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摘要：本文研究并设计了一种基于Zigbee技术和3G网络通信的新型智能家居监控系统。采用异构传感网相融合的网络架构设计思想，将系统中各传感节点与设备统一管理，实现家居环境与用户移动控制终端之间数据信息的安全传输。测试结果表明，新型智能家居监控系统数据传输可靠性较高，可满足现代社区家居环境对于安防监控的需求。
关键词：智能家居；Zigbee；3G网络；安全监控
引言
随着现代科技的发展及人们生活水品的提高，越来越多的人不再满足于传统的家居生活方式，开始期望出现一种依托现代科技的全新的家居体验，智能家居技术应运而生[1]，无论在传统家居还是智能家居中，安全问题一直是人们关注的焦点问题之一。而一般的家居控制仅拥有家庭局域网络，只能在家庭内部进行监控[2]。本文在此基础之上研究并设计了一种基于Zigbee及3G网络的智能家居监控系统，实现了对家居系统的远程监控，并且能够通过移动终端实时的了解家庭内的环境数据，提高家居生活的安全系数。
1系统架构
本文研究设计的智能家居监控系统采用Zigbee无线传感网络加3G网络架构，家居内部的各种环境数据例如温度，湿度等以及各家用电器的节点数据通过Zigbee无线传感网络传送至嵌入式主控芯片，由嵌入式系统进行综合分析处理，在此基础之上，添加视频监控系统，通过在大门，阳台等存在安全隐患的地方安装摄像头，进行视频监控，进一步提高家居安全系数。视频数据也一并送至嵌入式主控系统，进行压缩、编码等处理。为了方便人们在外出的时候可以实时的了解家庭情况，本文将嵌入式系统收集并处理之后的各家居数据通过3G网络接入Internet，用户可以通过联网的手机、平板电脑等随身携带的移动终端实时的了解家庭内部环境，实现对家居系统的远程控制。系统框图如图1所示。
图1 智能家居监控系统
2硬件设计
2.1 Zigbee无线局域网设计
Zigbee又被称为紫峰技术，是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。一般这个协议规定的通信技术是一种传输距离较短且功耗较低的无线通信技术。其主要特点是低复杂度、低功耗、近距离、低成本、自组织、低数据传输速率。主要适合应用于各类自动控制和远程控制系统，可以嵌入到各种设备中。简而言之，ZigBee技术就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。
本文采用的Zigbee技术为CC2530片上系统解决方案，CC2530是由德州仪器开发的一种典型的Zigbee技术解决方案，众所周知，Zigbee无线网络传输技术需要一系列的网络节点作为支撑，本文采用的CC2530能够建立起一个强大的网络节点，但是所需要的成本相对于其他解决方案来说有很大优势，同时CC2530具有一些不同的运行模式，切换不同的运行模式可以有效地降低系统功耗，对整个系统工作的稳定性有着重要意义。
2.1.1Zigbee网络拓扑
采用何种网络拓扑结构将决定局域网内各节点之间消息的传递方式。常见的Zigbee网络拓扑结构有三种：星型网络拓扑、树型网络拓扑、网状网络拓扑。星型网络拓扑选定一个中心节点作为协调器，其周围的相邻终端节点均只与中心节点相互通信，中心节点作为整个网络的核心，需要分析处理所有的数据，必须连续不间断供电。树型网络拓扑是利用路由器对星型网络拓扑做的一些补充即底层的若干个终端节点连接至路由器，各路由器再连接至协调器。通信时各终端的数据首先汇集到路由器，再由路由器传送至协调器。网状拓扑即树型拓扑中的路由节点可以与其附近的其他路由节点相互通信，信息传输方式更加复杂多变。三种网络拓扑结构如图2所示。
图2 三种网络拓扑结构
通过对上述各拓扑结构的分析，结合本文设计需求可知本文更加适合采用星型网络拓扑结构。
2.1.2无线传感网络终端节点设计
终端节点是整个智能家居系统最基础的部分，由传感器采集模块和Zigbee精简功能设备集成而成。终端节点接收到协调器节点发送来的数据采集命令之后，将传感器采集到的家居环境数据经无线传感网络发送至协调器节点，再由具有全设备功能的协调器节点传送至嵌入式系统。
常规的家居环境数据采集传感器如温度传感器，湿度传感器，煤气浓度检测传感器等都有成熟的电路，本文设计中只需将传感器模块与Zigbee模块结合即可组成无线传感器。无线传感器结构如图2所示。在本文的星型Zigbee网络拓扑中，无线传感器作为终端节点只需与协调器节点之间相互通信，接收协调器节点发送的命令，并将传感器采集的数据传送至协调器节点。无线传感器结构如图3所示。
图3无线传感器结构
2.2 监控视频采集处理
在大门、阳台、客厅等室内一些必要的地方安装基于USB接口的数字摄像头，将采集到的视频数据通过USB接口直接送到嵌入式系统中进行压缩及编码处理。数字摄像头可以直接将采集的模拟视频信息转化成数字信号。数字视频信号与模拟视频信号相比具有抗干扰能力强，频谱效率高，图像失真少等优点。目前市场上的摄像头基本以数字摄像头为主，购买及安装使用非常方便。嵌入式主控系统在接收到摄像头发送的数字信号并进行压缩处理之后将视频数据通过3G网络发送至用户的移动终端，方便用户随时通过视频图像了解家居内的安全状况。
3监控系统功能实现
本文系统平台采用ARM-Linux系统，其内核功能与Linux操作系统非常相似，并没有本质区别，驱动程序需要实现的功能也一样。只是在内核编译时，需要移植到ARM上的Linux系统所采用的编译器以及一些头文件和部分库文件会依赖于具体的ARM处理器结构。解决这一问题只需在Makefile文件中制定即可。
3.1视频采集压缩功能实现
本文视频采集功能的实现依靠USB摄像头，其正常工作需要在ARM-Linux中配置相关的驱动程序。Linux中关于视频设备的驱动程序常用的是Video4Linux。它提供了一系列的接口函数供视频设备编程时调用。 首先将驱动程序模块编译成.O目标文件，放在内核的/lib/modules/目录下，使用depmod –a命令将此模块变成可加载模块。在调用摄像头功能时，使用insmod命令调用驱动程序中int init-module（void），设备驱动程序开始初始化，初始化结束，摄像头便能正常工作。摄像头被正常驱动之后，便是对视频数据的采集工作。图4为视频采集工作流程图。
图4 视频采集流程
完成对视频的采集之后，为了便于视频数据在3G网络中传输，还需要对视频数据进行压缩，以适应3G无线网络带宽。H.264视频压缩标准是JVT（Joint Video Team 视频联合工作组）提出来的一种新的视频压缩标准，在图像质量相同的前提下，H.264数据压缩比与MPEG-2相比高出2-3倍，比MPEG-4相比高出1.5倍到2倍。因此，经过H.264标准压缩后的视频数据对网络带宽的要求更低，更适于带宽非常紧张的无线网络。
3.2 3G网络传输功能实现
本文设计的3G网络部分的主要功能是将嵌入式主控系统收集并处理之后的监控视频数据及各类家居安全数据以无线的方式接入互联网，并发送至用户的手机等移动终端。3G模块接入方式采用WCDMA制式，选用能够满足监控视频传输带宽需求的华为E1750无线上网卡它支持上行最高速率HSUPA 5.76Mbps；支持下行最高速率HSDPA 7.2Mbps，数据传输非常快。
为使3G网卡在ARM-Linux下能够正常工作，必须配置驱动信息。
首先在/driver/usb/serial/p12303.c
中加入3G无线网卡的ID信息：
{USB-DEVICE（HUAWEI_VENDORID），HUAWEI_PRODUCT_ID））
在/driver/usb/serial/p12303.h中加入：
#define HUAWEI_VENDOR_ID 0xl2dl
#define HUAWEI_PRODUCT_ID 0xl001
然后，将Linux内核重新编译。
在内核/dev目录下建立新的字符节点
Mknod/dev/ttyUSB0 c 188 0
Mknod/dev/ttyUSB1 c 188 1
Mknod/dev/ttyUSB2 c 1 88 2
接下来交叉编译3G虚线网卡驱动的移植工具usb-modeswich，它是一种转换USB设备工作模式的工具。usb-modeswich.setup文件中加入以下程序：
#Huawei E1750
#Contributor：Anders Blomdell，Ahmed Soliman
DefaultVendor=0x12dl
DefaultProduct=0x1446
TargetVendor=0xl2dl
TargetProduct=0x1001
#only for reference and0.x versions
MessageEndpoint=0x0l
MessageContent=”55534243123456780000000000000011060000000000000000000000000000”
HuaweiMode=0
运./usb_modeswitch即可切换3G网卡的工作模式，进行3G拨号上网。
实验室条件下，在基于Linux操作系统的嵌入式平台基础之上连接USB摄像头，网络环境为实验室的WCDMA3G网络，终端为一个普通的安卓系统智能手机。测试了包括灯光控制、温湿度采集等10个节点，最远距离协调器13米，结果表明，在Zigbee无线传感网络内系统能够稳定运行，没有出现掉线的情况，能够有效的采集并传输测试的数据。3G通信网中也能够高效的传输视频等信息数据。图5为实验室条件下手机终端接收到的监控画面。
图5 移动终端监控画面
4 总结
本文研究设计了一个基于Zigbee及3G无线网络的智能家居监控系统，实现了Zigbee网络采集的各种室内安全数据和摄像头采集的视频监控画面一并通过3G无线网络传输至用户移动终端。为用户提供了一个家居安全监控平台。3G网络的应用也契合了当下高速发展的移动互联网时代，具有很高的实际应用价值。
参考文献
[1] 肖海涛. 基于ZigBee技术的智能家居系统设计[D]，中国优秀硕士学位论文全文数据库，2008.
[2] 宋冬，廖结，陈星，江灏. 基于Zigbee和GPRS的智能家居系统设计 [J].计算机工程，2012，33：243-246.
[3] 李战明，李泉，殷培峰. 基于ZigBee的环境监测无线传感器网络节点设计 [J].电子测量技术，2010，33（6）：118～122.
[4] 丁诚诚. 基于ZigBee的人体传感网的设计与实现[D]，中国优秀硕士学位论文全文数据库，2010.
[5] Halit Eren， Emran Fadizl. Technical challenges for Wireless Instrument Networks—A Case Study with Zigbee[C]. IEEE Sensors Applications Symposium San Diego， California USA， 2007 IEEE.
[6] 周毅.基于Android系统的视频监控客户端软件的设计与实现[D].浙江工业大学，2012
[7] 南忠良，孙国新.基于ZigBee技术的智能家居系统设计[J]电子设计工程，2010，18（7）：117-119.
[8] Texas Instruments.Implementation of Microstrip Balun for CC2420，CC243x，andCC2480[EB/OL].（2008-04-04）.http：//www.ti.com/
作者简介：张烁（1980—），男，安徽长丰人，汉族，现为安徽理工大学电气与信息工程学院电气工程专业2011级工程硕士研究生，主要从事通信技术方面的研究工作
关键词：智能家居；Zigbee；3G网络；安全监控
引言
随着现代科技的发展及人们生活水品的提高，越来越多的人不再满足于传统的家居生活方式，开始期望出现一种依托现代科技的全新的家居体验，智能家居技术应运而生[1]，无论在传统家居还是智能家居中，安全问题一直是人们关注的焦点问题之一。而一般的家居控制仅拥有家庭局域网络，只能在家庭内部进行监控[2]。本文在此基础之上研究并设计了一种基于Zigbee及3G网络的智能家居监控系统，实现了对家居系统的远程监控，并且能够通过移动终端实时的了解家庭内的环境数据，提高家居生活的安全系数。
1系统架构
本文研究设计的智能家居监控系统采用Zigbee无线传感网络加3G网络架构，家居内部的各种环境数据例如温度，湿度等以及各家用电器的节点数据通过Zigbee无线传感网络传送至嵌入式主控芯片，由嵌入式系统进行综合分析处理，在此基础之上，添加视频监控系统，通过在大门，阳台等存在安全隐患的地方安装摄像头，进行视频监控，进一步提高家居安全系数。视频数据也一并送至嵌入式主控系统，进行压缩、编码等处理。为了方便人们在外出的时候可以实时的了解家庭情况，本文将嵌入式系统收集并处理之后的各家居数据通过3G网络接入Internet，用户可以通过联网的手机、平板电脑等随身携带的移动终端实时的了解家庭内部环境，实现对家居系统的远程控制。系统框图如图1所示。
图1 智能家居监控系统
2硬件设计
2.1 Zigbee无线局域网设计
Zigbee又被称为紫峰技术，是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。一般这个协议规定的通信技术是一种传输距离较短且功耗较低的无线通信技术。其主要特点是低复杂度、低功耗、近距离、低成本、自组织、低数据传输速率。主要适合应用于各类自动控制和远程控制系统，可以嵌入到各种设备中。简而言之，ZigBee技术就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。
本文采用的Zigbee技术为CC2530片上系统解决方案，CC2530是由德州仪器开发的一种典型的Zigbee技术解决方案，众所周知，Zigbee无线网络传输技术需要一系列的网络节点作为支撑，本文采用的CC2530能够建立起一个强大的网络节点，但是所需要的成本相对于其他解决方案来说有很大优势，同时CC2530具有一些不同的运行模式，切换不同的运行模式可以有效地降低系统功耗，对整个系统工作的稳定性有着重要意义。
2.1.1Zigbee网络拓扑
采用何种网络拓扑结构将决定局域网内各节点之间消息的传递方式。常见的Zigbee网络拓扑结构有三种：星型网络拓扑、树型网络拓扑、网状网络拓扑。星型网络拓扑选定一个中心节点作为协调器，其周围的相邻终端节点均只与中心节点相互通信，中心节点作为整个网络的核心，需要分析处理所有的数据，必须连续不间断供电。树型网络拓扑是利用路由器对星型网络拓扑做的一些补充即底层的若干个终端节点连接至路由器，各路由器再连接至协调器。通信时各终端的数据首先汇集到路由器，再由路由器传送至协调器。网状拓扑即树型拓扑中的路由节点可以与其附近的其他路由节点相互通信，信息传输方式更加复杂多变。三种网络拓扑结构如图2所示。
图2 三种网络拓扑结构
通过对上述各拓扑结构的分析，结合本文设计需求可知本文更加适合采用星型网络拓扑结构。
2.1.2无线传感网络终端节点设计
终端节点是整个智能家居系统最基础的部分，由传感器采集模块和Zigbee精简功能设备集成而成。终端节点接收到协调器节点发送来的数据采集命令之后，将传感器采集到的家居环境数据经无线传感网络发送至协调器节点，再由具有全设备功能的协调器节点传送至嵌入式系统。
常规的家居环境数据采集传感器如温度传感器，湿度传感器，煤气浓度检测传感器等都有成熟的电路，本文设计中只需将传感器模块与Zigbee模块结合即可组成无线传感器。无线传感器结构如图2所示。在本文的星型Zigbee网络拓扑中，无线传感器作为终端节点只需与协调器节点之间相互通信，接收协调器节点发送的命令，并将传感器采集的数据传送至协调器节点。无线传感器结构如图3所示。
图3无线传感器结构
2.2 监控视频采集处理
在大门、阳台、客厅等室内一些必要的地方安装基于USB接口的数字摄像头，将采集到的视频数据通过USB接口直接送到嵌入式系统中进行压缩及编码处理。数字摄像头可以直接将采集的模拟视频信息转化成数字信号。数字视频信号与模拟视频信号相比具有抗干扰能力强，频谱效率高，图像失真少等优点。目前市场上的摄像头基本以数字摄像头为主，购买及安装使用非常方便。嵌入式主控系统在接收到摄像头发送的数字信号并进行压缩处理之后将视频数据通过3G网络发送至用户的移动终端，方便用户随时通过视频图像了解家居内的安全状况。
3监控系统功能实现
本文系统平台采用ARM-Linux系统，其内核功能与Linux操作系统非常相似，并没有本质区别，驱动程序需要实现的功能也一样。只是在内核编译时，需要移植到ARM上的Linux系统所采用的编译器以及一些头文件和部分库文件会依赖于具体的ARM处理器结构。解决这一问题只需在Makefile文件中制定即可。
3.1视频采集压缩功能实现
本文视频采集功能的实现依靠USB摄像头，其正常工作需要在ARM-Linux中配置相关的驱动程序。Linux中关于视频设备的驱动程序常用的是Video4Linux。它提供了一系列的接口函数供视频设备编程时调用。 首先将驱动程序模块编译成.O目标文件，放在内核的/lib/modules/目录下，使用depmod –a命令将此模块变成可加载模块。在调用摄像头功能时，使用insmod命令调用驱动程序中int init-module（void），设备驱动程序开始初始化，初始化结束，摄像头便能正常工作。摄像头被正常驱动之后，便是对视频数据的采集工作。图4为视频采集工作流程图。
图4 视频采集流程
完成对视频的采集之后，为了便于视频数据在3G网络中传输，还需要对视频数据进行压缩，以适应3G无线网络带宽。H.264视频压缩标准是JVT（Joint Video Team 视频联合工作组）提出来的一种新的视频压缩标准，在图像质量相同的前提下，H.264数据压缩比与MPEG-2相比高出2-3倍，比MPEG-4相比高出1.5倍到2倍。因此，经过H.264标准压缩后的视频数据对网络带宽的要求更低，更适于带宽非常紧张的无线网络。
3.2 3G网络传输功能实现
本文设计的3G网络部分的主要功能是将嵌入式主控系统收集并处理之后的监控视频数据及各类家居安全数据以无线的方式接入互联网，并发送至用户的手机等移动终端。3G模块接入方式采用WCDMA制式，选用能够满足监控视频传输带宽需求的华为E1750无线上网卡它支持上行最高速率HSUPA 5.76Mbps；支持下行最高速率HSDPA 7.2Mbps，数据传输非常快。
为使3G网卡在ARM-Linux下能够正常工作，必须配置驱动信息。
首先在/driver/usb/serial/p12303.c
中加入3G无线网卡的ID信息：
{USB-DEVICE（HUAWEI_VENDORID），HUAWEI_PRODUCT_ID））
在/driver/usb/serial/p12303.h中加入：
#define HUAWEI_VENDOR_ID 0xl2dl
#define HUAWEI_PRODUCT_ID 0xl001
然后，将Linux内核重新编译。
在内核/dev目录下建立新的字符节点
Mknod/dev/ttyUSB0 c 188 0
Mknod/dev/ttyUSB1 c 188 1
Mknod/dev/ttyUSB2 c 1 88 2
接下来交叉编译3G虚线网卡驱动的移植工具usb-modeswich，它是一种转换USB设备工作模式的工具。usb-modeswich.setup文件中加入以下程序：
#Huawei E1750
#Contributor：Anders Blomdell，Ahmed Soliman
DefaultVendor=0x12dl
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#only for reference and0.x versions
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运./usb_modeswitch即可切换3G网卡的工作模式，进行3G拨号上网。
实验室条件下，在基于Linux操作系统的嵌入式平台基础之上连接USB摄像头，网络环境为实验室的WCDMA3G网络，终端为一个普通的安卓系统智能手机。测试了包括灯光控制、温湿度采集等10个节点，最远距离协调器13米，结果表明，在Zigbee无线传感网络内系统能够稳定运行，没有出现掉线的情况，能够有效的采集并传输测试的数据。3G通信网中也能够高效的传输视频等信息数据。图5为实验室条件下手机终端接收到的监控画面。
图5 移动终端监控画面
4 总结
本文研究设计了一个基于Zigbee及3G无线网络的智能家居监控系统，实现了Zigbee网络采集的各种室内安全数据和摄像头采集的视频监控画面一并通过3G无线网络传输至用户移动终端。为用户提供了一个家居安全监控平台。3G网络的应用也契合了当下高速发展的移动互联网时代，具有很高的实际应用价值。
参考文献
[1] 肖海涛. 基于ZigBee技术的智能家居系统设计[D]，中国优秀硕士学位论文全文数据库，2008.
[2] 宋冬，廖结，陈星，江灏. 基于Zigbee和GPRS的智能家居系统设计 [J].计算机工程，2012，33：243-246.
[3] 李战明，李泉，殷培峰. 基于ZigBee的环境监测无线传感器网络节点设计 [J].电子测量技术，2010，33（6）：118～122.
[4] 丁诚诚. 基于ZigBee的人体传感网的设计与实现[D]，中国优秀硕士学位论文全文数据库，2010.
[5] Halit Eren， Emran Fadizl. Technical challenges for Wireless Instrument Networks—A Case Study with Zigbee[C]. IEEE Sensors Applications Symposium San Diego， California USA， 2007 IEEE.
[6] 周毅.基于Android系统的视频监控客户端软件的设计与实现[D].浙江工业大学，2012
[7] 南忠良，孙国新.基于ZigBee技术的智能家居系统设计[J]电子设计工程，2010，18（7）：117-119.
[8] Texas Instruments.Implementation of Microstrip Balun for CC2420，CC243x，andCC2480[EB/OL].（2008-04-04）.http：//www.ti.com/
作者简介：张烁（1980—），男，安徽长丰人，汉族，现为安徽理工大学电气与信息工程学院电气工程专业2011级工程硕士研究生，主要从事通信技术方面的研究工作