基于物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化APP的智能家居控制平臺設(shè)計

吳俊杰，謝碧玲

(泉州信息工程學(xué)院，福建 泉州 362000)

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的智能家居控制技術(shù)得到快速發(fā)展，智能家居通過物聯(lián)網(wǎng)接入到互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，實現(xiàn)對家居家電設(shè)備的智慧化控制和監(jiān)控報警，通過智能家居控制，在APP平臺設(shè)計，滿足人們的智慧化生活需求，提供舒適溫馨、高效安全的高品位生活環(huán)境[1].在智能家居控制平臺下，通過對家居的智慧化靈動控制，將一個被動靜止的居住環(huán)境提升為一個有一定智慧協(xié)助能力的體貼的生活幫手，進一步優(yōu)化住戶的生活質(zhì)量.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動互聯(lián)技術(shù)發(fā)展，設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)和APP的智能家居控制平臺，實現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的控制，構(gòu)建智能家居的核心控制系統(tǒng)，設(shè)計的控制平臺主要由AD信息采集模塊、總線控制模塊、上位機通信模塊、集成控制模塊、信息集成處理模塊以及人機交互模塊構(gòu)成，該系統(tǒng)能有效為住戶控制好空氣的濕度、溫度、檢查空氣和操作各種家用電子設(shè)備等提供更便捷，更高效、更能為家庭的日常活動節(jié)約能耗，實現(xiàn)綠色環(huán)保的家居生活.

1 總體設(shè)計構(gòu)架和開發(fā)環(huán)境描述

1.1 控制平臺總體設(shè)計構(gòu)架

為了實現(xiàn)對智能家居控制平臺的APP開發(fā)設(shè)計，基于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境構(gòu)建智能家居控制平臺的總體結(jié)構(gòu)模型，控制平臺主要由AD信息采集模塊、總線控制模塊、上位機通信模塊、集成控制模塊、信息集成處理模塊以及人機交互模塊構(gòu)成[2]，其中AD模塊實現(xiàn)對智能家居控制的溫度、濕度以及家居家電控制信息的采集和數(shù)模轉(zhuǎn)換控制，在數(shù)字轉(zhuǎn)換器中實現(xiàn)對智能家居控制信息的集成信息處理，采用ARM Cortex-M0 處理器內(nèi)核實現(xiàn)智能家居控制平臺的APP開發(fā)，在ZigBee物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)模塊設(shè)計，構(gòu)建嵌入式智能家居控制平臺開發(fā)環(huán)境，采用RS5485總線監(jiān)測方法進行智能家居APP控制，設(shè)計電源狀態(tài)監(jiān)控器進行智能家居控制的輸入能量管理.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，采用智能家居控制平臺進行集中或異地的監(jiān)控，實現(xiàn)對智能家居信息管理和家居集成控制，在操作系統(tǒng)層和應(yīng)用軟件層分別配置智能家居APP控制系統(tǒng)的人機交互控制協(xié)議，在MCU控制單元進行智能家居APP控制.采用ADSP21160作為核心處理器，進行智能家居控制系統(tǒng)的集成信息處理，在后端控制顯示單元進行交叉編譯和人機交互模塊設(shè)計，根據(jù)上述總體設(shè)計構(gòu)架，得到本文設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化APP的智能家居控制平臺的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

圖1 平臺的總體結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖1所示的總體設(shè)計構(gòu)架，系統(tǒng)采用嵌入式設(shè)計技術(shù)進行智能家居APP控制平臺設(shè)計，結(jié)合傳感器分布式檢測技術(shù)進行智能家居APP控制狀態(tài)測試，對智能家居APP控制平臺進行三層體系結(jié)構(gòu)構(gòu)架，智能家居控制平臺的三層體系構(gòu)架分為感知控制層、網(wǎng)傳輸層、應(yīng)用服務(wù)層，其中，感知控制層采用傳感器進行濕度、溫度信息采集，采集的感知信息作為整個家居平臺的底層數(shù)據(jù)，結(jié)合系統(tǒng)信息處理模塊進行網(wǎng)絡(luò)輸出控制[3].在網(wǎng)絡(luò)傳輸層中，采用物聯(lián)網(wǎng)和ZigBee組網(wǎng)技術(shù)，進行家居控制的網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)計，在應(yīng)用服務(wù)層實現(xiàn)家電控制和家居遠(yuǎn)程控制，智能家居控制平臺的三層體系結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 家居控制平臺的三層體系結(jié)構(gòu)

1.2 平臺的開發(fā)環(huán)境及功能模塊分析

設(shè)計的智能家居控制系統(tǒng)建立在物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)環(huán)境下，以ARM Cortex-M0 處理器內(nèi)核構(gòu)建智能家居控制系統(tǒng)的傳感基陣，在傳感器模塊進行智能家居控制系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)信息采集，通過AD轉(zhuǎn)換控制模塊進行智能家居控制系統(tǒng)的信息轉(zhuǎn)換控制，假設(shè)設(shè)計的智能家居控制系統(tǒng)的D/A轉(zhuǎn)換速率>200K Hz，采用單5X供電，自動控制增益的輸入范圍為3 Vpp，家居控制系統(tǒng)的輸出功耗30 W，實現(xiàn)對智能家居的低功耗控制.AD輸入電壓滿足：

圖3 智能家居控制平臺功能結(jié)構(gòu)模塊

智能家居APP控制平臺的AD轉(zhuǎn)換器采樣通道為8通道同步，構(gòu)建VIX觸發(fā)總線進行智能家居控制過程中的溫濕度監(jiān)控、智能報警以及家電人機交互控制，在APP終端設(shè)計人機交互接口，根據(jù)上述設(shè)計技術(shù)指標(biāo)，進行控制模塊的射頻控制和總線傳輸控制，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行智能家居控制的組網(wǎng)設(shè)計，結(jié)合ZigBee組網(wǎng)方案構(gòu)架智能家居控制的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議.采用嵌入式的交叉編譯技術(shù)進行APP控制指令的加載和讀寫，設(shè)計家居控制平臺的采樣時鐘≥150 Hz，根據(jù)上述設(shè)計原理，構(gòu)建智能家居控制平臺功能結(jié)構(gòu)模塊如圖3所示.

2 控制平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和嵌入式技術(shù)進行的智能家居控制平臺開發(fā)設(shè)計，采用VIX總線控制技術(shù)實現(xiàn)智能家居控制平臺的總線集成控制和信息調(diào)度，構(gòu)建智能家居控制平臺的集成信息處理器[4]，在嵌入式控制平臺中進行智能家居控制平臺的人機交互設(shè)計.以DSP為信息處理器進行智能家居控制平臺的硬件開發(fā)，在ISA/EISA/Micro Channel擴充總線下進行智能家居控制的無線通信設(shè)計，本文設(shè)計的控制平臺主要由AD信息采集模塊、總線控制模塊、上位機通信模塊、集成控制模塊、信息集成處理模塊以及人機交互模塊構(gòu)成，對各個模塊進行硬件模塊化設(shè)計[5].

2.1 AD信息采集模塊

AD信息采集模塊實現(xiàn)對家居控制平臺的原始信息采集功能，采集的家居控制信息主要有溫度信息、濕度信息、家電參數(shù)指標(biāo)信息、用電功耗信息等，采用CC2530芯片作為AD芯片，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)和ZigBee協(xié)議，采用PXI觸發(fā)總線進行智能家居信息的時鐘采樣控制，提高智能家居APP控制信息采集的完整性和可靠性，在ROM的中實現(xiàn)智能家居APP控制的人機交互接口設(shè)計[6]，采用132Mbps的遠(yuǎn)程控制總線進行智能家居信息的遠(yuǎn)程調(diào)度和傳輸控制，得到AD信息采集模塊設(shè)計如圖4所示.

2.2 總線控制模塊

總線控制模塊實現(xiàn)對智能家居APP控制的智能總線傳輸功能，采用5409A作為總線控制集成芯片，采用PCI總線協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫，選用VCA810作為內(nèi)部晶振，采用2個并行輸入/輸出控制接口進行智能家居APP控制智能家居控制平臺的基線恢復(fù)，通過VME總線發(fā)送控制指令到上位機中，在狀態(tài)監(jiān)控器中實現(xiàn)智能家居信息到主寄存器中進行交叉編譯[7]，得到總線控制模塊設(shè)計如圖5所示.

2.3 上位機通信模塊

圖4 AD信息采集模塊圖5 總線控制模塊的結(jié)構(gòu)圖

2.4 信息集成處理模塊

信息集成處理模塊是整個智能家居控制平臺的核心處理器，在信息集成處理模塊中實現(xiàn)智能家居APP控制的集成信息處理，將智能家居APP控制信息通過基線恢復(fù)器恢復(fù)到人機交互單元中，給出輸入為寬電壓范圍：12 V～20 V，信息集成處理模塊的靜態(tài)電流設(shè)定為1 000 mA，采用信號處理器(DSP)進行集成信息處理和DA轉(zhuǎn)換控制，在程序交叉編譯控制的基礎(chǔ)上，進行智能家居APP控制智能家居控制平臺的時鐘復(fù)位控制，通過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)級的六線同步串口實現(xiàn)智能家居APP信息寫入，通過附加總線實現(xiàn)智能家居APP控制的安全檢查和報警.采用可編程邏輯處理芯片進行智能家居控制平臺的處理器設(shè)計，采用ISA/EISA/Micro Channel擴充總線進行智能家居控制的指令加載，在嵌入式環(huán)境下進行智能家居控制平臺的程序加載和交叉編譯控制，得到信息集成處理模塊如圖7所示.

圖6 上位機通信模塊設(shè)計圖7 信息集成處理模塊設(shè)計

2.5 人機交互模塊

人機交互模塊作為整個智能家居控制平臺的輸出單元，采用人機交互接口進行智能家居控制平臺的人機交互設(shè)計，設(shè)計可編程的FPGA和DSP邏輯過程控制程序，采用AD/DA轉(zhuǎn)換器進行智能家居控制平臺的脈沖信息采集轉(zhuǎn)換，采用ADSP21160處理器系統(tǒng)實現(xiàn)智能家居控制平臺的無線射頻傳感識別，在ARM嵌入式微處理器環(huán)境下進行智能家居控制平臺的AD轉(zhuǎn)換控制.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動互聯(lián)技術(shù)，進行人機交互模塊的輸出接口設(shè)計，采用PCI總線進行智能家居控制平臺的嵌入式開發(fā)，使用ADI公司的EE-NOTE68作為輸出接口，進行智能家居控制平臺的輸出轉(zhuǎn)換接口設(shè)計，根據(jù)用戶的需求，同時智能家居控制系統(tǒng)也可以依據(jù)住戶的使用體驗調(diào)整方案，加強緊急處理，危機救護等控制.結(jié)合硬件設(shè)計原理，得到智能家居控制平臺的人機交互設(shè)計如圖8所示.

在上述進行了平臺的硬件模塊化設(shè)計的基礎(chǔ)上，進行平臺的輸出接口設(shè)計，得到整個平臺的輸出接口集成設(shè)計如圖9所示.

圖8 人機交互模塊設(shè)計圖9 輸出接口集成設(shè)計

3 實驗測試分析

為了驗證本文設(shè)計的智能家居控制平臺的性能，對各個模塊進行電路調(diào)試和性能分析，采用嵌入式ARM尋址技術(shù)進行智能家居控制無線通信控制的集成信息采樣和總線調(diào)度，使用UNIX類操作進行智能家居控制平臺的接口程序編譯，在類文件MinePressureCollectionC.nc里完成智能家居控制的無線通信傳輸和輸出指令分析，實驗中智能家居APP控制模式設(shè)定為SPI和PSI兩種工況模式，設(shè)定SCPI標(biāo)準(zhǔn)命令集作為控制指令集，控制指令的讀寫速率設(shè)定為2.5 Mbyte/s，內(nèi)部系統(tǒng)內(nèi)部時鐘采樣頻率為10 MHz，得到控制輸出如圖10所示.

圖10 控制性能測試

分析圖10得知，設(shè)計的智能家居控制平臺穩(wěn)定性較好，人機交互能力較強，控制性能曲線的收斂性較好.

4 結(jié)語

本文設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化APP的智能家居控制平臺.設(shè)計控制平臺主要由AD信息采集模塊、總線控制模塊、上位機通信模塊、集成控制模塊、信息集成處理模塊以及人機交互模塊構(gòu)成，對智能家居APP控制平臺進行三層體系結(jié)構(gòu)構(gòu)架，智能家居控制平臺的三層體系構(gòu)架分為感知控制層、網(wǎng)傳輸層、應(yīng)用服務(wù)層，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行智能家居控制的組網(wǎng)設(shè)計，結(jié)合ZigBee組網(wǎng)方案構(gòu)架智能家居控制的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議.采用VIX總線控制技術(shù)實現(xiàn)智能家居控制平臺的總線集成控制和信息調(diào)度，結(jié)合嵌入式的設(shè)計方案，實現(xiàn)控制平臺的硬件模塊化設(shè)計.研究果表明，設(shè)計的智能家居控制平臺穩(wěn)定性較好，人機交互能力較強，具有很好的應(yīng)用性能.