徐希坤1，耿建平1，葉新2，楊朝嵐2 ，李景景3

　　（1.桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動化學(xué)院，桂林 541004；2.中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院，深圳 518055；3.中原工學(xué)院 電子信息學(xué)院，鄭州450007）

　　摘要：為了實現(xiàn)家居安全、環(huán)境信息的遠(yuǎn)程實時監(jiān)控,設(shè)計了一種基于ARM與ZigBee技術(shù)的家庭安全監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以CC2530芯片采集溫度、煙霧、CO濃度等傳感器信息，并通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將采集的節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸RM服務(wù)器，ARM服務(wù)器將數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至Android手機客戶端。ARM服務(wù)器以μC/OSII為平臺,引入emWIN 圖形用戶接口，通過加權(quán)算法來判斷火災(zāi)的發(fā)生，從而減小其漏報率和誤報率。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時ARM服務(wù)器會自動撥打報警電話，同時也可以通過手機客戶端發(fā)送家居控制命令，便于火災(zāi)的及時救援。實踐證明該系統(tǒng)具有實用性好、可靠性高、反應(yīng)速度快等特點，可以有效地對家居安全、環(huán)境信息進行全覆蓋和連續(xù)的監(jiān)控。

　　關(guān)鍵詞：ARM；μC/OS-II；Android；ZigBee；GPRS；家居安全

0引言

　　智能家居系統(tǒng)是將各種傳感器、電子電氣設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連接起來，組成一個可實現(xiàn)家居環(huán)境監(jiān)測、家居設(shè)備自動化以及家居安防等功能的綜合管理系統(tǒng)［1］。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們的生活水平和生活質(zhì)量日益提高，各種家用電器和生活燃?xì)庖沧哌M了千家萬戶,在方便人們?nèi)粘Ｉ畹耐瑫r，由于電器超負(fù)荷運轉(zhuǎn)、電線超負(fù)載使用、材料老化和燃?xì)庑孤┑仍斐傻闹苯踊蜷g接的家庭火災(zāi)、煤氣泄漏等事故也頻繁發(fā)生。因此設(shè)計一套能夠預(yù)防和減少家居危險事故發(fā)生的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)就顯得十分必要。傳統(tǒng)意義上家居監(jiān)控系統(tǒng)都是以獨立的傳感器作為監(jiān)測點，各個監(jiān)測點以孤立的形式存在，發(fā)生誤判、漏判的幾率非常大，且大部分以計算機作為終端，不便于實施遠(yuǎn)程監(jiān)控［2］。綜合考慮以上問題，設(shè)計出一種以Android智能手機作為家居終端監(jiān)控平臺，以ARM微控制器為核心的基于μC/OSII實時操作系統(tǒng)的服務(wù)器，TFT-LCD液晶模塊實時顯示，通過ZigBee采集傳感器信息，通過GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，最終實現(xiàn)智能家居安全監(jiān)測系統(tǒng)的本地和遠(yuǎn)程的實時監(jiān)控。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

　　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，該系統(tǒng)主要由ARM服務(wù)器、Android客戶端、ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3部分構(gòu)成。ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集家居中的環(huán)境、安防等傳感器數(shù)據(jù)信息，然后發(fā)送至ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器通過串口通信將數(shù)據(jù)發(fā)送至ARM服務(wù)器，ARM服務(wù)器對接收到的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理、存儲、顯示，然后將數(shù)據(jù)通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)送至Android客戶端。當(dāng)發(fā)生危險情況（如可燃性氣體泄漏、火災(zāi)等）時，ARM服務(wù)器將會自動報警，并提供家居所在地位置信息，同時將相應(yīng)的信息發(fā)送至Android客戶端，用戶可以通過Android客戶端發(fā)送指令對家居設(shè)備進行相應(yīng)的控制（如打開水龍頭、切斷電源等）。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2.1ARM服務(wù)器的設(shè)計

　　基于ARM架構(gòu)的處理器廣泛應(yīng)用在嵌入式領(lǐng)域［3］。本系統(tǒng)ARM服務(wù)器以STM32F103ZET6微控制器為核心，該微控制器是基于CortexM3內(nèi)核的微處理器，具有功耗低、性價比高等特點，并且其核心是基于哈佛架構(gòu)的3級流水線內(nèi)核，采用新的Thumb2指令集，使數(shù)據(jù)運算處理可以取得較快較理想的效果［4］。

　　ARM服務(wù)器主要的作用是接收ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送來的傳感器信息，對接收的數(shù)據(jù)采用多次采樣求平均值的處理方式。SD卡通過SDIO接口同ARM服務(wù)器連接來完成數(shù)據(jù)的大容量存儲并建立文件系統(tǒng)。以SSD1963作為控制器的4.3英寸TFTLCD通過FSMC（靈活的靜態(tài)存儲控制器）與微控制器連接能夠大大提高數(shù)據(jù)的讀寫速度并進行數(shù)據(jù)，顯示。GPRS將數(shù)據(jù)發(fā)送至Android客戶端，實現(xiàn)移動終端和ARM服務(wù)器的人際交互。ARM服務(wù)器的人際交互是以XPT2046觸摸控制器為核心來實現(xiàn)的。ARM服務(wù)器終端同時還連接蜂鳴器作為報警器件。GPS模塊進行家居位置的定位。ARM服務(wù)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。　

　　2.2ZigBee無線傳感器節(jié)點的硬件設(shè)計

　　ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器節(jié)點和終端節(jié)點組成，協(xié)調(diào)器節(jié)點主要用于建立無線網(wǎng)絡(luò)，是整個網(wǎng)絡(luò)的維護者，接收終端節(jié)點的傳感器數(shù)據(jù)并上傳至服務(wù)器。終端節(jié)點用來采集傳感器數(shù)據(jù)，在非工作狀態(tài)時可以進入休眠狀態(tài)。ZigBee節(jié)點采用CC2530芯片，CC2530內(nèi)嵌增強型8051 CPU，結(jié)合了ZigBee協(xié)議棧Z-Stack，提供一個將ZigBee、IEEE 802.15.4、2.4 GHz和RF收發(fā)器結(jié)為一體的強大而完整的解決方案［56］，能夠以非常低的成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

　　ZigBee節(jié)點硬件圖如圖3所示。ZigBee終端節(jié)點可以檢測環(huán)境信息、安防信息。環(huán)境信息的檢測通過溫濕度傳感器、光照傳感器、PM2.5傳感器等完成。安防信息檢測通過煙霧傳感器、CO濃度傳感器、紅外熱釋電傳感器等完成。ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采用兩節(jié)5號電池供電，經(jīng)過DCDC芯片CP1402轉(zhuǎn)換為3.3 V，同時采用模擬開關(guān)來控制各個傳感器的供電，以不需要數(shù)據(jù)采集時降低功耗。

　　2.2.1放大電路的設(shè)計

　　對于模擬輸出的傳感器，其輸出都在mV級。如光照強度檢測器件BPW34S在光照強度為8~3 500 lux時輸出電壓范圍是220~420 mV之間，因此需要放大處理。放大電路采用AD620芯片，其輸入微調(diào)電壓最大為50 μV，放大器的增益為1~10 000倍，放大電路原理圖如圖4所示。

　　為避免高頻信號的干擾，在前端使用簡單的RC無緣低通濾波電路。放大倍數(shù)計算公式如下:

　　調(diào)整R9的值即可以改變電路的放大倍數(shù)。經(jīng)實驗室測試，對于0.1 mV以上的信號可以實現(xiàn)很好的放大功能，為小信號的前期后期處理做好了準(zhǔn)備。

　　2.2.2低通濾波器的設(shè)計

　　為了減小干擾，提高系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計了硬件濾波器。對于煙霧傳感器MQ2，因為工作頻率極低，導(dǎo)致低頻噪聲對其影響較大。因此設(shè)計了截止頻率為0.16 Hz的極低頻率的低通濾波器，即使是這樣的低通濾波器，與30 s響應(yīng)的MQ2相比，它對傳感器響應(yīng)時間的影響也可忽略。

　　4階低通濾波器原理圖如圖5所示，它由兩個二階壓控電壓源低通濾波器（由TL072運算放大器組成）串聯(lián)而成。在Multisim軟件中仿真低通濾波器的幅頻特性如圖6所示。從圖中可以看出，在-3 dB處頻率約為0.16 Hz，衰減比較迅速，滿足了設(shè)計需求。

　　2.3電源管理模塊的設(shè)計

　　電源管理模塊是整個系統(tǒng)的心臟，電源的好壞對整個系統(tǒng)的安全、正常、可靠運行至關(guān)重要。整個系統(tǒng)采用直流12 V供電，系統(tǒng)中各元件的工作電壓存在差異，GSM/GPRS模塊使用3.9 V供電，其余部分采用3.3 V供電。本設(shè)計中采用DCDC轉(zhuǎn)換電路來實現(xiàn)這些功能，AP1501將12 V轉(zhuǎn)換到5.5 V，MIC29302BT將5.5 V轉(zhuǎn)換到3.9 V，NCP511SN將5.5 V轉(zhuǎn)換到3.3 V，從而得到系統(tǒng)工作所需要的電壓。為了實現(xiàn)低功耗，GSM/GPRS模塊和GPS模塊的供電可以通過ARM處理器對其控制。電壓轉(zhuǎn)換電路如圖7所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　3.1服務(wù)器的軟件設(shè)計

　　ARM服務(wù)器程序移植了μC/OSII實時操作系統(tǒng)，μC/OSII是基于優(yōu)先級的可剝奪型內(nèi)核操作系統(tǒng)，且源碼公開，內(nèi)核小巧，特別適合應(yīng)用在實時性要求較高的場合［7］。μC/OSII絕大部分采用C語言編寫，只有極少數(shù)與處理器硬件相關(guān)的代碼采用匯編語言實現(xiàn)，最小內(nèi)核可編譯至2 KB，特別適合小型控制系統(tǒng)［8］。為了實現(xiàn)服務(wù)器更好的人機交互界面，在移植μC/OSII的基礎(chǔ)上移植了emWin，它為任何的LCD圖形顯示提供高效的圖形接口，接口實現(xiàn)與硬件平臺無關(guān)。emWin支持多任務(wù)，結(jié)合μC/OSII系統(tǒng)使用，可為用戶帶來良好的人機交互體驗。

　　圖8ARM服務(wù)器設(shè)計程序流程圖該系統(tǒng)中，ARM服務(wù)器的主要任務(wù)有GPS位置信息任務(wù)、數(shù)據(jù)顯示任務(wù)、數(shù)據(jù)存儲任務(wù)、報警任務(wù)、數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)等。系統(tǒng)上電后首先初始化控制器和外設(shè)，然后初始化μC/OSII和emWin。初始化完成后，設(shè)置中斷服務(wù)子程序，開啟中斷，創(chuàng)建任務(wù)間通信的消息量和郵箱。最后創(chuàng)建各個任務(wù)，此時的各個任務(wù)都為就緒狀態(tài)，且根據(jù)任務(wù)的性質(zhì)賦予不同的優(yōu)先級。ARM服務(wù)器的首要任務(wù)是讀取家居的傳感器信息，其優(yōu)先級賦予最高，顯示及觸摸任務(wù)對時間要求不嚴(yán)，優(yōu)先級可以賦予最低優(yōu)先級，任務(wù)的優(yōu)先級順序如圖8所示。操作系統(tǒng)啟動任務(wù)調(diào)度后就不斷地輪詢查詢是否有任務(wù)發(fā)生，當(dāng)沒有任務(wù)時使系統(tǒng)進入休眠模式以降低功耗。

　　3.2ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件設(shè)計

　　ZigBee技術(shù)具有強大的組網(wǎng)能力，可以形成星形、樹形和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)組建的家庭網(wǎng)絡(luò)采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件設(shè)計是基于ZStack開發(fā)的，ZStack工程文件由操作系統(tǒng)層（OSAL）、硬件抽象層（HAL）、媒體接入層（MAC）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、調(diào)試接口層（MT）以及應(yīng)用層（APP）組成。數(shù)據(jù)采集工作主要在應(yīng)用層上實現(xiàn)，操作系統(tǒng)以輪詢的方式查詢各層的事件并進行處理。ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點程序流程圖如圖9所示。

　　3.3GPRS/GSM模塊程序設(shè)計

　　本系統(tǒng)采用SIMCOM公司的SIM900A工業(yè)級雙頻GSM/GPRS模塊，該模塊支持RS232串口與微控制器連接，減少外圍電路的設(shè)計。

　　GPRS/GSM主要通過AT指令集傳輸數(shù)據(jù)，AT指令集是從終端設(shè)備向終端適配器發(fā)送數(shù)據(jù)的一種命令集合。AT指令集的一般格式為：

　　AT+“AT命令”=“參數(shù)”

　　3.3.1GPRS服務(wù)器的指令設(shè)置

　　GPRS通信采用TCP協(xié)議，TCP是基于連接的協(xié)議，在收發(fā)數(shù)據(jù)前必須和對方建立可靠的連接。GPRS服務(wù)器設(shè)置指令如下：

　　AT+CGCLASS=“B”；

　　AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMNET”；

　　AT+CGATT=1；

　　AT+CIPCSGP=1，“CMNET”；

　　通過上述4條指令設(shè)置移動臺類別、連接方式、接入點和附著GPRS業(yè)務(wù)。再發(fā)送以下指令:

　　AT+CLPORT=“TCP”，“本地連接端口”；

　　AT+CIPSTART=“TCP”，“IP”，“連接端口”；

　　即設(shè)置好GPRS與客戶端的數(shù)據(jù)傳輸。

　　3.3.2撥打電話的指令設(shè)置

　　撥打報警電話的指令設(shè)置如下：

　　ATE1//設(shè)置回顯

　　AT+COLP=1//設(shè)置被呼叫號碼顯示

　　ATD119//撥打119進行報警

　　通過上述指令的設(shè)置，在發(fā)生火災(zāi)時即可撥打報警電話。

　　3.4GPS模塊程序設(shè)計

　　GPS采用UBLOX NEO6M模塊，該模塊支持最快5 Hz的測量頻率。GPS模塊通過串口與STM32F103ZET6連接，串口波特率為115 200 b/s，為減輕CPU負(fù)擔(dān)采用DMA的數(shù)據(jù)傳輸方式。

　　GPS采用NMEA-0183協(xié)議，該協(xié)議采用ASCII碼來傳遞GPS定位信息，其幀格式如下：

　　$aaccc,ddd,ddd,…,ddd*hh(CR)(LF)

　　其中$是幀命令起始位，aaccc是地址域，ddd…ddd是數(shù)據(jù)，*是校驗和前綴，hh是校驗和，(CR)(CF)是幀結(jié)束符。程序通過對$GPRMC命令的解析來獲取經(jīng)緯度信息、UTC時間、定位狀態(tài)。

　　3.5Android客戶端的軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)選擇Google的Android手機操作系統(tǒng)作為移動終端平臺，在Eclipse環(huán)境下開發(fā)。Android客戶端通過Socket與ARM服務(wù)器進行通信，將采集的數(shù)據(jù)信息上傳至移動終端。Socket類是負(fù)責(zé)處理客戶端通信的Java類，通過這個類可以連接到指定的IP或者域名的服務(wù)器上，并且可以與服務(wù)器交互數(shù)據(jù)［9］。Android客戶端軟件設(shè)計流程圖如圖10所示。

　　4實驗結(jié)果

　　在實驗室條件下進行測試，ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以采集傳感器信息，將傳感器信息傳至ARM服務(wù)器，TFT-LCD可以顯示傳感器信息，同時通過GPRS網(wǎng)絡(luò)連接Internet向Android客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)；Android客戶端可以顯示傳感器數(shù)據(jù)信息，發(fā)送控制命令到服務(wù)器控制家居中的設(shè)備。當(dāng)檢測到異常信息（如燃?xì)庑孤⒒馂?zāi)等）時，Android客戶端和服務(wù)器會同時撥打火警報警電話以便相關(guān)的部門采取救援措施。Android移動終端顯示界面如圖11所示。　　

5結(jié)論

　　運用ZigBee無線通信技術(shù)設(shè)計的智能家居安全監(jiān)測系統(tǒng)，能夠及時采集家中的環(huán)境與安防信息，采用μC/OSII操作系統(tǒng)既提高了系統(tǒng)的實時性又實現(xiàn)了家居安全信息的集中管理。另外系統(tǒng)采用Android智能手機作為控制終端，具有操作簡單、可移植性強的特點，實現(xiàn)了對智能家居的安全監(jiān)控和預(yù)測，具有一定的技術(shù)意義和實用價值。

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