智能家居系統(tǒng)綜合接入及控制裝置設(shè)計(jì)

楊道忠，羅中良，陳治明，鄧雪晴，劉 堯

(1.惠州天陽(yáng)精密科技有限公司，廣東 惠州 516007；2.惠州學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)系，廣東 惠州 516007)

引言

智能家居最早起源于美國(guó)，是以住宅為平臺(tái)，兼?zhèn)浣ㄖ⒕W(wǎng)絡(luò)通信、信息家電、設(shè)備自動(dòng)化，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境。雖然國(guó)內(nèi)外很多公司推出了智能家居系統(tǒng)，卻沒得到廣泛普及，主要原因是沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。智能家居是交叉覆蓋了多行業(yè)的系統(tǒng)工程，各設(shè)備制造廠商按照不同的接口標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議生產(chǎn)設(shè)備，從而使各設(shè)備之間的互聯(lián)互通變得困難[1-3]。本設(shè)計(jì)提出一種基于WiFi構(gòu)建的智能家居系統(tǒng)綜合接入裝置，其主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與其他通訊網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)的互相傳輸，使得不同設(shè)備之間可以自由通信，從而解決各種智能家居方案中因沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議而無(wú)法廣泛普及的問題，對(duì)該行業(yè)的發(fā)展具有重大意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)利用ARM主芯片S3C6410,linux嵌入式系統(tǒng)，zigbee、WiFi網(wǎng)絡(luò)以及相關(guān)家居傳感器設(shè)計(jì)制作了一套智能家居綜合接入與控制裝置。通過(guò)智能手機(jī)和Internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)地對(duì)家中環(huán)境信息的監(jiān)控和家用設(shè)備的操控，從而實(shí)現(xiàn)家居生活的智能化，極大地提高家居生活的便利性和舒適度。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

其中硬件部分主要由四個(gè)部分構(gòu)成，即ARM系統(tǒng)處理單元[4-5]、傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、WiFi模塊接口和電源部分，由于電源為電子信息系統(tǒng)的基本單元，故圖中未給出。ARM系統(tǒng)處理單元是系統(tǒng)中的核心部分，它負(fù)責(zé)各類數(shù)據(jù)的處理和轉(zhuǎn)發(fā)；傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由紅外學(xué)習(xí)及遙控模塊和zigbee通訊模塊組成，進(jìn)而與WiFi模塊共同完成系統(tǒng)中各類信號(hào)的采集與發(fā)送工作。系統(tǒng)的軟件部分主要由四大部分構(gòu)成：數(shù)據(jù)分析控制部分、數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分、數(shù)據(jù)安全加密部分、智能手機(jī)應(yīng)用軟件。其中數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分和數(shù)據(jù)分析控制部分需要對(duì)家居信息進(jìn)行采集并實(shí)時(shí)處理后發(fā)出控制命令；數(shù)據(jù)安全加密部分有利于提高系統(tǒng)的安全性；智能手機(jī)應(yīng)用軟件則提供了人機(jī)交互的界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境的監(jiān)控[6-7]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 WiFi接入

WiFi定義了兩種類型的設(shè)備：一種是無(wú)線站，通常通過(guò)一臺(tái)PC機(jī)加上一塊無(wú)線網(wǎng)卡構(gòu)成。另一種稱為無(wú)線接入點(diǎn)(Access Point，AP)，它的作用是提供無(wú)線和有線網(wǎng)絡(luò)之間的橋接。一個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)通常由一個(gè)無(wú)線輸出口和一個(gè)有線的網(wǎng)絡(luò)接口(802.3接口)構(gòu)成，橋接軟件符合802.1d橋接協(xié)議。接入點(diǎn)就像是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)無(wú)線基站，將多個(gè)無(wú)線的接入站聚合到有線的網(wǎng)絡(luò)上。

WiFi定義了兩種模式：infrastructure模式和ad hoc模式。infrastructure模式，即無(wú)線網(wǎng)絡(luò)至少有一個(gè)和有線網(wǎng)絡(luò)連接的無(wú)線接入點(diǎn)，還包括一系列無(wú)線的終端站。由于很多用戶需要訪問有線網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備或服務(wù)，所以基本上都會(huì)采用這種模式。ad hoc模式，也稱為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式(pear to pear模式)或IBSS(In-dependent Basic Service Set)。

在家庭網(wǎng)絡(luò)中，WiFi主要應(yīng)用在各種信息家電和家庭網(wǎng)關(guān)上。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用個(gè)人電腦、手持網(wǎng)絡(luò)終端或者遙控器與家庭網(wǎng)關(guān)進(jìn)行連接，并通過(guò)家庭網(wǎng)關(guān)對(duì)各種信息家電實(shí)施有效的管理和控制。因此，可以采用客戶/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)。網(wǎng)關(guān)充當(dāng)服務(wù)器的角色，控制設(shè)備對(duì)各種信息家電的控制也通過(guò)網(wǎng)關(guān)完成。這樣有利于實(shí)現(xiàn)胖服務(wù)器/瘦客戶端的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)主機(jī)通過(guò)SDIO-WiFi模塊實(shí)現(xiàn)與家中其他設(shè)備的數(shù)據(jù)通信。SDIO-WiFi模塊是基于SDIO接口的符合WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802.11協(xié)議棧以及TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶主平臺(tái)數(shù)據(jù)通過(guò)SDIO口到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換。SDIO具有傳輸數(shù)據(jù)快，兼容SD、MMC接口等特點(diǎn)。基于Marvell 8686芯片的SD WiFi模塊(IEEE 802.11 B/G)，通過(guò)SDIO接口與S3C6410連接使用，其外觀及相應(yīng)接口電路如圖2和圖3所示。

圖2 SD WiFi外觀

圖3 SD WiFi接口

2.2 Zigbee接入

本系統(tǒng)中，由于考慮到家居環(huán)境的大小和布局，采用了一個(gè)協(xié)調(diào)器及多個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)綁定的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。信號(hào)采集電路主要由zigbee芯片CC2530、天線、其他傳感器件構(gòu)成。zigbee可以容易地?cái)U(kuò)展傳感器件，實(shí)現(xiàn)更多的監(jiān)測(cè)功能。當(dāng)傳感器件檢測(cè)到居室有不安全狀況出現(xiàn)或者zigbee節(jié)點(diǎn)收到主機(jī)的請(qǐng)求數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，會(huì)啟動(dòng)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)電路，然后將數(shù)據(jù)通過(guò)zigbee內(nèi)置的無(wú)線收發(fā)模塊，發(fā)送回zigbee協(xié)調(diào)器，進(jìn)而通過(guò)串口發(fā)送到主控系統(tǒng)進(jìn)行分析處理。其中，我們采用了DHT11溫濕度傳感器對(duì)家居環(huán)境溫度進(jìn)行采集，其電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 DHT11通信接口

2.3 紅外控制

紅外遙控系統(tǒng)一般由紅外發(fā)射裝置和紅外接收設(shè)備兩大部分組成，通常為了使信號(hào)能更好地被傳輸，發(fā)送端將二進(jìn)制基帶信號(hào)調(diào)制為脈沖串信號(hào)。

調(diào)制信號(hào)時(shí)采用的是周期為37.9KHz的方波作為載波，運(yùn)用LM555搭建一個(gè)占空系數(shù)可調(diào)的振蕩器輸出37.9KHz的方波和控制信號(hào)經(jīng)過(guò)與門來(lái)完成對(duì)紅外發(fā)射管工作狀態(tài)的控制。紅外發(fā)射裝置的原理圖如圖5所示，圖中三個(gè)并聯(lián)的發(fā)射管是為加大發(fā)射功率而設(shè)置的。

圖5 紅外發(fā)射裝置的原理圖

紅外接收設(shè)備我們用HX1838一體化接收管來(lái)接收信號(hào)，當(dāng)控制端為高電平時(shí)紅外發(fā)射管發(fā)射紅外光，此時(shí)接收管接收到紅外光時(shí)輸出引腳輸出低電平；反之，控制引腳為低電平時(shí)紅外發(fā)射管截止，接收管輸出引腳輸出高電平。通過(guò)對(duì)高低電平時(shí)間計(jì)時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的解碼，接收電路原理圖如圖6所示。

圖6 接收電路原理圖

2.4 攝像頭

(1)CMOS攝像頭OV9650模塊

CMOS攝像頭是一種采用CMOS圖像傳感器的攝像頭，主要分為兩種：CMOS和CCD。考慮到系統(tǒng)的功率要求，本系統(tǒng)中采用CMOS攝像頭OV9650模塊對(duì)家居環(huán)境進(jìn)行圖像采集，通過(guò)SDIO與嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

(2)攝像頭應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

本程序采用Video4Linux內(nèi)核驅(qū)動(dòng)對(duì)攝像頭進(jìn)行操作。Video4Linux(簡(jiǎn)稱V4L)是Linux中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)。在Linux中，視頻設(shè)備是設(shè)備文件，可以像訪問普通文件一樣對(duì)其進(jìn)行讀寫，攝像頭在目錄/dev/video0下。Video4Linux視頻編程的流程：

Step 1：打開視頻設(shè)備

Step 2：讀取設(shè)備的信息

Step 3：更改設(shè)備當(dāng)前的信息(根據(jù)自己需要進(jìn)行修改)

Step 4：進(jìn)行視頻信息采集，主要兩種方法：a、內(nèi)存映射;b、直接去設(shè)備中讀取

Step 5：對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理

Step 6：關(guān)閉視頻設(shè)備

2.5 電源電路設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，5V電源采用常見的變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓方式得到，并采用了開關(guān)電源芯片AMS1117CM-3.3完成從5V到3.3V的轉(zhuǎn)換，為ARM11系統(tǒng)和其他單元供電，具體電路參考芯片應(yīng)用手冊(cè)，故略。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)簡(jiǎn)介

本系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)平臺(tái)采用了Linux操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個(gè)類Unix操作系統(tǒng)，是當(dāng)今最為熱門的一款開源的操作系統(tǒng)。Linux操作系統(tǒng)是一個(gè)功能強(qiáng)大、設(shè)計(jì)完善的操作系統(tǒng)。Linux系統(tǒng)不僅能夠運(yùn)行于PC平臺(tái)，還能運(yùn)行于嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)中。由于Linux操作系統(tǒng)的源代碼開放，內(nèi)核精簡(jiǎn)、性能強(qiáng)悍，廣泛適用于各種硬件設(shè)備，系統(tǒng)二次開發(fā)成本極低，因此采用Linux操作系統(tǒng)作為嵌入式系統(tǒng)的核心操作系統(tǒng)將是未來(lái)嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。嵌入式Linux操作系統(tǒng)是指對(duì)Linux操作系統(tǒng)經(jīng)過(guò)特定需求裁剪后，能夠固化在容量只有幾百KB或幾MB的存儲(chǔ)器中，應(yīng)用于特定嵌入式場(chǎng)合的專用PC系統(tǒng)。由于，目前的主流嵌入式ARM微處理器中，大多數(shù)并不具有內(nèi)存管理單元MMU，因此ARM微處理器技術(shù)和Linux操作系統(tǒng)成功完美的結(jié)合，應(yīng)用于數(shù)以千計(jì)的商業(yè)產(chǎn)品中，充分滿足了各類應(yīng)用對(duì)嵌入式平臺(tái)高性能、低功耗和低價(jià)格的要求。

圖7 通訊程序設(shè)計(jì)框圖

3.2 系統(tǒng)服務(wù)器程序設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，采用了并發(fā)服務(wù)器設(shè)計(jì)通訊程序。并發(fā)服務(wù)器是一般的面向連接的服務(wù)器程序的代碼框架。該代碼框架使用對(duì)進(jìn)程處理的方式處理多個(gè)請(qǐng)求，子進(jìn)程負(fù)責(zé)處理連接請(qǐng)求，因此關(guān)閉監(jiān)聽套接字，父進(jìn)程繼續(xù)監(jiān)聽請(qǐng)求，不會(huì)遺漏通信請(qǐng)求。其通訊程序設(shè)計(jì)框圖如圖7所示。

4 結(jié)論

本文根據(jù)市場(chǎng)客戶對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)任務(wù)，提出并論證了產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)地闡述了智能家居系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法及相關(guān)電路的設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)中充分利用了系統(tǒng)的硬件和軟件資源，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)模塊的協(xié)調(diào)控制，提高了系統(tǒng)的可靠性和通用性。在制作電路原理樣機(jī)、單機(jī)調(diào)試和與PC機(jī)聯(lián)機(jī)調(diào)試后，對(duì)設(shè)計(jì)的電路和軟件完成了產(chǎn)品的功能測(cè)試，并進(jìn)行了批量生產(chǎn)，目前已順利進(jìn)入市場(chǎng)銷售，客戶反應(yīng)良好，且接受了多家網(wǎng)店的訂單。

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