基于Android的智能家居控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)研究

陸興華++吳恩燊++黃冠華

摘 要：基于Android系統(tǒng)在前期智能家居控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了智能家居控制系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)。傳統(tǒng)的智能家居控制系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)采用的是單線程驅(qū)動(dòng)方式，容易導(dǎo)致系統(tǒng)故障和控制指令中斷?；贏ndroid客戶端提出了一種基于Visual DSP++4.5多線程嵌入式程序加載的智能家居控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方法。該方法首先進(jìn)行了基于ARM9處理器的主控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，智能家居控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)的初始化設(shè)計(jì)、程序加載設(shè)計(jì)和CAN通信模塊設(shè)計(jì)等。實(shí)驗(yàn)調(diào)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的智能家居控制系統(tǒng)功能可實(shí)現(xiàn)多線程處理，模塊集成化較好，可靠性高，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：智能家居；控制系統(tǒng)；軟件；嵌入式

中圖分類號(hào)：TP13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）11-00-03

0 引 言

隨著人工智能和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，智能家居控制進(jìn)入了人們的家庭生活，智能家居是通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和通信控制技術(shù)把家庭的視頻設(shè)備、照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和烹飪系統(tǒng)以及各種網(wǎng)絡(luò)家電進(jìn)行智能控制，可見(jiàn)智能家居控制系統(tǒng)兼?zhèn)淞私ㄖ⒕W(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)控制、DSP信號(hào)處理、電氣自動(dòng)化的集成化人工智能系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)家居家電的遠(yuǎn)程控制、安防監(jiān)控和冷暖控制等，為用戶提供全方位的信息交互和資源共享功能。在手機(jī)App客戶端廣泛應(yīng)用的今天，基于Android系統(tǒng)的App服務(wù)終端進(jìn)行智能家居控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)個(gè)性化家庭家居的信息集成和控制，提高家庭的生活質(zhì)量。因此，研究基于Android的智能家居控制系統(tǒng)具有重要意義。

智能家居控制系統(tǒng)主要包括通信模塊、硬件模塊和軟件模塊設(shè)計(jì)三大部分，前期在進(jìn)行了智能家居控制系統(tǒng)的硬件模塊和通信模塊設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本文對(duì)智能家居控制系統(tǒng)的軟件模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的智能家居控制系統(tǒng)軟件模塊的設(shè)計(jì)方法主要采用的是單線程驅(qū)動(dòng)方式，容易導(dǎo)致系統(tǒng)故障和控制指令中斷，對(duì)此，本文提出了一種基于Visual DSP++4.5多線程嵌入式程序加載的智能家居控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括了系統(tǒng)的初始化設(shè)計(jì)、程序加載設(shè)計(jì)和CAN通信模塊設(shè)計(jì)等，最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了性能測(cè)試，展示了本文方法在實(shí)現(xiàn)智能家居優(yōu)化控制中的優(yōu)越性能，得出有效結(jié)論。

1 智能家居控制系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)和軟件流程

1.1 智能家居控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)

智能家居是互聯(lián)網(wǎng)影響之下的物聯(lián)網(wǎng)的重要應(yīng)用，智能家居控制是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在家庭智能控制中的重要體現(xiàn)，通過(guò)智能家居控制實(shí)現(xiàn)對(duì)家電和家用設(shè)備的集成化管理和遠(yuǎn)程遙控控制，基于Android客戶端進(jìn)行智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括了系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)硬件部分主要包括了時(shí)鐘電路，智能家居控制的復(fù)位電路、程序加載電路和電源供電電路以及A/D電路。智能家居控制系統(tǒng)采用AD9225的電源，提供220 V供電，分辨率為12位，A/D采樣的最大采樣頻率為25 MHz，系統(tǒng)功能主要實(shí)現(xiàn)家電控制、窗簾控制、安防控制，因此在系統(tǒng)控制中采用S3C2440A ARM9處理器主控系統(tǒng)，由2 片16 b寬度的32 M SDRAM 組成，本文給出的智能家居控制系統(tǒng)的ARM9處理器主控系統(tǒng)的接口電路如圖1所示。

圖1 智能家居控制系統(tǒng)ARM9處理器主控系統(tǒng)接口

ARM9處理器主控系統(tǒng)外接恒定的4 mA電流，信號(hào)調(diào)理部分采用兩個(gè)8550的PNP型三極管，運(yùn)算放大器采用AD8034，選用了四個(gè)200 kΩ的貼片電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)低通濾波，實(shí)現(xiàn)智能家居控制信號(hào)的6通道同步采樣。通過(guò)上述描述，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居控制系統(tǒng)的主控系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)描述。

1.2 智能家居控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)算法和流程

在上述硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行控制系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)，基于Visual DSP++4.5多線程嵌入式程序加載方式進(jìn)行智能家居多線程控制。軟件開(kāi)發(fā)前，根據(jù)智能家居的控制任務(wù)進(jìn)行DSP的I/O設(shè)備的配置，以Blackfin的存儲(chǔ)器為Emulator終端，進(jìn)行軟件編譯，在模擬環(huán)境中通過(guò)Emulator進(jìn)行控制算法的程序加載，本文采用的智能家居控制算法為模糊PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法，算法的實(shí)現(xiàn)流程描述如下：

假設(shè)智能家居控制系統(tǒng)中共有ki個(gè)節(jié)點(diǎn)，家居控制系統(tǒng)的輸入脈沖控制信號(hào)為x（t），計(jì)算家居控制系統(tǒng)的傳感節(jié)點(diǎn)矢量加權(quán)權(quán)重ωj與相鄰階段權(quán)重的歐式距離，見(jiàn)式（1）：

（1）

其中，ωj=（ω0j，ω1j，…，ωk-1，j）T表示智能家居控制物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的BP神經(jīng)元的輸入函數(shù)，控制的家居家電節(jié)點(diǎn)的集合為V={v1，v2，v3，…，vN}，在Android客戶端，求得控制目標(biāo)函數(shù)的訓(xùn)練序列，得到模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)Nj*，；根據(jù)多線程自組織特征映射技術(shù)，把家居傳感網(wǎng)絡(luò)的智慧節(jié)點(diǎn)加權(quán)到Nj*幾何鄰域NEj*（t），由此實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居控制系統(tǒng)的BP模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，控制的目標(biāo)迭代函數(shù)為：

（2）

其中，α（t）和NEj*（t）的最優(yōu)取值為：

（3）

根據(jù)上述算法設(shè)計(jì)，通過(guò)程序加載，把程序源采用編譯工具進(jìn)行匯編處理，把源代碼生成可執(zhí)行文件，在開(kāi)發(fā)智能家居控制軟件時(shí)，在X86的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中安裝ARM，PowerPC編譯程序，直接對(duì)硬件操作進(jìn)行進(jìn)程管理和內(nèi)存管理，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（device driver）采用API函數(shù)訪問(wèn)智能家居控制的硬件系統(tǒng)，Linux系統(tǒng)中負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信的部分，通過(guò)文件系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)字符設(shè)備，在Linux/Unix系統(tǒng)中，采用嵌入式設(shè)計(jì)，進(jìn)行智能家居控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、電源測(cè)量、CAN通信和接口E2PROM燒寫(xiě)，在智能家居控制執(zhí)行程序開(kāi)始后，進(jìn)行時(shí)鐘采樣和終端復(fù)位操作。智能家居控制系統(tǒng)的初始化程序包括了CAN初始化、PPI初始化和A/D采樣初始化，A/D采樣完成后進(jìn)行上位機(jī)通信，上傳用戶在Android客戶端的控制請(qǐng)求，當(dāng)上位機(jī)收到執(zhí)行程序后進(jìn)行控制合法性判斷，判斷收到的是否為智能家居控制的請(qǐng)求信號(hào)，如果是，則根據(jù)收到的數(shù)值進(jìn)行家居控制，如果不是則恢復(fù)到靜默狀態(tài)，執(zhí)行同步串口0初始化，實(shí)現(xiàn)智能家居的全程控制，綜上分析，得到智能家居控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

圖2 智能家居控制系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)流程

2 智能家居控制系統(tǒng)的軟件模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在上述進(jìn)行了智能家居控制系統(tǒng)的硬件主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)流程分析的基礎(chǔ)上，基于Android客戶端進(jìn)行家居控制系統(tǒng)的軟件模塊設(shè)計(jì)。主要分析控制系統(tǒng)的程序初始化模塊、CAN通信控制模塊和程序加載模塊。分別描述如下：

系統(tǒng)的程序初始化模塊是實(shí)現(xiàn)智能家居控制的數(shù)據(jù)采樣和DSP復(fù)位的前提，包括了同步串口0初始化、CAN初始化和DMA0初始化，輸入命令source install-qt-x11.sh，開(kāi)始編譯、安裝，寫(xiě)入時(shí)鐘初始化程序，如圖3所示。

圖3 智能家居控制時(shí)鐘初始化程序?qū)懭?/p>

根據(jù)寫(xiě)入的程序，命令make install 的安裝目錄，指定利用Qt 的open source 版本，開(kāi)啟Qtsql庫(kù)中SQL 支持； -plugin-sql- ….. 編譯SVG的過(guò)程描述為：

-no-qt3support ..... //關(guān)閉Qt3 程序支持

-no-phonon ......... //不編譯phonon 模塊+ -phono

運(yùn)行make命令，開(kāi)始編譯智能家居控制系統(tǒng)的照明控制和電話遠(yuǎn)程控制程序，設(shè)定PLL_LOCKCNT寄存器，設(shè)置PLL_DIV寄存器，智能家居控制系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率為5分頻，采用多線程編譯方法。在時(shí)鐘初始化程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行存儲(chǔ)器初始化，在智能家居控制系統(tǒng)的 DSP上電后，把A/D采樣的智能家居控制信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到PPI和DMA0寄存器中，為了穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)，設(shè)定SPORT0串口的幀同步信號(hào)LATFS為1，追加在庫(kù)文件名后面的字符，比如infix==47， 增加需要編譯的部分，的可用值（libs tools examples），在脈沖信號(hào)內(nèi)進(jìn)行程序初始化設(shè)計(jì)。

在此基礎(chǔ)上進(jìn)行程序加載模塊的軟件設(shè)計(jì)，程序加載模塊是整個(gè)智能家居控制系統(tǒng)的主控平臺(tái)的算法核心，是系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的根本。先配置SIC_IARx寄存器，調(diào)用register_handler函數(shù)，SPORT0_TCLKDIV寄存器對(duì)內(nèi)核的IVG7中斷產(chǎn)生一個(gè)幀同步，使用串口的幀作為智能家居控制的同步信號(hào)，采用PPI以及DMAx_CONFIG進(jìn)行程序加載，程序加載軟件模塊配置GPIO管腳的程序描述如下：

for （i = 0； i <6； i++） ；{register_handler_cfgpin（IO_t ORT0able[i]， IO_cfg_KDIV [i]）；}

通過(guò)上述程序加載設(shè)計(jì)，把智能家居控制的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，由于S3C2440A的SPI口已經(jīng)被占用，在CAN通信程序中接收中斷子程序時(shí)，智能家居控制系統(tǒng)將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)幀，調(diào)用低頻調(diào)節(jié)子程序，位CAN_TRS1的TRS8位，調(diào)節(jié)的數(shù)字量ΔD=65 536×V/5，發(fā)送WREN指令，并將其寫(xiě)入主控模塊中，通過(guò)CAN傳輸，實(shí)現(xiàn)了基于Android客戶端的智能家居遠(yuǎn)程控制。

3 仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)調(diào)試

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的基于Android客戶端的智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的性能，進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試、仿真實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)調(diào)試，系統(tǒng)調(diào)試采用軟件調(diào)試和硬件測(cè)試相結(jié)合的方式進(jìn)行，智能家居控制系統(tǒng)采用Tektronix TX3的Android客戶端進(jìn)行App設(shè)計(jì)，采用Agilent 混合示波器實(shí)現(xiàn)智能家居控制的精度等測(cè)試指標(biāo)，采用E2PROM在線燒寫(xiě)程序進(jìn)行硬件調(diào)試，通過(guò)DSP進(jìn)行程序加載，在智能家居控制仿真中，I/O電壓設(shè)置為220 V，時(shí)鐘電壓設(shè)定在3.3 V附近，鎖相環(huán)輸出頻率為600 MHz，基于上述仿真環(huán)境和參數(shù)設(shè)定，通過(guò)本文系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能指標(biāo)，在Android平臺(tái)下開(kāi)發(fā)智能家居控制系統(tǒng)，基于Visual DSP++4.5進(jìn)行家居控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，得到控制系統(tǒng)的主界面和功能測(cè)試界面如圖4所示。

（a） 控制主機(jī)界面 （b）功能測(cè)試界面

圖4 智能家居控制系統(tǒng)界面

從圖4可見(jiàn)，采用本文方法設(shè)計(jì)的智能家居控制系統(tǒng)，可通過(guò)多線程程序加載來(lái)實(shí)現(xiàn)功能模塊化的多線程處理，系統(tǒng)的面向?qū)ο笮愿?。為了進(jìn)行本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在對(duì)智能家居控制性能的測(cè)試，以家居智能控制的覆蓋率為測(cè)試指標(biāo)，得到在不同移動(dòng)Android客戶端節(jié)點(diǎn)下對(duì)智能家居控制的覆蓋率結(jié)果，如圖5所示。從圖5可見(jiàn)，采用本文系統(tǒng)進(jìn)行智能家居控制，對(duì)移動(dòng)Android客戶端節(jié)點(diǎn)數(shù)目的依賴性不大，從而增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的可靠性，增大了家居控制的覆蓋率。

圖5 智能家居控制性能分析

4 結(jié) 語(yǔ)

基于Android系統(tǒng)的App服務(wù)終端，進(jìn)行智能家居控制，提高家庭生活的智能化水平，改善生活質(zhì)量，本文研究了一種基于Visual DSP++4.5多線程嵌入式程序加載的智能家居控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行了系統(tǒng)的主機(jī)控制電路硬件設(shè)計(jì)和軟件模塊化設(shè)計(jì)，重點(diǎn)描述了初始化程序模塊、程序加載模塊和通信傳輸模塊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的智能家居控制系統(tǒng)功能可實(shí)現(xiàn)多線程處理，模塊集成化較好，可靠性高，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]將峰.家居智能安全遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2012， 20（9）： 2435-2436.

[2]徐子豪， 張騰飛.基于語(yǔ)音識(shí)別和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2012， 20（1）： 180-182.

[3]周勇，甘新年，胡光波，等.魚(yú)雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)多通道控制加權(quán)算法設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（19）：14-17.

[4]羅澤峰，單廣超.基于網(wǎng)絡(luò)和虛擬多媒體技術(shù)的海戰(zhàn)平臺(tái)視景仿真實(shí)現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015，5（3）：91-92，94.

[5]鞏艷華.基于ARM7處理器的嵌入式智能家居監(jiān)控系統(tǒng)[J].電子科技， 2009，22（8）： 39-42.