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　基于Zigbee技术智能家居系统设计方案
摘要： 对基于ZigBee 技术对嵌入式Web 智能家居远程监控系统进行研究和设计。对家居设备经过Zigbee 进行无线组网，把家居设备信息和数字视频传输到因特网网络上，在因特网上设置一个"无线视频网关"WEB 服务器，可供外部访问；实现将家居信息如温度进行实时显示并进行后续利用和控制；同时将搜集各处传输进来数字视频信息进行后续处理和识别。如入侵检测，人脸检测和识别等。
　　智能家居又称为智能住宅， 在国外常见Smart Home 表示。和智能家居含义近似有家庭自动化（Home Automation）、电子家庭（ElectrONic Home、E-home）、数字家园（Digital Family）、家庭网络（Home Net/Networks for Home）、网络家居（NetworkHome）、智能家庭/建筑（Intelligent Home/Building）等。
　　智能家居系统利用优异计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术将和家居生活相关多种子系统有机地结合在一起，经过统筹管理，让家居生活愈加舒适、安全。智能家居能够提供全方位信息交换功效，帮助家庭和外部保持信息交流通畅，优化大家生活方法，增强家居生活安全性，甚至为多种能源费用节省资金。
　　1 项目概述
　　1.1 智能家居发展概况
　　智能家居是利用优异计算机技术、嵌入式系统和网络通讯技术，将家庭中多种设备（如照明系统、环境控制、安防系统、网络家电）经过家庭网络连接到一起，自从美国在1984 真正智能建筑出现以来， 国外已经有快要30 年研究历史，而中国在这方面研究相对较晚，从 年才逐步应用于高端市场，而且标准不统一，如海信、海尔、清华大学等大家各自为营。因为智能家居系统含有安全、方便、高效、快捷、智能化和个性化独特魅力，使得智能家居开发和建设成为21 世纪科技发展肯定趋势。伴随全球对能源和环境要求越来越高，而智能家居在节能方面效果优势很显著，所以含有很宽广市场前景。
　　1.2 开发板关键参数
　　本项目所使用开发板为Real6410 开发板，采取三星企业ARM11 内核处理器S3C6410.开发板上还集成了123 MDDR 内存和1 GB NandFlash, 同时预留了256 kNorFlash.底板上还提供两个四线RS-232 串口， 一个USBHOST 接口，一个10 M/100 M 自适应以太网接口等外设。
　　2 关键研究内容
　　现在，多种智能家居系统设计多以有线为主，但有线技术并不适适用于智能家居普及，安装难度大和价格昂贵缺点限制了其发展。所以无线通信技术应用到智能家居中必将成为未来发展趋势和时尚。
　　本项目对家居设备经过Zigbee 进行无线组网， 把家居设备信息和数字视频传输到因特网网络上，在因特网上设置一个"无线视频网关"WEB 服务器，可供外部访问；将家居信息如温度进行实时显示并进行后续利用控制；同时将搜集各处传输进来数字视频进行后续处理和识别。
　　3 项目总体设计方案
　　3.1 系统总体方案设计标准
　　本项目关键完成智能家居环境变量和视频信号监控。整个系统包含一块ARM11 开发板，一个16 位单片机，2个USB CMOS 摄像头；一台PC 机（运行用户端监控程序）依据功效不一样，整个系统可划分由视频采集模块、数据压缩、编码模块和视频监控PC 等组成。采集模块包含USB摄像头； 数据压缩编码由ARM11 处理器完成； 视频监控PC 完成视频用户端功效；PC 机完成对开发系统程序开发、调试等。图1 为系统组成结构。

图1 系统组成结构
　　3.2 系统各部分结构功效及设计
　　整个智能家居系统设计可分为两大部分：
　　1）WEB 服务器端设计；2）用户机终端监控软件设计。
　　3.2.1 WEB 服务器端设计
　　首先为ARM 开发板定制一个适宜Linux 内核（内核版本：Linux 2.6.28），然后对其进行裁剪，使其含有基础内核功效，同时保留TCP/IP 协议栈，串口协议和对应视频编解码模块，使系统利用尽可能少硬件资源来满足任务处理工作。然后是开发一个运行于Linux 下WEB 服务器程序，其实现基础功效是经过USB 摄像头图像数据采集，完成对视频信息获取、压缩和编码（具体编码标准为目前较为流行H264 编码）。然后经过TCP/IP 协议将数据打包发送到网络，同时利用Socket实现服务器监听功效，这么就能够接收来自用户机监控请求。具体工作内容以下：
　　1）USB 摄像头驱动程序移植；2）H264 视频编码程序移植；3）视频采集和传输应用程序设计；4）经过Zigbee 获取传感器相关信息。
　　图2 为WEB 服务器工作步骤，图3 为ARM 经过网页采集视频图像，其IP 地址为：168.192.1.1:8080,此视频即能够经过网页显示，也能够经过对应基于I386 或Linux 监控软件进行查看。

图2 WEB 服务器工作步骤图

图3 ARM 经过网页采集视频信息
3.2.2 用户机终端监控软件设计
　　用户机终端监控软件采取MFC 编写， 可实现来自WEB服务器端实时视频预览、视频录制、视频截图及传感器参数实时显示等功效。程序采取多线程技术：一个线程进行视频信息解码和播放功效，另一个线程实现视频录制功效。
　　另外还采取了视频信息叠加方法，能够对环境变量进行屏幕叠加，能在录制时完成信息录制和再现。图4 为终端监控软件。

图4 用户机终端监控软件
　　4 项目关键技术
　　4.1 传感器信息经过Zigbee 传输
　　Zigbee 是IEEE 802.15.4 协议代名词。依据这个协议要求技术是一个短距离、低功耗无线通信技术。IEEE-802.15.4 规范是一个经济、高效、低数据速率（<250 kbps）、工作在2.4 GHz 和868/928 MHz 无线技术， 用于个人区域网和对等网络。本项目使用Zigbee 完成传感器信息传输。传感器信息由一端Zigbee 接收后发送至另一端Zigbee,然后传入RS232 串口中。具体传输模型图5 所表示。

图5 传感器信息经过Zigbee 传输模型
　　4.2 DirectShow 视频采集
　　DirectShow 是微软企业在ActiveMovie 和Video forWindows 基础上推出新一代基于COM （ComponentObject Model）流媒体处理开发包。DirectShow 技术对处理图像序列或用摄像机捕捉序列尤其有用。本项目使用VC 开发基于DirectShow 技术实现视频采集。经过#pragmacomment（lib, "winmm.lib"）链接静态库winmm.lib,便能够实现windows 多媒体编程。
　　4.3 多线程技术及Socket
　　智能家居系统用户机监控软件采取MFC 编写。其中关键技术包含多线程和Socket（）。
　　监控软件中包含previewVideo 线程（ 经过函数UINTpreviewVideo（LPVOID videoCtl）实现）实现视频预览功效和recordVideo 线程（ 经过函数UINT recordVideo （LPVOIDvideoCtl） 实现） 实现视频录制功效。打开摄像头后经过AfxBeginThread （previewVideo,&m_video） 函数开启previewVideo 视频预览线程， 用户便能够经过监控软件预览视频图像。当用户点击录制视频按钮时， 首先经过函数SuspendThread（pVideoThread->m_hThread）挂起previewVideo视频预览线程， 然后经过函数AfxBeginThread（recordVideo,&m_video）开启recordVideo 视频录制线程。当用户点击停止录制按钮时， 软件经过函数ResumeThread （pVideoThread->m_hThread）恢复previewVideo 视频预览线程。终端监控软件经过previewVideo 线程和recordVideo 线程便能很好实现用户机视频预览和视频录制功效。线程模型图6所表示。

图6 线程模型
　智能家居系统使用Socket（）实现用户机和服务器之间通信。经过USB 摄像头采集数据，对数据进行获取、压缩和编码后经过TCP/IP 协议将数据打包发送到网络，同时在服务器端创建Socket（）进行监听，来接收用户机请求。当用户机发送connect（）连接请求后，服务器经过accept（）接收用户机连接请求。然后服务器和用户机之间经过send（）函数和recv（）函数实现发送、接收数据。Socket（）通信模型图7 所表示。

图7 Socket 通信模型
　　4.4 入侵检测功效实现
　　为了降低网络传输和系统压力，在视频采集端，每采集一次图像就对采集数据进行一次处理。该函数设定一个图像发生改变阈值c_limit,然后将图像全部像素之差和阈值c_limit 进行比较，假如大于阈值c_limit,则认为图像发生了改变，不然即认为没有改变，则不将该次采集图像数据写入JPEG 文件保留，这么能够极大地提升视频存放能力，同时降低各资源浪费。
　　4.5 利用openCV 库实现人脸检测
　　OpenCV 是Intel 企业面向应用程序开发者开发计算机视觉库，其中包含大量函数用来处理计算机视觉领域中常见问题，比如运动分析和跟踪、人脸识别、3D 重建和目标识别等。
　　在openCV 函数可编程过程中，CvSize 和IpImage 是两个比较常见结构。CvSize 结构表示矩形尺寸结构，结构中分别定义了矩形宽度和高度。IpImage 结构关键针对视觉方面处理。
　　软件实现中首先经过函数IpImage* cvCreateImage （cvSize（img->wIDTh,img->height）， 8, 1 ）为图像分配内存，然后使用函数cvCvtColor（ img, gray, CV_BGR2GRAY ）将RGB图像转为灰度图像。为了让输入图像大小相同经过cvResize（ gray, small_img, CV_INTER_LINEAR ） 对图像进行缩放，函数cvEqualizeHist（ small_img, small_img ）实现灰度图像直方图均衡化。然后利用函数cvHaarDetectObjects（small_img,cascade, storage1,1.1, 2, CV_HAAR_DO_CANNY_PRUNING,cvSize （30, 30）） 对图像进行脸部检测， 最终利用函数cvGetSeqElem、cvRound、cvCircle 将脸部用圆圈标示。图8 为脸部检测效果图。

图8 脸部检测效果图
　　5 结束语
　　项目社会和经济效益分析。
　　关键用途和应用范围：1）对机要部门监视、控制和报警，如档案室、文件室、金库、博物馆等；2）工厂、市场等监视，如工厂生产过程、市场、营业厅、展览厅、货场等监视；3）对交通运输监视，如公共交通、铁路车站、铁路调度等监视；4）用于安全报警，如防盗、防火等报警；5）在安全身产方面应用，如煤矿等。
　　经济效益：伴随大家生活水平提升，大家对智能家居需求越来越高，而作为中国房地产配套产业，中国智能家居经过多年发展，已成为一个集控制、计算机、家电等多个新技术为一体新兴产业。不过，因为市场不规范、行业标准不完善，市场发展并不是很成熟，现在还处于群雄逐鹿"战国时代".含有很大市场潜力。
　　社会效益：伴随哥本哈根会议和"十二五计划" 目前，当低碳减排已成为一项国家行动，而智能家居在这方面有自己优势。其不仅智能而且节能，含有较高社会效益