嵌入式PXA255與Zigbee的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)

1、嵌入式PXA255與Zigbee的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)江伴東，牛軍偉,JIANG Ban-dong, NIU Jun-wei景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院， 景德鎮(zhèn) 333001JingDeZhen Ceramic Institute,Jingdezhen 333001,ChinaE-mail: niujunwei558The Intelligent home monitoring system of embedded Zigbee and PXA255Abstract: This paper analyzes the composition and function of the Intelligent hom

2、e system and put forward the Intelligent home control system of the core of the overall architecture. Under PXA255-based processor and embedded linux, through wireless LAN (802.11) and wireless sensor networks (Zigbee), the system realization controlling guards against supervisory control and the va

3、rious home appliance to home safety, whats more the systerm can call alarm cal in unusual circumstances .Key word: PXA255; Intelligent home; Zigbee; embedded systems.摘要：本文分析了智能家居系統(tǒng)的組成和功能,并提出了智能家居控制系統(tǒng)的核心部分的總體架構(gòu)，基于PXA255處理器，在嵌入式linux下，通過無線局域網(wǎng)（802.11）及無線傳感器網(wǎng)（Zigbee），該系統(tǒng)實現(xiàn)對家居的安防監(jiān)控和各種家電的控制，并且在出現(xiàn)異常情況下?lián)艽驁缶?/p>

4、電話。關(guān)鍵字：PXA255；智能家居；Zigbee；嵌入式系統(tǒng)中圖分類號: TP393文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B1 前言隨著電子技術(shù)的發(fā)展，消費電子產(chǎn)品已與計算機、通信兩項產(chǎn)品的技術(shù)結(jié)合在一起，成為目前所通稱的3C產(chǎn)品，并使家用電子電器產(chǎn)品步向智能家居的方向。智能家居必須具備3個特點：智能化，方便和實用。智能化要求系統(tǒng)設(shè)計體現(xiàn)人性化特點；方便就要將傳統(tǒng)的固定不動的有線家電設(shè)施的控制方式改為方便且易于移動的無線解決方案；實用就是要求所采用的技術(shù)切實可行，針對性強。本系統(tǒng)集成多項技術(shù)，采用嵌入式Linux，PXA255處理器和多種無線通信方式來滿足家庭監(jiān)控上方便實用和智能化的要求。本系統(tǒng)還利用Zigbee無線

5、收發(fā)芯片CC2420和各種家居傳感器構(gòu)成家居監(jiān)控傳感網(wǎng)。家居監(jiān)控傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)在傳感網(wǎng)中相互傳遞，最后被送到PXA255主控板。2 系統(tǒng)總體設(shè)計系統(tǒng)的家電無線控制子系統(tǒng)通過Zigbee無線收發(fā)模塊可以主動發(fā)送數(shù)據(jù)對各家電進(jìn)行有效的控制；也可以被動接收煙霧探測器和煤氣探測器等發(fā)出的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對家居的監(jiān)控。當(dāng)家居出現(xiàn)了異常情況時，系統(tǒng)將立即發(fā)出報警信號，并在第一時間通知用戶。 系統(tǒng)的圖像監(jiān)控子系統(tǒng)用于監(jiān)控家中門窗等外人有可能闖入的地方。當(dāng)有人通過這些地方進(jìn)入時，圖像監(jiān)控子系統(tǒng)開始工作，將現(xiàn)場的圖像拍攝下來并通過802.11無線局域網(wǎng)傳送給基于PXA255處理器的智能家居控制系統(tǒng)，再由控制中心進(jìn)行

6、判斷決定是否發(fā)出警報。系統(tǒng)的控制方法包括遠(yuǎn)程控制以及本地控制兩種方式。系統(tǒng)通過網(wǎng)關(guān)與互聯(lián)網(wǎng)連接，使得用戶可以使用電腦，手機及其他智能終端實現(xiàn)對系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。同時，系統(tǒng)也提供了紅外接口以及友好的用戶界面，使用戶可以在本地直接對系統(tǒng)進(jìn)行控制。系統(tǒng)的報警控制子系統(tǒng)根據(jù)用戶的設(shè)定及其他子系統(tǒng)的工作狀況對家中的情況進(jìn)行智能判斷和報警。系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能如下：(1) 友好的人機交互圖形界面；(2) 通過紅外接收器，實現(xiàn)遙控系統(tǒng)；(3) 通過網(wǎng)關(guān)與互聯(lián)網(wǎng)連接，用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程訪問該系統(tǒng)，實現(xiàn)基于Web的系統(tǒng)控制；(4) 采用無線方式控制各家電（包括日光燈，空調(diào)，電腦，電視機等）的電源開關(guān)或監(jiān)測家電運

7、行狀態(tài)；(5) 煙霧探測器探測到煙霧時，系統(tǒng)將自動切斷家居中的電源，并發(fā)出火警提示；(6) 煤氣探測器探測到煤氣時，系統(tǒng)將自動切斷家具中的氣源，并且發(fā)出報警信號；(7) 當(dāng)有人進(jìn)入家中時，系統(tǒng)將自動拍攝此刻的場景并發(fā)給主人；(8) 系統(tǒng)的報警類型包括撥打指定的電話號碼，發(fā)送短信到指定的手機，輸出音頻信號等。3 PXA255與Zigbee的設(shè)計方案3.1 PXA255的總體設(shè)計 智能家居硬件系統(tǒng)由802.11無線局域網(wǎng)通信子系統(tǒng)，GPRS/GSM通信子系統(tǒng)，紅外通信子系統(tǒng)，Zigbee通信子系統(tǒng)，LCD顯示子系統(tǒng)，圖像監(jiān)控子系統(tǒng)，觸摸屏設(shè)備子系統(tǒng)和報警子系統(tǒng)組成，PXA255提供的大量外圍設(shè)備接

8、口和通用的GPIO口為這些硬件系統(tǒng)的設(shè)計帶來極大的便利。硬件系統(tǒng)的整體設(shè)計方案如圖1所示。圖1 處理器的結(jié)構(gòu)圖方案使用到的PXA255外圍接口資源如下： 使用PCMCIA接口連接802.11g無線網(wǎng)卡 使用CF接口連接GPRS/GSM無線收發(fā)模塊 使用IrDA接口連接紅外收發(fā)模塊 使用SSP接口連接Zigbee無線收發(fā)模塊CC2420 使用LCD控制器接口連接TFT液晶屏顯示器 使用通用的GPIO口連接觸摸屏設(shè)備和報警器3.2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)的組建網(wǎng)絡(luò)的組建主要包括系統(tǒng)初始化，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓潞凸?jié)點通信三個方面。家庭網(wǎng)關(guān)是系統(tǒng)的主控設(shè)備，它主導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)建立的整個過程。系統(tǒng)上電后，家庭網(wǎng)關(guān)要采集活動節(jié)

9、點信息，并為之分配一個唯一的節(jié)點號，完成系統(tǒng)地址表的初始化。系運行過程中，家庭網(wǎng)關(guān)要與眾多傳感器節(jié)點通信，并對它們進(jìn)行相應(yīng)的控制。除之外，家庭網(wǎng)關(guān)必須能發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變，如傳感器節(jié)點的插入和拆除，及時修改網(wǎng)絡(luò)地址表的信息，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自組織功能。3.2.1 系統(tǒng)初始化系統(tǒng)上電以后，家庭網(wǎng)關(guān)以廣播的方式通知上電的傳感器節(jié)點初始化。偵聽到家庭網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)幀之后，微型節(jié)點產(chǎn)生一個0-256的隨機數(shù)，這個隨機數(shù)與時延基數(shù)相乘得出本節(jié)點的時延。每個節(jié)點等待隨機時延后發(fā)出入網(wǎng)請求（此時用64位IEEE擴(kuò)展地址作為節(jié)點號），家庭網(wǎng)關(guān)收到請求后分配給該微型節(jié)點一個16bit的網(wǎng)內(nèi)節(jié)點號（入網(wǎng)后的節(jié)點號），并

10、在地址表中記錄該傳感器節(jié)點的相關(guān)信息，進(jìn)行設(shè)備關(guān)聯(lián)。若傳感器節(jié)點發(fā)送入網(wǎng)請求后一分鐘內(nèi)沒有得到回應(yīng)，則重新產(chǎn)生一個隨機時延再次向家庭網(wǎng)關(guān)發(fā)送入網(wǎng)請求。家庭網(wǎng)關(guān)完成所有上電的傳感器節(jié)點初始狀態(tài)的采集，則系統(tǒng)初始化完成。3.2.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓?ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有自組織功能，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時，家庭網(wǎng)關(guān)必須能夠發(fā)現(xiàn)這種變化并修改地址表信息。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化主要是由傳感器節(jié)點的接入和拆除引起的。傳感器節(jié)點的插入：網(wǎng)絡(luò)運行過程中，新的傳感器節(jié)點上電后發(fā)送入網(wǎng)請求。家庭網(wǎng)關(guān)首先判斷該節(jié)點是否在地址表中，如果該節(jié)點不在網(wǎng)絡(luò)中并且網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點數(shù)沒有超過網(wǎng)絡(luò)容量，則家庭網(wǎng)關(guān)記錄該節(jié)點的初始信息，并

11、分配一個唯一的節(jié)點號給該節(jié)點。傳感器節(jié)點的入網(wǎng)請求在規(guī)定時間內(nèi)沒有得到回應(yīng)，則等待隨機時延后重新發(fā)送入網(wǎng)請求。這樣就完成了節(jié)點的插入。傳感器節(jié)點的拆除：傳感器節(jié)點的拆除根據(jù)發(fā)起者的不同分為兩種情況。一種是傳感器節(jié)點發(fā)起拆除。家庭網(wǎng)關(guān)收到節(jié)點拆除請求后，修改地址表中該節(jié)點的信息，回收節(jié)點號，并通知節(jié)點拆除操作成功。另一種拆除是由家庭網(wǎng)關(guān)發(fā)起的。如果家庭網(wǎng)關(guān)和傳感器節(jié)點3次通信都不成功，家庭網(wǎng)關(guān)將拆除該節(jié)點。若該節(jié)點向家庭網(wǎng)關(guān)發(fā)送3次請求都沒有得到回應(yīng)，則該節(jié)點需重新發(fā)送入網(wǎng)請求，以獲得新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點號。3.2.3 節(jié)點通信 傳感器節(jié)點只能與家庭網(wǎng)關(guān)通信，節(jié)點相互之間不能進(jìn)行通信。家庭網(wǎng)關(guān)不僅要完成

12、傳感器節(jié)點的信息采集，還要實現(xiàn)對節(jié)點的控制。包括節(jié)點的設(shè)置、節(jié)點操作和節(jié)點重啟等。所謂節(jié)點設(shè)置，就是家庭網(wǎng)關(guān)對節(jié)點的某個參數(shù)值進(jìn)行設(shè)定，譬如說煙霧傳感器報警的門限值。節(jié)點操作主要是家庭網(wǎng)關(guān)控制相應(yīng)的傳感器節(jié)點，譬如進(jìn)行燈光場景的配置、報警的撤防等。節(jié)點重啟是指家庭網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)該節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯錯誤時，可以關(guān)閉該節(jié)點再重新啟動。系統(tǒng)運行過程中，還需要注意的兩個問題。首先，傳感器電量的監(jiān)測是個重要的問題。如果傳感器電量過低，它可能輸出錯誤的信息，家庭網(wǎng)關(guān)不能發(fā)現(xiàn)這種情況，則不能保證采集的數(shù)據(jù)的正確性。因此，家庭網(wǎng)關(guān)必須要監(jiān)測傳感器節(jié)點的電量，發(fā)現(xiàn)節(jié)點電量低時應(yīng)發(fā)出相應(yīng)的警報并拆除該節(jié)點。其次，為

13、了降低傳感器節(jié)點的功耗，當(dāng)沒有數(shù)據(jù)通信時，節(jié)點處于等待或休眠等低功耗模式。家庭網(wǎng)關(guān)應(yīng)該記錄該節(jié)點的狀態(tài)，并以適當(dāng)?shù)姆绞絾拘褌鞲衅鞴?jié)點。根據(jù)上面的敘述，網(wǎng)絡(luò)組建的流程圖如2所示：圖2 網(wǎng)絡(luò)組建流程圖3.3 Zigbee芯片CC2420技術(shù)與PXA255的接口技術(shù) CC2420是Chipcon公司在2003年底推出的一款兼容2.4GHz 1EEE 802.15.4的無線收發(fā)芯片，它基于Chipcon公司的SmartRF 03技術(shù)，使用CMOS工藝生產(chǎn)，具有很高的集成度。該芯片體積小，功耗低，非常適合于家庭及樓宇自動化，工業(yè)監(jiān)控等應(yīng)用系統(tǒng)。 CC2420與PXA255的連接非常簡便，它使用SFD,F

14、IFO，F(xiàn)IFOP和CAA四個引腳表示收/發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)；而PXA255通過SPI接口與CC2420交換數(shù)據(jù)，發(fā)出命令。這個SPI接口是通過將PXA255的SSP接口設(shè)定為SPI工作模式并作為SPI的主設(shè)備，而CC2420作為SPI從設(shè)備實現(xiàn)的。CC2420收到物理幀的幀起始字段(SFD)后，會在SFD引腳輸出高電平，直到接收完該幀。如果啟用了地址識別，則在地址識別失敗后，SFD立即轉(zhuǎn)為輸出低電平。 FIFO和FOFOP引腳標(biāo)志接收FIFO緩存區(qū)的狀態(tài)，如果接收FIFO緩存區(qū)有數(shù)據(jù)，則FIFO引腳輸出高電平；如果接收FIFO緩存區(qū)為空，則FIFO引腳輸出為低電平。FIFOP引腳在接收FIFO緩存

15、區(qū)的數(shù)據(jù)超過某個臨界值時或在CC2420接收到一個完整的幀以后輸出高電平。臨界值可以通過CC2420的寄存器設(shè)置。CC引腳在信道有信號時輸出高電平，它只在接收狀態(tài)下有效。在CC2420進(jìn)入接收狀態(tài)至少有8個符號周期之后，才會在CCA引腳輸出有效的狀態(tài)信息。CC2420的SPI接口由CSn，SI，SO和SCLK四個引腳構(gòu)成。PXA255通過SPI接口訪問CC2420內(nèi)部寄存器和存儲區(qū)。在訪問過程中，CC2420是SPI從設(shè)備，接收來自PXA255的時鐘和片選信號，并在PXA255的控制下執(zhí)行輸入/輸出操作。SPI接口接收或者發(fā)送數(shù)據(jù)都與時鐘下降沿對齊。 監(jiān)控傳感器節(jié)點的智能家居傳感器網(wǎng)的最小組成

16、單元，它一方面要采集家庭監(jiān)控傳感器的信息，并吧該信息發(fā)送給PXA255主控制板；另一方面要接收PXA255發(fā)來的指令執(zhí)行各種電器設(shè)備的控制操作。傳感器節(jié)點的硬件組成單元主要有CC2420收發(fā)模塊，單片機模塊，傳感器模塊和電器控制電路模塊。PXA255與CC2420和傳感器連接示意圖如圖3所示。圖3 PXA255與CC2420電路接口和傳感器節(jié)點原理圖3.4 圖像監(jiān)控子系統(tǒng) 圖像監(jiān)控子系統(tǒng)采用愛普生（Epson）公司的sls65000實現(xiàn)方案。sls65000是一個片上系統(tǒng)（SOC），其內(nèi)部集成了ARM720T的核、存儲控制器、以太網(wǎng)口、CF接口（可接802.11b無線網(wǎng)卡）、攝像頭接口和JPE

17、G圖像編碼器等硬件資源。采用愛普生公司的這個方案，在硬件上，只要在sls65000的外圍接上Flash、SDRAM、無線網(wǎng)卡、攝像頭和紅外傳感器；同時在軟件上，配以Linux操作系統(tǒng)和相應(yīng)的驅(qū)動程序就可構(gòu)成一個獨立的嵌入式圖像監(jiān)控系統(tǒng)。該圖像監(jiān)控系統(tǒng)一般放在家中需要嚴(yán)密監(jiān)視的地方，如出入的大門，老人，小孩的居室等處。當(dāng)有人進(jìn)出大門或房間時，安裝在sls65000上的紅外探測器會探測到人員的到來。此時，預(yù)先設(shè)定好的程序會驅(qū)動攝像頭抓拍一幅圖片，該圖片數(shù)據(jù)經(jīng)sls65000內(nèi)部JPEG圖像編碼器編碼后通過802.11b無線網(wǎng)卡發(fā)送到PXA255主控板上，主控板可暫存該圖片數(shù)據(jù)也可通過GPRS將圖片

18、發(fā)送到用戶手機上。當(dāng)然，用戶也可以通過手機在任何時候發(fā)送指令至該圖像監(jiān)控系統(tǒng)讓其拍攝圖片發(fā)給用戶。這樣，即使用戶遠(yuǎn)在他鄉(xiāng)也可以對自己家里的情況了如指掌。4 系統(tǒng)的運行方案 系統(tǒng)基于Linux操作系統(tǒng)。并以QT/Embedded作為GUI的開發(fā)工具，實現(xiàn)本地圖形用戶界面，實現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)置及其控制。當(dāng)用戶使用遙控器給系統(tǒng)發(fā)送控制信號，系統(tǒng)接收紅外信號后對信號進(jìn)行分析，若為正確的可執(zhí)行的信號，則進(jìn)入相應(yīng)的處理過程。為了保證安全，可使用嵌入式的Web Server軟件來構(gòu)建，并可加入密碼驗證。這樣，用戶可以使用認(rèn)證的用戶名和密碼，通過CGI實現(xiàn)基于WEB是遠(yuǎn)程系統(tǒng)控制。各個家電、煙霧探測器、煤氣探測器以

19、及紅外探測器等都分別作為一個獨立的節(jié)點，每一個節(jié)點都通過Zigbee協(xié)議與系統(tǒng)進(jìn)行無線通信，實現(xiàn)系統(tǒng)對家電的控制和各個感應(yīng)器對系統(tǒng)信息進(jìn)行反饋，其系統(tǒng)流程圖如圖5。使用GPRS模塊進(jìn)行報警操作。當(dāng)有警報發(fā)生時，觸發(fā)報警操作，系統(tǒng)打開GPRS設(shè)備并進(jìn)行初始化，并根據(jù)用戶設(shè)置的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行電話或短息報警。其流程圖圖4所示。圖4 Zigbee系統(tǒng)運行圖5 結(jié) 論本文所構(gòu)建的基于PXA255芯片下，結(jié)合無線通信技術(shù)來實現(xiàn)智能家居，性能優(yōu)越，結(jié)構(gòu)清晰，成本低并具有較好的擴(kuò)展性。從而實現(xiàn)對家居的控制與監(jiān)測，并及時把信息傳遞給用戶。安裝容易，配置靈活，既方便又快捷。但智能家居嵌入式系統(tǒng)是一個比較大的系統(tǒng)，目前只是涉及到其中核心部分，其它部分還需要進(jìn)一步探討。參考文獻(xiàn)1 季 昱，林俊超，宋飛。ARM嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)典型實例M，北京：中國電力出版社，20005.7.2 沈連豐 ，宋鐵成，葉芝慧。嵌入式系統(tǒng)及其開發(fā)應(yīng)用M，北京：電子工業(yè)出版社