杨道忠，罗中良，陈治明，邓雪晴，刘 尧

(1.惠州天阳精密科技有限公司，广东 惠州 516007；2.惠州学院 计算机科学系，广东 惠州 516007)

引言

智能家居最早起源于美国，是以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。虽然国内外很多公司推出了智能家居系统，却没得到广泛普及，主要原因是没有统一的标准和协议。智能家居是交叉覆盖了多行业的系统工程，各设备制造厂商按照不同的接口标准与协议生产设备，从而使各设备之间的互联互通变得困难[1-3]。本设计提出一种基于WiFi构建的智能家居系统综合接入装置，其主要用来实现WiFi无线网络与其他通讯网络之间数据的互相传输，使得不同设备之间可以自由通信，从而解决各种智能家居方案中因没有统一标准和协议而无法广泛普及的问题，对该行业的发展具有重大意义。

1 系统设计

本设计利用ARM主芯片S3C6410,linux嵌入式系统，zigbee、WiFi网络以及相关家居传感器设计制作了一套智能家居综合接入与控制装置。通过智能手机和Internet网络实现远距离实时地对家中环境信息的监控和家用设备的操控，从而实现家居生活的智能化，极大地提高家居生活的便利性和舒适度。所设计的系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图

其中硬件部分主要由四个部分构成，即ARM系统处理单元[4-5]、传感器数据采集系统、WiFi模块接口和电源部分，由于电源为电子信息系统的基本单元，故图中未给出。ARM系统处理单元是系统中的核心部分，它负责各类数据的处理和转发；传感器数据采集系统由红外学习及遥控模块和zigbee通讯模块组成，进而与WiFi模块共同完成系统中各类信号的采集与发送工作。系统的软件部分主要由四大部分构成：数据分析控制部分、数据采集发送部分、数据安全加密部分、智能手机应用软件。其中数据采集发送部分和数据分析控制部分需要对家居信息进行采集并实时处理后发出控制命令；数据安全加密部分有利于提高系统的安全性；智能手机应用软件则提供了人机交互的界面，实现对家居环境的监控[6-7]。

2 系统硬件设计

2.1 WiFi接入

WiFi定义了两种类型的设备：一种是无线站，通常通过一台PC机加上一块无线网卡构成。另一种称为无线接入点(Access Point，AP)，它的作用是提供无线和有线网络之间的桥接。一个无线接入点通常由一个无线输出口和一个有线的网络接口(802.3接口)构成，桥接软件符合802.1d桥接协议。接入点就像是无线网络的一个无线基站，将多个无线的接入站聚合到有线的网络上。

WiFi定义了两种模式：infrastructure模式和ad hoc模式。infrastructure模式，即无线网络至少有一个和有线网络连接的无线接入点，还包括一系列无线的终端站。由于很多用户需要访问有线网络上的设备或服务，所以基本上都会采用这种模式。ad hoc模式，也称为点对点模式(pear to pear模式)或IBSS(In-dependent Basic Service Set)。

在家庭网络中，WiFi主要应用在各种信息家电和家庭网关上。系统设计中使用个人电脑、手持网络终端或者遥控器与家庭网关进行连接，并通过家庭网关对各种信息家电实施有效的管理和控制。因此，可以采用客户/服务器体系结构。网关充当服务器的角色，控制设备对各种信息家电的控制也通过网关完成。这样有利于实现胖服务器/瘦客户端的结构。系统主机通过SDIO-WiFi模块实现与家中其他设备的数据通信。SDIO-WiFi模块是基于SDIO接口的符合WiFi无线网络标准的嵌入式模块，内置无线网络协议IEEE802.11协议栈以及TCP/IP协议栈，能够实现用户主平台数据通过SDIO口到无线网络之间的转换。SDIO具有传输数据快，兼容SD、MMC接口等特点。基于Marvell 8686芯片的SD WiFi模块(IEEE 802.11 B/G)，通过SDIO接口与S3C6410连接使用，其外观及相应接口电路如图2和图3所示。

图2 SD WiFi外观

图3 SD WiFi接口

2.2 Zigbee接入

本系统中，由于考虑到家居环境的大小和布局，采用了一个协调器及多个传感节点的蜂窝网络，通过绑定的方式进行数据的收发。信号采集电路主要由zigbee芯片CC2530、天线、其他传感器件构成。zigbee可以容易地扩展传感器件，实现更多的监测功能。当传感器件检测到居室有不安全状况出现或者zigbee节点收到主机的请求数据信号时，会启动监控节点监测电路，然后将数据通过zigbee内置的无线收发模块，发送回zigbee协调器，进而通过串口发送到主控系统进行分析处理。其中，我们采用了DHT11温湿度传感器对家居环境温度进行采集，其电路设计如图4所示。

图4 DHT11通信接口

2.3 红外控制

红外遥控系统一般由红外发射装置和红外接收设备两大部分组成，通常为了使信号能更好地被传输，发送端将二进制基带信号调制为脉冲串信号。

调制信号时采用的是周期为37.9KHz的方波作为载波，运用LM555搭建一个占空系数可调的振荡器输出37.9KHz的方波和控制信号经过与门来完成对红外发射管工作状态的控制。红外发射装置的原理图如图5所示，图中三个并联的发射管是为加大发射功率而设置的。

图5 红外发射装置的原理图

红外接收设备我们用HX1838一体化接收管来接收信号，当控制端为高电平时红外发射管发射红外光，此时接收管接收到红外光时输出引脚输出低电平；反之，控制引脚为低电平时红外发射管截止，接收管输出引脚输出高电平。通过对高低电平时间计时可实现对数据的解码，接收电路原理图如图6所示。

图6 接收电路原理图

2.4 摄像头

(1)CMOS摄像头OV9650模块

CMOS摄像头是一种采用CMOS图像传感器的摄像头，主要分为两种：CMOS和CCD。考虑到系统的功率要求，本系统中采用CMOS摄像头OV9650模块对家居环境进行图像采集，通过SDIO与嵌入式系统实现数据传输。

(2)摄像头应用程序设计

本程序采用Video4Linux内核驱动对摄像头进行操作。Video4Linux(简称V4L)是Linux中关于视频设备的内核驱动。在Linux中，视频设备是设备文件，可以像访问普通文件一样对其进行读写，摄像头在目录/dev/video0下。Video4Linux视频编程的流程：

Step 1：打开视频设备

Step 2：读取设备的信息

Step 3：更改设备当前的信息(根据自己需要进行修改)

Step 4：进行视频信息采集，主要两种方法：a、内存映射;b、直接去设备中读取

Step 5：对采集的数据进行处理

Step 6：关闭视频设备

2.5 电源电路设计

在本系统中，5V电源采用常见的变压、整流、滤波和稳压方式得到，并采用了开关电源芯片AMS1117CM-3.3完成从5V到3.3V的转换，为ARM11系统和其他单元供电，具体电路参考芯片应用手册，故略。

3 软件设计

3.1 软件设计平台简介

本系统软件的设计平台采用了Linux操作系统。该系统是一个类Unix操作系统，是当今最为热门的一款开源的操作系统。Linux操作系统是一个功能强大、设计完善的操作系统。Linux系统不仅能够运行于PC平台，还能运行于嵌入式系统平台中。由于Linux操作系统的源代码开放，内核精简、性能强悍，广泛适用于各种硬件设备，系统二次开发成本极低，因此采用Linux操作系统作为嵌入式系统的核心操作系统将是未来嵌入式系统的发展趋势。嵌入式Linux操作系统是指对Linux操作系统经过特定需求裁剪后，能够固化在容量只有几百KB或几MB的存储器中，应用于特定嵌入式场合的专用PC系统。由于，目前的主流嵌入式ARM微处理器中，大多数并不具有内存管理单元MMU，因此ARM微处理器技术和Linux操作系统成功完美的结合，应用于数以千计的商业产品中，充分满足了各类应用对嵌入式平台高性能、低功耗和低价格的要求。

图7 通讯程序设计框图

3.2 系统服务器程序设计

在本系统中，采用了并发服务器设计通讯程序。并发服务器是一般的面向连接的服务器程序的代码框架。该代码框架使用对进程处理的方式处理多个请求，子进程负责处理连接请求，因此关闭监听套接字，父进程继续监听请求，不会遗漏通信请求。其通讯程序设计框图如图7所示。

4 结论

本文根据市场客户对产品的设计任务，提出并论证了产品设计方案，详细地阐述了智能家居系统的实现方法及相关电路的设计原理，设计中充分利用了系统的硬件和软件资源，实现了各个模块的协调控制，提高了系统的可靠性和通用性。在制作电路原理样机、单机调试和与PC机联机调试后，对设计的电路和软件完成了产品的功能测试，并进行了批量生产，目前已顺利进入市场销售，客户反应良好，且接受了多家网店的订单。

[1] 申斌，张桂青，汪明，等.基于物联网的智能家居设计与实现[J].自动化与仪表,2013(2): 6-10.

[2] 王敬东，贲伟，王子瑞，等.基于ZigBee技术的TDOA定位系统设计[J]. 测控技术，2013，32(3):74-79.

[3] 吴文忠，李万磊.基于ARM和zigbee的智能家居系统[J].计算机工程与设计，2011(2):36-39.

[4] 王文珍.基于无线传感网络油田智能监控系统的设计[J].自动化仪表，2013(2):38-41.

[5] 马卜林，杨帆.煤矿井下WiFi人员定位GIS系统设计与实现[J].西安科技大学学报，2012，32(3):301-303.

[6] 赵丽.基于ZigBee技术的智能家居系统研究与设计[D].硕士学位论文，南京邮电大学，2011.

[7] 南忠良，孙国新.基于zigbee技术的智能家居系统设计[J].电子设计工程，2010(7):23-25.