基于NiosⅡ的智能家居控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)

汪嬌梅

摘 要 本文以EP2C8Q208C8N為平臺(tái)控制核心，采用32位嵌入式處理器NiosⅡ軟核，結(jié)合Verilog HDL硬件描述語言和C語言的混合編程實(shí)現(xiàn)智能家居控制平臺(tái)。實(shí)時(shí)采集溫度與光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)顯示在液晶屏LCD1602上。實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)環(huán)境的人機(jī)交互，通過參考用戶設(shè)置，控制相關(guān)的家電調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境，可以定時(shí)定點(diǎn)的開關(guān)家電達(dá)到節(jié)能省電的目的，建造一個(gè)舒適環(huán)保的家居生活。

關(guān)鍵詞 嵌入式處理器；NiosⅡ；FPGA；智能家居

中圖分類號(hào) TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2016）161-0059-02

1 平臺(tái)設(shè)計(jì)方案及軟核配置

1.1 平臺(tái)基本架構(gòu)

本平臺(tái)根據(jù)數(shù)據(jù)處理的過程，其層次結(jié)構(gòu)可以大致分為3塊，如圖1所示。

平臺(tái)根據(jù)層次結(jié)構(gòu)可以大致分為3塊，分別為：數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換處理部分、數(shù)據(jù)處理控制部分、輸出顯示控制部分。

1.2 軟核配置思路

平臺(tái)所需要的設(shè)備以及各個(gè)設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)如圖2所示。

2 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

外設(shè)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)：

Nios Ⅱ外部搭載電路包含時(shí)鐘發(fā)生、環(huán)境溫度采集、環(huán)境照度采集、人機(jī)交互以及PWM脈寬調(diào)制信號(hào)生成共五個(gè)部分，均采用Verilog HDL硬件描述語言設(shè)計(jì)。

1）時(shí)鐘發(fā)生。Nios Ⅱ外部搭載了一個(gè)SDRAM作為其內(nèi)部存儲(chǔ)，SDRAM即同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，同步是指Memory工作需要同步時(shí)鐘，內(nèi)部的命令的發(fā)送與數(shù)據(jù)的傳輸都以它為基準(zhǔn)；動(dòng)態(tài)是指存儲(chǔ)陣列需要不斷的刷新來保證數(shù)據(jù)不丟失。

2）環(huán)境溫度采集。溫度采集傳感器使用的是Dallas推出的DS18B20。采用一線式總線結(jié)構(gòu)，并可以搭載數(shù)個(gè)DS18B20進(jìn)行多點(diǎn)測量，完全滿足智能家居平臺(tái)設(shè)計(jì)的要求。

3）人機(jī)交互。采用uPD6121編碼芯片的紅外遙控器和紅外接收頭組成。紅外接收頭則將數(shù)據(jù)從接受到的38KHz的紅外波信號(hào)解調(diào)出來，直接以電平的方式輸出uPD6121編碼數(shù)據(jù)格式。

4）環(huán)境照度采集。Po188是一個(gè)光電集成傳感器，典型入射波長為λp=520nm，內(nèi)置雙敏感元接收器，可見光范圍內(nèi)高度敏感，輸出電流隨照度呈線性變化。

5）PWM脈寬調(diào)制信號(hào)生成電路。PWM脈寬調(diào)制信號(hào)生成模塊為控制LED燈芯和直流風(fēng)扇的模塊，如圖3所示。

3 軟件部分設(shè)計(jì)

3.1 控制設(shè)計(jì)思路

作為一個(gè)智能控制平臺(tái)，要有很好的人際交互平臺(tái)和一個(gè)精準(zhǔn)穩(wěn)定的控制平臺(tái)，這部分采用軟件程序?qū)崿F(xiàn)比較容易。智能控制平臺(tái)數(shù)據(jù)流，如圖4所示。通過液晶屏LCD1602顯示，直觀的表示出當(dāng)前室內(nèi)環(huán)境的狀態(tài)以及用戶設(shè)定情況；另一路數(shù)據(jù)主要用作控制參量，其為數(shù)據(jù)處理控制器對(duì)用戶設(shè)置數(shù)據(jù)和傳感器發(fā)回來的實(shí)時(shí)室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)分析對(duì)比后產(chǎn)生的，通過驅(qū)動(dòng)電路來調(diào)節(jié)LED燈芯和直流風(fēng)扇。

3.2 控制算法的實(shí)現(xiàn)

PID控制采用增量式，軟件編程簡易，使用的存儲(chǔ)空間小，有一定的容錯(cuò)能力。溫度參數(shù)控制的直流無刷風(fēng)扇采用P控制。照度參數(shù)控制的燈芯采用PID控制，整個(gè)環(huán)境的照度變換很緩慢，但是局部的照度變換有時(shí)是比較大的，比如，物體的影子晃動(dòng)就會(huì)很大的影響到局部的照度變化。單純采用P控制或是PI控制會(huì)導(dǎo)致控制器震蕩或是出現(xiàn)控制器輸出參量無變化。為了提高響應(yīng)，保證穩(wěn)定，采用PID控制是不錯(cuò)的選擇，但是在參數(shù)設(shè)定上要注意，I參量要設(shè)置大些，雖然要提高響應(yīng)速度，但是LED燈芯光線增強(qiáng)要緩和，不然會(huì)引起人身體不適，這與智能家居控制平臺(tái)本身不符合。

本文所述采用了NiosⅡ嵌入式處理平臺(tái)。該平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)較為新穎，具有的開發(fā)靈活，技術(shù)集成度高、應(yīng)用性強(qiáng)，綜合技術(shù)水平比較先進(jìn)，體現(xiàn)出很好的集成創(chuàng)新性，具有重大應(yīng)用與推廣價(jià)值。但采用的模擬外部家用電器的方式，沒有很好的解決控制器和家用電器接口的問題。但家用電器智能化是當(dāng)前的趨勢。本次設(shè)計(jì)為以后智能化家電的出現(xiàn)后的智能家居控制平臺(tái)提出了一個(gè)概念。

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