Android終端及FPGA控制的智能家居系統(tǒng)*

鄭俊波，蘇成悅，何榕禮，林劍冰

（廣東工業(yè)大學 物理與光電工程學院，廣東 廣州 510006）

智能家居是以住宅為平臺，利用通信技術(shù)、自動控制技術(shù)等新技術(shù)，將各種家電安防設(shè)施進行集成，組成住宅設(shè)施管理系統(tǒng)，造就一個安全便利舒適環(huán)保的家居生活環(huán)境。近年隨計算機技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，智能家居逐漸成為未來家居生活的發(fā)展方向[1]。

在智能家居的控制系統(tǒng)中，控制終端是其核心設(shè)備，目前主要有以下幾種方案：第一種是采用鍵盤、LCD顯示器和紅外遙控器等設(shè)備對各種家用設(shè)備進行控制[2]，這種方式需要對終端的軟件和硬件分別進行設(shè)計，因而設(shè)計復雜且成本高。第二種是采用PC作為控制終端[3]，使用這種方式的缺陷是只能在固定的位置進行控制。第三種是采用智能手機作為控制終端，通過WiFi、藍牙、GSM等無線網(wǎng)絡(luò)對家居系統(tǒng)進行控制[4]，此方案使用方便、快捷。

隨著Android智能終端日益普及，其作為控制終端將成為未來智能家居系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。本系統(tǒng)以Android智能設(shè)備作為遙控終端，以FPGA作為主控中心處理器，通過藍牙與手機端進行通信并對數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)視頻監(jiān)控、紅外遙控、溫濕度檢測、振動檢測、GSM遠程報警等功能。FPGA內(nèi)部資源豐富，接口方便，還可實現(xiàn)臉部識別、指紋識別等功能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，首先在Android平臺下開發(fā)一個應用程序，數(shù)據(jù)通過藍牙發(fā)送給主控中心，當FPGA接收處理完數(shù)據(jù)后通過串口給相應的功能模塊發(fā)送指令，各功能模塊執(zhí)行相應任務后也會將數(shù)據(jù)通過主控中心返回給智能終端并顯示，其中采用串口通信可讓通信方式多樣化[5]，如 485總線、藍牙模塊、WiFi模塊、ZigBee模塊等都可用串口進行收發(fā)數(shù)據(jù)。這種結(jié)構(gòu)使得用戶只需用手機、平板電腦等Android終端就能任意控制各種家用設(shè)備并實時掌握周圍的環(huán)境情況，使用非常簡單快捷。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 主控中心FPGA設(shè)計

本系統(tǒng)采用FPGA作為中間控制部分的處理器主要基于以下兩點考慮，首先整個系統(tǒng)中用到多個串口，普通單片機內(nèi)部不超過3個串口，而FPGA可以根據(jù)需求搭建多個UART接口；其次FPGA可以采用平行以及流水線處理，可以完成視頻數(shù)據(jù)采集、VGA接口輸出等高速處理，還可完成臉部識別、指紋識別等復雜運算。設(shè)計中采用的FPGA芯片型號是Altera公司Cyclone II系列EP2C8Q208C8，在Quartus II平臺下用Verilog語言進行開發(fā)。

2.1 UART模塊的設(shè)計

由于FPGA與各功能模塊均利用串口進行通信，因此需要搭建多個UART接口，對數(shù)據(jù)進行傳輸和處理。UART通信模塊主要由波特率產(chǎn)生模塊、發(fā)送模塊和接收模塊三部分組成，其中波特率產(chǎn)生模塊是將50 MHz的主時鐘經(jīng)過多次分頻后為UART的收發(fā)模塊提供特定的波特率。

FPGA中的每個UART都被例化成一個子模塊，各模塊間通過輸出輸入接口進行數(shù)據(jù)的交互，此外還有一個控制模塊，用于控制每個串口的發(fā)送和接收。

2.2 視頻監(jiān)控的設(shè)計

視頻監(jiān)控是家庭防盜系統(tǒng)中必不可少的部分，本系統(tǒng)通過OV7670攝像頭獲取視頻信息，用FPGA進行數(shù)據(jù)的采集和存儲，最后通過VGA接口用顯示器顯示出來。框架如圖2所示。

圖2 視頻監(jiān)控框架圖

OV7670是OmmVision公司生產(chǎn)的CMOS攝像頭，通過SCCB總線控制，圖像最高達到30幀/s。FPGA先構(gòu)建一個配置模塊，用SCCB總線對OV7670進行初始化設(shè)置并使其開始工作，其中的SCCB總線本質(zhì)為簡化了的I2C總線。

配置成功后，F(xiàn)PGA將接收RGB565格式的數(shù)據(jù)，即第一個字節(jié)的前5位表示紅色，第一字節(jié)的后3位和第二字節(jié)前3位表示綠色，第二字節(jié)后5位表示藍色。數(shù)據(jù)通過SDRAM控制模塊存進外部SDRAM中，SDRAM的主要作用是把圖像數(shù)據(jù)以30幀/s的速率進行緩存，然后再以60幀/s的速率讀出。從SDRAM讀出的數(shù)據(jù)將通過VGA控制模塊轉(zhuǎn)換為VGA協(xié)議輸出，最后通過一個三路10位高速視頻DAC芯片ADV7123進行D/A轉(zhuǎn)換后顯示在顯示器上，進行實時的監(jiān)控。

除了可實時監(jiān)控外，當系統(tǒng)觸發(fā)警報信息后可以對視頻信息存儲到外接Flash中，由于Flash的容量以及讀寫速度有限，不能將所有視頻數(shù)據(jù)保存下來，因此采樣間斷性存儲的方法，即以圖片的形式將現(xiàn)場的情況保存下來，這種方式既能減少Flash的容量，又可以較好地保存現(xiàn)場的信息。

3 Android應用程序的開發(fā)

Android終端的應用程序是基于Android 2.3版本，在Eclipse平臺下用Java語言進行開發(fā)，其主要內(nèi)容包括設(shè)計一個人機交流界面、獲取已配對的藍牙設(shè)備并建立連接、利用Socket進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>

3.1 界面設(shè)計

該應用程序主要有兩個界面，開啟時首先進入主控界面，主要包括溫濕度的顯示、防盜系統(tǒng)的開啟與關(guān)閉、電視遙控等功能，點擊電視遙控按鍵將進入紅外遙控界面。界面通過AbsoluteLayout進行布局設(shè)計，這是一種絕對布局，可以任意調(diào)整每個控件的橫坐標和縱坐標，界面上每個按鍵通過綁定一個地址和添加一個監(jiān)聽器，點擊按鍵后會觸發(fā)監(jiān)聽器并執(zhí)行相應的操作。

3.2 藍牙的獲取和連接

應用程序中需要建立一個藍牙通信通道，以便與FPGA端的藍牙模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，在建立藍牙通信之前先搜索出已配對的藍牙設(shè)備并用列表顯示，當點擊其中一個設(shè)備進行連接時，其地址值會被記錄下來并通過Intent回傳給主Activity[6]。當本機藍牙開啟以及要連接設(shè)備的地址獲取后就可建立Socket連接，通過Thread創(chuàng)建的一個線程來進行Socket連接，連接成功后界面上會顯示“連接成功”。

4 功能模塊的開發(fā)

4.1 無線通信設(shè)計

系統(tǒng)中主要運用了藍牙、GSM這兩種無線通信協(xié)議，其中藍牙是應用在手機和主控中心之間的通信，它的傳輸距離達10 m左右，滿足室內(nèi)使用要求。而GSM用于遠距離報警。

4.2 學習型紅外遙控

現(xiàn)在大多數(shù)家庭中使用到紅外遙控器多達數(shù)個，如果將控制全部集中于手機則會十分便利，但不同遙控器的紅外編碼是不一致的，因此本系統(tǒng)設(shè)計的是學習型紅外遙控，它以STM8S105S4單片機作為主控芯片，包括了紅外發(fā)射和接收兩部分電路，能夠?qū)W習并存儲各種紅外編碼，工作流程如圖3所示。

圖3 學習型紅外遙控工作流程

4.3 溫度檢測

溫度檢測采用NTC（熱敏電阻），它是隨溫度上升電阻呈指數(shù)關(guān)系減小、具有負溫度系數(shù)的材料，因此只要采樣出的電阻值然后與其溫度阻值變化列表進行對應便可得出當前的溫度值。設(shè)計中用單片機內(nèi)部的10位A/D轉(zhuǎn)換器采樣其電壓值，再根據(jù)分壓電阻求出NTC的阻值，最后通過取表得出溫度值。

4.4 濕度檢測

濕度檢測采用HS1100濕度傳感器，它是一種基于電容原理的濕度傳感器，相對濕度的變化和電容值呈線性規(guī)律。在實際測試中，電容值隨著空氣濕度的變化而變化，因此將電容值的變化轉(zhuǎn)換成電壓或頻率的變化，才能進行有效地數(shù)據(jù)采集。設(shè)計中用NE555組成振蕩電路，HS1100濕度傳感器充當振蕩電容，從而完成濕度到頻率的轉(zhuǎn)換。

4.5 振動檢測

振動檢測采用MMA7631三軸小量程加速度傳感器，它根據(jù)物體運動和方向改變輸出信號的電壓值。各軸的信號在不運動或不被重力作用的狀態(tài)下，其輸出為1.65 V。采用STM8S105S4單片機內(nèi)部的10位A/D轉(zhuǎn)換器采樣3個方向的電壓，根據(jù)采樣結(jié)果的變化來判斷門窗是否振動，當變化范圍超過一定的限值時，則判斷門窗被開啟，觸發(fā)報警信息。

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一個基于Android智能終端及FPGA的智能家居系統(tǒng)，在3個平臺下完成開發(fā)，分別是用Java語言在Android系統(tǒng)下進行應用程序開發(fā)，用Verilog語言對主控FPGA進行設(shè)計以及基于STM8單片機的功能模塊設(shè)計。以FPGA作為主控中心，相比于AMR11、STM32等串行處理器，它可實現(xiàn)視頻監(jiān)控、人臉識別等高速復雜處理，而且無須后臺服務器，減低了成本。系統(tǒng)以Android設(shè)備作為遙控終端，與傳統(tǒng)控制方案比，它可以實現(xiàn)程序化控制，可存貯各種個性化的控制方案。本系統(tǒng)使用方便、操作簡單，能滿足普通家庭的需求，具有較高的實用性和推廣價值。

[1]陳致遠，朱葉承，周卓泉.一種基于STM32的智能家居控制系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應用，2012，38（9）：138-140.

[2]滿莎，楊恢先，彭友，等.基于 ARM9的嵌入式無線智能家居網(wǎng)關(guān)設(shè)計[J].計算機應用，2010，30（9）：2541-2544.

[3]陳喬云，賈金玲.基于智能手機與PC機的智能家居系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2009，17（9）：25-29.

[4]王朝華，陳德艷，黃國宏，等.基于 Android的智能家居系統(tǒng)的研究與實現(xiàn) [J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2012，22（6）：225-228.

[5]DEBONO CJ，KURT ABELA.Implementation of a Home Automation System through a Central FPGA Controller[C].2012 16th IEEE Mediterranean Electrotechnical Conference（MELECON）.Piscataway， N.J： IEEE press，2012：641-644.

[6] PAYET ETIENNE，SPOTO FAUSTO.Static analysisof Android programs[J].Information and Software Technology，2012， 54（11）：1192-1201.