基于FPGA的智慧家居系統設計

余永坤 重慶郵電大學通信與信息工程學院 亢成 /馬昶 重慶郵電大學移動通信重慶市重點實驗室

基于FPGA的智慧家居系統設計

余永坤 重慶郵電大學通信與信息工程學院 亢成 /馬昶 重慶郵電大學移動通信重慶市重點實驗室

智能家居最初的發展主要以燈光遙控控制和電動窗簾控制為主，隨著行業的發展，智能控制的功能越來越多，控制的對象不斷擴展，控制的聯動場景要求更高，其不斷延伸到家庭安防報警、門禁指紋控制等領域。本文利用FPGA芯片對各種傳感器、攝像頭和藍牙模塊等設備進行控制，實現了開鎖拍照、有毒氣體檢測、溫濕度檢測等功能，最后利用手機APP實現了對家的遠程監視和遠程控制。

5G 萬物互聯 智慧家居 大規模傳感器

1 引言

家居智能化系統的概念起源于上世紀70年代的美國，隨后，傳播到歐洲、日本等國并且得到了很好的發展。在我國，智能家居這一概念推廣較晚，約在90年代末家居智能化系統才得以進入國內，但發展速度驚人，至今已存在相當數量的智能化小區及住宅。所謂智能家居是現代電子技術、自動化技術及通信技術相結合的產物。它能夠自動控制和管理家電設備，對家庭環境的安全進行監控報警，并且能夠為住戶提供安全舒適、高效便利的學習生活及工作環境。家居智能化系統將家庭中各種與信息相關的通信設備、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，并進行集中或異地的監控、管理，保持家庭住宅環境的舒適、協調。基于以上優勢，本文設計了一種多種傳感器并存的智慧家居系統。

2 智慧家居系統概述

2.1 系統框架

圖1為智慧家居硬件系統框架構圖。由圖1可見，該系統主要包括核心處理器、電源模塊、藍牙模塊和各類家居傳感器模塊(攝像頭防盜模塊，有毒氣體檢測模塊，溫濕度控制模塊，光強照明控制模塊)。核心處理器主要完成了各個功能模塊的控制和與網絡連接。

由于網絡的飛速發展，人們希望在遠方也能知道家里的情況，所以本文設計了一款基于安卓的手機app，其功能是將家里傳感器采集的各種數據在手機上顯示出來，同時也可以通過app將一些控制命令發送給處理器。

2.2 系統工作原理

如圖1所示，降壓模塊是將家用220V交流電壓降為5V和3.3V直流電壓。然后，分別供給核心處理器、藍牙模塊和各類傳感器模塊。

傳感器模塊將采集的屋內信息，如有毒氣體、溫濕度、圖像信息等傳送至核心處理器。

核心處理器則負責將采集到的數據信息通過UART交給藍牙模塊。

WiFi模塊和藍牙模塊將屋內采集到的數據信息發送至用戶端，當然處理器也可以接受來至用戶端的控制信息，比如燈光亮滅、溫度調節等命令。

手機app通過藍牙模塊接收信息，并把這些信息呈現出來，使用戶可以實時了解家中的情況。用戶也可以通過app向家中下達控制指令，調節此時屋內環境的一些參數和指標。

圖1 為智慧家居系統框架構

3 智慧家居硬件設計

3.1 處理器最小系統電路

本設計的核心處理器采用Xilinx公司研制的FPGA芯片，其型號為xc7a35tcpg，如圖2為處理器最小系統電路原理圖。xc7a35tcpg芯片有33280個邏輯單元，六輸入LUT結構；1800Kbits快速RAM塊；5個時鐘管理單元，均各含一個鎖相環(PLL)；90個DSP slices；內部時鐘最高可達450MHZ；1個片上模數轉換器(XADC)。Basys3板提供了完整的硬件存取電路，可以完成從基本邏輯到復雜控制器的設計，Basys3板包含16個撥鍵開關、16個LED、5個按鍵開關、4位7段數碼管、3個Pmod連接口、一個專用AD信號Pmod接口、12位的VGA輸出接口、USB-UART橋、串口flash、用于FPGA編程和通信的USB-JTAG口、連接鼠標、鍵盤、記憶棒的USB口。

圖2 處理器最小系統電路原理圖

3.2 各類傳感器模塊電路

圖3為各類傳感器電路原理圖，其中攝像頭防盜模塊是采用的OV7670圖像傳感器，它體積小、工作電壓低，提供單片VGA攝像頭和影像處理器的所有功能。通過SCCB總線控制，可以輸出整幀、子采樣、取窗口等方式的各種分辨率8位影響數據。該產品VGA圖像最高傳輸速率達到30幀/秒。

毒氣檢測模塊采用的是MQ-9氣體檢測傳感器，其所使用的氣敏材料是在空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2)。其采用高低溫循環檢測方式低溫(1.5V加熱)檢測一氧化碳。傳感器的電導率隨空氣中一氧化碳氣體濃度增加而增大，高溫(5V加熱)檢測可燃氣體甲烷、丙烷并清洗低溫時吸附的雜散氣體。使用簡單的電路即可將電導率的變化，轉化為與該氣體濃度相對應的輸出信號。

溫濕度檢測模塊使用的DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有較高的可靠性與卓越的長期穩定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并可以與一個高性能的處理器相連接。

光強調節模塊使用的是光敏電阻傳感器。1、光敏電阻模塊對環境光線最敏感，一般用來檢測周圍環境的光線的亮度，觸發單片機或繼電器模塊等；2、模塊在環境光線亮度達不到設定閾值時，DO端輸出高電平，當外界環境光線亮度超過設定閾值時，DO端輸出低電平；3、DO輸出端可以與單片機直接相連，通過單片機來檢測高低電平，由此來檢測環境的光線亮度改變。

當系統開始正常工作后，以上所有傳感器開始實時檢測屋內的信息，并將采集到的可靠信息傳送給核心處理器。

圖3 各類傳感器電路原理圖

圖4為藍牙模塊電路原理圖，HC-05嵌入式藍牙串口通訊模塊具有兩種工作模式：命令響應工作模式和自動連接工作模式，在自動連接工作模式下模塊又可分為主（Master）、從（Slave）和回環（Loopback）三種工作角色。當模塊處于自動連接工作模式時，將自動根據事先設定的方式連接的數據傳輸；當模塊處于命令響應工作模式時能執行下述所有AT命令，用戶可向模塊發送各種AT指令，為模塊設定控制參數或發布控制命令。通過控制模塊外部引腳（PIO11）輸入電平，可以實現模塊工作狀態的動態轉換。

系統開始正常工作以后，各類傳感器將所采集到的信息傳送給核心處理器。接著數據再經過處理，通過UART從處理器交給藍牙模塊。最后，數據被藍牙模塊發送給用戶終端。若用戶端需要發送控制命令，也將通過藍牙模塊接收并通過UART傳輸給核心處理器。

圖4 藍牙模塊電路原理圖

4 智慧家居軟件設計

根據智慧家居系統的實際功能需求，系統軟件主要可以劃分為兩個部分。第一部分是硬件部分軟件設計，負責硬件模塊的驅動；第二部分是用戶終端手機安卓app的開發，負責人機的交互。

4.1 硬件部分軟件設計

圖5為智慧家居硬件部分軟件設計流程圖。如圖所示當系統上電，各模塊初始化正常工作。傳感器模塊將采集到的屋內信息，如有毒氣體、溫濕度、圖像信息等傳送至核心處理器。接著核心處理器負責將采集到的數據信息通過UART交給藍牙模塊。藍牙模塊將屋內采集到的數據信息發送至用戶端，當然核心處理器也可以接受來至用戶端的控制信息，比如燈光亮滅、溫度調節等命令。

圖5 硬件部分軟件設計流程

4.2 手機APP部分軟件設計

圖6為手機APP部分軟件設計流程圖。如圖所示當無線和藍牙模塊將屋內數據信息發送至手機，則APP將所得信息解析出來顯示。用戶進入信息界面需要注冊好身份信息，進入主界面后，手機上會顯示智能家居系統中的采集到的數據和人員動向的圖片。

圖6 手機APP部分軟件設計流程

5 結論

本文中給出了基于FPGA的智慧家庭系統的設計原理以及工作流程。但該系統還需進一步的優化，比如在傳感器的規模和數量上需要增加，以便更好的采集數據、完善功能；其次，數據的傳輸與發送應該借助蜂窩網或者無線局域網，來達到信息的高速和遠距離傳輸；最后，手機終端的APP設計還應該完善，進一步提高用戶體驗。在未來，5G的商用和普及將會激發物聯網技術的研究和應用。因此，智能家居有著巨大的商業潛力。

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