基于μC/OS的智能家居系統設計

劉曉羽

摘 要：采用Kinetis K10作為核心控制器，使用觸摸屏實現顯示和控制等人機交互功能，設計重點體現現代家居的安全監測和舒適度調節。軟件方面成功移植了μc/OS操作系統，實現了防盜報警、消防報警、IC卡門禁、燈光調控、電動窗簾、溫濕度檢測和背景音樂控制等功能，實驗室驗證了系統的可行性和實用性。

關鍵詞：智能家居；Kinetis K10；IC卡門禁；μc/OS系統

中圖分類號：TP273 文獻標志碼：A

科學技術不斷的發展，人們生活水平得到很大提高，人們對物質生活要求舒適度日益增加，這樣就使得人們對家居生活的要求也越來越向智能化、舒適化、安全化的方向發展。本文提出了一種基于μC/OS的智能家居系統的設計，重點體現安全監控和提高生活的舒適度與便捷度，盡可能為用戶營造出一個安全舒適的生活環境。

1 設計方案

系統控制核心采用飛思卡爾kinetis K10芯片，控制系統選用μC/OS-Ⅲ操作系統[ 1 ]。主要功能：安全監測方面實現煙霧報警、IC卡門禁、紅外報警、強行進入報警，舒適生活方面設計了自動窗簾、燈光調節、溫濕度檢測、音樂播放等功能，功能切換基本依靠觸摸屏來控制。

1.1功能模塊電路設計

1）燈光控制。通過繼電器模塊，實現5路燈光控制。圖1中，當PTE4，PTE17管腳輸入高電平時，對應的繼電器會吸合，進而控制其連接的220V觸點吸合，此時燈亮。反之，管腳輸入低電平，繼電器斷開，觸點斷開，將燈斷開。

2）背景音樂。電路中使用MP3解碼模塊，實現了背景音樂控制功能[ 2 ]。該模塊需要+5V的直流電源，并接出一個耳機插孔，用來外接揚聲器。將模塊的“PLAY”“NEXT”“PREV”三個控制鍵與核心控制板的三個I/O口相連，只要I/O口產生一個下降沿，就可以實現對應的控制。3）安全防范模塊。安防是每個家庭系統中都必不可少的部分，在此部分設置了“強行進入報警”、“燃氣泄露和煙霧報警”、“IC卡門禁”三個部分，下面詳細介紹各部分實現的原理。a.IC卡門禁。通過IC卡的射頻讀寫模塊，進行IC卡識別，進而進行用戶身份識別。將該模塊與核心控制板相連接，與主機通信采用SPI通信模式。b.強行進入報警。強行進入警報用一個門磁開關來檢測，為了使單片機檢測到標準的高低電平，增加了一個上拉電阻。當門打開時，門磁開關閉合，此時控制器檢測到低電平，并且觸發警報。c.燃氣泄露和煙霧報警電路。該電路選用煙霧傳感器來采集現場空氣參數數據[ 3 ]。當空氣中的煙霧濃度超過設定值時，傳感器的”DOUT”（對應PTB3）管腳會由原來的高電平變為低電平，根據這個原理，核心控制器檢測到一個下降沿時，說明出現危險，會觸發警報。4）自動窗簾。自動窗簾采用步進電機來實現，通過控制電機的正反轉來控制窗簾的升降。使用4相5線步進電機，I/O口模擬輸出脈沖通過ULN2003A放大后作為電機驅動[ 4 ]。由于K10芯片的I/O口輸出功率不足以驅動步進電機，需要加驅動電路。使用ULN2003A搭建驅動電路。5）遠程監控。該功能主要通過核心控制器與上位機的串口通信來實現。上位機通過點擊不同的按鈕，發送命令給核心控制器，控制器也可以發送命令到上位機。6）溫濕度檢測。溫濕度檢測體現在舒適度部分，這里使用SHT11溫濕度傳感器模塊，來實現對環境溫濕度的檢測。

1.2軟件設計

基于CodeWarrior10.2的開發平臺，為了是軟件更加安全簡潔，設計中使用μC/OS嵌入式操作系統。將系統軟件分為四層，第一層系統底層BSP模塊和固件庫模板，第二層μC/OS內核模塊，第三層系統調用模塊和文件系統模塊、LCD控制模塊，第四層為用戶任務模塊。使得軟件的層次結構分明，提高了系統的穩定性，其次文件系統模塊，系統調用模塊，方便了用戶任務的使用。設計中，在μC/OS-Ⅲ中創建了狀態切換任務，音樂控制任務，窗簾控制任務，燈光控制任務，安防控制任務，視頻監控任務，IC卡檢測任務，LCD檢測任務，上位機監視任務，WIFI監視任務等十個任務。系統按照時間分為在家模式，睡覺模式，早晨模式，離家模式四個模式，系統上電之后，默認是離家模式。當用戶刷卡之后，IC卡檢測模塊發送一個在家模式信號，然后每個任務對象，接收在家模式信號后，執行對應的在家模式才有的功能。當點擊觸摸屏的時候，LCD監控任務會產生一條消息，通過消息總線，是對應的任務接收到對應的消息，進而執行相應的行為。因為消息都是通過總線發送的，所以，可以系統控制可以通過觸摸屏、上位機和WIFI進行控制。

2 結論

采用kinetis K10作為核心控制芯片，并成功移植了μC/OS-Ⅲ實時操作系統，使用了IC卡等模塊，實現用戶身份識別，實時采集溫濕度傳感器、煙霧、窗門磁傳感器狀態，控制燈光、背景音樂和窗簾動作，控制程序設計參考人們的作息規律，更加貼近生活，并且設計了友好的人機交互界面，打造出一個安全、有序、高效的智能家居系統，實驗室驗證了該系統的可行性。

參考文獻：

[1] 馬曉鵬，馮源，郭忠文.智能家居監控原型，現代電子技術.2012年14期.

[2] 趙東來.基于ARM的智能家居控制器設計與實現.東北師范大學，2010年.

[3] 朱華生，馮祥勝.基于ARM智能家居控制器設計與實現.微計算機信息，2007年2期.

[4] 姚凱旋.基于ARM的智能家居系統的研究與設計研究生學位論文，2012年6月.

[5] 周海生.基于ARM嵌入式系統的智能家居系統設計.科學論壇（下半月），2011年2期.