基于嵌入式Linux和ZigBee技术的智能家居系统设计报告3350057.doc

山 东 省 应 用 物 联 网 设 计 大 赛应用物联网设计大赛作品设计报告基于嵌入式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 摘要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 目录摘要iiAbstractii第1章 快速说明1第2章 背景及需求分析72.1 智能家居系统的现状及发展趋势72.2 需求分析8第3章 系统方案93.1系统总体方案93.2 系统总体结构9第4章 系统硬件设计11第5章 ZigBee无线传感网络的设计145.1 ZigBee 协议栈145.2 Z-stack155.3 ZigBee 无线传感网络的设计165.3.2 协调器节点设计165.3.3 终端节点设计18第6章 嵌入式网关设计196.1 智能家居网关分析196.1.1 工作原理196.1.2 功能要求196.1.3 智能家居网关总体设计206.2 网关软件开发平台的搭建216.3 网关应用程序设计226.3.1 网关工作流程226.3.2 应用程序界面设计236.3.3 应用程序设计与实现24第7章 基于Android控制的智能家居终端设计257.1 Android 系统体系结构257.2 Android 软件平台的搭建267.2.1 Linux 内核层267.2.2 Android运行时库和其他库层267.2.3 应用框架层提供267.2.4 应用程序层267.3 Android 应用程序的开发267.3.1 界面设计277.3.2基于Android的应用软件设计28第8章 系统测试298.1手机APP测试298.2 网关测试298.4家庭安防系统的测试308.5家庭环境控制系统31第9章 系统特色31结论32参考文献：32 山 东 省 应 用 物 联 网 设 计 大 赛 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：图5 自动洗浴注水控制系统测试：图6 自动房间照明控制系统测试：图7 防火自动监控与报警系统测试：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。CC2530模块路由器电磁锁驱动模块协调器GPRS手机图4-1门禁控制硬件框图（2）智慧灯光控制解放双手，智能感应 本子系统由灯光控制电路、光敏、红外探头、灯泡、遥控器和CC2530终端节点等组成，如图3-2所示。当房主进入房间时，灯光自动打开，房主离开房间时灯光自动关闭。本模块还可以检测进入房间、离开房间的人数。只有当进入本房间的所有人离开时灯光才会自动关闭。主人也可以按照自己的需求随时控制灯的亮灭，如图4-2所示。CC2530模块光敏控制电路红外探头灯泡 图4-2 灯光控制硬件框图（3）太阳能洗浴轻轻一点，温暖你的身心！ 本子系统由电磁阀门、太阳能模型、水位检测探头、驱动模块、手机和CC2530终端节点等相互配合组成。当主人下班时，可以通过手机自动打开太阳能电磁阀门，在浴盆中提前注入合适水量的热水。当主人回家时就可以马上舒舒服服的洗澡，如图4-3所示。图4-3太阳能洗浴硬件框图（4）电动窗帘控制自动开关，随意遥控！ 本子系统由窗帘、窗户模型、步进电机、单簧管、光敏、驱动模块、遥控器和CC2530终端节点等组成。早晨，当您还在熟睡，卧室的窗帘自动打开，温暖的阳光洒进房间，呼唤您开始新一天的生活。当夜幕降临，光敏感应，窗帘自动闭合。主人也可以按照自己的需求随时使用遥控器发送指令控制窗帘的打开与关闭，如图4-4所示。图4-4 窗帘控制硬件框图（5）厨房自动控制系统与家电的对话！ 本子系统由电饭煲、驱动模块、继电器、协调器、手机和CC2530的终端节点等组成。当房主下班时，可以通过手机远程控制电饭煲开关，实现自动煮饭的功能，如图4-5所示。图4-5 电饭煲控制硬件框图（6）防火自动监控与报警系统智能安防，时刻守护！本子系统由烟雾传感器、扬声器、GPRS模块和CC2530终端节点等组成。当房间内发生火情时，烟雾传感器会检测到火情并启动扬声器同时通过GPRS模块发送相关指令至主人手机，及时遏制火势蔓延，如图4-6所示。图4-6 防火系统硬件框图 （7）远程监控与报警轻松监控，智能实现！本子系统由摄像头、扬声器、A8网关、协调器、手机和cc2530终端节点等组成。当系统处于防盗模式时，盗贼潜入家中，扬声器自动开启鸣笛震慑，同时会有短信或电话发送至主人手机，主人可通过互联网，利用视屏实时监控，通过摄像头实时监测并处理家中境况，如图4-7所示。图4-7 远程监控系统硬件框图 （8）无线遥控随时随地，全屋掌控!本系统将所有子系统连接在一起，只需要利用遥控器，就可以在家里任何地方遥控家里楼上楼下、各个房间的灯和电器；利用手机，更可以实现对家内家外对所有控制系统实施全面遥控。第5章 ZigBee无线传感网络的设计5.1 ZigBee 协议栈 ZigBee 协议体系结构如图5-1 所示。它的物理层和 MAC 层都是由 IEEE802.15.4 所定义，其中物理层支持 868/915MHz 和 2.4GHz 三种频段。MAC 层之上是网络层，主要提供网络层数据收发和路由功能。网络层之上是应用层，应用层又分为几个模块，其中网络层之上的是应用支持子层，简称“APS”，主要提供应用层数据处理和绑定功能。ZigBee 设备对象提供设备管理的各项功能，包括设备发现、服务发现、绑定管理和网络管理等。另外 ZigBee 还提供了安全的功能，成为安全服务提供者，简称“SSP”为网络层和应用层提供安全服务。完整的 ZigBee 体系结构由物理层、MAC 层、网络层和应用层组成。不同层之间通过服务接入点进行通信，每一层为其上层提供服务。其中物理层和 MAC 层之间是物理层数据服务接入点和物理层管理实体服务接入点，MAC 层与网络层之间是 MAC层数据实体服务接入点和 MAC 层管理实体服务接入点，网络层与 APS 之间是网络层数据实体服务接入点和网络层管理实体服务接入点，APS 与各应用对象之间是 APS 数据实体服务接入点和 APS 管理实体服务接入点。图5-1 ZigBee协议体系架构5.2 Z-stackZigBee联盟规范了协议，具体的协议编程语言表述则由IC厂商指定。Z-stack是TI公司开发的一款ZigBee协议栈，是对ZigBee标准的具体实现。Z-stack是半开源的协议栈，其核心部分的代码都是编译好的，以库文件的形式给出的，比如安全模块，路由模块和Mesh自组网模块。与ZigBee协议像对应，Z-stack协议栈采用分层的结构，如图5-2所示。 图5-2 Z-stack软件结构Z-stack协议栈使用了一个操作系统对整个系统进行统一调度。该操作系统具有实时性好，结构简单，操作方便等特点。当主程序执行到启动操作系统后，系统的指挥权就交给了OS，由操作系统控制各个任务的调度切换及数据传送等功能。Z-stack协议栈已经做了很多的工作，用户只需要在APL（应用层）上实现自己的应用就可以了。Z-Stack几乎都是C语言写的，用户对于ZigBee无线网络的开发就简化为应用层的C语言程序开发。此外，Z-stack提供了很多的例程，在根据节点电路移植协议栈后，通过修改例程可以很快地完成无线传感网络的设计。使用协议栈进行开发的好处，不需要过多关注协议的细节，只需要掌握数据的流动过程，以及如何使用协议栈提供的函数来完成自身项目的需求即可。因此，本文选择基于Z-stack协议栈进行ZigBee无线传感网络的应用程序开发。5.3 ZigBee 无线传感网络的设计 本系统的 ZigBee 无线网络是由协调器和若干终端节点组成。其软件设计主要包括ZigBee 协调器软件设计和 ZigBee 终端节点软件设计。5.3.1 通信协议ZigBee网络的物理层和MAC层的通信协议遵循IEEE802.15.4标准，由于本智能家居系统中ZigBee网络采用简单的星形拓扑结构，网络层也不涉及路由寻址等问题，因此，本文通信协议的设计主要考虑应用层。数据帧格式如表5-1所示。表5-1协议头保留字段传感器的唯一设备传感器 类型操作类型保留字段数据域CRC协议尾Byte0Byte1-6Byte7-12Byte13Byte14Byte15-16Byte17-24 Byte25 Byte260xFF默认填充 为 0识别号 2 1或3默认填充为8,0传感器返回 的信息校验和0xFF 5.3.2 协调器节点设计（1）协调器的工作流程协调器是全功能设备，是网络的核心，它不仅建立了网络，而且还给其它传感器节点分配网络地址。如果没有协调器整个网络就无法运行，协调器的硬件结构比较的简单，其软件设计相对比较复杂。协调器初始化后就开始组建网络，组建网络成功后就处于等待数据查询状态，若触发数据查询事件，查找与该事件对应的传感器节点，查询到网络节点后发送查询命令，然后接收传感器节点的信息，主控制器若想获得某传感节点的信息，就通过此协调器获得对应节点的信息并在显示屏上显示该信息。协调器的软件流程如图 5-3 所示。图5-3 协调器节点的流程图（2）串口接收/发送数据帧串口通信的目的就是收集到的节点数据传输到上位机(智能家居系统)，系统将这些数据通过手机短信或者 Internet 的方式反馈给用户，用户根据这些数据做出决策，然后再发送指令给智能家居系统，系统再根据串口的数据通信协议规范用户发送的指令并将这些指令发送给 ZigBee 网络协调器，协调器根据 ZigBee数据通信协议规范接收到的指令并再次将这些指令发送给控制节点。发送一帧数据的过程发送数据帧主要在节点反馈数据和上位机发送查询/控制命令，此过程比较简单，没有校验过程，具体步骤如下：1) 设定起始字节和结束字节为 0xFF，在中间插入数据和数据的校验码。2) 除了起始字节和结束字节外，将一帧数据中的 0xFF 和 0xFE（包括校验码）字节进行编码：0xFF 0xFE 0x01、0xFE 0xFE 0x00。3) 将编码后的数据通过串口发送。接收一帧数据的过程 接收数据帧主要在 ZigBee 协调器节点接收上位机的查询/控制命令以及上位机接收 ZigBee 网络的反馈数据。此过程存在恢复被编码的数据(即 0xFE 0x010xFF、0xFE 0x00 0xFE)和校验过程，因此比发送数据帧要复杂。具体步骤如下：1) 首先接收一帧起始字节为 0xFF，结束字节为 0xFF 的数据。由于在一帧数据中除了起始字节和接受字节为 0xFF，其余的数据均不会出现0xFF，若起始字节有两个 0xFF，则抛弃第一个 0xFF，从第二个 0xFF开始。2) 恢复被编码的数据(译码)，即对起始和结束字节之间为 0xFE 0x00 和0xFE 0x01 的数据译码为 0xFE 和 0xFF，即 0xFE 0x01 0xFF、0xFE0x00 0xFE。3) 判断译码后的帧长度，如果符合既定长度，则进行校验验证，校验码验证也通过，则说明该帧数据正确，进行处理。4) 如果在第三步中判断数据有错，则抛弃该数据，继续处理后面接收到的数据。通常在抛弃错误数据的时候，为保证没有抛弃下一帧数据的起始字节，在收到两个连续的 0xFF 时，只抛弃一个 0xFF，另一个作为下一帧的起始字节继续使用。5) 提取数据帧中有效载荷，并对这些载荷进行处理。5.3.3 终端节点设计ZigBee 终端节点程序按照各个节点实现的功能进行设计，分为两类：一类是环境信息采集节点，一类是受控节点。环境信息采集比如温度传感器终端节点，当收到家居网关的命令后，接下来就要对接收到的信息进行分析与判断，若为温度采集信息则调用相应的温度采集程序进行温度采集，然后将温度传感器采集来的信息进行数据打包后发送给协调器，然后由协调器发送给家居网关，程序流程图见图5-4。受控节点比如灯光，当收到家居网关的命令后，控制设备开关，并将状态反馈到家庭网关，程序流程图如图5-5所示。 图5-4 采集终端节点流程图 图5-5 受控终端节点流程图第6章 嵌入式网关设计6.1 智能家居网关分析6.1.1 工作原理智能家居网关作为一种传输网关，它的作用在于在智能家居内部网络与外部Internet网络之间建立通信桥梁，完成不同网络的数据跨异构网络的传输。其基本工作原理可以描述如下：网关通过无线路由器连接到手机或外部 Internet 网络，接收控制端发送来的控制和查询命令，解析命令并将命令按照指定的格式发送给与网关可以直接通信的智能家居内部网络中的各前端设备节点，实现对各设备的控制；同时作为智能家居内部网络的信息汇聚节点，它接收来自各前端设备节点的数据信息，并对数据进行处理后发送到可以通信的外部网络，从而完成智能家居系统网络数据的异构网传输。6.1.2 功能要求 智能家居系统中，智能家居网关一方面是家庭内部网络中信息数据的汇聚点，另一方面它联系着远程控制端，因此其性能直接影响着整个智能家居系统的最终性能。构建智能家居网关时应当在充分考虑实用性、易操作性、高兼容性和可扩展性等基本要求的基础上，满足网关还需具备较强的处理能力、通信能力和存储能力的性能要求。 通过分析目前市场上主流的智能家居网关基本功能，并结合未来发展趋势和论文的实际应用需求，确定了本论文的智能家居网关的功能需求如下：（1）家庭内部网络建立功能：网关负责智能家居内部网络的建立、管理和维护。（2）家庭内部网络数据发送及汇聚功能：向家庭内部网络设备节点转发控制命令，并接收来自内部网络中各设备节点的数据信息。（3）设备信息存储功能：存储智能家居内部网络中各设备节点的编号、名称、类型、状态、位置等信息。（4）Internet 数据传输功能：完成与 Internet 网络中的客户端和服务器的数据通信，包括经 Internet 接收控制命令、返回查询和控制结果等。（5）内外网访问功能：既可以通过家庭无线局域网（WLAN）Wi-Fi 访问网关，又可以通过公共 Wi-Fi、3G 或 GPRS 等经 Internet 公网服务器访问网关，实现对家庭内部网络中各种设备的控制。（6）状态显示功能：网关实时显示当前的工作状态，包括内部网络数据发送和汇聚状态、Internet 网络数据发送和接收状态、与服务器连接状态等。6.1.3 智能家居网关总体设计 智能家居网关既要连接智能家居内部网络，又要连接外部网络，同时需要提供足够的信息存储空间，基本的人工输入功能，状态输出功能。网关的总体框架如图 6-1 所示。 图 6-1 智能家居网关总体框架图智能家居网关作为一种典型的嵌入式系统，应该具备较强的实时任务处理能力、一定的信息存储功能、较强的可扩展性、低功耗等特点。智能家居内部网络的数据汇聚功能是智能家居网关的核心功能之一，作为智能家居内部网络的汇聚节点，网关需要完成内部网络的构建、维护、数据收发的任务。智能家居网关选择 ZigBee 技术构建家庭内部网络，需要为网关配置符合 ZigBee 技术标准的网络协调器，并与主处理器硬件接口实现无缝连接，解决智能家居内部网络的数据通信问题。实验箱内A8网关硬件电路以ARM系列的 Cortex-A8处理器为控制核心，主要包括电源模块、按键模块、触摸屏模块、存储电路模块、通信接口模块等，完全能够满足本设计的要求，如图6-2所示。因此，以下只介绍网关软件设计过程。图6-2 网关硬件结构图6.2 网关软件开发平台的搭建网关软件开发平台如图 6-3 所示，包括 U-Boot、文件系统、Linux 内核以及嵌入式 Qt库。U-Boot 用作引导加载程序，负责加载内核；文件系统存储系统应用以及用户数据等；内核是整个操作系统的核心，负责对上层的抽象化；Qt 库提供应用软件图形 API。软件平台搭建完成后，可以通过Qt进行网关应用程序的开发。图6-3 软件平台框图6.3 网关应用程序设计本设计采用Qt进行网关应用程序开发。Qt是一个跨平台的C+图形用户界面库。Qt是完全面向对象的，提供了丰富的窗口部件集，给应用程序开发者建立艺术级的图形用户界面所需的应用功能。而且很容易扩展，允许真正地组件编程。最为重要的是Qt使用“一次编写，随处编译”的方式来构建多平台图形用户程序。6.3.1 网关工作流程本设计的网关工作流程图如图6-4所示。本设计中的传感器的数据监控、设备的定时控制均由设备监控进程来进行维护，用户退出时会自动保存用户的配置，在启动时自动导入配置，并将该配置同步给设备监控进程。在此之后设备的监控全部由设备监控进程来负责，在设备状态更新或者由短消息控制设备定时状态得到更新时，由设备监控进程通知该用户界面进程来进行更新，以保证设备状态信息的同步。在系统启动开始需要用户输入密码，进行授权验证。如果密码验证错误次数超过阈值，则直接退出系统。如果验证成功，则进行系统启动，向设备监控进程请求设备的开关状态以及传感器的数据，初始化系统界面，之后进入循环判断流程：如果有从设备监控进程发来的设备状态信息同步数据，则进行数据的更新；如果用户点击设置按钮，进行系统参数设置，如果选择保存设置，则根据改变的参数类别，将其保存至文件或者通知相应的进程。图6-4 网关工作流程图6.3.2 应用程序界面设计网关应用程序的功能可分为后台服务和功能控制。后台服务主要会检查如下这些情况：温湿度的实时数值，以反映在主界面之上；检查当前的灯光强度以自动控制窗帘的开或关；检查当前的温度以自动控制空调的开或关；检查是否发生火灾或入侵作出相应的动作。功能控制包括六大部分分别是门禁控制、厨房控制、窗帘控制、灯光控制、警报消除以及短信控制。各级功能控制会负责自己所控制的区域，不会互相交叉影响。1. 主界面设计根据网关应用程序的功能，主用户界面如图6-5所示。该界面提供给用户当前各个传感器的实时数据，设备定时信息的总览，并在状态栏中实时显示各个传感器的连线状态信息等，当和某个传感器失去连线时，会显示在主界面上，并有警告对话框提示用户进行检查。该界面中下端的设置按钮以及上端工具栏中按钮以及菜单栏设置栏中的选项均可调出系统对应的配置对话框供用户进行配置，该部分对话框设计的部件在系统初始化时已经创建，仅是隐藏未显示，在调用时显示即可，以此来加速对话框的显示，给用户提供流畅的显示。 图6-5主界面2传感器设置界面设计 本设计中传感器设置界面如图6-6所示，该界面提供给用户如下设置选项：蜂鸣器使能、门禁报警使能、温度报警阈值设定、天然气报警设置，该保存命令框的功能同上述设置 GSM 短消息配置大体相同，但本界面的设置保存除保存在系统配置中外，还需要将这些信息同步给设备监控进程，使各个进程间的配置保持相同。该界面的在系统配置中保存界面配置信息的代码如下所示：图6-6传感器设置界面6.3.3 应用程序设计与实现网关的主要功能是通过串口与ZigBee无线传感网络实现信息交互和通过Internet网络与控制终端（手机）实现远程控制。1. 串口通信Linux系统对串口的读取仅能采用查询模式。此外，Qt中并没有特定的串口控制类，实际开发过程中多采用qextserialport类实现串口通信。2网络通信网关网线连接无线路由器，通过Wi-Fi网络与智能交互终端等产品进行数据交互。在控制终端（手机）Wi-Fi功能的基础上，应用程序通过套接字通信的方法来实现网关和控制终端的TCP连接。套接字通信的基本思想比较简单，客户端建立一个到服务器