发明内容
本发明为了更好地使家居设备互联互通而形成一个系统以及实现对家居设施的有效控制，提出一种基于ARM和ZigBee的智能家居系统，该系统一方面可以通过对家居设施的有效控制实现节能环保和安全的家庭生活，另一方面通过方便的智能化操作提高人们生活质量，可满足家居系统的一般应用需求。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于ARM和ZigBee的智能家居系统，包括ARM处理器、鼠标/键盘、液晶显示/触摸屏、图像/食品采集模块、音响/麦克、拓展读卡器、无线网片模块、存储模块、CDMA模块、Internet、Zigbee网络和检测终端，所述鼠标/键盘、液晶显示/触摸屏、图像/食品采集模块、音响/麦克、拓展读卡器、无线网片模块、存储模块、CDMA模块、均与ARM处理器相连，所述CDMA模块和Internet通信，所述ARM处理器和Internet通信，所述检测终端通过Zigbee网络与ARM处理器通信。
优选地，所述ARM处理器的型号为S3C2440。
优选地，所述检测终端由设置在家居设备上的传感器和转换控制电路组成。
优选地，所述Zigbee网络由Zigbee模块组成，所述Zigbee模块采用DigiInternational公司生产的XBee模块。
优选地，所述无线网片模块采用D-Link公司的嵌入式无线网片模块DWL-G122。
优选地，所述液晶显示/触摸屏采用NEC公司生产的NL2432HC22-22B。
优选地，所述图像/食品采集模块采用中星微的视频采集芯片ZC0301。
优选地，所述CDMA模块采用华为公司的EM200模块。
优选地，所述存储模块包括SD卡、MMC卡和固态硬盘。
本发明提出一种基于ARM和ZigBee的智能家居系统，该系统通过ZigBee模块组成的传感器网络采集家居设备信息与传输控制指令，嵌入式系统进行数据的处理与传输，能够实现与CDMA蜂窝网以及Internet互通，用户既可以通过嵌入式控制平台进行家居系统的控制，又可以通过笔记本电脑与手机等移动设备进行控制。通信仿真和嵌入式样机视频传输性能测试表明，该系统完全能够达到家居系统的一般应用要求。该系统一方面可以通过对家居设施的有效控制实现节能环保和安全的家庭生活，另一方面通过方便的智能化操作提高人们生活质量，可满足家居系统的一般应用需求。
附图说明
图1为家居系统网络结构；
图2为系统硬件结构；
图3为嵌入式家居系统命令处理流程。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的描述。
一种基于ARM和ZigBee的智能家居系统，包括ARM处理器、鼠标/键盘、液晶显示/触摸屏、图像/食品采集模块、音响/麦克、拓展读卡器、无线网片模块、存储模块、CDMA模块、Internet、Zigbee网络和检测终端，所述鼠标/键盘、液晶显示/触摸屏、图像/食品采集模块、音响/麦克、拓展读卡器、无线网片模块、存储模块、CDMA模块、均与ARM处理器相连，所述CDMA模块和Internet通信，所述ARM处理器和Internet通信，所述检测终端通过Zigbee网络与ARM处理器通信。
所述ARM处理器的型号为S3C2440。
所述检测终端由设置在家居设备上的传感器和转换控制电路组成。
所述Zigbee网络由Zigbee模块组成，所述Zigbee模块采用DigiInternational公司生产的XBee模块。
所述无线网片模块采用D-Link公司的嵌入式无线网片模块DWL-G122。
所述液晶显示/触摸屏采用NEC公司生产的NL2432HC22-22B。
所述图像/食品采集模块采用中星微的视频采集芯片ZC0301。
所述CDMA模块采用华为公司的EM200模块。
所述存储模块包括SD卡、MMC卡和固态硬盘。
系统网络组成：
家居系统网络结构如图1所示，主要包括4种网络。ZigBee网络主要包括用于采集设备状态信息和环境参数的各种传感器，另外，用于和嵌入式系统沟通的转换控制电路主要实现对家居设施的状态采集以及信息传输。ZigBee网络遵循IEEE802.15.4规范，具有高效经济的特点，功耗和复杂度都非常低，适合近距离和速率要求不高的场合，因此非常适用于家居设备间传输控制信息。基于ARM9的嵌入式系统组成的网络主体部分是基于s3c2440的处理控制模块，负责对各种数据的处理并提供方便的人机交互界肉，还负责与各种网络进行通信，是智能家居系统的核心部分。Internet与蜂窝网为用户提供了远程访问控制家居系统的方式，例如用户可以在外出时用手机和笔记本电脑灯装置来监控家里各种设备的情况，在回家前提前打开-空调、热水器等电器，在忘记关掉某些设备时可以远程控制关闭以节约电源；在旱晨闹钟响起前几分钟自动打开遮光窗帘、咖啡机和热水器自动工作。同时用户也可以用CDMA手机和Internet上的服务器进行交互操作。
本系统的硬件结构如图2所示。安装在家居设备上的各种传感器和转换控制电路负责采集设备环境信息并控制具体的设备。信息的传递通过DigiInternational公司生产的XBee模块组建的ZigBee网络来进行。ZigBee技术基于IEEE802.15.4标准，而该标准提供了动态信道选择、空闲信道评估等抗干扰机制。ZigBee使用的频段为2.4GHz，在距离大于1m的范围不会对微波炉、无绳电话等家庭设备产生明显的干扰。XBee室内传输距离为100m，接收灵敏度为-102dBm，功耗低，速率达250kbps，完全可满足设备间的通信需求，而且测试和配置都非常方便。摄像头负责对室内环境以及门口情况的监控，采集到的数据交由S3C2440处理，可以进行存储或者发送到互联网或者手机。S3C2440作为主要的处理器和控制器，拥有400MHz的CPU，64M的FLASH和64M的SDRAM。音频口接音频设备进行语音播报提醒等，这些都由程序设置、控制。触摸屏负责进行人机交互，无线通信模块负责各个嵌入式终端之间的通信，这里采用D-Link公司的嵌入式无线网片模块DWL-G122，已支持USB接口，基于IEEE802.11b/g组网，最大传输速率可达54Mbps，可进行流畅的视频传输，它室内传输距离可以达到100米左右，网口还提供了与Internet的互联。SD卡作为数据存储设备。总的来说，用户可以通过嵌入式终端上的界肉来查看室内空调、热水器、电灯、窗帘、安防系统、电视等的使用状态，根据需要调整这些设备，还可以进行远程操作，这样可以有效节约时间和能源，安全性也更高。系统内部通过AS1117-3.3产生3.3V的电压。触摸屏选用NEC公司生产的NL2432HC22-22B，它是一款TFT活动阵列色的LCD。视频模块采用中星微的视频采集芯片ZC0301。
与蜂窝网互联采用CDMA技术，它比GSM更先进、辐射小，传输速率可以达到GPRS的3-4倍。系统选择华为公司的EM200模块，它的接收灵敏度为-106dBm提供1xUART接口，速率达230.4kbps，内嵌TCP/IP协议，支持多链接，前向和后向数据传输速率均为153.6kbps，而且完全符合ROHS环保认证的要求。通过UART接口与中央处理器相连。
嵌入式开发平台搭建：开发平台的搭建主要包括嵌入式Linux系统的移植和整个硬件平台的建立。utu-Linux是扬创科技基于Linux2.6内核，针对ARM框架CPU移植的嵌入式Linux操作系统，本项目选用其针对s3c2440的版本，该系统稳定可靠。整个开发平台用Fedora9.0作为宿主机系统，目标机则是以utu-linux作为开发板的操作系统。
由于DWL-G122无线网片模块采用的是ralink公司的RT73芯片，需从http://www.ralinktech.com网站上下载相应的Linux驱动RT73_Linux.tar.bz2o指定编译器及平台，指向嵌入式Linux内核文件，需要修改Makefile文件，加入对网络模块的支持，添加obj-m:＝rt73.o语句，交叉编译，生成驱动模块rt73.ko。在utu-linux下启动加载无线网片驱动模块，命令如下：
#/sbin/insmodrt73.ko
#/sbin/ifconfigrausb0inet192.168.0.101up
然后进行驱动移植和网络配置，无线网络模块就可以正常工作了。
从网上下载GSPCA(genericsoftwarepackageforcameraada-ptator)驱动，它是基于spca50x上的能够支持更多种芯片的驱动。可以用Isusb命令查看摄像头信息，显示为Bus002Device002:IDOac8:301bZ-StarMicroelectronicsCorp.ZC0301WebCam。
然后通过如下命令安装驱动：
#./gspca_build
#IsmodIgrepgspc查看是否安装好，可以用spcaview程序来测试效果。
另外，对utu-linux的文件系统filesystem做了修改，并在加载内核完成后中断该过程，让系统加载修改过的新文件系统，该系统中包括对无线网卜驱动的修改以及QT4应用程序等。
系统软件设计
主界面设计：系统在Qt4上编程设计用户操作和显示界面，实现各种功能。包括对各种家居设备如空调、热水器、电灯、冰箱、电视、风扇、窗帘、窗户等的控制和相关工作状态查看，还有进行一键式场景设置以及发出提不信息等功能，用户可以通过日志来查看设备历史运行状沉和接收命令的情况。
系统主界主要起统筹管理的作用，它给我们提供了各个功能模块的接口，只要点击相应的图标按钮，用户就可以进入相应的功能界面，每个功能的具体实现由各个相应模块的代码完成。其中，一键式场景设置是有选择地对各种设备按顺序下达指令，例如起床场景可以在设定的时间先打开遮光窗帘然后闹钟响起并且煮水器和咖啡机自动工作。第一个选项卡为各种家居设备的操作入口，用户只需在触摸屏上相应的按钮位置点击即可进入该设备或者设备系列的设置界面。例如，点击airconditioning按钮就会出现设置空调开关、温度和工作模式的子界面；当用户单击lights按钮时会出现对室内多种灯光的设置；securitysettings是对家居环境安全的控制如震动检测、门禁检测等；点击phone按钮则会提示输入手机号码并通过CDMA网络发送家居设备环境信息到指定手机；updatetoserver按钮负责将木地信息发送到Internet服务器，用户可以设定周期性地进行数据同步。在设备设置这一选项片提供的功能所涉及的部分函数如下：
Camera::SetCap10//打开1号摄像头
Camera::SetCap20//打开2号摄像头
AirConditioning::TurnOn()//打开空调
AirConditioning::TurnOff()//关I}l空调
AirConditioning::SetModO//设置空调模式
AirConditioning::SetTemp(int)//设置空调温度
Light::SetL10//打开1号灯
Light::SetL20//打开2号灯
Light::SetLuminancel(int)//调整1号灯亮度
在一键式场景设置中，用户可以选择系统提供的顶设场景，包括上班场景、下班场景、晚餐场景、睡眠场景、起床场景等，还可以通过为定义场景进行个性化模式设置。实现这一选项卡中提供的功能所用到的部分函数如下：
switch(OneKeyMod){//根据一键模式的值来选择需要相应的命令
case0://11OneKeyMod为0时，启动起床模式
Curtain::Open()；//首先打开遮光窗帘
WaterHeater::TurnOn()；//打开煮水器
CoffeeMachine::Open()；//打开咖啡机
sleep(300)；//等待300秒时间
Alann::OpenAlann1()；//闹钟响起
Alann::PlayMusic(0)；//随机选择音乐播放
break:
case1://另一场景的定义和设置
智能家居管理软件：
嵌入式智能家居系统的主体流程如图3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。对设备的控制主要有3种方式：①对单个设备的操作，例如调整空调温度、灯光明暗度等；②一键场景模式，例如起床场景、影院场景、下班场景、安防场景等，这些场景都是通过顶先按顺序对某些特定的家居设备设置命令来实现的，从本质上说是一个批处理的过程。如川二启影院模式，则系统会先给投影系统发送放下幕布命令并川二启投影机，接着关掉环境灯光，关闭窗帘，然后播放顶先设定的默认影片；③操作方式是通过外部命令，这里的外部命令是指用户通过电脑和手机给嵌入式系统发送的操作命令。所以命令都会通过XBee模块组建的ZigBee网络使得家居设备上的控制模块相应，进而对家居设备进行相关操作。更新后的设备状态会在本地终端上显示，并且能发送到其它嵌入式终端,Internet以及用户手机上，让用户随时可以查看到家里的情况。远程的数据和本地的实际数据会定期进行同步检验以保证数据的准确性。
Claims (9)
1.一种基于ARM和ZigBee的智能家居系统，其特征在于：包括ARM处理器、鼠标/键盘、液晶显示/触摸屏、图像/食品采集模块、音响/麦克、拓展读卡器、无线网片模块、存储模块、CDMA模块、Internet、Zigbee网络和检测终端，所述鼠标/键盘、液晶显示/触摸屏、图像/食品采集模块、音响/麦克、拓展读卡器、无线网片模块、存储模块、CDMA模块、均与ARM处理器相连，所述CDMA模块和Internet通信，所述ARM处理器和Internet通信，所述检测终端通过Zigbee网络与ARM处理器通信。
2.根据权利要求1所述的基于ARM和ZigBee的智能家居系统，其特征在于：所述ARM处理器的型号为S3C2440。
3.根据权利要求1所述的基于ARM和ZigBee的智能家居系统，其特征在于：所述检测终端由设置在家居设备上的传感器和转换控制电路组成。
4.根据权利要求1所述的基于ARM和ZigBee的智能家居系统，其特征在于：所述Zigbee网络由Zigbee模块组成，所述Zigbee模块采用DigiInternational公司生产的XBee模块。
5.根据权利要求1所述的基于ARM和ZigBee的智能家居系统，其特征在于：所述无线网片模块采用D-Link公司的嵌入式无线网片模块DWL-G122。
6.根据权利要求1所述的基于ARM和ZigBee的智能家居系统，其特征在于：所述液晶显示/触摸屏采用NEC公司生产的NL2432HC22-22B。
7.根据权利要求1所述的基于ARM和ZigBee的智能家居系统，其特征在于：所述图像/食品采集模块采用中星微的视频采集芯片ZC0301。
8.根据权利要求1所述的基于ARM和ZigBee的智能家居系统，其特征在于：所述CDMA模块采用华为公司的EM200模块。
9.根据权利要求1所述的基于ARM和ZigBee的智能家居系统，其特征在于：所述存储模块包括SD卡、MMC卡和固态硬盘。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109357363A (zh) * | 2018-09-07 | 2019-02-19 | 华南理工大学广州学院 | 一种基于zigbee的室内环境控制系统 |
| CN109683533A (zh) * | 2019-01-15 | 2019-04-26 | 佛山市顺德区美的饮水机制造有限公司 | 基于物联网的智能冲泡机的冲泡方法及冲泡装置 |
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2015
- 2015-11-21 CN CN201510817424.1A patent/CN105278341A/zh active Pending
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