基于FPGA的智慧家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

余永坤 重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 亢成 /馬昶 重慶郵電大學(xué)移動通信重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

基于FPGA的智慧家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

余永坤 重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 亢成 /馬昶 重慶郵電大學(xué)移動通信重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

智能家居最初的發(fā)展主要以燈光遙控控制和電動窗簾控制為主，隨著行業(yè)的發(fā)展，智能控制的功能越來越多，控制的對象不斷擴(kuò)展，控制的聯(lián)動場景要求更高，其不斷延伸到家庭安防報(bào)警、門禁指紋控制等領(lǐng)域。本文利用FPGA芯片對各種傳感器、攝像頭和藍(lán)牙模塊等設(shè)備進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了開鎖拍照、有毒氣體檢測、溫濕度檢測等功能，最后利用手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)了對家的遠(yuǎn)程監(jiān)視和遠(yuǎn)程控制。

5G 萬物互聯(lián) 智慧家居 大規(guī)模傳感器

1 引言

家居智能化系統(tǒng)的概念起源于上世紀(jì)70年代的美國，隨后，傳播到歐洲、日本等國并且得到了很好的發(fā)展。在我國，智能家居這一概念推廣較晚，約在90年代末家居智能化系統(tǒng)才得以進(jìn)入國內(nèi)，但發(fā)展速度驚人，至今已存在相當(dāng)數(shù)量的智能化小區(qū)及住宅。所謂智能家居是現(xiàn)代電子技術(shù)、自動化技術(shù)及通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它能夠自動控制和管理家電設(shè)備，對家庭環(huán)境的安全進(jìn)行監(jiān)控報(bào)警，并且能夠?yàn)樽籼峁┌踩孢m、高效便利的學(xué)習(xí)生活及工作環(huán)境。家居智能化系統(tǒng)將家庭中各種與信息相關(guān)的通信設(shè)備、家用電器以及家庭保安裝置通過有線或無線的方式連接起來，并進(jìn)行集中或異地的監(jiān)控、管理，保持家庭住宅環(huán)境的舒適、協(xié)調(diào)?；谝陨蟽?yōu)勢，本文設(shè)計(jì)了一種多種傳感器并存的智慧家居系統(tǒng)。

2 智慧家居系統(tǒng)概述

2.1 系統(tǒng)框架

圖1為智慧家居硬件系統(tǒng)框架構(gòu)圖。由圖1可見，該系統(tǒng)主要包括核心處理器、電源模塊、藍(lán)牙模塊和各類家居傳感器模塊(攝像頭防盜模塊，有毒氣體檢測模塊，溫濕度控制模塊，光強(qiáng)照明控制模塊)。核心處理器主要完成了各個功能模塊的控制和與網(wǎng)絡(luò)連接。

由于網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，人們希望在遠(yuǎn)方也能知道家里的情況，所以本文設(shè)計(jì)了一款基于安卓的手機(jī)app，其功能是將家里傳感器采集的各種數(shù)據(jù)在手機(jī)上顯示出來，同時也可以通過app將一些控制命令發(fā)送給處理器。

2.2 系統(tǒng)工作原理

如圖1所示，降壓模塊是將家用220V交流電壓降為5V和3.3V直流電壓。然后，分別供給核心處理器、藍(lán)牙模塊和各類傳感器模塊。

傳感器模塊將采集的屋內(nèi)信息，如有毒氣體、溫濕度、圖像信息等傳送至核心處理器。

核心處理器則負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)信息通過UART交給藍(lán)牙模塊。

WiFi模塊和藍(lán)牙模塊將屋內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送至用戶端，當(dāng)然處理器也可以接受來至用戶端的控制信息，比如燈光亮滅、溫度調(diào)節(jié)等命令。

手機(jī)app通過藍(lán)牙模塊接收信息，并把這些信息呈現(xiàn)出來，使用戶可以實(shí)時了解家中的情況。用戶也可以通過app向家中下達(dá)控制指令，調(diào)節(jié)此時屋內(nèi)環(huán)境的一些參數(shù)和指標(biāo)。

圖1 為智慧家居系統(tǒng)框架構(gòu)

3 智慧家居硬件設(shè)計(jì)

3.1 處理器最小系統(tǒng)電路

本設(shè)計(jì)的核心處理器采用Xilinx公司研制的FPGA芯片，其型號為xc7a35tcpg，如圖2為處理器最小系統(tǒng)電路原理圖。xc7a35tcpg芯片有33280個邏輯單元，六輸入LUT結(jié)構(gòu)；1800Kbits快速RAM塊；5個時鐘管理單元，均各含一個鎖相環(huán)(PLL)；90個DSP slices；內(nèi)部時鐘最高可達(dá)450MHZ；1個片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器(XADC)。Basys3板提供了完整的硬件存取電路，可以完成從基本邏輯到復(fù)雜控制器的設(shè)計(jì)，Basys3板包含16個撥鍵開關(guān)、16個LED、5個按鍵開關(guān)、4位7段數(shù)碼管、3個Pmod連接口、一個專用AD信號Pmod接口、12位的VGA輸出接口、USB-UART橋、串口flash、用于FPGA編程和通信的USB-JTAG口、連接鼠標(biāo)、鍵盤、記憶棒的USB口。

圖2 處理器最小系統(tǒng)電路原理圖

3.2 各類傳感器模塊電路

圖3為各類傳感器電路原理圖，其中攝像頭防盜模塊是采用的OV7670圖像傳感器，它體積小、工作電壓低，提供單片VGA攝像頭和影像處理器的所有功能。通過SCCB總線控制，可以輸出整幀、子采樣、取窗口等方式的各種分辨率8位影響數(shù)據(jù)。該產(chǎn)品VGA圖像最高傳輸速率達(dá)到30幀/秒。

毒氣檢測模塊采用的是MQ-9氣體檢測傳感器，其所使用的氣敏材料是在空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。其采用高低溫循環(huán)檢測方式低溫(1.5V加熱)檢測一氧化碳。傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中一氧化碳?xì)怏w濃度增加而增大，高溫(5V加熱)檢測可燃?xì)怏w甲烷、丙烷并清洗低溫時吸附的雜散氣體。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化，轉(zhuǎn)化為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。

溫濕度檢測模塊使用的DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有較高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并可以與一個高性能的處理器相連接。

光強(qiáng)調(diào)節(jié)模塊使用的是光敏電阻傳感器。1、光敏電阻模塊對環(huán)境光線最敏感，一般用來檢測周圍環(huán)境的光線的亮度，觸發(fā)單片機(jī)或繼電器模塊等；2、模塊在環(huán)境光線亮度達(dá)不到設(shè)定閾值時，DO端輸出高電平，當(dāng)外界環(huán)境光線亮度超過設(shè)定閾值時，DO端輸出低電平；3、DO輸出端可以與單片機(jī)直接相連，通過單片機(jī)來檢測高低電平，由此來檢測環(huán)境的光線亮度改變。

當(dāng)系統(tǒng)開始正常工作后，以上所有傳感器開始實(shí)時檢測屋內(nèi)的信息，并將采集到的可靠信息傳送給核心處理器。

圖3 各類傳感器電路原理圖

圖4為藍(lán)牙模塊電路原理圖，HC-05嵌入式藍(lán)牙串口通訊模塊具有兩種工作模式：命令響應(yīng)工作模式和自動連接工作模式，在自動連接工作模式下模塊又可分為主（Master）、從（Slave）和回環(huán)（Loopback）三種工作角色。當(dāng)模塊處于自動連接工作模式時，將自動根據(jù)事先設(shè)定的方式連接的數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)模塊處于命令響應(yīng)工作模式時能執(zhí)行下述所有AT命令，用戶可向模塊發(fā)送各種AT指令，為模塊設(shè)定控制參數(shù)或發(fā)布控制命令。通過控制模塊外部引腳（PIO11）輸入電平，可以實(shí)現(xiàn)模塊工作狀態(tài)的動態(tài)轉(zhuǎn)換。

系統(tǒng)開始正常工作以后，各類傳感器將所采集到的信息傳送給核心處理器。接著數(shù)據(jù)再經(jīng)過處理，通過UART從處理器交給藍(lán)牙模塊。最后，數(shù)據(jù)被藍(lán)牙模塊發(fā)送給用戶終端。若用戶端需要發(fā)送控制命令，也將通過藍(lán)牙模塊接收并通過UART傳輸給核心處理器。

圖4 藍(lán)牙模塊電路原理圖

4 智慧家居軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)智慧家居系統(tǒng)的實(shí)際功能需求，系統(tǒng)軟件主要可以劃分為兩個部分。第一部分是硬件部分軟件設(shè)計(jì)，負(fù)責(zé)硬件模塊的驅(qū)動；第二部分是用戶終端手機(jī)安卓app的開發(fā)，負(fù)責(zé)人機(jī)的交互。

4.1 硬件部分軟件設(shè)計(jì)

圖5為智慧家居硬件部分軟件設(shè)計(jì)流程圖。如圖所示當(dāng)系統(tǒng)上電，各模塊初始化正常工作。傳感器模塊將采集到的屋內(nèi)信息，如有毒氣體、溫濕度、圖像信息等傳送至核心處理器。接著核心處理器負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)信息通過UART交給藍(lán)牙模塊。藍(lán)牙模塊將屋內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送至用戶端，當(dāng)然核心處理器也可以接受來至用戶端的控制信息，比如燈光亮滅、溫度調(diào)節(jié)等命令。

圖5 硬件部分軟件設(shè)計(jì)流程

4.2 手機(jī)APP部分軟件設(shè)計(jì)

圖6為手機(jī)APP部分軟件設(shè)計(jì)流程圖。如圖所示當(dāng)無線和藍(lán)牙模塊將屋內(nèi)數(shù)據(jù)信息發(fā)送至手機(jī)，則APP將所得信息解析出來顯示。用戶進(jìn)入信息界面需要注冊好身份信息，進(jìn)入主界面后，手機(jī)上會顯示智能家居系統(tǒng)中的采集到的數(shù)據(jù)和人員動向的圖片。

圖6 手機(jī)APP部分軟件設(shè)計(jì)流程

5 結(jié)論

本文中給出了基于FPGA的智慧家庭系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理以及工作流程。但該系統(tǒng)還需進(jìn)一步的優(yōu)化，比如在傳感器的規(guī)模和數(shù)量上需要增加，以便更好的采集數(shù)據(jù)、完善功能；其次，數(shù)據(jù)的傳輸與發(fā)送應(yīng)該借助蜂窩網(wǎng)或者無線局域網(wǎng)，來達(dá)到信息的高速和遠(yuǎn)距離傳輸；最后，手機(jī)終端的APP設(shè)計(jì)還應(yīng)該完善，進(jìn)一步提高用戶體驗(yàn)。在未來，5G的商用和普及將會激發(fā)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究和應(yīng)用。因此，智能家居有著巨大的商業(yè)潛力。

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