【正文】 基于 CoretexM3 的智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)（論文） 大連理工大學(xué)城市學(xué)院 5 第二章 系統(tǒng)方案 在智能家居的諸多功能中，人們最關(guān)心的家居的安防和家電控制的實(shí)現(xiàn)，所以本系統(tǒng)方案的著眼點(diǎn)放在家居安防和家電控制功能的實(shí)現(xiàn)。 系統(tǒng)選用基于 LM3S6952 處理器的 EXPLM326952 為硬件平臺(tái)，使用西門子生產(chǎn)的 工業(yè)級(jí) GPRS 模塊 TC35i 作為通信模塊， 并擴(kuò)展了數(shù)據(jù)采集與家電控制外圍電路，外圍電路經(jīng) GPIO 與 EXPLM326952 相連接。系統(tǒng)的整體方案如圖 21 所示： 圖 21 智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的整體方案 嵌入式操作系統(tǒng)選擇 ucosii，開發(fā)環(huán)境采用 IAR for ARM 版。用LM3S6952處理器自帶的多功能可編程 I/O接口 GPIO實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的控制。通訊模塊采用西門子基于 TC35i 的工業(yè)級(jí) GPRS 模塊，控制命令和報(bào)警信息以中文短信的方式進(jìn)行傳送。 本文以 ucosii 作為操作系統(tǒng)， ucosii 是一種免費(fèi)使用、自由傳播和源代碼公開的嵌入式操作系統(tǒng)。作為嵌入式操作系統(tǒng)有如下優(yōu)勢(shì)： 基于 CoretexM3 的智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)（論文） 大連理工大學(xué)城市學(xué)院 6 （ 1） 低成本開發(fā)系統(tǒng)，源代碼的開放性允許任何人獲取并修改，一方面降低了開發(fā)成本，另一方面又提高了開發(fā)效率。 （ 2） 可應(yīng)用于多種硬件平臺(tái)，支持 ATMEL、 FREESCALE、 ARM、 NEC、TOSHIBA、 SAMSUNG、 MICROCHIP、 STMicroelectronics 等多種體系結(jié)構(gòu)，并已被成功移植到多種硬件平臺(tái)。 （ 3） 定制的 OS 內(nèi)核， ucosii 具有獨(dú)特的內(nèi)核配置機(jī)制，根據(jù)用戶的需要可以將某些模塊選中編譯或不編譯到內(nèi)核中，并能根據(jù)嵌入式設(shè)備的個(gè)性需要量體裁衣，內(nèi)核可以達(dá)到幾十個(gè) KB。 （ 4） 性能優(yōu)異， ucosii 系 統(tǒng)內(nèi)核精簡、高效和穩(wěn)定，能夠充分發(fā)揮硬件的功能，相對(duì)其它操作系統(tǒng)，其運(yùn)行效率更高、占用資源更少、運(yùn)行更穩(wěn)定、速度更快。 （ 5） 良好的網(wǎng)絡(luò)支持， ucosii 提供了對(duì)網(wǎng)絡(luò)的模塊支持，這對(duì)依賴網(wǎng)絡(luò)的嵌入式設(shè)備來說無疑是一個(gè)很好的選擇。 系統(tǒng)使用門磁傳感器作為入室盜竊報(bào)警信號(hào)發(fā)生器，門磁開關(guān)安裝在門窗上，在布防后當(dāng)門窗被打開時(shí)，門磁的開關(guān)狀態(tài)發(fā)生改變，啟動(dòng)室內(nèi)的聲光報(bào)警裝置，對(duì)入室盜竊者產(chǎn)生威懾作用，同時(shí)經(jīng)光電耦合電路將報(bào)警信號(hào)送微處理器，控制 GPRS 發(fā)出中文報(bào)警信息到用戶手機(jī)。 在廚房設(shè) 有煙霧傳感器，當(dāng)它檢測(cè)的煙霧濃度達(dá)到報(bào)警限時(shí)帶動(dòng)一開關(guān)接點(diǎn)動(dòng)作，啟動(dòng)室內(nèi)音響報(bào)警裝置發(fā)出警報(bào)，同時(shí)該信號(hào)經(jīng)光電耦合電路送微處理器，控制 GPRS 發(fā)出報(bào)警信息到用戶手機(jī)。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了中文命令集，命令集分兩類指令，一類為家電操作指令，當(dāng)系統(tǒng)收到用戶通過手機(jī)發(fā)出的家電啟停短消息指令后，對(duì)短消息操作指令進(jìn)行譯碼，確定系統(tǒng)的操作動(dòng)作，然后通過 GPIO 輸出控制信號(hào)，控制信號(hào)經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的繼電器動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)家電設(shè)備的啟?？刂?；另一類命令為數(shù)據(jù)采集命令，用戶使用該類命令可遠(yuǎn)程采集家居狀態(tài)信息，包括室 溫、家電的工作狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)收到用戶通過手機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)采集命令后，系統(tǒng)進(jìn)行譯碼識(shí)別，而后將用戶需要的家居狀態(tài)信息經(jīng)GPRS 模塊發(fā)回用戶手機(jī)。 用戶可發(fā)送中文指令集中的一條或多條命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)或多個(gè)設(shè)基于 CoretexM3 的智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)（論文） 大連理工大學(xué)城市學(xué)院 7 備的控制，系統(tǒng)中文指令集中的指令支持組合使用。 系統(tǒng)命令譯碼設(shè)計(jì)考慮了操作的容錯(cuò)性，當(dāng)手機(jī)發(fā)出的短信命令不完備或?qū)ο到y(tǒng)發(fā)出命令集中沒有的短消息時(shí)系統(tǒng)將不產(chǎn)生任何控制動(dòng)作。 采用西門子公司生產(chǎn)工業(yè)級(jí) GSM/GPRS 模塊 TC35i。插入 SIM 卡后接入到中國移動(dòng)網(wǎng)絡(luò) (GSM 或 CDMA)，通過串口 2 與 LM326952 開發(fā)板相連，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的 AT 指令即可像普通的移動(dòng)電話（ mobile phone）一樣具有收發(fā)短信等功能?？紤]到國內(nèi)用戶的使用習(xí)慣，本系統(tǒng)提供一組中文指令集供用戶使用，用戶通過短信發(fā)送系統(tǒng)提供的中文指令，可以方便的了解家中各種電器的工作狀態(tài)并加以控制，同時(shí)在系統(tǒng)報(bào)警條件被觸發(fā)時(shí)自動(dòng)以中文短信的方式將報(bào)警信息發(fā)送到用戶手機(jī)。 本系統(tǒng)采用 LM3S6952處理器自帶的多功能輸入輸出引腳作為軟硬件接口， LM3S6952 有 43 個(gè)多功能引腳，結(jié)合本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的控制功能從中選取 10 個(gè)引腳， 將這 10個(gè)引腳連接到系統(tǒng)的硬件驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路接到控制信號(hào)后執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。 對(duì) GPIO的控制需要首先對(duì)相應(yīng)的端口和具體引腳進(jìn)行配置，具體的使用也很簡單， Luminary驅(qū)動(dòng)庫中自帶一組對(duì) GPIO進(jìn)行操作的輸入輸出函數(shù)，用戶在對(duì)使用具體的 GPIO引腳時(shí)，只需調(diào)用相應(yīng)的 IO操作函數(shù)即可。 軟件的實(shí)現(xiàn)可以有多種方式，例如將所有的操作放到一個(gè)循環(huán)里面，系統(tǒng)開機(jī)后循環(huán)執(zhí)行所有的操作，此時(shí)對(duì)于實(shí)時(shí)性要求不高的家居監(jiān)控也能基本滿足，但是為了充分發(fā)揮系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，我們?cè)谙到y(tǒng)中引進(jìn)ucosii 操作系統(tǒng) ， ucosii 是一款優(yōu)秀的多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，支持多任務(wù)，我們將系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能和報(bào)警功能設(shè)計(jì)為兩個(gè)任務(wù)，系統(tǒng)啟動(dòng)后自動(dòng)對(duì)兩個(gè)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，并且報(bào)警任務(wù)的優(yōu)先級(jí)比遠(yuǎn)程監(jiān)控的優(yōu)先級(jí)要高，當(dāng)發(fā)生報(bào)警事件時(shí)系統(tǒng)能立即做出響應(yīng)，從而滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)基于 CoretexM3 的智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)（論文） 大連理工大學(xué)城市學(xué)院 8 性要求。 由于 LM3S6952 是德州儀器公司最近兩年才推向市場(chǎng)的一款CoretexM3 內(nèi)核芯片，設(shè)計(jì)比較新且功能強(qiáng)大，所以 ucosii 還沒有對(duì)此芯片提供很好的支持，我們參考了多方面資料，做了大量實(shí)驗(yàn)使LM3S6952 能夠運(yùn)行 ucosii，此項(xiàng)移植工作是我們?cè)诒鞠到y(tǒng)設(shè)計(jì)中 花費(fèi)工作量比較大的一項(xiàng)工作。 第三章 功能與技術(shù)指標(biāo) 該系統(tǒng)工作時(shí)，由手機(jī) 發(fā)出中文短消息命令，操作命令經(jīng)過 GSM 移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)傳送給 GPRS 模塊， LM3S6952 經(jīng)過 GPRS 模塊接收操作命令并進(jìn)行判斷處理，如果是家電控制命令，則經(jīng)繼電器驅(qū)動(dòng)電路控制相應(yīng)的家電動(dòng)作，如果是數(shù)據(jù)采集命令， LM3S6952 將控制 GPRS 模塊將用戶所要的數(shù)據(jù)以中文短消息的形式發(fā)給遠(yuǎn)方用戶的手機(jī)。 當(dāng)家居出現(xiàn)有人入室盜竊或火災(zāi)跡象時(shí)，門磁傳感器或煙霧傳感器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，經(jīng)光電耦合電路送給 LM3S6952， LM3S6952 判斷處理后通過 GPRS 模塊采用中文短信的形式向默認(rèn)手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息，系統(tǒng)的具體功能如下： （ 1） 空調(diào)遠(yuǎn)程啟?？刂啤Ｔ谙募荆脩艋丶仪翱梢杂檬謾C(jī)發(fā)出打開空調(diào)命令使室溫在用戶到家時(shí)達(dá)到理想的溫度。如果用戶發(fā)現(xiàn)離家時(shí)空調(diào)忘記關(guān)閉，可以通過手機(jī)發(fā)出命令關(guān)閉空調(diào)。 （ 2） 供熱閥遠(yuǎn)程啟停控制。在冬季， 用戶回家前可以用手機(jī)發(fā)出打開供熱閥命令，使家居供熱系統(tǒng)工作。家中無人時(shí)關(guān)閉供熱系統(tǒng)，這樣可合理節(jié)約能源。 （ 3） 熱水器遠(yuǎn)程啟停控制。當(dāng)用戶在回家后需使用熱水，可以通過手機(jī)發(fā)出熱水器啟動(dòng)命令，以滿足使用需要。 （ 4） 防盜報(bào)警功能。系統(tǒng)在布防后，若房 間的門或窗被強(qiáng)行打開，系統(tǒng)會(huì)立即發(fā)出防盜報(bào)警短消息至用戶手機(jī)，在遠(yuǎn)方的用戶在接到報(bào)警短信后，確認(rèn)家居有被盜跡象可遠(yuǎn)程啟動(dòng)家居內(nèi)聲光報(bào)警器，對(duì)入室竊賊起威懾作用 。 （ 5） 防火報(bào)警功能。系統(tǒng)在廚房內(nèi)設(shè)置煙霧傳感器，當(dāng)煙霧濃度達(dá)到報(bào)警限時(shí)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警短消息給遠(yuǎn)方用戶手機(jī)， （ 6） 家電工作狀態(tài)遠(yuǎn)程采集功能。如果用戶想要了解遠(yuǎn)方家居內(nèi)家電設(shè)備的工作狀態(tài)，可通過手機(jī)發(fā)出家電工作狀態(tài)查詢命令，系統(tǒng)基于 CoretexM3 的智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)（論文） 大連理工大學(xué)城市學(xué)院 9 會(huì)根據(jù)查詢命令發(fā)出指定家電或所有家電設(shè)備的工作狀態(tài)短消息到用戶手機(jī)。 （ 7） 家居室溫遠(yuǎn)程采集功能。系統(tǒng)的溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)家居內(nèi)的室溫，如果用戶 想了解家居內(nèi)的室溫，可通過手機(jī)發(fā)出溫度采集命令，系統(tǒng)會(huì)將當(dāng)前的室溫以短消息的形式發(fā)給用戶。 （ 1） 遠(yuǎn)程監(jiān)控命令和信息顯示：全部遠(yuǎn)程監(jiān)控命令和顯示信息均以中文短消息的形式表示。監(jiān)控命令發(fā)出后系統(tǒng)的動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間﹤ 10秒。系統(tǒng)對(duì)監(jiān)控命令具有容錯(cuò)性，當(dāng)所發(fā)出的命令短信不完備或有錯(cuò)誤時(shí)控制系統(tǒng)將不動(dòng)作。 （ 2） 通信指標(biāo)：符合 GSM 短消息業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。在中國移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)或中國聯(lián)通通訊網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣內(nèi)，除因網(wǎng)絡(luò)狀況擁擠或 SIM 卡欠費(fèi)等客觀因素外，保證用戶在任何時(shí)間，任何地點(diǎn)都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)家居的遠(yuǎn)程監(jiān)控。 （ 3） 防盜報(bào)警指 標(biāo)：門窗打開縫隙﹥ ，系統(tǒng)發(fā)出防盜報(bào)警信息，遠(yuǎn)方手機(jī)在 15 秒內(nèi)收到報(bào)警短信。 （ 4） 煙霧報(bào)警指標(biāo)：靈敏度符合國標(biāo) GB471593；煙霧濃度達(dá)到報(bào)警值后 15 秒之內(nèi)遠(yuǎn)方手機(jī)收到報(bào)警信息。 （ 5） 家居室溫測(cè)量 :測(cè)量范圍為 － 55℃ ～＋ 125℃ ,當(dāng)溫度在－ 10℃ ～＋ 85℃ 之間時(shí)測(cè)量誤差為 ℃， 在手機(jī)短消息的溫度顯示值精確到個(gè)位，溫度采集響應(yīng)時(shí)間 30 秒。 基于 CoretexM3 的智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)（論文） 大連理工大學(xué)城市學(xué)院 10 第四章 實(shí)現(xiàn)原理 智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體硬件構(gòu)成 智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件由 LM3S6952 開發(fā)板 、傳 感器、輸出控制開關(guān)、光電耦合輸入電路、繼電器輸出驅(qū)動(dòng)電路、 GPRS 模塊、目標(biāo)手機(jī)構(gòu)成，結(jié)構(gòu)圖如圖 41所示。 圖 41 智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)硬件構(gòu)成 家電控制的硬件實(shí)現(xiàn) 家電控制包括熱水器、空調(diào)、取暖閥的控制。系統(tǒng)在收到手機(jī)對(duì)家電控制命令后，在 LM3S6952 對(duì)應(yīng)的 GPIO 口產(chǎn)生控制信號(hào)，該控制信號(hào)經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)家電的啟停控制。 安防報(bào)警的硬件實(shí)現(xiàn) LM326952 溫度傳感器 煙霧傳感器 門磁傳感器 光電耦合 熱水器開關(guān)溫度傳感器 空調(diào)開關(guān) 取暖閥 繼電器 驅(qū)動(dòng) GPRS 模塊OKU 手機(jī) 家居報(bào)警器取暖閥 基于 CoretexM3 的智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)（論文） 大連理工大學(xué)城市學(xué)院 11 防 盜報(bào)警傳感器選用門磁，它由一塊磁鐵和霍爾元件電路組成，當(dāng)二者距離大于 厘米時(shí)處于斷開狀態(tài)，小于 厘米時(shí)處于閉合狀態(tài)。當(dāng)門未被打開時(shí)門磁相當(dāng)于閉合，當(dāng)門被強(qiáng)行打開時(shí)門磁相當(dāng)于斷開，從而發(fā)出報(bào)警信號(hào)。該報(bào)警開關(guān)信號(hào)經(jīng)光電耦合電路傳送到 LM3S6952對(duì)應(yīng)的 GPIO 口，經(jīng)處理后控制 GPRS 模塊發(fā)出防盜報(bào)警中文短消息。 防火報(bào)警采用煙霧傳感器來完成。煙霧傳感器是的工作原理是由于它在內(nèi)外電離室里面有放射源電離產(chǎn)生的正、負(fù)離子，在電場(chǎng)的作用下分別 向正負(fù)電極移動(dòng)。在正常的情況下，內(nèi)外電離室的電流、電壓都是穩(wěn)定的。 一旦有煙霧竄逃外電離室 ，干 擾了帶電粒子的正常運(yùn)動(dòng)， 從而使電流，電壓有所改變，破壞了內(nèi)外電離室之間的平衡 ，從而產(chǎn)生一個(gè)開關(guān)信號(hào)，該開關(guān)信號(hào)經(jīng)光電耦合電路傳送到 LM3S6952 對(duì)應(yīng)的 GPIO口，經(jīng)處理后由 GPRS 模塊發(fā)出火災(zāi)報(bào)警中文短消息。 溫度測(cè)量 的硬件實(shí)現(xiàn) 溫度傳感器采用 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器， 它 是 美國 Dallas 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的數(shù)字化溫度傳感器， 它 是支持 “ 一總線 ” 接口的溫度傳感器 ，通過單總線進(jìn)行通信，即僅需要一條數(shù)據(jù)線和地線就能與中央微處理器進(jìn)行通信。 其內(nèi)部存儲(chǔ)器包括一個(gè)高 速暫存 RAM 和一個(gè)非易失性的可電擦除的 E2RAM,后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器 TH、 TL 和結(jié)構(gòu)寄存器。存儲(chǔ)器包含了 8 個(gè)連續(xù)字節(jié)，前兩個(gè)字節(jié)是測(cè)得的溫度信息，第一個(gè)字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低八位，第二個(gè)字節(jié)是溫度的高八位。第三個(gè)和第四個(gè)字節(jié)是 TH、 TL 的易失性拷貝，第五個(gè)字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存器的易失性拷貝，這三個(gè)字節(jié)的內(nèi)容在每一次上電復(fù)位時(shí)被刷新。第六、七、八個(gè)字節(jié)用于內(nèi)部計(jì)算。第九個(gè)字節(jié)是冗余檢驗(yàn)字節(jié)。 溫度傳感器 DS18B20 的 測(cè)量范圍為－ 55℃ ～＋ 125℃ ,可編程為 9位～ 12位轉(zhuǎn)換精度， 通過 R0 與 R1 組合進(jìn)行設(shè)置， 當(dāng)溫度在－ 10℃ ～＋85℃ 之間時(shí)測(cè)量誤差僅為 ℃。 考慮到本系統(tǒng)只需采集室溫，溫度變化范圍在 DS18B20 的測(cè)量范圍之內(nèi)，由于 DS1820 僅需要一條數(shù)據(jù)線就可完成對(duì)數(shù)據(jù)的傳送，非常節(jié)省硬件資源，因此采用 DS18B20 作為本系統(tǒng)的溫度傳感器。 中文短消息發(fā)送與接收的硬件實(shí)現(xiàn) 本系統(tǒng)