基于嵌入式Linux和ZigBee技术的智能家居系统设计毕业设计论文

基于嵌入式Linux和ZigBee技术的智能家居系统

The smart home system based on embedded Linux and ZigBee

设

计

报

告

随着科学技术的发展，智能家居生活也渐渐成为趋势。本文设计了一个智能家居系统，采用ZigBee组网、Wi-Fi无线通信技术及嵌入式的网关服务器，实现了家居安防和家居远程控制。系统以 Android 智能设备作为主控制器终端，以三星公司的S5PV210芯片和相关的一些外围器件组建成整个系统的家庭网关控制平台，基于嵌入式Linux操作系统通过Qt 设计开发了智能管家软件，而家居内部控制网络则利用ZigBee无线网络技术来实现。智能家居系统通过物联网技术将家中的各种设备（如照明系统、窗帘控制、安防系统、烟雾报警系统、智能厨房、智能洗浴等）连接到一起，提供家电控制、照明控制、窗帘控制、电话远程控制、室内外遥控、防盗报警、红外转发以及可编程定时控制等多种功能和手段。帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。

关键词：智能家居系统、Wi-Fi、ZigBee、嵌入式Linux、Android平台

Abstract

With the development of science and technology, intelligent household life is becoming a trend. This paper designed a smart home system, USES the ZigBee network, wi-fi wireless communication technology and embedded gateway server, home security and home remote control is realized. System to Android intelligent terminal equipment as the main controller, with samsung S5PV210 some chips and related peripheral devices to form into the family gateway control platform of the whole system, based on embedded Linux operating system by Qt intelligent housekeeping software is designed and developed, while home internal control network using ZigBee wireless network technology to realize.Smart home system in the home through the Internet of things technology with the equipment (such as lighting, curtain control, security system, smoke alarm system, intelligent kitchen, intelligent bath, etc.) together, provide electrical appliances, lighting, curtain control, indoor and outdoor, telephone remote control remote control, anti-theft alarm, infrared forward and programmable timing control and other functions and means. To help families keep smooth communication with external, optimize people's life style, help people to arrange time effectively, enhance the security of home life, even for a variety of energy cost savings.

Key words:Smart home system 、Wi-Fi、ZigBee、Embedded Linux、Android platform

摘要 (ii)

Abstract (ii)

第1章快速说明 (1)

第2章背景及需求分析 (8)

2.1 智能家居系统的现状及发展趋势 (8)

2.2 需求分析 (9)

第3章系统方案 (10)

3.1系统总体方案 (10)

3.2 系统总体结构 (10)

第4章系统硬件设计 (11)

第5章 ZigBee无线传感网络的设计 (15)

5.1 ZigBee 协议栈 (15)

5.2 Z-stack (15)

5.3 ZigBee 无线传感网络的设计 (16)

5.3.2 协调器节点设计 (17)

5.3.3 终端节点设计 (19)

第6章嵌入式网关设计 (20)

6.1 智能家居网关分析 (20)

6.1.1 工作原理 (20)

6.1.2 功能要求 (20)

6.1.3 智能家居网关总体设计 (21)

6.2 网关软件开发平台的搭建 (22)

6.3 网关应用程序设计 (23)

6.3.1 网关工作流程 (23)

6.3.2 应用程序界面设计 (24)

6.3.3 应用程序设计与实现 (25)

第7章基于Android控制的智能家居终端设计 (26)

7.1 Android 系统体系结构 (26)

7.2 Android 软件平台的搭建 (27)

7.2.1 Linux 内核层 (27)

7.2.2 Android运行时库和其他库层 (27)

7.2.3 应用框架层提供 (27)

7.2.4 应用程序层 (27)

7.3 Android 应用程序的开发 (27)

7.3.1 界面设计 (28)

7.3.2基于Android的应用软件设计 (29)

第8章系统测试 (30)

8.1手机APP测试 (30)

8.2 网关测试 (30)

8.4家庭安防系统的测试 (31)

8.5家庭环境控制系统 (32)

第9章系统特色 (32)

结论 (33)

参考文献： (33)

第1章快速说明我们设计的总体框架如下：

图1 智能家居物理架构图

图2 智能家居功能架构图

图3智能家居技术架构图

成果展示：

图4 用户主界面

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图5 自动洗浴注水控制系统测试

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图6 自动房间照明控制系统测试

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图7 防火自动监控与报警系统测试

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图8 自动窗帘控制系统测试

图9 APP生成图

图10 程序图

图11 MS-i208-BOX实验箱

图12 MS-i208-BOX实验箱屏幕图

图13 手机控制实物图

第2章背景及需求分析

随着社会经济的发展、生活质量的日益改善和生活节奏的不断加快，人们的工作、生活日益信息化。信息化社会在改变人们生活方式与工作习惯的同时，也对传统的家庭住宅系统提出了挑战。人们对于家居的要求已经不仅仅是物理意义上的生存空间，更为关注的是个高度安全性、方便、舒适的生活环境、先进的通讯设备、完备的信息终端、自动化和智能化的家用电器、信息资源使用的网络化的需求等等，现代的家居设计理念越来越追求便捷化、高效化与智能化，家居设备的高度智能化已经成为一种强烈的消费需求。同时在科学技术的快速发展的推动下，实现这种需求已经不再是天方夜谭。由于电子技术的进步，家居产品已与计算机、网络通信技术紧密地结合在一起，智能化的家用电子电器产品应运而生，智能家居系统越来越得到人们的重视，使得家居智能化势在必然。

2.1 智能家居系统的现状及发展趋势

迄今为止，智能家居还没有一个普遍认同的统一的定义。通常智能家居系统利用先进的计算机和网络通讯技术将与家居生活有关的各种各样的子系统，通过特定的网络有机地结合在一起，通过科学管理，让家居生活更加舒适、有效、安全和节能。与传统的家居相比，智能家居不仅仅具有传统的居住和实用功能，还提供了舒适安全、高品位的宜人的家庭生活空间，并且提供全方位的信息交换功能，确保家庭内部与外界之间保持良好的交流与沟通，增强家居生活的安全性，节约能耗，帮助人们有效安排时间，优化人们的生活和工作方式。

世界上第一幢智能建筑1984年在美国出现，美国联合科技公司在美国康乃迪克州哈特佛市的一座旧式大楼的改造中将智能建筑的概念应用于大楼的供电、安保、照明等设备，使用计算机对大厦进行监测和控制，并提供了先进的语音、数据通信和资讯等方面的信息服务，该栋智能型建筑的诞生，揭开了智能家居发展的序幕。此后，一些经济、技术比较发达的国家先后提出了各种各样的智能家居解决方案。智能家居系统在法国、加拿大、日本等国都有广泛应用。1998年5月，在新加坡举办的“家庭电器与电子消费品国际展览会"上，“未来之家”进行了现场演示，该系统是一套完善的家庭智能化系统。它的系统功能主要包括三表远程抄送功能、安保报警功能、家电控制功能、高速数据传输功能、家庭智能控制面板等。在展会上参与演示的家庭智能化系统距离真正的市场应用还尚需时日，但是科学技术的发展使得人们更加坚定了追求高品质生活方式的信心，智能家居作为高品质信息生活的代表得到越来越多的瞩引引。

智能家居网络技术在国内的发展始于20世纪90年代末，到2000年左右智能家居概念开始得到大范围的宣传，使我国的普通居民开始了解并接受了智能家居的概念。如今各小区的开发商在住宅小区和住宅的设计阶段也已经较多地考虑了智能化基础设施的建设，少数高档的住宅小区己经配套了相当完善的智能家庭网络，很多开发商已经将住宅“智能化”作为一个“亮点"在房地产销售的广告中大量宣传。从消费者的角度来看，智能家居的需求就是以实用

为核心，力求家具设备的实用化、易用化和人性化，这就决定了家居智能控制系统的发展方向：无线化、网络化。对普通用户来说，最为使用方便的应用就是在家庭之外的任何地方通过手机等移动终端在手中可远程控制家庭中的一切电器设备，这正是远程移动通信技术在智能家居领域大受青睐。

2.2 需求分析

智能家居网络通常能够分为家庭数据网络和家庭控制网络两种：家庭数据网络，提供高速率的数据传输服务，如家用计算机和数字电视、视频和音频播放器、资源共享及高速上网等；家庭控制网络，提供便捷的和低速率的控制和互连网络，用于灯光照明控制、家居安防、家居环境监测以及家庭应急求助等功能。智能家庭控制网络是智能住宅系统的重要组成部分，家庭控制网络子网和远程管理是该系统的重点和难点。与家居数据通信网络的应用目的不一样，数据通信网络中音、视频等大数据传输需要高速的数据通信接口，而家居控制系统需要的是经济、低功耗的控制网络，该控制网络的主要功能在于设备的连接与控制，基本上无需高速的通信方式来支撑。在家居网络中，我们要考虑以下特点：

(1)低成本：大量的家电和传感器终端节点是家庭控制网络中控制的主要对象，这种较大规模的网络需要一个低成本的节点组网技术。

(2)跨平台：智能家居系统的使用环境是一个家居环境，整个系统中有着错综复杂的平台，不能强制要求用户能够对系统进行复杂的配置和管理，网络环境下各种资源的自组织和协同工作显得非常重要。

(3)可扩展性：能够在系统主架构不做改动的情况下进行维护和扩展，加入新的家居设备。

(4)远程控制：移动终端设备能够接入Internet并登录到智能家居控制系统中，进行信息交互，实现远程监控和控制。传统的家居智能控制系统一般采用有线方式来组建，如同轴电缆、USB、CAN总线等但有线网络具有布线麻烦，可扩展性差等固有的缺点，限制了有线网络技术在智能家居系统中的发展。因此，将无线网络技术应用于家庭网络己成为大势所趋。这不仅仅因为无线网络具有更大的灵活性、流动性，省去了布线的麻烦，更重要的是它符合家居控制网络的通讯特点。无线家居网络将人们生活与工作的广袤空间浓缩于人类的双手可以掌控的距离。红外、蓝牙、ZigBee、WiFi等一系列无线网络技术的进一步发展，必将大大促进家居设备无线化、智能化的进程。

根据智能家居系统的特点，智能家居系统应具有如下几种功能：

(1)远程控制：通过WiFi网络，使用电脑、智能手机等终端设备，可在本地直接控制家中的灯光、电器等设备，或通过远程访问完成控制并查看家中情况。

(2)远程监控：监测住宅内火灾、煤气泄漏、人员非法闻入等状况并及时发出警报。

(3)环境监测及设备联动

对于各种季节的环境，传感器自动监测周围温度，通过自动调节空调来让家中一直处于一个舒适、温馨的环境。通过光照等环境监测传感器感知室内及室外的环境状况，当光照值超出一定范围时，窗帘自动关闭。

第3章系统方案

3.1 系统总体方案

基于无线传感器网络的智能家居网络主要是由若干执行机构、若干无线传感器节点、无线协调机构，辅助机构，家居控制中心组成。其中, 节点分布于客厅、卧室、厨房、洗手间等需要监测的区域内, 执行数据采集、处理和通信工作。无线控制模块负责发送控制信号，实现窗帘自动开关闭合、模拟灯光自动打开、模拟自动开启太阳能电磁阀门、模拟开启电磁锁等控制功能。无线控制模块由三套系统组成，一套是由在家中近距离使用的遥控器控制系统，第二套是出门在外时使用的手机控制系统，第三套是在家中控制智能管家。

3.2 系统总体结构

根据总体方案画出了系统的总体设计图，如图3-1所示。按照结构层次系统划分为三层：数据感知层（协调器和终端节点）、网络层和应用层（智能终端）。

图3-1 智能家居系统的结构图

数据感知层的终端是系统的前线，它起着数据供给的作用。它在系统的边缘，是数据采集终端，算是拥有独立系统的单元，它有独立的微控制器（嵌入的8051内核），所以响应控制中心发来的命令，经过分析之后命令执行机构作出相应操作。设计结合智能家庭网络系统的特点，

如家庭内部无线网络连接距离较短，分布的节点并不是太多，并且数据的传输量也不是太大。基于家庭网络的这些特点，以协调器为中心节点组建一个星形家庭网络。

网络层由网关做为家居系统的控制心，是整个系统的大脑，它支配整个系统的活动，不仅负责实现系统的内部网络和外部网络之间的相互通信，并且还需要通过ZigBee无线网络对智能终端设备进行实时的监控和管理。通过智能管家或者手机发送命令，将命令接入网关，由网关将命令转发给协调器，由协调器通过传输转达给终端。终端获得信息后控制外设传感器等器件，这些外设就属于执行机构，他们时刻等待命令，一旦接受立即执行相应操作。

应用层是实现系统向用户远程传达信息，可以通过Wi-Fi网络与手机相互连接，实现远程无线通信功能。

第4章系统硬件设计

智能家居系统中，控制终端（如手机）和受控终端（家居设备）为日常家居中的现成产品，它们只需通过适当的接口纳入系统架构中即可。系统硬件设计主要包括网关设计、ZigBee节点设计和家居控制模块设计。本次设计以微分电子公司的物联网体验箱为平台，平台提供一个A8网关、一个协调器节点和6个终端节点，因此系统硬件设计的重点在智能家居控制模块上。

实验箱内终端节点包含了光照度检测节点、温湿度检测节点、烟雾浓度探测节点、红外反射传感节点、步进电机节点和继电器节点，可实现基本的家居环境检测、家居控制和家居安防功能，如：光照强度的采集、温度和湿度的采集、智慧灯光控制、电动窗帘控制、红外探测和烟雾探测。在此基础上，又添加了太阳能洗浴、报警系统、自动门禁、与智能管家系统可以实时发现家居隐患以及家居的安防。

（1）自动门禁控制系统——忠实守卫，我们的家

当房子主人走到门口时，只要拿出手机轻轻一点，手机发出相关命令就可以实现房门自动打开与关闭。当客人到访而家中无人或遇到火情需要救援人员进入家中时，主人可以通过手机远程遥控打开房门。本部分通过手机软件的加密措施实现安全的防盗功能。本子系统由电磁锁、驱动模块、防盗门模型、手机和CC2530终端节点等组成，如图4-1所示。