基于ARM的智能家居紅外控制系統(tǒng)設(shè)計

童江松, 李仁旺, 錢小燕

(浙江理工大學(xué)機械與自動控制學(xué)院, 杭州 310018)

基于ARM的智能家居紅外控制系統(tǒng)設(shè)計

童江松, 李仁旺, 錢小燕

(浙江理工大學(xué)機械與自動控制學(xué)院, 杭州 310018)

設(shè)計了一種基于ARM的紅外控制系統(tǒng),以ARM為微處理器、Linux為嵌入式操作系統(tǒng),通過紅外學(xué)習(xí)模塊對家電設(shè)備遙控器的紅外編碼學(xué)習(xí),將室內(nèi)多種家電設(shè)備的紅外遙控功集成在智能終端,在智能終端實現(xiàn)對家電設(shè)備的集中控制功能。測試結(jié)果表明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定,能夠?qū)崿F(xiàn)Android設(shè)備對家電設(shè)備的紅外控制功能。

ARM; 遙控器; Android; 家電設(shè)備; 智能家居; 紅外控制

0 引 言

近年來,隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高,人們對生活環(huán)境的要求也越來越高,開始由追求寬敞的生活空間及奢華的室內(nèi)裝修轉(zhuǎn)向家居智能化,享受智能化帶來的安全、便利和舒適的居住環(huán)境[1]。與此同時,在智能化技術(shù)方面,電子信息技術(shù)與計算機控制技術(shù)的快速發(fā)展,也進(jìn)一步促進(jìn)了智能家居控制系統(tǒng)的出現(xiàn)[2]。智能家居融合了自動化控制、網(wǎng)絡(luò)通信和綜合布線等技術(shù),將與家庭生活密切相關(guān)的家電控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)系統(tǒng)等各子系統(tǒng)有機地結(jié)合在一起,通過中央管理平臺,為智能家居系統(tǒng)的用戶提供便捷的人性化管理方式。

在傳統(tǒng)家電設(shè)備中的紅外遙控器一直以來是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?但隨著智能家居產(chǎn)品的快速發(fā)展,傳統(tǒng)紅外遙控器在使用過程中一些不便性、不易操作性的問題也愈加凸顯,如遙控器與家電設(shè)備有障礙物時,家電設(shè)備無法接收遙控器發(fā)送過來的紅外碼,并且遙控器在使用過程中,需要經(jīng)常地更換電池,這也造成了資源的浪費和間接的環(huán)境污染。另一方面,在使用多種家用電器過程中,由于各個品牌及各種電器紅外碼不同,往往需要多紅外遙控器的交換使用,操作繁瑣,遙控器過多不易于集中管理,紅外遙控器自身存在的這些問題也在一定程度上制約著智能家居家電控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)。

為了適應(yīng)智能家居的發(fā)展需要及解決紅外遙控器使用中面臨的問題,本文提出了基于ARM的智能家居紅外控制系統(tǒng)設(shè)計方案,將室內(nèi)多種家電設(shè)備的遙控功能集成在一個智能終端上,通過智能終端實現(xiàn)家電設(shè)備的紅外控制。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

智能家居紅外控制系統(tǒng)主要由ARM控制端和Android平臺客戶端組成,系統(tǒng)框架如圖1所示。ARM控制端包括ARM處理器模塊和紅外學(xué)習(xí)模塊,ARM處理器模塊接收來自Android平臺的指令代碼,對指令進(jìn)行解析,將解析后的指令發(fā)送給紅外學(xué)習(xí)模塊,通過紅外學(xué)習(xí)模塊來完成家電設(shè)備紅外的紅外學(xué)習(xí)或紅外控制。作為系統(tǒng)的智能終端,Android平臺將學(xué)習(xí)到的各種紅外家電設(shè)備家用電器配套遙控器的功能鍵映射到Android設(shè)備的應(yīng)用程序界面中,用戶可以在Android設(shè)備上實現(xiàn)對家電設(shè)備的集中控制。

圖1 系統(tǒng)框架

2 紅外控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

紅外控制系統(tǒng)主要由ARM處理器、紅外學(xué)習(xí)模塊、串口電路模塊、無線通信模塊、和電源模塊等幾部分組成,系統(tǒng)硬件設(shè)計圖如圖2所示。

本系統(tǒng)ARM處理器采用LinkSprite公司生產(chǎn)的ARM Cortex A8嵌入式開發(fā)板pcDuino。它選用Allwinner A10作為核心處理器,DRAM為1GB,板載存儲達(dá)到2GB Flash,完全兼容Arduino接口。它是一種高性能、高性價比的迷你PC平臺,可以通過內(nèi)置HDMI接口輸出視頻到電視或顯示器屏幕,能夠運行PC操作系統(tǒng),如Ubuntu和Android的ICS等。

圖2 紅外控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 串口電路設(shè)計

pcDuino開發(fā)板有兩個USB接口,紅外學(xué)習(xí)模塊采用USB0接口,通過該接口進(jìn)行命令交換及傳輸數(shù)據(jù)。由于pcDuino與紅外學(xué)習(xí)模塊之間的通信需要通過USB轉(zhuǎn)串口模塊實現(xiàn)。系統(tǒng)采用CH341T芯片對信號進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換[3],其連接電路如圖3所示。

圖3 串口電路

2.2 無線通信模塊

pcDuino開發(fā)板沒有自帶的無線通信模塊,需要外接模塊實現(xiàn)無線通信。如今比較流行的無線技術(shù)主要有:Wifi、Bluetooth、ZigBee、RFID以及一些簡單專用無線通信協(xié)議[4](如CC1100、NRF905、Si4432等),其中Wifi通信具有WPA2安全性能、覆蓋范圍大、傳輸速率高、支持所有具有Wi-Fi功能的設(shè)備等優(yōu)勢,比較適合在本系統(tǒng)中使用Android設(shè)備與ARM服務(wù)端的數(shù)據(jù)通信。選擇pcDuino官方的WIFI_PCDUINO作為其無線通信模塊,該模塊內(nèi)部采用的是RT5370芯片,支持IEEE 802.11/b/g/n標(biāo)準(zhǔn),支持USB2.0,最大數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到150Mbps,工作頻率2.412 GHz-2.484 GHz,可以運行在多種嵌入式操作系統(tǒng)下。

2.3 紅外學(xué)習(xí)模塊

為了提高智能家居控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性,同時為減少開發(fā)時間、降低開發(fā)難度[5],本系統(tǒng)中紅外學(xué)習(xí)模塊直接采用重慶昊納科技自主研發(fā)的全方位下載型紅外遙控學(xué)習(xí)模塊,該模塊可以學(xué)習(xí)市面上98%的電視、空調(diào)、音響、VCD、投影機、電風(fēng)扇、DV等的遙控器。大功率全方位發(fā)射需要另外配外接電源。兩種組織形式以紅外碼為單位組織可以支持108個單碼按鍵、36個雙碼按鍵。以電器為單位組織可以支持客廳里常用的六種電器,掉電數(shù)據(jù)不丟失,同時支持多個設(shè)備的控制,控制指令簡單,標(biāo)準(zhǔn)UART接口,TTL電平,藍(lán)色LED指示工作狀態(tài),模塊在以電器為單位組織方式下具有紅外碼數(shù)據(jù)下載和上載功能。紅外學(xué)習(xí)模塊通過串口電路與pcDuino開發(fā)板連接,實現(xiàn)模塊與控制平臺的數(shù)據(jù)接收與發(fā)送,其主要功能一是學(xué)習(xí)功能,二是控制功能[6]。

紅外學(xué)習(xí)模塊以自定義方式(紅外碼為單位)的指令,0x40-0xab為一鍵單碼自定義區(qū),可以支持108個按鍵,0xac-0xcf為一鍵雙碼自定義區(qū),可以支持36個按鍵,以上指令主要用于用戶自定義按鍵功能。0xf0為進(jìn)入一般學(xué)習(xí)模式,0xf2為退出學(xué)習(xí)模式。自定義方式只能采用一般學(xué)習(xí)模式來學(xué)習(xí)。

各指令模塊的回復(fù)數(shù)據(jù)由模塊發(fā)送給控制主機,單字節(jié)串口數(shù)據(jù),波特率為9600,N81格式,命令錯誤返回0xff,發(fā)射時紅外碼空或無效返回0xff。發(fā)射紅外碼正確返回0x00,學(xué)習(xí)錯誤返回0xff,學(xué)習(xí)正確返回0x00,同時對于指令發(fā)錯或超時模塊指示燈會閃爍3下提示。

2.4 電源模塊

在本系統(tǒng)中,選用9 V(6節(jié)+1.5 V直流電池)直流電源供電,而紅外學(xué)習(xí)模塊和pcDuino供電電壓為+5 V,這里通過7805變壓芯片將9 V電壓轉(zhuǎn)為+5 V輸出,如圖4電壓轉(zhuǎn)換電路。

圖4 電壓轉(zhuǎn)換電路

3 紅外控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

紅外控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計由內(nèi)核定制、ARM服務(wù)器軟件設(shè)計和Android紅外軟件設(shè)計三部分組成。

3.1 內(nèi)核定制

嵌入式Linux的內(nèi)核源碼為開源,用戶可以根據(jù)自己的需要對內(nèi)核做相應(yīng)的調(diào)整,以適應(yīng)自己的系統(tǒng)[7]。本系統(tǒng)選用了Ubuntu 12.04嵌入式操作系統(tǒng),內(nèi)核版本為3.4.29。系統(tǒng)內(nèi)核中包含了眾多的功能模塊,不僅占用大量的系統(tǒng)資源而且對事件響應(yīng)速度和執(zhí)行速度也有很大影響。為了節(jié)省硬件磁盤空間、提高紅外控制系統(tǒng)的反應(yīng)速度,需要對內(nèi)核模塊進(jìn)行有針對性的定制和裁剪,需對內(nèi)核的內(nèi)存管理、系統(tǒng)調(diào)用、中斷機制、進(jìn)程和進(jìn)程調(diào)度、文件系統(tǒng)、進(jìn)程間通信、設(shè)備驅(qū)動等方面的源代碼進(jìn)行修改,刪除不必要的代碼以減小內(nèi)核,使內(nèi)核更加精小高效,目標(biāo)應(yīng)用性更強。設(shè)備驅(qū)動模塊在內(nèi)核中占有很大比例,所以這里內(nèi)核定制主要是刪除一些系統(tǒng)沒有用到的驅(qū)動模塊組件,保留紅外控制系統(tǒng)必需的設(shè)備驅(qū)動模塊如無線網(wǎng)卡RT5370驅(qū)動、USB Host驅(qū)動等。如圖5所示內(nèi)核定制流程。

圖5 內(nèi)核定制流程

3.2 ARM服務(wù)器軟件設(shè)計

在ARM端啟動服務(wù)器程序,打開已連接紅外控制模塊的USB串口,監(jiān)聽Android設(shè)備客戶端的連接請求,當(dāng)有連接請求時,接受客戶端連接,讀取來自客戶端發(fā)送過來的數(shù)據(jù),判斷服務(wù)器進(jìn)行何種操作。通信協(xié)議規(guī)定:數(shù)據(jù)包第一個字節(jié)發(fā)送0表示ARM服務(wù)器進(jìn)行指令代碼的學(xué)習(xí)操作,發(fā)送1表示ARM服務(wù)器來控制紅外家電設(shè)備。服務(wù)器將客戶端發(fā)送的指令代碼轉(zhuǎn)發(fā)到紅外控制模塊,實現(xiàn)客戶端軟件對家電設(shè)備的學(xué)習(xí)與控制。ARM服務(wù)器的流程如圖6所示。

圖6 ARM服務(wù)器的流程

3.3 紅外控制軟件設(shè)計

通過Qt開發(fā)的紅外控制軟件,實現(xiàn)了在Android設(shè)備對家電設(shè)備的紅外碼的學(xué)習(xí)和控制,通信協(xié)議規(guī)定發(fā)送的數(shù)據(jù)包第一個字節(jié)須是0或1,用于標(biāo)識ARM服務(wù)端進(jìn)行紅外學(xué)習(xí)或者紅外控制。紅外控制軟件的流程如圖7所示,作為客戶端通過無線網(wǎng)絡(luò)向ARM服務(wù)器發(fā)送連接請求,連接成功后,對應(yīng)按鍵的操作,通過Android設(shè)備自帶的無線裝置[8],向服務(wù)器發(fā)送相應(yīng)的操作命令。

圖7 Android紅外軟件流程

Android設(shè)備學(xué)習(xí)和控制紅外模塊的具體步驟如下:

a) 輸入ARM服務(wù)器IP地址,點擊“Connect”,開始連接,按鈕狀態(tài)為“Disconnect”,表示已連接,也可以點擊“Disconnect”斷開連接。

b) 按下“開始學(xué)習(xí)”按鈕,發(fā)送命令0xf0模塊燈亮,進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài),同時主機也收到0xf0回應(yīng),“開始學(xué)習(xí)”按鈕被設(shè)置為“結(jié)束學(xué)習(xí)”狀態(tài)。

c) 在文本框中輸入按鈕名稱,按下“Enter”按鈕,發(fā)送命令0x40,模塊燈閃一下然后等待學(xué)習(xí)。

d) 原配遙控器正對著模塊的黑色紅外接收管,距離在3～5 cm左右,確認(rèn)周圍無強光或紅外線和電磁干擾,按一下原配遙控器需要學(xué)習(xí)的按鍵,模塊燈熄滅同時主機接收到0x00,大概1 s后模塊燈再次亮表示學(xué)習(xí)成功了(如果是雙碼鍵學(xué)習(xí),則A碼學(xué)完,開始等待學(xué)習(xí)B碼,再按一下原配遙控器的按鍵,模塊燈熄滅同時主機接收到0x00表示B碼學(xué)習(xí)成功了)。

e) 完成后,Android端紅外軟件上的其中未被使用的Button按鈕變?yōu)榭捎?可以對其重命名,對應(yīng)為該紅外碼的遙控按鈕。

f) 如果學(xué)習(xí)錯誤模塊燈會閃三下同時主機接收到0xff一個字節(jié),提示重新學(xué)習(xí),重復(fù)步驟2,3。

g) 按照步驟2、3將所有碼鍵一一學(xué)完。

h) Android端按下“結(jié)束學(xué)習(xí)”按鈕,發(fā)送命令0xf2,模塊燈熄滅,退出學(xué)習(xí)狀態(tài),同時Android端收到0xf2回應(yīng),“結(jié)束學(xué)習(xí)”按鈕被重新設(shè)置為“開始學(xué)習(xí)”狀態(tài)。

i) 學(xué)習(xí)完成后,Android端紅外控制軟件則可以使用按鈕的紅外控制功能。

j) 紅外模塊正對家電設(shè)備,按下紅外軟件Button按鈕(前提是其已變?yōu)榧t外碼的遙控按鈕),ARM端向紅外模塊發(fā)送Button下控制命令,模塊藍(lán)燈閃爍一下,紅外學(xué)習(xí)模塊向家電設(shè)備發(fā)送紅外命令,返回0x00表示發(fā)送成功,實現(xiàn)了Android設(shè)備控制家電設(shè)備的效果。

k) 然后將室內(nèi)多種家電設(shè)備的紅外碼依次學(xué)習(xí)到Android紅外軟件,通過Android端實現(xiàn)家電設(shè)備的集中控制。

本系統(tǒng)采用Android終端的用戶友好型界面作為與用戶的接口,Android紅外軟件操作界面如圖8

圖8 Android端界面

所示,主要由紅外學(xué)習(xí)和紅外控制兩部分組成。當(dāng)持有智能終端的客戶打開智能終端的APP時[8],輸入服務(wù)器IP地址連接上ARM端,Android端自定義輸入紅外碼,學(xué)習(xí)各種家電紅外碼,紅外碼學(xué)習(xí)完成后,即可通過界面已學(xué)習(xí)成功的按鈕對家電設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的集中紅外控制。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計了基于ARM的紅外控制系統(tǒng),介紹了系統(tǒng)的整體框架、硬件組成以及軟件流程,系統(tǒng)采用嵌入式Linux,在Linux操作系統(tǒng)下完成了紅外碼的學(xué)習(xí),實現(xiàn)了家電設(shè)備紅外功能在Android客戶端的集中控制。將智能家居紅外控制系統(tǒng)軟件安裝在Android設(shè)備上,經(jīng)過反復(fù)測試,系統(tǒng)能夠在Android客戶端實現(xiàn)家電設(shè)備紅外碼的學(xué)習(xí),以及家電設(shè)備紅外功能的集中控制。

[1] 肖令祿. 基于S3C2440和ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)[J]. 渭南師范學(xué)院學(xué)報, 2013, 28(12): 33-36.

[2] 李小琴. 智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 電子世界, 2013, (17): 126-127.

[3] 黃向驥. 基于CC2430的無線智能家居系統(tǒng)的設(shè)計[D]. 武漢: 武漢理工大學(xué), 2010.

[4] 程 鵬, 潘志鵬, 王希朝. 基于WLAN技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 微型機與應(yīng)用, 2013, 32(17): 77-79.

[5] 喬強國. 基于S5PV210模擬智能家居嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 電子技術(shù), 2013(9): 88-89.

[6] 程曉燕. 一種智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 才智, 2013(35): 307-307.

[7] 劉國秀, 王元偉, 徐建華. 基于ARM的嵌入式linux內(nèi)核的裁剪與移植[J]. 電子元器件應(yīng)用, 2009, 11(11): 66-68.

[8] 張銀君, 黃國蕓, 鄭凌翔. 基于Android的智能家居系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用, 2013(33): 57-58.

(責(zé)任編輯： 康 鋒)

Design of ARM-based Infrared Control System of Smart Home

TONGJiang-song,LIRen-wang,QIANXiao-yan

(School of Mechanical Engineering & Automation, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

This paper designs a kind of ARM-based infrared control system which takes ARM as microprocessor and Linux as embedded operating system, and integrates infrared remote control function of many kinds of indoor household appliances on intelligent terminal through infrared encoding learning on remote control of household appliances via infrared learning module so as to realize integrated control function on household appliances at the intelligent terminal. The testing result shows that this system has stable performance and it can realize the infrared control of Android equipments on household appliances.

ARM; remote control; Android; household appliance; smart home; infrared control

1673- 3851 (2015) 01- 0124- 06

2014-05-04

國家自然科學(xué)基金項目(51475434)

童江松(1991-),男,安徽安慶人,碩士研究生,主要從事嵌入式系統(tǒng)方面的研究。

TP399

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