隨著計算機技術、信息技術、控制技術的發展，以及人們物質生活水平的不斷提高，傳統的住宅顯然已經不能滿足人們的需求，智能家居便應運而生了。一個真實的智能家居傳感器網絡能夠把所有物品通過射頻識別等信息傳感設備與3G互聯網連接起來，實現智能化識別和管理。本文所研究的動態智能家居系統除了能夠實現傳統的家居系統傳感器數據采集、分析及安防報警、手機短信遠程控制家用電器開關的功能之外，通過加入小車這個移動智能網關，可以實時獲取家里的信息。通過短信以及Internet與智能家居網關進行通信，實現對智能家居系統的遠程控制。

1 基于Zynq平臺的動態智能家居系統

1．1 系統研究背景
當前嵌入式設計發展迅猛，在包含大量數據處理模塊（比如智能視頻監控、先進的工業控制等應用）的場景中，對高性能、低功耗、靈活性高的處理器的需求很高，現有的微處理器缺乏足夠的信號處理能力，而Zynq－7000是一款高性能和低功耗的處理器平臺，具有ARM＋FPGA的體系結構，能夠提供靈活和可擴展的解決方案。

傳統的智能家居系統主控CPU一般采取ARM＋Zigbee的解決方案，此次系統中創新性的使用Zedboard FPGA（現場可編程邏輯門陣列）作為主控CPU，Zigbee模塊采用CC2530 Soc解決方案，GPRS模塊采用sim300模塊，使用AT指令與用戶手機進行交互，Internet交互通過BOA，CGI實現．FPGA實現PWM信號產生邏輯控制電機。

1．2 系統實現架構
如下圖1所示，主控模塊完成的功能主要包括與Zigbee協調器，GSM／GPRS，Internet的互聯，攝像頭視頻采集與電機驅動小車控制．該模塊包含兩個進程，進程一負責取Zigbee網絡數據，并且將處理后的數據分發給GSM／GPRS模塊，以及Internet WebServer模塊。

圖 1 系統硬件結構框架

進程一又包括三個獨立的線程，分別與各個模塊進行交互．流程如下： pthread＿t tid［3］； ／／創建線程號pthread＿attr＿t attr［3］； ／／為線程分配空間 pthread＿attr＿init（＆attr［0］）； pthread＿attr＿setscope（＆attr［0］， PTHREAD＿SCOPE＿SYSTEM）； ．．．．．．． ／／線程空間初始化 pthread＿create（＆tid［0］，＆attr［0］，thread＿serial＿ttyPS1，NULL）；／／創建線程1：用于ZedBoard獲取ZigBee網絡數據 pthread＿create（＆tid［1］，＆attr［1］，thread＿serial＿uartlite＿debug，NULL）；／／創建線程2：用于ZedBoard向GSM發送數據包 pthread＿create（＆tid［2］，＆attr［2］，thread＿serial＿ttyPS1toWeb，NULL）；／／創建線程3：用于ZedBoard向Internet發送數據包 pthread＿join（tid［0］，NULL）；．．．．．．． ／／在主函數中加入線程 pthread＿rwlock＿destroy（＆GPacketBuf＿rwmutex）； ／／釋放線程

進程二是CGI模塊，由WebServer調用，其功能包括解析數據包，并將ZigBee信息以網頁的形式呈現給用戶．流程如下：第一步，創建數據包格式，第二步是運用HTML語言將從Zigbee自組網搜集的溫度傳感器、電池供電電壓、火災警告、防盜報警、風扇、電燈開關狀況通過網頁告知用戶，用戶可以通過在遠端登陸Internet查看家居狀況的完整信息．數據包的具體格式將會在后面的ZigBee模塊處給出。

2 ZigBee自組網

2．1 ZigBee網絡節點配置
在ZigBee網絡中有三種設備：協調器：負責啟動整個網絡，它也是網絡的第一個設備．路由器的功能主要是：允許其他設備加入網絡，并協助自身同時作為終端設備的通訊．終端設備沒有特定的維持網絡結構的責任，它可以睡眠或者被喚醒。

2．2 串口通信數據包格式
ZedBoard主控與Zigebee協調器通信數據包格式如下：StartByte －＞1B （代表數據包起始字節 0x47）PropertyId－＞1B （代表屬性ID） NodeId－＞1B （代表Zigbee終端設備節點ID）PacketLength－＞2B （代表整個包的長度） PrivateData－＞XB （代表屬性ID對應的負載內容 X ＝ PacketLength －6 ） EndByte－＞1B （代表數據包結束字節0x48）

該數據包的統一格式不僅用于ZigBee協調器節點與ZedBoard的通信，也用于ZedBoard FPGA開發板向GSM模塊之間串口通信發送的數據包，也適用于ZedBoard向Internet CGI模塊傳送的數據包，即這三個數據包相統一．然后接收模塊再通過數據包協議對接收到的消息進行解析．GSM模塊會通過解析判斷是否有警告情況出現，進而向用戶發短信以警告，Internet模塊再將各個傳感器收集到的數據以文本形式顯示在網頁上。

2．3 電機驅動與智能小車的實現
該模塊由L298N雙H橋直流電機驅動模塊實現，驅動部分端子供電范圍Vs為＋5V到＋30V，驅動部分峰值電流為2A，原理圖見下圖2所示，圖中IN1，IN2，IN3，IN4為控制信號，當IN1為0，IN2為1時，電機a正轉，IN1為1，IN2為0時，電機a反轉。當IN1，IN2同時為0或同時為1時，電機停止轉動，PWM－a，PWM－b為使能端，接FPGA PWM輸出信號，L298N－a，L298N－b為電機A輸出端．電機b原理同上。該直流電機驅動主要用于驅動智能小車，以實現小車在房間移動，并用攝像頭來采集房間實時信息，并及時通過互聯網返回給用戶；另外，智能小車上也帶有一個ZigBee模塊，裝有熱釋電人體紅外傳感器，以檢測房間內是否有陌生人出入，可燃氣體傳感器以檢測廚房是否出現可燃氣體泄露，煙霧傳感器以檢測是否有火災發生。

圖2 直流電機驅動原理圖

2．4 GPRS／GSM模塊
在GPRS模塊中，我們采用Simcom提供的SIM300開發模塊，主要是利用8051單片機來實現數據解析，以判斷是否有警告消息出現，進而向用戶發送警告短信，向用戶發送短信是通過單片機串口向SIM300串口傳送一連串的AT指令來實現的。

在發送AT指令的過程中，通過實驗發現，發送AT指令的頻率太高會導致SIM300反應不過來而導致操作失敗，發送頻率太低則會使信息的實時性缺失，用戶不能及時了解到警告信息并通過發送短息加以控制，GPRS作為一個媒介實現用戶與智能家居系統的互通．同理，Internet 端也作為一個中間介質以實現用戶對智能小車的控制。實現動態瀏覽的目標．具體通信的流程圖如下圖3所示：

圖3 系統各模塊間信息傳輸原理圖

3 結論
（1）采用嵌入式高性能處理器ZedBoard 作為主控CPU，利用Linux軟件平臺實現復雜的應用邏輯：例如定義通信協議、對信息進行收集和分發、定義Uart IP 核，不僅提高了開發周期，易于后期擴展；而且系統整體功能也比較穩定。

（2）串口通信方面，實驗發現：在高波特率下會出現丟包現象比較嚴重，低波特率下會導致信息反饋不及時，致使系統的實時性降低，最后通過測試統一將波特率設定為9600。

（3）通過引入智能小車，能夠將移動小車采集的視頻信息及時傳送至互聯網．下一步將分析串口數據速率對彩信傳輸有效性之間的關系，研究優化彩信發送策略，力求在實現互聯網實時監控的同時，能夠在短信發送報警信號時，GPRS模塊能及時將圖片以彩信形式反饋給用戶。