基于Linux操作系統(tǒng)的智能家居的設(shè)計

ID:71651 · 發(fā)表于 2015-1-18 14:26

智能家居是當(dāng)前社會一個新穎的話題，也是電子技術(shù)發(fā)展的方面，把電子技術(shù)充分應(yīng)用在生活中。然而到目前為止，智能家居才做到智能小區(qū)這個地步，因為實現(xiàn)智能家居的費用比較高。智能家居也是物聯(lián)網(wǎng)的一個分支，把家庭中的相關(guān)家居通過一個控制平臺，連接到網(wǎng)絡(luò)上，在聯(lián)網(wǎng)的條件下，可以隨時查看家里的情況和控制。
　　物聯(lián)網(wǎng)的興起，為智能家居提供了條件。如何通過簡化物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備，最終開發(fā)出一套經(jīng)濟(jì)實用的支持多終端應(yīng)用的智能家居物聯(lián)網(wǎng)平臺是非常有意義、有價值的工作。本系統(tǒng)基于Linux操作系統(tǒng)，開發(fā)了一套融合無線移動網(wǎng)絡(luò)、射頻識別裝置的智能家居控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)具有智能抄表、遠(yuǎn)程開啟電器、射頻識別和遠(yuǎn)程遙控等功能。
　　1　系統(tǒng)概述
　　本系統(tǒng)采用S3C2410芯片作為主控制器，操作界面為3.2寸TFT觸摸顯示屏。上電后，顯示屏顯示整個家居系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各設(shè)備，每個設(shè)備分別對應(yīng)一個圖標(biāo)，包括燈光控制、風(fēng)扇、冰箱、空調(diào)、溫度、電飯煲、煙霧、燃?xì)饬髁坎杉取｜c擊圖標(biāo)進(jìn)入該設(shè)備相應(yīng)的詳細(xì)信息欄。進(jìn)入燈光控制界面，可以方便地查看家中各房間亮燈情況，也可遠(yuǎn)程通過短信方式控制各房間的燈的亮滅；燃?xì)馐褂们闆r可方便地發(fā)送至相關(guān)采集部門；坐在辦公室，一條短信可以將電飯煲電源接通。家居中各設(shè)備與主控平臺間選擇了2.4 GHz的無線射頻收發(fā)芯片nRF2401，通過它可以實現(xiàn)各家居設(shè)備與主控平臺間的無線通信。主控平臺與外網(wǎng)的通信，采用的是ATK-SIM900A GSM/GPRS終端無線模塊。煙霧傳感器采用MQ-2傳感器來采集室內(nèi)煙霧情況。智能家居控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
　　

　圖1　智能家居控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
　　嵌入式ARM2410系統(tǒng)開發(fā)平臺是整個智能家居系統(tǒng)的監(jiān)控與管理中心，它主要集成了無線通信模塊、射頻識別模塊、紅外感應(yīng)模塊、觸摸顯示屏。該總控平臺一方面可以通過無線模塊接收到外部命令（例如：手機(jī)短信），并通過射頻識別，控制對應(yīng)的家居設(shè)備按指示工作，例如，打開電飯煲、空調(diào)或洗衣機(jī)。另一方面，各家居設(shè)備運行信息可以通過射頻模塊接收采集（例如電表讀數(shù)等），處理后，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到嵌入式ARM2410系統(tǒng)開發(fā)平臺，該平臺將數(shù)據(jù)分類處理后，可選擇有用數(shù)據(jù)發(fā)送至對應(yīng)公司服務(wù)器（例如供電局、水廠等），實現(xiàn)自動抄表。
　　智能家居控制系統(tǒng)的中的每一個家居設(shè)備，都需要分別安裝一個射頻識別模塊，通過該模塊可以與嵌入式ARM2410系統(tǒng)開發(fā)平臺實現(xiàn)短距離無線通信。
　　2　射頻識別模塊
　　nRF2401是一款工作在2.4～2.5 GHz世界通用ISM頻段的單片射頻收發(fā)器件。該射頻識別模塊可以實現(xiàn)多機(jī)通信，多機(jī)通信采用頻分多址的方法，只需要在接收端對不同的通道配置地址即可。發(fā)送端使用相應(yīng)的地址作為本機(jī)地址。接收數(shù)據(jù)時通過讀取STATUS中相關(guān)位即可得知接收的是哪個通道的數(shù)據(jù)。射頻識別模塊內(nèi)包括：頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型 SchockBurstTM模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器。輸出功率頻道的選擇和協(xié)議可以通過對應(yīng)的SPI接口進(jìn)行設(shè)置。射頻識別模塊功耗低，當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為-6 dBm時，電流消耗為9.0 mA；接收模式時為12.3 mA，掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低。
　　nRF2401在接收模式下可以接收6路不同通道的數(shù)據(jù)，nRF2401在星形網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)構(gòu)如圖2所示。每一個數(shù)據(jù)通道使用不同的地址，但是共用相同的頻道，也就是說6個不同的nRF2401設(shè)置為發(fā)送模式后可以與同一個設(shè)置為接收模式的nRF2401進(jìn)行通信，而設(shè)置為接收模式的 nRF2401可以對這6個發(fā)射端進(jìn)行識別。同一時刻，所有的數(shù)據(jù)通道都被搜索，但只能接　　

　　圖2　nRF24L01在星形網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)構(gòu)
　　收一路數(shù)據(jù)通道的數(shù)據(jù)。nRF2401在確認(rèn)收到數(shù)據(jù)后記錄地址，并以此地址為目標(biāo)地址發(fā)送應(yīng)答信號，在發(fā)送端數(shù)據(jù)通道0被用作接收應(yīng)答信號，因此數(shù)據(jù)通道0的接收地址要與發(fā)送端地址相等以確保接收到正確的應(yīng)答信號。
3　煙霧的檢測
煙霧檢測采用MQ-2 傳感器模塊，模塊能檢測多種氣體，當(dāng)氣體濃度超過程序中設(shè)定值的時候，模塊檢測出來并在相應(yīng)引腳上產(chǎn)生信號，供單片機(jī)讀取。模塊有一下參數(shù)：
1、可以用于家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測裝置，適宜于液化氣，丁烷，丙烷，
甲烷，酒精，煙霧等的探測；
2、靈敏度可調(diào)；
3、工作電壓 5V 使用前，供電至少預(yù)熱 2 分鐘以上，傳感器稍微發(fā)燙屬于
正常現(xiàn)象；
4、輸出形式：a）模擬量電壓輸出 b）數(shù)字開關(guān)量輸出（0 和 1）
5、串口通信　　
　　主控芯片采用8051系列單片機(jī)芯片，單片機(jī)通過串口與傳感器通信，可以方便地采集到瞬時流量和累積流量，可記錄自上電以來瞬時流量的最大值和最小值，具有超量程指示功能，程序模擬SPI接口，實現(xiàn)與NRF2401的通信。
4　Linux移植及Qt應(yīng)用程序開發(fā)
本系統(tǒng)在Friednly2410開發(fā)板上移植了Linux操作系統(tǒng)，并在此嵌入式操作系統(tǒng)平臺上進(jìn)行了簡易家居智能控制平臺的開發(fā)。Linux移植及Qt應(yīng)用程序開發(fā)步驟如圖4所示。

　　圖4　Linux移植及Qt應(yīng)用程序開發(fā)步驟
　　首先是配置開發(fā)板所需要的環(huán)境軟件。在開發(fā)板環(huán)境建立中，要注意的是對于沒有串口的機(jī)器，一定要先安裝USB轉(zhuǎn)串口的驅(qū)動，而在安裝時務(wù)必注意將電腦與板載串口的波特率設(shè)置為一致。這個沒設(shè)置好，串口通信會有問題。除此之外，還需安裝好串口調(diào)試工具及程序燒錄下載工具。
　　其次是搭建Linux交叉編譯環(huán)境。一般的電腦上都是Windows操作系統(tǒng)，要開發(fā)Linux嵌入式操作系統(tǒng)，需要安裝虛擬機(jī)（例如VMware 等）、基于Linux內(nèi)核的相關(guān)操作系統(tǒng)（例如Fedora）和交叉編譯器。虛擬機(jī)是用來承載Linux操作系統(tǒng)在Windows機(jī)器上運行而設(shè)置的，就像虛擬光盤一樣，是個虛擬的。交叉編譯器，是用來編譯和產(chǎn)生系統(tǒng)開發(fā)過程中各種鏡像文件。
　　接著進(jìn)入移植過程。移植時一般順序為：編譯Uboot→編譯內(nèi)核→構(gòu)建文件系統(tǒng)。
　　最后是Qt應(yīng)用程序開發(fā)。本系統(tǒng)是基于圖形界面開發(fā)的。Qt程序開發(fā)需要先建立Qtopia開發(fā)平臺，然后進(jìn)入編譯目錄，執(zhí)行編譯腳本，無誤退出后，再編譯應(yīng)用程序。編譯應(yīng)用程序時，只需進(jìn)入每個程序目錄，執(zhí)行make命令。然后，將編譯好的程序的可執(zhí)行文件拷貝到文件系統(tǒng)的鏡像目錄中，最后將編譯生成的.bin文件燒錄到開發(fā)板中即可。
　　結(jié)語
　　本文描述的是一種簡易可行的智能家居聯(lián)網(wǎng)方案，其具有成本低、易于實現(xiàn)、組網(wǎng)容易等優(yōu)點，但對于更復(fù)雜的互動功能還存在一定的欠缺。但基于上述主控平臺，只需要調(diào)整智能家居的內(nèi)部局部通信網(wǎng)絡(luò)就可以實現(xiàn)更加完善的智能家居功能。