隨著計算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展，以及人們物質(zhì)生活水平的不斷提高，傳統(tǒng)的住宅顯然已經(jīng)不能滿足人們的需求，智能家居便應(yīng)運而生了。一個真實的智能家居傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠把所有物品通過射頻識別等信息傳感設(shè)備與3G互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)智能化識別和管理。本文所研究的動態(tài)智能家居系統(tǒng)除了能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)的家居系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)采集、分析及安防報警、手機(jī)短信遠(yuǎn)程控制家用電器開關(guān)的功能之外，通過加入小車這個移動智能網(wǎng)關(guān)，可以實時獲取家里的信息。通過短信以及Internet與智能家居網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，實現(xiàn)對智能家居系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。

1 基于Zynq平臺的動態(tài)智能家居系統(tǒng)

1．1 系統(tǒng)研究背景
當(dāng)前嵌入式設(shè)計發(fā)展迅猛，在包含大量數(shù)據(jù)處理模塊（比如智能視頻監(jiān)控、先進(jìn)的工業(yè)控制等應(yīng)用）的場景中，對高性能、低功耗、靈活性高的處理器的需求很高，現(xiàn)有的微處理器缺乏足夠的信號處理能力，而Zynq－7000是一款高性能和低功耗的處理器平臺，具有ARM＋FPGA的體系結(jié)構(gòu)，能夠提供靈活和可擴(kuò)展的解決方案。

傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)主控CPU一般采取ARM＋Zigbee的解決方案，此次系統(tǒng)中創(chuàng)新性的使用Zedboard FPGA（現(xiàn)場可編程邏輯門陣列）作為主控CPU，Zigbee模塊采用CC2530 Soc解決方案，GPRS模塊采用sim300模塊，使用AT指令與用戶手機(jī)進(jìn)行交互，Internet交互通過BOA，CGI實現(xiàn)．FPGA實現(xiàn)PWM信號產(chǎn)生邏輯控制電機(jī)。

1．2 系統(tǒng)實現(xiàn)架構(gòu)
如下圖1所示，主控模塊完成的功能主要包括與Zigbee協(xié)調(diào)器，GSM／GPRS，Internet的互聯(lián)，攝像頭視頻采集與電機(jī)驅(qū)動小車控制．該模塊包含兩個進(jìn)程，進(jìn)程一負(fù)責(zé)取Zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，并且將處理后的數(shù)據(jù)分發(fā)給GSM／GPRS模塊，以及Internet WebServer模塊。

圖 1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框架

進(jìn)程一又包括三個獨立的線程，分別與各個模塊進(jìn)行交互．流程如下： pthread＿t tid［3］； ／／創(chuàng)建線程號pthread＿attr＿t attr［3］； ／／為線程分配空間 pthread＿attr＿init（＆attr［0］）； pthread＿attr＿setscope（＆attr［0］， PTHREAD＿SCOPE＿SYSTEM）； ．．．．．．． ／／線程空間初始化 pthread＿create（＆tid［0］，＆attr［0］，thread＿serial＿ttyPS1，NULL）；／／創(chuàng)建線程1：用于ZedBoard獲取ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù) pthread＿create（＆tid［1］，＆attr［1］，thread＿serial＿uartlite＿debug，NULL）；／／創(chuàng)建線程2：用于ZedBoard向GSM發(fā)送數(shù)據(jù)包 pthread＿create（＆tid［2］，＆attr［2］，thread＿serial＿ttyPS1toWeb，NULL）；／／創(chuàng)建線程3：用于ZedBoard向Internet發(fā)送數(shù)據(jù)包 pthread＿join（tid［0］，NULL）；．．．．．．． ／／在主函數(shù)中加入線程 pthread＿rwlock＿destroy（＆GPacketBuf＿rwmutex）； ／／釋放線程

進(jìn)程二是CGI模塊，由WebServer調(diào)用，其功能包括解析數(shù)據(jù)包，并將ZigBee信息以網(wǎng)頁的形式呈現(xiàn)給用戶．流程如下：第一步，創(chuàng)建數(shù)據(jù)包格式，第二步是運用HTML語言將從Zigbee自組網(wǎng)搜集的溫度傳感器、電池供電電壓、火災(zāi)警告、防盜報警、風(fēng)扇、電燈開關(guān)狀況通過網(wǎng)頁告知用戶，用戶可以通過在遠(yuǎn)端登陸Internet查看家居狀況的完整信息．?dāng)?shù)據(jù)包的具體格式將會在后面的ZigBee模塊處給出。

2 ZigBee自組網(wǎng)

2．1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點配置
在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有三種設(shè)備：協(xié)調(diào)器：負(fù)責(zé)啟動整個網(wǎng)絡(luò)，它也是網(wǎng)絡(luò)的第一個設(shè)備．路由器的功能主要是：允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，并協(xié)助自身同時作為終端設(shè)備的通訊．終端設(shè)備沒有特定的維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的責(zé)任，它可以睡眠或者被喚醒。

2．2 串口通信數(shù)據(jù)包格式
ZedBoard主控與Zigebee協(xié)調(diào)器通信數(shù)據(jù)包格式如下：StartByte －＞1B （代表數(shù)據(jù)包起始字節(jié) 0x47）PropertyId－＞1B （代表屬性ID） NodeId－＞1B （代表Zigbee終端設(shè)備節(jié)點ID）PacketLength－＞2B （代表整個包的長度） PrivateData－＞XB （代表屬性ID對應(yīng)的負(fù)載內(nèi)容 X ＝ PacketLength －6 ） EndByte－＞1B （代表數(shù)據(jù)包結(jié)束字節(jié)0x48）

該數(shù)據(jù)包的統(tǒng)一格式不僅用于ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點與ZedBoard的通信，也用于ZedBoard FPGA開發(fā)板向GSM模塊之間串口通信發(fā)送的數(shù)據(jù)包，也適用于ZedBoard向Internet CGI模塊傳送的數(shù)據(jù)包，即這三個數(shù)據(jù)包相統(tǒng)一．然后接收模塊再通過數(shù)據(jù)包協(xié)議對接收到的消息進(jìn)行解析．GSM模塊會通過解析判斷是否有警告情況出現(xiàn)，進(jìn)而向用戶發(fā)短信以警告，Internet模塊再將各個傳感器收集到的數(shù)據(jù)以文本形式顯示在網(wǎng)頁上。

2．3 電機(jī)驅(qū)動與智能小車的實現(xiàn)
該模塊由L298N雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動模塊實現(xiàn)，驅(qū)動部分端子供電范圍Vs為＋5V到＋30V，驅(qū)動部分峰值電流為2A，原理圖見下圖2所示，圖中IN1，IN2，IN3，IN4為控制信號，當(dāng)IN1為0，IN2為1時，電機(jī)a正轉(zhuǎn)，IN1為1，IN2為0時，電機(jī)a反轉(zhuǎn)。當(dāng)IN1，IN2同時為0或同時為1時，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，PWM－a，PWM－b為使能端，接FPGA PWM輸出信號，L298N－a，L298N－b為電機(jī)A輸出端．電機(jī)b原理同上。該直流電機(jī)驅(qū)動主要用于驅(qū)動智能小車，以實現(xiàn)小車在房間移動，并用攝像頭來采集房間實時信息，并及時通過互聯(lián)網(wǎng)返回給用戶；另外，智能小車上也帶有一個ZigBee模塊，裝有熱釋電人體紅外傳感器，以檢測房間內(nèi)是否有陌生人出入，可燃?xì)怏w傳感器以檢測廚房是否出現(xiàn)可燃?xì)怏w泄露，煙霧傳感器以檢測是否有火災(zāi)發(fā)生。

圖2 直流電機(jī)驅(qū)動原理圖

2．4 GPRS／GSM模塊
在GPRS模塊中，我們采用Simcom提供的SIM300開發(fā)模塊，主要是利用8051單片機(jī)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)解析，以判斷是否有警告消息出現(xiàn)，進(jìn)而向用戶發(fā)送警告短信，向用戶發(fā)送短信是通過單片機(jī)串口向SIM300串口傳送一連串的AT指令來實現(xiàn)的。

在發(fā)送AT指令的過程中，通過實驗發(fā)現(xiàn)，發(fā)送AT指令的頻率太高會導(dǎo)致SIM300反應(yīng)不過來而導(dǎo)致操作失敗，發(fā)送頻率太低則會使信息的實時性缺失，用戶不能及時了解到警告信息并通過發(fā)送短息加以控制，GPRS作為一個媒介實現(xiàn)用戶與智能家居系統(tǒng)的互通．同理，Internet 端也作為一個中間介質(zhì)以實現(xiàn)用戶對智能小車的控制。實現(xiàn)動態(tài)瀏覽的目標(biāo)．具體通信的流程圖如下圖3所示：

圖3 系統(tǒng)各模塊間信息傳輸原理圖

3 結(jié)論
（1）采用嵌入式高性能處理器ZedBoard 作為主控CPU，利用Linux軟件平臺實現(xiàn)復(fù)雜的應(yīng)用邏輯：例如定義通信協(xié)議、對信息進(jìn)行收集和分發(fā)、定義Uart IP 核，不僅提高了開發(fā)周期，易于后期擴(kuò)展；而且系統(tǒng)整體功能也比較穩(wěn)定。

（2）串口通信方面，實驗發(fā)現(xiàn)：在高波特率下會出現(xiàn)丟包現(xiàn)象比較嚴(yán)重，低波特率下會導(dǎo)致信息反饋不及時，致使系統(tǒng)的實時性降低，最后通過測試統(tǒng)一將波特率設(shè)定為9600。

（3）通過引入智能小車，能夠?qū)⒁苿有≤嚥杉囊曨l信息及時傳送至互聯(lián)網(wǎng)．下一步將分析串口數(shù)據(jù)速率對彩信傳輸有效性之間的關(guān)系，研究優(yōu)化彩信發(fā)送策略，力求在實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)實時監(jiān)控的同時，能夠在短信發(fā)送報警信號時，GPRS模塊能及時將圖片以彩信形式反饋給用戶。