基于无线传感器网络的智能家居远程监控系统研究与设计

基于无线传感器网络的智能家居远程　监控系统研究与设计　张琰（武昌工学院，江苏无锡４３００６５）　【摘　要】为精确、快速的对家居环境中的某些参数进行监控，构建了一种基于无线传感器网络的智能家居远程监控系统，系统通过多组传感　器分别采集室内盗情、烟雾、温度、湿度等环境数据，利用ｚｉｇｂｅｅ无线传输网络把所采集的数据资料传输至嵌入式控制器内，搭配视频监控模　块，实时采集并传递图像信息。系统主控制器设计以所用芯片为嵌入式ＡＲＭ１１，借助移植的主流操作系统一Ａｎｄｒｏｉｄ系统，将嵌入式服务器ｉ—　Ｊｅｔｔｖ引入，构建ＡｎｄｒｏｉｄＷｅｂ服务器，同时结合ＳＱＬｉｔｅ数据库技术，进行系统数据的存储和管理。而后，用户可利用ＰＣ端的Ｗｅｂ服务器或手机　访问服务器，来实现对家居环境的实时监视与控制。　【关键词】无线传感器网络；智能家居；嵌入式服务器；Ａｎｄｒｏｉｄ系统；远程监控　【中图分类号】ＴＰ２７７　【文献标识码】Ａ　【文章编号】１００６—４２２２（２０１５）２０—００４９—０２　物联网技术利用通信、网络及传感器等多类技术，实现了　人与物之间、物与人之间的智能化交流和连接，已经被公认为　务器进行访问，实现对家电的设备的监控和管理。整个系统的　硬件结构分别由ＡＲＭ主控制器模块、Ｚｉｇｂｅｅ网络模块和视频　是继互联网、计算机、移动通信网络之后寰球信息产业的第三　波浪潮，其广泛的Ｍ２Ｍ（ｍａｃｈｉｎｅ—ｔｏ—ｍａｃｈｉｎｅ）应用，极大地推　监控模块构成，系统设计主要围绕管理平台的构建为展开。　动着社会各行业逐步走向商业流程的自动化与信息技术的数　字化。以物联网技术为基础发展形成的智能家居技术集成了　３基于无线传感器网络的智能家居远程监控　系统硬件设计　３．１　Ｚｉｇｂｅｅ网络模块设计　上文（一）对Ｚｉｇｂｅｅ技术的优点进行了论述，该技术是一　监控、网络、通信、安防、家电等多种电子产品与技术，为广大　用户提供远程操控、防火报警、家电控制、红外识别等功能，引　领着未来家电发展的智能化潮流。如何把传统家电设备全部　联系在一起进行终端控制．对智能家居的建设而言尤为重要。　因此．构建一种基于无线传感器网络的智能家居远程监控系　统尤为必要。　种ＩＥＥＥ８０２．１５．４标准的低功耗、自组织、短距离无线通信技　术，主要应用于远程控制与自动控制领域．可将其嵌入至各类　设备中。文中节点所用芯片为ＣＣ２５３０，结合增强型８０５１ＣＰＵ、　人份收发器．满足低功耗需求。同时，节点模块配置了烟雾传感　器、ＣＯ传感器、温度传感器、湿度传感器等，分别对环境中的烟　ｌ　ｚｉｇｂｅｅ技术的优点　Ｚｉｇｂｅｅ技术的优点主要为：　省电，使用２节干电池便可　雾值、一氧化碳值、温度值、湿度值等进行实时采集、监控。　设备节点采集到的实时数据资料经Ａ／Ｄ转换电路和放大　支撑６个月的运行时长；②短时延，优化了时延敏感性，模块　从睡眠到激活之间的时长很短．设备睡眠唤醒时间、查找时　电路处理后。传送至ＣＣ２５３０单机片，单机片则负责打包数据　资料并经无线网络发送到协调器．协调器接收到打包完成的　数据资料后利用串口将其转发到主控制器。　间、活动节点信道接入时间分别为１５ｍｓ、３０ｍｓ、１５ｍｓ；⑧可靠　性高，采用了预防碰撞机制，保留了通信时隙，如此既能够确　定宽带的通信业务，又可避免收发数据时出现冲突。介质访问　控制层（ＭＡＣ）选用了完全确认的握手式数据通信机制，对所　发出的全部数据包均需接受到对方的确认信息ＡＣＫ方可奏　３．２　ＡＲＭ主控制器模块　在进行主控制器模块设计时．选定ＡＲＭｌ１为硬件芯片，　基于ＡＲＭ１１７６ＪＺＦ—Ｓ核设计．主频为５３３ＭＨｚ．支持实时与多　任务处理．具有低功耗、低成本等优点。　为实现与其它嵌入式设备的交互性．在主芯片周围构建　了硬件电路，如网口模块、串口模块与ＷｉＦｉ模块等。串口模块　选定ＭＡｘ２３２通信芯片完成上位机与ＡＲＭ芯片之间的通信　效；④安全性高，Ｚｉｇｂｅｅ技术不仅具有ＣＲＣ数据校验功能，而　且附带ＡＥＳ加密算法；⑤容量大，同一个Ｚｉｇｂｅｅ网络所包含　设备高达２５４个．一个无线局域网内可同时容纳近１００多个　Ｚｉｇｂｅｅ组网　２基于无线传感器网络的智能家居远程监控　系统的总体框架　基于ＣＣ２５３０ＤＥ　Ｚｉｇｂｅｅ设备节点利用协调器自动组网。　外接传感器对周围环境的烟雾浓度值、湿度值、温度值、Ｃ０浓　度值等进行实时采集，使用Ｚｓｔａｃｋ协议栈对节点数据信息进行　管理，通过无线（２．４ＧＨｚ的频段）经协调器节点把采集的数据资　料转发到主控制器。另外，摄像头将实时采集的图像信息资料　利用ＵＳＢ发送给主控制器。在浏览器中输入ＩＰ地址，即可对服　交流．ＭＡＸ２３２芯片接收到串口信号之后，在利用电平对　ＲＳ２３２信号进行转换：Ｗ　ｉＦｉ模块设计选定ＳＤＷＩｎ—ＹＳ０９模　块，采用无线标准为ＩＥＥＥ８０２．１ｌｂ／ｇ，传输速率为５４Ｍｂｐｓ，经　ＳＤＩＯ借口和控制器相互连接：网络模块的设计所用网卡芯片　为ＤＭ９０００，自适应１０／１００Ｍ，内置耦合线圈，经普通网线即可　与路由器和控制器相连接。　主芯片通过在硬件芯片中加载驱动程序来实现对各模块　的控制．如串口驱动，对应不同的设备型号下栽驱动并将其置　入Ａｎｄｒｏｉｄ系统源码的内核文件内．再把操作系统移植到设备　镧障　中．实现对各模块的操作。　器，输入服务器地址，用户即可看到完整的登录页面。　３＿３视频监控模块　视频监控模块的采集部分选用ＵＳＢ摄像头，超ＣＣＤ感光　５结语　综上所述．文中构建了一种基于Ａｎｄｒｏｉｄ技术的智能家居　效果，分辨率为６４０￣４８０，格式为ＶＧＡ，Ｖｉｄｅｏ速率为３０ｆｐｓ／ｓ，　数据格式为８／１６ｂｉｔ　主控制器与图像信息处理共用芯片　监控平台设计．在嵌入式芯片ＡＲＭｌ１中引入嵌入式Ｗｅｂ服　务器．同时利用ＳＱＬｉｔｅ数据库实现系统资源的综合管理功能　综合视频监控技术与Ｚｉｇｂｅｅ技术实现智能家居的实时控制与　监测．为智能家居系统的实现提供了一种低成本、简单方便的　ＡＲＭ１１．其ＣＰＵ内部集成了大量多媒体处理单元，可实现图　像信息的快速处理。　摄像头将采集的实时图像信息经ＵＳＢ借口传输至　管理方式　ＡＲＭ１１处理器．处理器通过Ｈ．２６４格式实现图像的编码、压　缩处理．利用ＤＭ９００ＨＤ网络芯片进行数据传输。　基金项目：“武昌工学院”绿色风机制造湖北省协同创新中心：　校企协同的课程体系建设（２０１３Ｘ］、ＫＹ０２）；“基于机器视觉的孵　化蛋活性检测系统的研究”（２０１４ＫＹＺ２１）；武昌工学院校级重　点项目“基于改进的‘多分支蚁群’智能家居ＷＳＮ流量控制的　研究”（２０１４ＫＹＺ０２）。　４基于无线传感器网络的智能家居远程监控　系统软件设计　４．１管理平台设计　Ａｎｄｒｏｉｄ系统的优势之一为开放性，并拥有良好的开发与　调试环境　、在Ａｎｄｒｏｉｄ系统移植时。涉及硬件抽象层的移植、　硬件驱动程序的移植、Ｌｉｎｕｘ内核的移植等，并在Ａｎｄｒｏｉｄ系统　中移植开源的Ｗｅｂ服务器中实现系统平台的设计。ｉ－Ｊｅｔｔｙ是　一参考文献　『１１孙永坚．基于无线传感器网络的智能家居远程监控系统研究与设计　【Ｄ］．吉林大学，２０１４．　款轻量级服务器，可直接应用在Ａｎｄｒｏｉｄ系统中，用户登录　［２］蒙飚．基于无线传感器网络的智能家居系统设计ＩＪ］．南宁职业技术　学院学报．２０１４（０１）．　控系统研究ＩＪＪ．微型机与应用，２０１４（１４）．　【４ｌ李力栋，高学江，毛立琦，陈友荣，周莹．基于无线传感器＿阏络的智　能家居系统ｌ　Ｊ１．浙江树人大学学报，２０１４（０８）．　［５］陈智杰，余楚中，王鹏飞，宋文辉．ＺｉｇＢｅｅ技术在家居智能监控中的　应用研究ｌＪＪ．微计算机信息，２０１１（０１）．　［６］石风刚，段晨旭，肖现华，钱廷威．基于无线传感器网络的嵌入式　Ｗｅｂ服务器研究与实现ｍ．微计算机信息，２０１１（ｏ３）．　Ｗｅｂ浏览器访问嵌入式服务器．发出Ｈ１ＴｒＰ请求，服务器将监　听到的请求转发到Ｓｅｒｖｌｅｔ做分析处理，实现对Ｓｅｒｖｌｅｔ数据库　［３］吴岳忠，汪涛，周训志，余贵军．基于物联网的家居室内环境在线监　的操作　４－２系统应用软件设计　系统平台搭建完成之后开展对整个系统应用程序的设　计，主要包括：视频监控程序设计、嵌入式Ｗｅｂ服务器程序设　计、Ｚｉｇｂｅｅ的应用程序设计。Ｚｉｇｂｅｅ节点分为协调器节点和设　备节点两类．根据不同的应用环境对程度进行针对性设计　设　备节点程序的功能为响应控制器命令、传输采集数据、自组　网、报警等：协调器节点的功能为转发数据资料、响应命令、自　组网。视频传输模块程序设计主要包括网络传输、图像信息处　理、摄像头开关，视频传输经采集、Ｈ．２６４编码、ＲｒｒＰ打包、网络　收稿日期：２０１５—１０—１１　作者简介：张琰（１９８１一），女，江苏无锡人，讲师，硕士，研究方　向为多媒体技术、物联网工程。　传输以及解码播放等流程　４－３　Ｊｅｔｔｖ的应用　Ｊｅｔｔｙ是一个开源的ＨＴｒＰ服务器和Ｓｅｒｖｌｅｔ容器，其编程　方式为Ｊａｖａ，它不仅能作为一个单独的服务软件使用，其优良　的组件设计还能将其作为嵌入式工具使用。它的ＡＰＩ通过一　组ＪＡＲ包发布．在使用状态下可以把Ｊｅｔｔｙ容器实例化成一个　对象．快速为部分独立运行的Ｊａｖａ提供网络与Ｗｅｂ链接　４．４　Ｗｅｂ网页设计　浏览器的Ｗｅｂ网页是在ｈｔｍｌ５基础上进行的设计．以表　单方式将用户命令提交．浏览器接收到用户命令之后进行　ＵＲＬ编码．并利用ＨＴＩ＇Ｐ协议把用户的访问请求发送到服务　器，服务器接收到命令之后，进行ＵＲＬ解码处理，而后Ｓｅｒｖｌｅｔ　依照命令请求调用应用程序或访问ＳＱＬｉｔｅ数据库．最后经　Ｗｅｂ服务器将处理结果返回　本文将装载了Ａｎｄｒｏｉｄ系统的主控制器进行连网处理，将　Ｊｅｔｔｙ服务器安装到监控设备上．同时将编译完成后的Ｗｅｂ工　程置放在／ｊｅｔｔｙ／ｗｅｂａｐｐｓ／￣目录下，进行参数设置，将Ｊｅｔｔｙ服务　器开启后．等待浏览器的访问。　完成整个系统设计之后，在ＰＣ终端或手机上打开浏览　ｉ　旃拇簪