基于嵌入式的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙桂云+李賀+宋白玉+胡正躍+夏梓超

摘要：本系統(tǒng)選用基于ARM920T內(nèi)核的S3C2440微處理器作為主控制器，使用Linux作為系統(tǒng)內(nèi)核；QT設(shè)計(jì)用戶界面；使用TCP/IP協(xié)議通信；GPIO口控制門口電機(jī)、窗臺(tái)電機(jī)、煙霧傳感器、燈、光傳感器等功能模塊。

關(guān)鍵詞：$3C2440；Linux；QT；無線網(wǎng)絡(luò)；GPRS

1概述

智能家居的概念早在二十世紀(jì)80年代初就已經(jīng)提出。以“住宅電子化”實(shí)現(xiàn)，到了80年代末，逐步提出了“住宅智能化”，也就是現(xiàn)在所說的智能家居的原型。智能家居是一個(gè)以住宅為平臺(tái)安裝有智能家居系統(tǒng)的居住環(huán)境。它的研究與設(shè)計(jì)將優(yōu)化人們的生活方式，幫助人們有效安排時(shí)間，增強(qiáng)家居生活的安全性、舒適性，甚至合理控制各種能源的使用。相比于國(guó)外，我國(guó)對(duì)智能家居系統(tǒng)的相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)起步較晚，主要有三種技術(shù)方案，它代表著中國(guó)智能家居行業(yè)不同時(shí)期的技術(shù)特點(diǎn)，PC架構(gòu)的智能控制系統(tǒng)出現(xiàn)于中國(guó)智能家居的萌芽階段，基本上停留在向使用者展示智能家居的概念，實(shí)用性不強(qiáng)，屬于第一代。目前很多中國(guó)智能家居廠商研制的基于單片機(jī)架構(gòu)的智能控制系統(tǒng)，在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，但是隨著成本的逐步降低，中國(guó)的智能家居最終將走向嵌入式。進(jìn)行智能家居的嵌入式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以推動(dòng)智能家居行業(yè)的發(fā)展，擴(kuò)大嵌入式在自動(dòng)控制領(lǐng)域的應(yīng)用，具有一定的經(jīng)濟(jì)和理論研究的價(jià)值。

2總體設(shè)計(jì)方案

2.1總體設(shè)計(jì)方案

本文根據(jù)用戶在現(xiàn)代生活中，對(duì)居住環(huán)境的便捷性、安全性、舒適性等方面的需求，設(shè)計(jì)了一種新型多功能智能家居控制系統(tǒng)，總體方案框圖如圖1所示，室內(nèi)總控制系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)門禁模塊、燈光模塊、窗簾模塊、通訊模塊、報(bào)警模塊、RFID模塊等多個(gè)功能模塊的控制。

2.2系統(tǒng)硬件架構(gòu)

室內(nèi)總控制系統(tǒng)采用基于ARM920T內(nèi)核的S3C2440嵌入式微處理器作為主控芯片。S3C2440內(nèi)部集成觸摸屏控制器，支持TFT/SNT屏，本系統(tǒng)選用4.3寸液晶屏，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面的建立?？偪刂葡到y(tǒng)連接一個(gè)USB攝像頭，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控?？偪刂葡到y(tǒng)通過GPRS模塊實(shí)現(xiàn)與外部的連接，讓用戶出門在外也可以通過手機(jī)對(duì)室內(nèi)情況進(jìn)行控制?？偪刂葡到y(tǒng)通過GPIO口來控制門口電機(jī)、光傳感器、煙霧傳感器等功能模塊。系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖2所示。

2.3軟件開發(fā)流程

智能家居控制系統(tǒng)軟件開發(fā)分為三個(gè)環(huán)節(jié)：構(gòu)建家居的Linux系統(tǒng)、設(shè)計(jì)功能模塊的驅(qū)動(dòng)、設(shè)計(jì)圖形界面。

1）構(gòu)建智能家居的Linux系統(tǒng)的開發(fā)流程如圖3所示，

2）設(shè)計(jì)功能模塊驅(qū)動(dòng)的流程如圖4所示。

3）設(shè)計(jì)圖形界面的流程如圖5所示。

3各模塊功能及構(gòu)成

3.1門禁模塊

輕點(diǎn)按鍵，就可以驅(qū)動(dòng)繼電器開門。繼電器使用的型號(hào)是：SRD-05VDC-SL-C，繼電器的作用相當(dāng)于開關(guān)，編寫繼電器的驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)出開關(guān)的控制系統(tǒng)。

3.2燈光模塊

輕點(diǎn)觸摸屏上的按鍵，就可以控制房間或者客廳的燈光。有兩盞LED燈，一盞燈表示客廳，一盞燈表示房間，編寫字符驅(qū)動(dòng)來操作這兩個(gè)LED燈，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)燈光控制系統(tǒng)。

3.3窗簾模塊

除了可以通過觸摸屏上的按鍵實(shí)現(xiàn)窗簾的開關(guān)控制，也能根據(jù)光感電阻的變化，在室內(nèi)光線高于預(yù)設(shè)值時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉。窗簾控制系統(tǒng)使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來控制窗簾的開關(guān)，步進(jìn)電機(jī)使用的型號(hào)為：25BY48L064A，額定電壓12V，四相六線，2.54間距，使用的是ULN2003作為驅(qū)動(dòng)電路。光感傳感器是基于光敏電阻的，利用光電效應(yīng)的傳感器，在受到可見光照射后即產(chǎn)生光電效應(yīng)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。光感傳感器通過感應(yīng)光照的強(qiáng)弱，從而進(jìn)行窗簾的控制。先進(jìn)行步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，再進(jìn)行光感傳感器驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，就可以設(shè)計(jì)出窗簾控制模塊。

3.4通訊模塊

可以實(shí)現(xiàn)通話和短信通知的功能，當(dāng)房間的紅外監(jiān)控模塊發(fā)現(xiàn)異常的事情發(fā)生時(shí)，會(huì)通過GPRS模塊，將異常發(fā)送到房主的手機(jī)上。通用分組無線服務(wù)技術(shù)（General Packet RadioService）的簡(jiǎn)稱，它是GSM移動(dòng)電話用戶可用的一種移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS可說是GSM的延續(xù)。GPRS和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌?，是以封包（Packet）式來傳輸，因此使用者所負(fù)擔(dān)的費(fèi)用是以其傳輸資料單位計(jì)算，并非使用其整個(gè)頻道，理論上較為便宜。GPRS的傳輸速率可提升至56甚至114Kbps。通過實(shí)際編寫GPRS驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)通訊模塊。

3.5報(bào)警模塊

當(dāng)發(fā)現(xiàn)火警或者異常的事情發(fā)生，報(bào)警器會(huì)發(fā)出警告，同時(shí)通過GPRS模塊，通知房主，房間發(fā)生異常。該模塊使用煙霧傳感器，通過監(jiān)測(cè)煙霧的濃度來實(shí)現(xiàn)火災(zāi)防范的，設(shè)計(jì)編寫煙霧傳感器的驅(qū)動(dòng)，煙霧傳感器監(jiān)測(cè)到煙霧的濃度過高后，將會(huì)驅(qū)動(dòng)報(bào)警器報(bào)火警。報(bào)警器是基于紅外傳感器的，當(dāng)紅外傳感器感應(yīng)到人體紅外線，報(bào)警器上的LED燈就會(huì)不斷閃爍，設(shè)計(jì)編寫這個(gè)報(bào)警器的驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)報(bào)警模塊。

3.6RFID模塊

刷卡識(shí)別是不是房主。RFID有標(biāo)簽、讀卡器、天線等三個(gè)模塊組成，它主要通過標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的唯一ID號(hào)識(shí)別標(biāo)志物。RFID是一種簡(jiǎn)單的無線系統(tǒng)模塊，只有兩個(gè)基本器件，該模塊用于控制、檢測(cè)和跟蹤物體。

4總結(jié)

本項(xiàng)目結(jié)合嵌入式技術(shù)，使用S3C2440和ARM-Linux系統(tǒng)構(gòu)成智能家居控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種室內(nèi)信息的檢測(cè)和控制；使用QT設(shè)計(jì)用戶界面，方便用戶對(duì)家居設(shè)備進(jìn)行操作；使用TCP/IP協(xié)議通信；利用GPRS模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，使用戶通過手機(jī)了解家中情況，并采取相應(yīng)控制措施。