智能家居是一種以樓宇建筑為平臺，利用網(wǎng)絡通信技術、自動控制技術以及綜合布線技術等實現(xiàn)住宅設施與家庭日常事務高效管理的集成控制系統(tǒng)。在國外，運用智能家居理念的著名建筑有位于日本東京的本田青山大廈、NEC辦公大廈等。在中國，由于對智能家居的認知起步較晚，發(fā)展相對滯后，海爾、清華同方是現(xiàn)今國內(nèi)為數(shù)不多的大型智能家居控制系統(tǒng)供應商之一。
在智能家居領域，安全是重中之重。一直以來，安全都是整個社會賴以生存與發(fā)展的基礎，尤其在現(xiàn)代化技術高度發(fā)展的今天，犯罪手段越來越高明，潛在安全隱患越來越多，所以提升現(xiàn)代化安防技術就顯得至關重要。
本文所述的智能家居控制系統(tǒng)主要包含三類監(jiān)控功能：室內(nèi)溫度監(jiān)控、室內(nèi)煙霧監(jiān)控以及紅外門禁監(jiān)控。與此同時，在軟件實現(xiàn)上預留了串口轉換硬件模塊（GPRS轉串口模塊、Zigbee轉串口模塊）的接口，以便于實現(xiàn)硬件功能的拓展。系統(tǒng)的Zigbee模塊不僅可以用于客戶端與服務器端的通信，而且可以作為匯聚節(jié)點，將來自其它Zigbee錨節(jié)點的定位信號強度匯總，運用相應的定位算法進行處理，實現(xiàn)對進入室內(nèi)非法分子的zigbee多點定位。
除此之外，該系統(tǒng)還支持軟件版本查詢、軟件升級以及設備自檢，實時采集硬件設備的使用狀況（CPU頻率、剩余內(nèi)存、剩余閃存空間等），將相關的工作參數(shù)上報至操作與維護終端，并且可以手動配置相應參數(shù)。
1 開發(fā)環(huán)境
1）硬件開發(fā)平臺。
天嵌TQ210開發(fā)板、溫度傳感器（DS18B20）、煙霧傳感器（MQ-2）、紅外傳感器（D204S）、zigbee轉串口模塊（FBee_FZB5000+）等。
2）軟件開發(fā)平臺：Linux（Ubuntu_12.04）。
3）嵌入式Linux內(nèi)核：Kernel_2.6.35.7。
4）根文件系統(tǒng)的制作工具Busybox：busybox_1.19.4。
5）輔助軟件：QT4.8.1（qtcreator，qtdesigner）。
6）網(wǎng)絡通信協(xié)議：用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）。
7）網(wǎng)絡環(huán)境：Ethernet。
8）編譯器：gcc、arm-linux-gcc（4.4.6）。
9）軟件調試工具：GDB。
2 系統(tǒng)的軟件架構
智能家居控制系統(tǒng)的硬件組成主要包含四大部分：終端控制器、遠程控制器、傳感器模塊以及硬件拓展模塊。為了支持該系統(tǒng)的硬件，并且設計一個性能優(yōu)良、可靠性高的軟件系統(tǒng)，必須遵循合理的設計規(guī)范與系統(tǒng)架構。
圖1 Linux開發(fā)環(huán)境的軟件架構圖
3 系統(tǒng)工作流程
1）服務器端：待系統(tǒng)上電之后，啟動bootloader引導程序，初始化硬件、啟動內(nèi)核以及完成內(nèi)存映射等；之后加載內(nèi)核，初始化驅動程序，并且掛載根文件系統(tǒng)；待根文件系統(tǒng)掛載之后，初始化系統(tǒng)配置，掛載用戶分區(qū)，啟動應用程序。接下來，系統(tǒng)完成初始化日志與消息、創(chuàng)建4條線程以及創(chuàng)建服務器端socket通信等工作；最后，系統(tǒng)開啟服務器端的業(yè)務流程，監(jiān)控室內(nèi)溫度、煙霧以及紅外門禁信息，并且啟動信息查詢與上報反饋機制。
2）客戶端：首先啟動客戶端軟件，加載主界面并且初始化界面元素信息；然后創(chuàng)建客戶端socket通信，并且構建消息，將其傳輸給服務器端，等待服務器端的消息響應；最后接收來自服務器端的數(shù)據(jù)，直到服務器端線程結束，main函數(shù)返回為止。
4 具體技術實現(xiàn)
根據(jù)實際需要，設計基于arm體系結構的智能家居控制系統(tǒng)主要分為以下幾個步驟。
4.1 Bootloader
Bootloader是在系統(tǒng)內(nèi)核加載之前運行的一段精簡的引導程序，它擔負著硬件初始化與操作系統(tǒng)引導的雙重職責。也就是說，我們不僅可以通過這段程序實現(xiàn)初始化硬件設備、建立內(nèi)存空間映射以及壞塊檢測等功能，為系統(tǒng)的軟硬件搭建一個良好的交互環(huán)境，而且可以將操作系統(tǒng)從NAND Flash等存儲器中加載至RAM中，為最終運行Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核做準備。
Bootloader可以分為Stage1與Stage2兩大部分，前者主要實現(xiàn)與系統(tǒng)硬件體系結構關聯(lián)程度高的引導程序代碼與板級初始化代碼，通常使用匯編語言編寫；后者主要實現(xiàn)功能更加復雜的，并且具有好的可讀性與可移植性的程序代碼，通常使用C語言編寫。
4.2 驅動程序開發(fā)
嵌入式Linux系統(tǒng)的設備驅動可以分為三大類型：字符設備驅動（Character Device Driver）、塊設備驅動（Block Device Driver）、網(wǎng)絡設備驅動（Network Device Driver）。
它作為內(nèi)核的一部分，主要完成以下功能：
1）設備的初始化、與設備相關系統(tǒng)資源的分配與回收。
2）在底層硬件與內(nèi)核之間建立信息交互環(huán)境，以便于傳遞數(shù)據(jù)。
3）在設備與應用程序之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。
4）檢測與處理設備出現(xiàn)的異�；蛘咤e誤。
驅動開發(fā)的一般流程如圖2所示。
圖2 底層驅動的基本開發(fā)流程
除此之外，在驅動程序的開發(fā)過程中還會用到中斷處理、定時器、等待隊列、內(nèi)存與I/O訪問、Input子系統(tǒng)以及平臺總線架構等機制。
4.3 封裝接口函數(shù)，制作動態(tài)庫
通過系統(tǒng)調用，實現(xiàn)面向用戶態(tài)接口函數(shù)的封裝，變量的封裝形式采用結構體，功能的封裝采用函數(shù)，使用指針傳遞參數(shù)。
動態(tài)庫的制作很簡單，只需要使用如下指令即可：
arm-linux-gcc-fpic-shared xx.c-o libxx.so-I include_path
4.4 根文件系統(tǒng)的制作
根文件系統(tǒng)的制作主要依賴于BusyBox工具。
1）首先在busybox目錄下，執(zhí)行make menuconfig命令配置相應的屬性；然后修改busybox自帶Makefile文件，將第164行與第190行分別修改成為CROSS_COMPILE？=arm-linux-與ARCH？=arm；最后順序執(zhí)行make與make install指令，根據(jù)Makefile可以得知busybox的缺省安裝目錄在/_install目錄下。
2）在根文件系統(tǒng)rootfs中創(chuàng)建必要的目錄（例如：etc、sys、proc、tmp、var、home、lib、etc、root等）。
3）庫文件的部署。將一些必要的庫文件與加載器拷貝到根文件系統(tǒng)rootfs中/lib/目錄下，若不清楚庫文件的存放位置，可以使用which is arm-linux-gcc進行查找；若需要查看busybox使用共享庫（動態(tài)庫）信息，可以使用arm-linux-readelf-d busybox與arm-linux-readelf–a app|grep“shared”命令進行查看。
4）文件系統(tǒng)瘦身。可以使用sudo arm-linux-strip*命令對文件進行瘦身，以便于縮小文件系統(tǒng)的體積，節(jié)約內(nèi)存或者閃存空間。
5）添加必要的配置信息（例如：etc/inittab、etc/fstab、etc/profile、etc/init.d/rcS等）。
6）配置相應的環(huán)境，通過NFS掛載測試。
7）制作文件系統(tǒng)鏡像。在制作文件系統(tǒng)鏡像時，最常用的幾種文件系統(tǒng)格式如下所示：cramfs、ramdisk、initramfs、yaffs2等。
圖3 根文件系統(tǒng)鏡像的制作流程
上述的四種文件格式也可以綜合使用，本文綜合它們的優(yōu)點，使用cramfs（rootfs）+yaffs2（userdata）方式制作鏡像文件。
4.5 運行在開發(fā)板上的監(jiān)控軟件的設計
1）底層硬件驅動程序的編寫與修改。
2）封裝用戶態(tài)的接口函數(shù)，并且將其封裝成為動態(tài)庫（*.so）。
3）依次完成設備初始化，創(chuàng)建4條并行獨立線程以及完善相應的線程處理函數(shù)等工作，在main（）函數(shù)返回之前，必須使用pthread_join（）分別等待線程的結束。
4.6 設備操作與維護軟件的設計
1）完成服務器端的配套功能。
在該項目中不需要過多考慮數(shù)據(jù)安全性與完整性校驗問題，因此選用UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議））的通信模式。
創(chuàng)建服務器端socket通信函數(shù)create_socket（），在該函數(shù)中以結構體類型指針的方式傳遞數(shù)據(jù)包內(nèi)容，并且完成數(shù)據(jù)包接收與解析工作，判斷下一步應該做出哪種類型的響應；與此同時，完成消息請求處理與反饋功能。
2）完成客戶端界面設計與功能的實現(xiàn)。
使用Qt4.8.7進行上位機界面設計與功能實現(xiàn)。
①通過QtCreator與QtDesigner設計上位機的圖形界面。
②創(chuàng)建客戶端socket通信，完成信號函數(shù)與相應槽函數(shù)的匹配連接（通過QObject：：connect（）實現(xiàn)）。
③實現(xiàn)消息通信與處理機制。
④實現(xiàn)2種不同方式（串口登錄與網(wǎng)口登錄）的登錄功能。
4.7 終端軟件設計（支持實時性）
1）使用QtCreator與QtDesigner設計終端軟件的圖形界面。
2）完成相應功能（接受來自傳感器與系統(tǒng)內(nèi)部的實時信息并且將其反饋至圖形界面）。
3）Qt庫的移植：
①下載并且解壓Qt的私有函數(shù)庫與觸摸屏TouchScreen的函數(shù)庫；
②首先在vi環(huán)境中cd到解壓之后的tslib目錄下，先后執(zhí)行./autogen-clean.sh與./autogen.sh腳本，然后依次執(zhí)行./configure--host=arm-linux--prefix=/opt/arm/tslib、make、make install指令；
③首先在vi環(huán)境中cd到解壓之后的qt-everywhere-opensource-src-4.8.4目錄下，執(zhí)行cp../build.sh.命令將上級文件夾中的build.sh可執(zhí)行腳本文件拷貝到當前目錄中，修改./mkspecs/qws/linux-arm-g++/qmake.conf文件，在arm-linux-gcc或者arm-linux-g++之后添加-lts，保存退出，然后./build.sh，接下來make，最后make install。
4）交叉編譯：在Qt工程目錄下，依次執(zhí)行/opt/arm/qt/bin/qmake–project、/opt/arm/qt/bin/qmake、make命令。
5）Qt庫的部署：構建文件系統(tǒng)rootfs中/etc/目錄下的profile文件，在該文件中添加export QWS_KEYBOARD="TTY：/dev/event1"命令設置相應的環(huán)境變量；并且將文件夾qt與tslib拷貝到開發(fā)板rootfs指定目錄下。
5 Zigbee定位算法
將采集到的Zigbee信號強度信息導入shadowing模型
（1）
其中，d為射頻信號接收端與發(fā)射端自檢的距離，d0為參考距離，Pr（d）為基站接收到用戶節(jié)點的信號強度，Pr（d0）為基站接收到由參考點發(fā)送的信號強度。
利用（1）式可以計算出錨節(jié)點到未知節(jié)點之間的距離d，接下來建立定位模型（在100×100的試驗區(qū)域內(nèi)），本文采用基于三邊測距的LMS格型濾波改進算法對定位信息進行處理，仿真結果如圖5所示。
6 結束語
該系統(tǒng)基于ARM體系結構與Linux開發(fā)平臺，通過三類傳感器對家庭環(huán)境中的溫度、煙霧以及紅外門禁進行實時監(jiān)控，并且可以通過Internet遠程查看與設置系統(tǒng)的各類參數(shù)，也可以通過串口對系統(tǒng)功能進行拓展。與此同時，該系統(tǒng)支持短信與Zigbee通信功能，當家庭有非法分子入侵時，觸發(fā)紅外門禁，并且啟動Zigbee定位，運用該定位算法可以較為準確地確定非法分子在室內(nèi)的位置，并且將定位信息反饋給用戶，增強了系統(tǒng)的功能。
該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、智能化程度較高，并且具有較好的拓展性，這些優(yōu)點使它具有很好的應用前景與巨大的市場潛力。