【文章內(nèi)容簡介】 并結(jié)合未來發(fā)展趨勢和論文的實際應(yīng)用需求，確定了本論文的智能家居網(wǎng)關(guān)的功能需求如下：（1）家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)建立功能：網(wǎng)關(guān)負責(zé)智能家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的建立、管理和維護。（2）家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送及匯聚功能：向家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)控制命令，并接收來自內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備節(jié)點的數(shù)據(jù)信息。（3）設(shè)備信息存儲功能：存儲智能家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備節(jié)點的編號、名稱、類型、狀態(tài)、位置等信息。（4）Internet 數(shù)據(jù)傳輸功能：完成與 Internet 網(wǎng)絡(luò)中的客戶端和服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信，包括經(jīng) Internet 接收控制命令、返回查詢和控制結(jié)果等。（5）內(nèi)外網(wǎng)訪問功能：既可以通過家庭無線局域網(wǎng)（WLAN）WiFi 訪問網(wǎng)關(guān)，又可以通過公共 WiFi、3G 或 GPRS 等經(jīng) Internet 公網(wǎng)服務(wù)器訪問網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)對家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中各種設(shè)備的控制。（6）狀態(tài)顯示功能：網(wǎng)關(guān)實時顯示當(dāng)前的工作狀態(tài)，包括內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送和匯聚狀態(tài)、Internet 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收狀態(tài)、與服務(wù)器連接狀態(tài)等。 智能家居網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計 智能家居網(wǎng)關(guān)既要連接智能家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，又要連接外部網(wǎng)絡(luò)，同時需要提供足夠的信息存儲空間，基本的人工輸入功能，狀態(tài)輸出功能。網(wǎng)關(guān)的總體框架如圖 61 所示。 圖 61 智能家居網(wǎng)關(guān)總體框架圖智能家居網(wǎng)關(guān)作為一種典型的嵌入式系統(tǒng)，應(yīng)該具備較強的實時任務(wù)處理能力、一定的信息存儲功能、較強的可擴展性、低功耗等特點。智能家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)匯聚功能是智能家居網(wǎng)關(guān)的核心功能之一，作為智能家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點，網(wǎng)關(guān)需要完成內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建、維護、數(shù)據(jù)收發(fā)的任務(wù)。智能家居網(wǎng)關(guān)選擇 ZigBee 技術(shù)構(gòu)建家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，需要為網(wǎng)關(guān)配置符合 ZigBee 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，并與主處理器硬件接口實現(xiàn)無縫連接，解決智能家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信問題。實驗箱內(nèi)A8網(wǎng)關(guān)硬件電路以ARM系列的 CortexA8處理器為控制核心，主要包括電源模塊、按鍵模塊、觸摸屏模塊、存儲電路模塊、通信接口模塊等，完全能夠滿足本設(shè)計的要求，如圖62所示。因此，以下只介紹網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計過程。圖62 網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖 網(wǎng)關(guān)軟件開發(fā)平臺的搭建網(wǎng)關(guān)軟件開發(fā)平臺如圖 63 所示，包括 UBoot、文件系統(tǒng)、Linux 內(nèi)核以及嵌入式 Qt庫。UBoot 用作引導(dǎo)加載程序，負責(zé)加載內(nèi)核；文件系統(tǒng)存儲系統(tǒng)應(yīng)用以及用戶數(shù)據(jù)等；內(nèi)核是整個操作系統(tǒng)的核心，負責(zé)對上層的抽象化；Qt 庫提供應(yīng)用軟件圖形 API。軟件平臺搭建完成后，可以通過Qt進行網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序的開發(fā)。圖63 軟件平臺框圖 網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序設(shè)計本設(shè)計采用Qt進行網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序開發(fā)。Qt是一個跨平臺的C++圖形用戶界面庫。Qt是完全面向?qū)ο蟮?，提供了豐富的窗口部件集，給應(yīng)用程序開發(fā)者建立藝術(shù)級的圖形用戶界面所需的應(yīng)用功能。而且很容易擴展，允許真正地組件編程。最為重要的是Qt使用“一次編寫，隨處編譯”的方式來構(gòu)建多平臺圖形用戶程序。 網(wǎng)關(guān)工作流程本設(shè)計的網(wǎng)關(guān)工作流程圖如圖64所示。本設(shè)計中的傳感器的數(shù)據(jù)監(jiān)控、設(shè)備的定時控制均由設(shè)備監(jiān)控進程來進行維護，用戶退出時會自動保存用戶的配置，在啟動時自動導(dǎo)入配置，并將該配置同步給設(shè)備監(jiān)控進程。在此之后設(shè)備的監(jiān)控全部由設(shè)備監(jiān)控進程來負責(zé)，在設(shè)備狀態(tài)更新或者由短消息控制設(shè)備定時狀態(tài)得到更新時，由設(shè)備監(jiān)控進程通知該用戶界面進程來進行更新，以保證設(shè)備狀態(tài)信息的同步。在系統(tǒng)啟動開始需要用戶輸入密碼，進行授權(quán)驗證。如果密碼驗證錯誤次數(shù)超過閾值，則直接退出系統(tǒng)。如果驗證成功，則進行系統(tǒng)啟動，向設(shè)備監(jiān)控進程請求設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)以及傳感器的數(shù)據(jù)，初始化系統(tǒng)界面，之后進入循環(huán)判斷流程：如果有從設(shè)備監(jiān)控進程發(fā)來的設(shè)備狀態(tài)信息同步數(shù)據(jù)，則進行數(shù)據(jù)的更新；如果用戶點擊設(shè)置按鈕，進行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，如果選擇保存設(shè)置，則根據(jù)改變的參數(shù)類別，將其保存至文件或者通知相應(yīng)的進程。圖64 網(wǎng)關(guān)工作流程圖 應(yīng)用程序界面設(shè)計網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序的功能可分為后臺服務(wù)和功能控制。后臺服務(wù)主要會檢查如下這些情況：溫濕度的實時數(shù)值，以反映在主界面之上；檢查當(dāng)前的燈光強度以自動控制窗簾的開或關(guān)；檢查當(dāng)前的溫度以自動控制空調(diào)的開或關(guān)；檢查是否發(fā)生火災(zāi)或入侵作出相應(yīng)的動作。功能控制包括六大部分分別是門禁控制、廚房控制、窗簾控制、燈光控制、警報消除以及短信控制。各級功能控制會負責(zé)自己所控制的區(qū)域，不會互相交叉影響。1. 主界面設(shè)計根據(jù)網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序的功能，主用戶界面如圖65所示。該界面提供給用戶當(dāng)前各個傳感器的實時數(shù)據(jù)，設(shè)備定時信息的總覽，并在狀態(tài)欄中實時顯示各個傳感器的連線狀態(tài)信息等，當(dāng)和某個傳感器失去連線時，會顯示在主界面上，并有警告對話框提示用戶進行檢查。該界面中下端的設(shè)置按鈕以及上端工具欄中按鈕以及菜單欄設(shè)置欄中的選項均可調(diào)出系統(tǒng)對應(yīng)的配置對話框供用戶進行配置，該部分對話框設(shè)計的部件在系統(tǒng)初始化時已經(jīng)創(chuàng)建，僅是隱藏未顯示，在調(diào)用時顯示即可，以此來加速對話框的顯示，給用戶提供流暢的顯示。 圖65主界面2．傳感器設(shè)置界面設(shè)計 本設(shè)計中傳感器設(shè)置界面如圖66所示，該界面提供給用戶如下設(shè)置選項：蜂鳴器使能、門禁報警使能、溫度報警閾值設(shè)定、天然氣報警設(shè)置，該保存命令框的功能同上述設(shè)置 GSM 短消息配置大體相同，但本界面的設(shè)置保存除保存在系統(tǒng)配置中外，還需要將這些信息同步給設(shè)備監(jiān)控進程，使各個進程間的配置保持相同。該界面的在系統(tǒng)配置中保存界面配置信息的代碼如下所示：圖66傳感器設(shè)置界面 應(yīng)用程序設(shè)計與實現(xiàn) 網(wǎng)關(guān)的主要功能是通過串口與ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息交互和通過Internet網(wǎng)絡(luò)與控制終端（手機）實現(xiàn)遠程控制。 1. 串口通信Linux系統(tǒng)對串口的讀取僅能采用查詢模式。此外，Qt中并沒有特定的串口控制類，實際開發(fā)過程中多采用qextserialport類實現(xiàn)串口通信。2．網(wǎng)絡(luò)通信網(wǎng)關(guān)網(wǎng)線連接無線路由器，通過WiFi網(wǎng)絡(luò)與智能交互終端等產(chǎn)品進行數(shù)據(jù)交互。在控制終端（手機）WiFi功能的基礎(chǔ)上，應(yīng)用程序通過套接字通信的方法來實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)和控制終端的TCP連接。套接字通信的基本思想比較簡單，客戶端建立一個到服務(wù)器的連接，一旦建立了，客戶端就可以往套接字里面寫數(shù)據(jù)，并向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)；反過來，服務(wù)端讀取客戶端寫入套接字的數(shù)據(jù)。因此，在Qt中建立一個TCP的服務(wù)器，在手機應(yīng)用程序中建立一個TCP客戶端，基于手機的WiFi功能便可實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)和手機的TCP連接。Qt提供了QTcpSocket類實現(xiàn)TCP傳輸協(xié)議，若是創(chuàng)建服務(wù)器應(yīng)用程序，還需要QTcpServer類處理引入的TCP連接。第7章 基于Android控制的智能家居終端設(shè)計 Android 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Android 主要是為移動平臺而設(shè)計的軟件包，其體系結(jié)構(gòu)被分為四層，分別是 Linux 內(nèi)核層、Android 運行時和組件庫、應(yīng)用框架層和應(yīng)用層，如圖71所示。使用 linux 內(nèi)核實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度，內(nèi)存管理等核心功能。同時實現(xiàn)了一個 java 虛擬機以支持 java 程序的運行，提供了各種 C 庫支持并把這些功能重新用 jar 包封裝，使得 Android 程序的開發(fā)變成了純 java 的開發(fā)。Google 公司提供了整套開發(fā)環(huán)境和工具。圖71 Android體系結(jié)構(gòu) Android 軟件平臺的搭建 Android 平臺整體自底向上由以下 4 個層次組成 ：Linux內(nèi)核層、Android 運行時庫和其他庫層、應(yīng)用框架層、應(yīng)用程序?qū)印?Linux 內(nèi)核層 Android 是基于 Linux Version 216123 內(nèi)核開發(fā)的，主要是添加了一個名為 Goldfish 的虛擬 CPU 以及Android 運行所需的特定驅(qū)動代碼。該層用來提供系統(tǒng)的底層服務(wù)，包括安全機制、內(nèi)存管理、進程管理、網(wǎng)絡(luò)堆棧及一系列的驅(qū)動模塊。作為虛擬的中間層，該層位于硬件與其他的軟件層之間。 Android運行時庫和其他庫層 運行時庫和其他庫層Android 運行時庫包含一組核心庫 ( Java 語言核心庫內(nèi)的大部分功能 ) 和 Dalvik 虛擬機。同時 Android 提供了豐富的庫類支持且大部分為開源代碼，如采用的數(shù)據(jù)庫為SQLite。Android 選擇它作為移動終端的嵌入式數(shù)據(jù)庫有以下優(yōu)點：它無需安裝和管理配置，它是一個存儲在單一磁盤文件中的完整的數(shù)據(jù)庫，體積只有 250 KB 但支持?jǐn)?shù)據(jù)庫大小至2 TB，提供了對事務(wù)功能和并發(fā)處理的支持，而且比目前流行的大多數(shù)數(shù)據(jù)庫運行速度快。 應(yīng)用框架層提供 在應(yīng)用框架，Android 開發(fā)人員可以跟那些核心應(yīng)用一樣擁有訪問框架 APIs 的全部權(quán)限。應(yīng)用的結(jié)構(gòu)化設(shè)計簡化了各組件之間的重用，任何應(yīng)用都可以分發(fā)自己的組件，任何應(yīng)用也可以使用這些分發(fā)的組件 ( 應(yīng)用的使用方法需遵循框架的安全性約束 )。 應(yīng)用程序?qū)覣ndroid 本身會附帶一些核心的應(yīng)用程序，包括 E mail客戶端、短信程序、日歷、地圖、瀏覽器、通信錄等，目前所有的應(yīng)用程序都是由 Java 語言開發(fā)的。 Android 應(yīng)用程序的開發(fā)智能家居智能終端應(yīng)用程序主要功能模塊框架如下圖所示： 圖72 應(yīng)用程序功能框架圖 手持終端要與網(wǎng)關(guān)進行通信，如果附近有熱點，可以使用 WiFi 或者直接通過移動蜂窩網(wǎng)接入網(wǎng)關(guān)，終端和網(wǎng)關(guān)間的通信是基于 TCP協(xié)議。基于 Android 開發(fā)的程序主要包括用戶界面開發(fā)和網(wǎng)絡(luò)功能開發(fā)兩個部分。界面的開發(fā)使用 Android 提供的各種 API，可以得到精致的界面。而網(wǎng)絡(luò)方面的開發(fā)則要用到 Java 支持Sochet通信功能的 API 和文件讀寫的 API。 界面設(shè)計 當(dāng)用戶擁有智能家居遠程控制系統(tǒng)中的相關(guān)硬件，如環(huán)境模塊、房間控制器、設(shè)備模塊等，各模塊上標(biāo)示有唯一的ID，用戶可以根據(jù) ID 進行注冊，注冊成功后便可以登錄此系統(tǒng)對相關(guān)設(shè)備進行控制。若用戶已經(jīng)注冊，則可以直接登錄認證，登錄系統(tǒng)認證的大致流程圖73所示。圖73 登陸系統(tǒng)認證流程若用戶登錄成功，則系統(tǒng)直接跳轉(zhuǎn)到系統(tǒng)主界面；系統(tǒng)的主界面如圖74所示。若用戶名或密碼錯誤，則彈出錯誤提示框。 圖74 系統(tǒng)主界面 在網(wǎng)絡(luò)編程方面，Android 提供了非常好的支 持。針對 TCP 傳輸，Android 提供Socket 類和 ServerSocket 類。手機側(cè)建立只需建立Socket客戶端，套接字Socket類的基本結(jié)構(gòu)如圖75所示。Socket bind（）close()connect()getInputStream()getInetAddress()getOutputStream() 圖75 Socket類的結(jié)構(gòu)第8章 系統(tǒng)測試 圖81主用戶界面測試結(jié)果：點觸以上功能均通過。 網(wǎng)關(guān)測試測試結(jié)果：點擊以上按鈕測試均通過。 智能家居環(huán)境的測試 由于智能家居中分為很多功能模塊，所以場景的測試將分為家庭安防系統(tǒng)測試，家庭環(huán)境控制系統(tǒng)測試和家庭信息管理信統(tǒng)的測試。首先介紹的是智能家居系統(tǒng)中的軟硬件資源，整個系統(tǒng)中包含的硬件部分:1. Zigbee節(jié)點及其功能底板、光敏傳感器、煙感及有害氣體傳感器等多種傳感器設(shè)備，警報器等執(zhí)行設(shè)備。，平板電腦系統(tǒng)中的軟件包括:家庭網(wǎng)關(guān)中的軟件/基于Android的移動終端上的軟件，服務(wù)器端的Web程序中的硬件展示，包括有ZigBee無線節(jié)點、無線智能報警系統(tǒng)、短信發(fā)送模塊、煙霧傳感器和攝像頭等。 圖83 智能家居環(huán)境 家庭安防系統(tǒng)包括無線報警系統(tǒng)、短信發(fā)送模塊、攝像頭及遠程終端測試程序。當(dāng)用戶外出后，家庭安防系統(tǒng)開始工作。如果遇到門窗被打開，或者發(fā)現(xiàn)煙霧濃度過高，當(dāng)這些信息被傳給網(wǎng)關(guān)后，網(wǎng)關(guān)會觸發(fā)一系列的活動，如短信通知、發(fā)出鳴叫等。展示了這樣一個當(dāng)主人外出，家居安防系統(tǒng)啟動，遇到大門被打開時的情形。這時網(wǎng)關(guān)收到這一信號，判斷有人闖入。此時，一方面網(wǎng)關(guān)通過打電話通知主人。系統(tǒng)中家居環(huán)境控制實現(xiàn)了傳統(tǒng)家居設(shè)備操作，系統(tǒng)屏敝了不同操作設(shè)備之間的差異，使用同一種操作方式控制各種各樣的家居。在實現(xiàn)這一功能的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)還實現(xiàn)了一定程序的自主控制。自主控制的含義是家居網(wǎng)關(guān)可以設(shè)置用戶習(xí)慣，即一系列動作執(zhí)行列表。網(wǎng)關(guān)會根據(jù)時間，環(huán)境參數(shù)等因素，自主的執(zhí)行這些行為。另一方面會在遠程終端打開監(jiān)視程序。家居系統(tǒng)操作繁多的設(shè)備每一種設(shè)備都有獨立的操作方法，每一種操作都有一種操作器。然而通過ZigBee技術(shù)把這些所有的操作都歸并為統(tǒng)一的操作模式，方便家居用戶的操作。第9章 系統(tǒng)特色智能家居系統(tǒng)的主要功能包括通信，設(shè)備自動控制，安全防范等方面。采用的器件前提都是以低成本，低功耗，穩(wěn)定性好的特性。以下分別介紹我們此次設(shè)計的特色。 我們所設(shè)計的系統(tǒng)的特點之一是語音控制，我們可以通過聲音控制實現(xiàn)照明開關(guān)、窗簾開關(guān)、智能洗浴注水開關(guān)、廚房炊具開關(guān)、門禁解除、煙霧報警解除、盜警報警解除功能。語音聲控功能為我們提供了極大的便利，讓我們在家中隨時通過語音指令控制家用電器。 手機遠程控制也是本設(shè)計的一大特點實現(xiàn)了當(dāng)主人在外面時可以手機發(fā)指令控制家里的節(jié)點，即使出門在外也可以控制家里的家用電器，手機登錄Internet網(wǎng)，通過簡單易懂的安卓手機界面，輕輕一點既可以實現(xiàn)智能洗浴注水開關(guān)、廚房炊具開關(guān)、門禁解除、煙霧報警解除、盜警報警解除等功能，讓世界的距離縮短，使家里的一切無時無刻不在我們的掌控之中。