Design of embedded intelligent home control system based on Zig Bee wireless sensor networks
Keywords: Smart home, Zig Bee, data processing, Windows sockets
Abstract. Home wireless monitoring problem is the subject of todays cutting-edge research in the field of International Intelligent Building. Advent of wireless sensor networks to overcome the household wiring cumbersome, fully embodies the flexibility of smart home system, convenient and efficient. The project was developed based on research smart home monitoring system Zig Bee technology and hitemet technology, remote monitoring and control of Zig Bee hitemet short distance combined to achieve wireless home control and data acquisition systems, avoiding cabling, scalability. Firstly, the overall design of the system combined with the underlying Zig Bee wireless sensor network characteristics and overall network monitoring system requirements, the system design is divided into four parts: the wireless transmission module, data processing module, an Ethernet transmission module, the PC display interface then Zig Bee protocol standards to do a comprehensive research and analysis, and gives the CC2430-based wireless transmission module hardware and software design and star network structures and gives the test results.
Introduction
Compared with ordinary home, smart home features not only traditional residence features to provide comfort and safety, high quality and pleasant living space, also the original passive static structure into a dynamic tool has wisdom to help families keep the information with the outside exchange flow, optimize peoples lifestyles, and even save money important feature intelligent building is for a variety of energy expenditure: networking, intelligent, humane, personal acceptance of intelligent products into their work and life, no longer for curiosity, but that demand intelligent system broadband integrated wiring system to bring people not only products, but more importantly, it embodies a service model and service concept. The basic goal is to families with a variety of information related communications equipment, home appliances and home security devices, through a wired or wireless connection to a home intelligent system for centralized or remote monitoring, control and management of family things, keep these facilities and residential environment family harmony and coordination based on these outstanding advantages, housing information, intelligence will be an inevitable trend. From a technical perspective, smart home is the integration of computers, networks, automatic control, sensor and other technologies, and involving ecology, environment, energy and other fields of comprehensive systematic project, which is to achieve the final analysis, policy-based automatic control and exchange of information, so the smart home system is an integrated information flow and control flow of the network system. Progress is inseparable from the development of smart home related technology leap related technologies are bound to change the face of the smart home.
Since the smart home is a multi-industry cross-coverage system engineering, various equipment manufacturers according to different interface standards and protocols of production equipment, the result is: the interconnection between different devices, interoperability becomes very difficult this problem is actually. By the communication protocol is no uniform standard household equipment caused in the smart home control systems, smart home is a home network to achieve basic communication inside the home of the nervous system, and the communication protocol is its essence, so the smart home design of the system, using the communication protocol with good development prospects is significant.
Zig Bee short-range wireless communications technology
Although Zig Bee communication protocol is for low-power and low-cost communications technology, but Zig Bee protocol is to ensure the reliability of the communication, and the other big advantage Zig Bee protocol is to make ad-hoc network, also very healing powers strong.
1) Self-organizing capabilities of Zig Bee: without human intervention, a network node can sense the presence of other nodes, and determine the connection between the composition of the network structure.
2) Zig Bee self-healing function: add or remove a node, node locations are changed, node failure, etc., can be self-healing networks, and network topology accordingly adjusted, without human intervention, to ensure that the entire system can still normal work.
Zig Bee protocol structure model was shown in Figure 1, can be seen from Figure 1, Zig Bee Alliance provides a network layer, application layer design framework (APL), in which the frame of the application layer include application support layer (APS) or application programming interface, Zig Bee device objects and application objects developed by the manufacturer. the network layer is responsible for determining the topology and maintenance, as well as naming and binding services, and complete addressing, routing, and security tasks. IEEE802.15.4 standard on the establishment of the network layer is designed here to self-organization and self-maintenance form.
Home monitoring system
Hardware design
Hardware design Zig Bee node module is divided into portions and control communication radio interface section was shown in Figure 2.
Radio data communication part mainly responsible for inter-node; node from the serial interface can be connected to a PC in order to facilitate debugging or related electrical equipment can be connected to the interface, control electrical switches; and although the design of the master serial interface, but the main control communication i
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基于Zig Bee无线传感器网络的嵌入式智能家居控制系统设计
关键词：智能家居，Zig Bee，数据处理，Windows sockets
摘要：家庭无线监控问题是当今国际智能建筑领域前沿研究的课题。无线传感器网络的出现克服了家庭布线麻烦，充分体现了智能家居系统的灵活性，方便高效。该项目是基于研究智能家居监控系统Zig Bee技术和hitemet技术，远程监控Zig Bee hitemet短距离组合实现无线家庭控制和数据采集系统，避免布线，可扩展性。首先，系统的总体设计结合基础Zig Bee无线传感器网络的特点和整体网络监控系统的要求，系统设计分为四个部分：无线传输模块，数据处理模块，以太网传输模块，PC显示界面，然后Zig Bee协议标准进行全面的研究和分析，并给出基于CC2430的无线传输模块的硬件和软件设计和星形网络结构，并给出测试结果。
概论
与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住特色，提供舒适安全，高品质，愉快的生活空间，也将原有的被动静态结构变为动态工具，有智慧帮助家庭保持信息与外界的交流，优化人们的生活方式，甚至特征智能建筑是为了各种能源消耗：网络化，智能化，人性化，个人接受智能产品进入工作和生活，不再为了好奇，而需要智能系统宽带综合布线系统为人们带来不仅产品，更重要的是体现了服务模式和服务理念。基本目标是通过与各种信息相关的家庭通讯设备，家用电器和家庭安全设备，通过有线或无线连接到家庭智能系统进行集中或远程监控，控制和管理家庭事务，保持这些设施和住宅环境家庭和谐协调基于这些突出优势，住房信息化，情报化将成为必然趋势。从技术角度来看，智能家居是电脑，网络，自动控制，传感器等技术的一体化，涉及生态，环境，能源等综合系统工程领域，是实现决策分析，政策性自动化控制和交换信息，所以智能家居系统是网络系统的综合信息流和控制流。进步与智能家居相关技术的发展离不开飞跃相关技术必将改变智能家居的面貌。由于智能家居是多业界跨系统工程，各种设备制造商根据不同的接口标准和生产设备协议，其结果是：不同设备之间的互连，互操作性变得非常困难，这个问题其实是真的。 通过通信协议在智能家居控制系统中引起的家用设备不统一，智能家居是家庭网络实现家庭内部基本沟通的神经系统，而通信协议是其本质，所以智能家居设计 该系统使用具有良好发展前景的通信协议是重要的。
Zig Bee短距离无线通信技术
虽然Zig Bee通信协议是用于低功耗和低成本的通信技术，但是Zig Bee协议是确保通信的可靠性，而Zig Bee协议的另一个重要优点就是建立ad-hoc网络，也是非常有效的电源强大。
1）Zig Bee的自组织能力：没有人为干预，网络节点可以感知其他节点的存在，并确定网络结构的组成之间的连接。
2）Zig Bee自愈功能：添加或删除节点，节点位置发生变化，节点故障等，可以自愈网络，网络拓扑相应调整，无需人为干预，保证整个系统可以仍然正常工作。
Zig Bee协议结构模型如图1所示，从图1可以看出，Zig Bee Alliance提供了一个网络层，应用层设计框架（APL），其中应用层的框架包括应用程序支持层（APS）或应用编程接口，Zig Bee设备对象和制造商开发的应用对象。网络层负责确定拓扑和维护，以及命名和绑定服务，以及完整的寻址，路由和安全任务。 IEEE802.15.4标准建立的网络层设计在这里是自组织和自我维护的形式。
家庭监控系统
硬件设计
硬件设计Zig Bee节点模块分为部分，控制通信无线接口部分如图2所示。
无线电数据通信部分主要负责节点间;节点从串行接口可以连接到PC，以方便调试或相关电气设备可以连接到接口，控制电气开关;虽然设计了主串口，但主控通讯接口为SPI，数据处理模块为主芯片TMS0F2812交换数据传输。
任何天线是无线电通信系统天线的重要而不可或缺的一部分，合理选择，可实现远距离通信和良好的通信效果。CC2430和CC2420天线是一样的，可以使用两种设计：金属PCB倒F天线和单极天线，PCB天线引线印在电路板导体上，通过空气感应无线电波接收信号。本设计不使用该程序，如果要使用该程序，可以看到CC2420芯片的数据手册。单极天线是由反射平面（地板）直接垂直（通常为不超过波长的1/4的长度）安装的线状导体，由天线组成，其根部为馈线。该设计使用单极天线500，并且天线的长度是电磁波的波长的1/4。
智能家居系统功能分析
智能家居系统主要完成家庭设备的集中管理和控制，提高安全性，便利性，效率和舒适性，智能家居用户家庭分为普通用户和系统管理员两种。用户系统的普通用户，系统的一般需求提供实时温湿度家族管理，照明管理系统，智能控制和遥控家用电器，安防监控等功能。系统管理员是一个系统管理和维护，他的安全系统运行安全可靠，主要完成用户管理，GSM信息管理，Zig Bee网络配置工作。整个系统功能框图如图3所示。
智能家居系统使用微控制器对家庭设备进行管理和控制，为了提高可扩展性和降低电缆成本，通过家庭Zig Bee无线技术连接到系统的各种设备，并允许远程监控设备通过GSM网络。
概要
该项目是基于研究智能家居监控系统Zig Bee技术和hitemet技术，远程监控Zig Bee hitemet短距离组合实现无线家庭控制和数据采集系统，避免布线，可扩展性。 首先，系统的总体设计结合基础Zig Bee无线传感器网络的特点和整体网络监控系统的要求，系统设计分为四个部分：无线传输模块，数据处理模块，以太网传输模块，PC 显示界面，然后Zig Bee协议标准进行全面的研究和分析，并给出基于CC2430的无线传输模块的硬件和软件设计和星形网络结构，并给出测试结果。
家庭安防手机视频监控系统设计基于嵌入式系统
摘要：随着国民经济的快速发展和生活水平的提高，人们对家庭安全的意识日益增加，对便捷，移动和实时报警视频终端的需求迅速增长。基于广泛使用的嵌入式网络技术和智能手机的发展，提出了家庭安防的设计方案，其中包括监控前端的嵌入式摄像头和监控终端的智能手机，最终通过手机实现视频监控设备。系统监控前端：选择S3C2440微处理器作为嵌入式系统的硬件核心，选择Linux作为嵌入式操作系统，其功能是对实时图像进行编码和压缩。该系统的网络部分采用中国联通的WCDMA技术和支持流媒体传输的RTP / RTCP协议，其功能是传输和打包数据。智能手机用作监控终端，其功能用于接收和显示数据。通过初步分析和验证，设计合理，可达到理想的要求。
关键词：家庭安防，嵌入式，S3C2440，WCDMA，RTP / RTCP，智能手机
1引言
嵌入式网络技术和无线通信技术已经越来越成熟。智能手机，平板电脑等手持智能终端越来越受欢迎，正在丰富和改变人们的日常生活。人们可以通过手机更方便地进行视频监控，网络聊天，远程会话等。视频采集，编码和压缩由Linux嵌入式系统完成。 3G网络用作视频传输媒体和频道。通过手机远程监控具有实时动态画面功能，企业和家庭可以有一个监控服务更加有效，方便，及时，这种设计具有广阔的市场应用前景和发展空间。视频监控的发展方向是实现视频服务器，数字视频，监控网络，系统集成和智能管理的整合。
2系统硬件设计
在本文中，通过3G网络，手机视频监控系统由两部分组成：嵌入式视频监控系统的服务器中心（服务器），视频监控系统的客户服务中心（客户端）。整个系统如图1所示。
在本系统中，S3C2440开发板用作服务器。智能手机用作监控终端。首先，通过USB摄像头收集视频信息。视频信息通过T.264编码器用H.264编码。然后，编码视频信息通过RTP / RTCP协议和3G网络模块实时打包和传输。最后，Android手机接收传输的视频数据流，视频流被解码并显示在手机广播设备中。
3系统硬件设计
系统服务器采用嵌入式系统结构和模块化设计。主要模块包括：S3C2440（ARM9处理器），USB摄像头，3G网络模块，FLASH和SDRAM等。整个系统的硬件框图如图2所示。
3.1视频采集部分设计
本部分采用CMOS摄像头进行视频信息采集。 CMOS相机是采用CMOS图像传感器的相机。选择CMOS图像传感器的原因：一是具有高集成度，小体积，低功耗，易编程，易于控制，成本低等优点。二，这种传感器正朝着低噪声，高灵敏度方向发展迅速。因此，目前CMOS传感器是低像素图像采集系统中的最佳选择。
3.2服务器部分的设计
服务器部分也称为前端监控。 JZ2440开发板用作服务器主体。其硬件核心是三星公司生产的S3C2440处理芯片，ARM920T是处理芯片的内核，其最大频率高达400 MHz。此外，S3C2440具有MMU管理单元，外部存储器，控制器等导出等功能，主要作用在实时图像信息的编码，压缩和传输。
1）闪存模块：闪存是嵌入式硬件系统使用的存储设备。停电后，仍能保存数据。它包括Nor Flash和Nand Flash，Nand Flash大容量。 Uboot的引导程序在Nor Flash中，Linux内核和文件系统都在Nand flash中。
2）SDRAM模块：SDRAM是同步动态随机存取存储器，与Flash存储器不同，在功耗的情况下不具有保存数据的功能。但其访问速度远高于闪存。
3）3G卡模块：3G卡广泛应用于互联网媒体领域的无线广域通信网络。它在服务器和客户端之间建立网络连接。实时图像信息将通过3G网络传输。
4系统的软件设计
由于系统主体受嵌入式系统的限制，因此需要使用Linux操作系统软件。 Linux是免费使用和免费传播的操作系统，支持多任务，多线程和
多CPU。基于ARM架构，Linux内核，根文件系统和Uboot都应该配置和移植。基于V4L2的3G网卡驱动程序和图像采集驱动程序应在Linux内核中注册，T.264编码器程序和网络传输协议是Linux系统的应用程序。
4.1基于V4L2的视频采集驱动
Vide04Linux2（V4L2）是Linux内核视频设备的内核驱动，是视频采集的驱动框架，构建了摄像机与Linux系统之间的通信关系。 V4L2由两个主要层组成：底层是所谓音视频设备的内核驱动程序，需要配置Linux内核和相关的视频驱动程序系统文件。上层是我们更熟悉的应用层，可以提供API系统。那就是系统提供的API。视频捕获程序流程图如图3所示。
4.2嵌入式系统的移植
在分析Linux嵌入式操作系统时，我们知道它由三部分组成：Bootloader（Uboot），操作系统内核和文件系统，与Windows类似。它们分别解压缩，修补，编辑和编译，最后将生成的文件下载到开发板的闪存。移植程序如图4，图5和图6所示。
4.3 H.264编码设计
H.264标准压缩系统由视频编码层（VCL）和网络抽象层（NAL）组成。 VCL包括编码器和解码器，其主要功能是对视频数据进行编码和解码[8]。 NAL负责格式化数据和提供标题信息，确保数据适合于各种通道和存储介质上的传输。 T.264用于实现H.264编码，具有更高的编码性能，更高的编码率和更好的可扩展空间。编码过程如图7所示。
4.4网络传输设计
该系统采用3G网络作为传输媒体，采用RTP / RTCP协议支持流媒体传输[1]。 RTP（实时传输协议），负责传输数据包。 RTCP（实时传输控制协议）负责数据包传输的质量，防止数据丢失等[5]。这些协议如图8所示。
5客户软件设计
客户端软件是在Android系统中设计和开发的。客户端的整体设计包括网络通信模块，视频解码模块和视频显示模块等。网络通信模块接收来自服务器的所有数据，进行数据分析，并将视频数据存入视频缓冲区。视频解码模块负责从视频缓冲器中读取数据，然后将其发送到H.264解码器进行解码。使用Open GL图形库绘制解码图像，最终实现播放。该过程如图9所示。
5.1 SIP信令的设计
控制信息使用监控系统的客户端和服务器之间的SIP协议。 SIP与Http类似，是基于文本的应用层协议。客户端应注册并登录到SIP服务器，通信需要通过SIP服务器转发。在本文中，使用的SIP信息如图10所示。
客户端向SIP服务器发送REGISTER消息，该消息包含唯一的一般ID。当服务器收到请求时，验证注册信息。验证完成后，注册信息的成功或失败将发送给客户。每次客户端需要向服务器发送心跳消息时，为了保证持续打开端口，这是为了防止长时间登录，服务器关闭发送端口。用户登录后，客户需要继续发送设备列表请求，才能收到设备终端的列表信息。用户单击界面上的特定设备，然后客户端发送视频请求命令。
5.2接收和解码设计
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