【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 發(fā)展的必然趨勢(shì) [4]。 智能家居控制器可以為系統(tǒng)提供智能控制方案，使住戶的控制更便捷，更高效，更能為家庭的日 ?；顒?dòng)節(jié)約不必要的能耗。而且 在現(xiàn)在這個(gè)注重綠色環(huán)保的世界里，智能地 為住戶控制好空氣的濕度、溫度等，檢查分析空氣成分，讓住戶安心入住。同時(shí)，智能家居控制器可以根據(jù)住戶的要求調(diào)整方案，加強(qiáng)緊急處理，危機(jī)救護(hù)等急救控制，充分達(dá)到只要是“用戶想要的，就是我們追求的”宗旨。 本課題研究的基本內(nèi)容 本次設(shè)計(jì)是基于 ARM9 的 S3C2440 核心處理器，以 Linux 嵌入式系統(tǒng)為家居總中 5 心監(jiān)控系統(tǒng)，使用 Linux Qt 完成控制程序及人機(jī)界面的編寫(xiě)，采用 ds18b20 溫度傳感器、 MQ2 煙霧傳感器、光電傳感器為數(shù)據(jù)采集源 ，采用西門(mén)子公司的 AT35GSM 模塊完成通信及監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控、實(shí)時(shí)監(jiān)控家居溫度、空氣質(zhì)量，以及家居重要財(cái)產(chǎn)防盜的功能。 本章小結(jié) 本章主要分析了智能家居的研究背景，以及國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，以及智能家居平臺(tái)系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)。最后簡(jiǎn)單介紹了本智能家居系統(tǒng)的基本內(nèi)容 和設(shè)計(jì)思路。 6 第 2 章 系統(tǒng)的總體 方案 設(shè)計(jì) 系統(tǒng)需求分析 針對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的實(shí)際情況分析，消費(fèi)者對(duì)遠(yuǎn)程抄表和物業(yè)管理興趣索然，但是對(duì)家電控制、家居安防報(bào)警網(wǎng)絡(luò)卻情有獨(dú)鐘，所以目前眾多企業(yè)都往 這一方向發(fā)展。而嵌入式技術(shù)在最近幾年得到了廣闊的發(fā)展 [5]。嵌入式處理器的性能得到了顯著地提高，這就為以嵌入式為基礎(chǔ)的智能化家居系統(tǒng)的發(fā)展奠定了硬件基礎(chǔ)，使較復(fù)雜的檢測(cè)和識(shí)別算法在系統(tǒng)中得到應(yīng)用。在軟件方面，出現(xiàn)了豐富的支持嵌入式設(shè)備的軟件，使嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)的難度降低，出現(xiàn)了大量專(zhuān)注于嵌入式的企業(yè)，使嵌入式開(kāi)發(fā)中能得到良好的技術(shù)支持。同時(shí)智能化家居的概念也更加明確，相關(guān)的智能化技術(shù)得到了顯著地發(fā)展，使開(kāi)發(fā)能獲得大量先進(jìn)的資料。 設(shè)計(jì)本智能家居系統(tǒng)，需要滿足 以 下 需求 。 系統(tǒng)功能需求 分析 （ 1） 能 用手機(jī) 通過(guò)收發(fā)短信的方式 檢測(cè)家電，打開(kāi)、關(guān)閉家電的工作狀態(tài)。 （ 2） 在家居的門(mén)口安裝了 4*4 鍵盤(pán)，當(dāng)用戶輸入正確的密碼可以把門(mén)打開(kāi)，用戶通過(guò)其他非法手段比如撬開(kāi)鎖時(shí)，系統(tǒng)及時(shí)啟動(dòng)報(bào)警模塊，達(dá)到防盜的功能。 （ 3） 能實(shí)時(shí)測(cè)量 家居內(nèi)溫度、煙霧情況，當(dāng)室內(nèi)煙霧濃度偏高時(shí)，系統(tǒng)可以打開(kāi)室內(nèi)抽風(fēng) 機(jī)把室內(nèi)有害氣體抽出室外，當(dāng)室內(nèi)煙霧濃度過(guò)高，系統(tǒng)啟動(dòng)火災(zāi)報(bào)警模塊，提示家居主人預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生。 （ 4） 當(dāng) 有小孩靠近窗戶時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)把窗戶關(guān)上，避免小孩可能發(fā)生墜樓的危險(xiǎn) ，當(dāng)小孩離 開(kāi)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng) 把 窗戶 打開(kāi) 。 性能需 求 分析 智能家居系統(tǒng) 在正常運(yùn)行時(shí)， 幾乎 每時(shí)每刻都在運(yùn)行， 必須高度重視系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性， 盡量提高系統(tǒng)的容錯(cuò)能力，同時(shí)一定要保證系統(tǒng) 安全，性能良好。 用戶界面及其 他需求 分析 智能家居相關(guān)的設(shè)備都是跟人們生活息息相關(guān)的， 因而智能家居系統(tǒng)必須要求用 7 戶界面友好，用戶體驗(yàn)效果良好，并且使用戶可以很容易掌握 操作流程 ，同時(shí)要求實(shí)用、舒適和 有個(gè)性等 。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則 智能家居又稱智能住宅，它的最基本目的是為人們提供一個(gè)舒適、安全、高效、方便、實(shí)用的生活環(huán)境。對(duì)智能家居產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，最重要的是應(yīng)立足于客戶的 對(duì)家居環(huán)境的具體需求，以實(shí)用為核心，摒棄掉那些華而不實(shí)的功能。同時(shí)還要充分考慮到用戶體驗(yàn)，注重操作的便利化和直觀性，注重完美的圖形化控制界面。智能家居系統(tǒng)大部分時(shí)間都在運(yùn)行，必須高度重視系統(tǒng)的安全性、可靠性和容錯(cuò)能力，保證系統(tǒng)正常安全使用、質(zhì)量、性能良好，具備應(yīng)付各種復(fù)雜環(huán)境變化的能力。 根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外智能家居系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，人們不僅關(guān)注家居內(nèi)部控制，更加注重對(duì)家用電器內(nèi)部情況進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。在要求智能家居控制系統(tǒng)方便快捷的同時(shí)，還要求產(chǎn)品外觀小、功耗低、成本低和擴(kuò)展性號(hào)的特點(diǎn)。本系統(tǒng)主要針對(duì)用戶家庭內(nèi)部 進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，主要實(shí)現(xiàn)的功能有：通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控家電運(yùn)行情況、通過(guò)溫度、煙霧傳感器檢測(cè)家居溫度、空氣質(zhì)量的情況，通過(guò)光電傳感器監(jiān)控家庭重要財(cái)產(chǎn)，具有防火防盜的功能 。 系統(tǒng)總體 架構(gòu) 設(shè)計(jì) 本課題旨在設(shè)計(jì)一套智能家居系統(tǒng) ， 根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求， 本控制系統(tǒng)采用分布式控制方式對(duì)智能家居的各部分進(jìn)行統(tǒng)一控制，主要包括遠(yuǎn)程監(jiān)控家電 (包括臺(tái)燈、風(fēng)扇 ) 部分，具有語(yǔ)音提示功能的密碼鎖防盜部分，窗戶自動(dòng)關(guān)窗預(yù)防小孩墜樓部分，煙霧濃度監(jiān)測(cè)自動(dòng)報(bào)警部分。 各個(gè)模塊相互獨(dú)立，某個(gè)模塊出現(xiàn)故障不影響其他模塊運(yùn)行。本智能家居系統(tǒng)整體架 構(gòu)框圖如圖 所示。 8 應(yīng) 用 程 序 層A R M L i n u x 操 作 系 統(tǒng)驅(qū) 動(dòng) 程 序 層智 能 家 居 手 機(jī) 遙 控 層S 3 C 2 4 4 0處 理 器抽 風(fēng) 機(jī)風(fēng) 扇煙霧傳感器光電傳感器窗戶步進(jìn)電機(jī)臺(tái) 燈G S M 模 塊繼電器驅(qū)動(dòng)電 平 鎖 圖 智能家居系統(tǒng)整體架構(gòu)框圖 該智能家居系統(tǒng)用 S3C2440 處理器， 控制器控制遠(yuǎn)程監(jiān)控家電模塊，檢測(cè)溫度、煙霧模塊，密碼鎖模塊 等 。在實(shí)際開(kāi)發(fā)中先在 ARM Linux 中編寫(xiě)每個(gè)模塊的驅(qū)動(dòng)程序，編譯加載驅(qū)動(dòng)后應(yīng)用層方能操作硬件模塊 ，手機(jī)通過(guò)收發(fā)短信的方式通過(guò)應(yīng)用層程序與硬件模塊通信達(dá)到控制硬件的目的。 系統(tǒng)主要硬件介紹 ARM 處理器 嵌入式系統(tǒng)常用的處理器有單片機(jī)和 ARM，由于考慮到單片機(jī)引腳少、功能簡(jiǎn) 單以及后續(xù)學(xué)習(xí)研究等原因，故選擇功能更強(qiáng)大的 ARM 處理器 [6]。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，ARM 處理器經(jīng)歷了包括 ARM ARM ARM11 等在內(nèi)的多個(gè)發(fā)展階段，不斷成熟的 ARM 處理器的應(yīng)用必將為嵌入式的發(fā)展帶來(lái)新的活力，是更高端的產(chǎn)品應(yīng)用成為可能。 Mini2440ARM 是一款真正低價(jià)實(shí)用的 ARM9 開(kāi)發(fā)板，它采用 Samsung S3C2440 9 為微處理器，并采用專(zhuān)業(yè)穩(wěn)定的 CPU 內(nèi)核電源芯片和復(fù)位芯片來(lái)保證系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性。它采用了更多的晶體管，能夠達(dá)到兩倍以上于 ARM7 處理器的處理能力。 本系統(tǒng)初期采用友善之 臂公司集成的 mini2440 開(kāi)發(fā)板， 開(kāi)發(fā)板硬件資源如下所示。 圖 開(kāi)發(fā)板硬件資源 開(kāi)發(fā)板的硬件資源包括： ? Samsung S3C2440A 處理器： ? 主頻 400MHz，最高 533Mhz。 ? SDRAM 內(nèi)存： ? 在板 64M SDRAM， 32bit 數(shù)據(jù)總線， SDRAM 時(shí)鐘頻率高達(dá) 100MHz。 ? FLASH 存儲(chǔ)： ? 256M Nand Flash, 掉電非易失。 ? 在板 2M Nor Flash，掉電非易失，已經(jīng)安裝 BIOS。 ? LCD 顯示： ? 板上集成 4 線電阻式觸摸屏接口，可以直接連接四線電阻觸摸屏， 支持黑白、 4 級(jí)灰度、 16 級(jí)灰度、 256 色、 4096 色 STN 液晶屏，尺寸從 寸到 寸。 ? 屏幕分辨率可以達(dá)到 1024x768 象素，支持黑白、 4 級(jí)灰度、 16 級(jí)灰度、 256色、 64K 色、真彩色 TFT 液晶屏；尺寸從 寸到 寸，屏幕分辨率可以達(dá)到 1024x768 象素。 ? 標(biāo)準(zhǔn)配置為統(tǒng)寶 真彩 LCD，分別率 240x320，帶觸摸屏。 10 ? 接口和資源： ? 1 個(gè) 100M 以太網(wǎng) RJ45 接口 (采用 DM9000 網(wǎng)絡(luò)芯片 ) 。 ? 3 個(gè)串行口。 ? 1 個(gè) USB Host 。 ? 1 個(gè) USB Slave B 型接口。 ? 1 個(gè) SD 卡存儲(chǔ)接口。 ? 1 路立體聲音頻輸出接口，一路麥克風(fēng)接口。 ? 1 個(gè) 10 針 JTAG 接口。 ? 4 USER Leds 。 ? 6 USER buttons(帶引出座 ) 。 ? 1 個(gè) PWM 控制蜂鳴器。 ? 1 個(gè)可調(diào)電阻，用于 AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換測(cè)試。 ? 1 個(gè) I2C 總線 AT24C08 芯片，用于 I2C 總線測(cè)試。 ? 1 個(gè) mm間距 20pin 攝像頭接口。 ? 板載實(shí)時(shí)時(shí)鐘電池。 ? 電源接口 (5V)，帶電源開(kāi)關(guān)和指示燈。 ? 系統(tǒng)時(shí)鐘源： ? 12M 無(wú)源晶振。 ? 實(shí)時(shí)時(shí)鐘： ? 內(nèi)部實(shí)時(shí)時(shí)鐘（帶后備鋰電池） 。 ? 擴(kuò)展接口： ? 1 個(gè) 34 pin 接口。 ? 1 個(gè) 40 pin 系統(tǒng)總線接口。 ? 規(guī)格尺寸： ? 100 x 100(mm) 。 ? 操作系統(tǒng)支持： ? + +(獨(dú)創(chuàng)雙圖形系統(tǒng)共存，無(wú)縫切換 ) 。 ? (R3)。 TC35 模塊 TC35 是西門(mén)子公司出的一款雙頻 900/1800MHZ 高度集成的 GSM 模塊。在 GSM 11 網(wǎng)絡(luò)日臻完善的今天，它易于集成，可以在較短的時(shí)間內(nèi)花費(fèi)較少的成本開(kāi)發(fā)出新穎的產(chǎn)品。在遠(yuǎn) 程監(jiān)控和無(wú)線公話以及無(wú)線 POS 終端等領(lǐng)域您都能看到 TC35 無(wú)線模塊在發(fā)揮作用。 本系統(tǒng)采用 TC35 對(duì)家電進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控， TC35 的主要特征如下： ? 信息傳送內(nèi)容：語(yǔ)音和數(shù)據(jù)。 ? 電源：?jiǎn)坞娫? ～ 。 ? 頻段：雙頻 GSM900MHz 和 DCS1800 MHz(Phase 2+) 。 ? SIM 卡連接方式： 外接 。 ? 天線：由天線連接器連接外部天線 。 ? 短信息： MT, MO, CB 和 PDU 模式 。 ? 音頻接口：模擬信號(hào)（麥克風(fēng)，耳麥，免提手柄）。 ? 通訊接口： RS232（指令和數(shù)據(jù)的雙向傳送）。 ? 模塊復(fù)位：采用 AT 指令或掉電復(fù)位 。 ? 串口通訊波特率： 300bps...115kbps 。 要實(shí)現(xiàn)發(fā)短信或語(yǔ)音功能主要是通過(guò)開(kāi)發(fā)板串口發(fā)送 AT 指令經(jīng) max232 把 TTL電平轉(zhuǎn)換成 RS232 電平并處理 TC35 反饋回來(lái)的信息來(lái)進(jìn)行的。 下面圖 是 TC35 模塊和 max232 串口轉(zhuǎn)換電路。 圖 TC35 模塊和 max232 串口轉(zhuǎn)換電路 溫度傳感器 本系統(tǒng)選擇 DALLAS 公司生產(chǎn)的 DS18B20 溫度傳感器進(jìn)行開(kāi)發(fā)。 DS18B20 以超小的體積、超低的硬件開(kāi)銷(xiāo)，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝 形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。 DS18B20 的主要特征 和引腳封裝原理圖 12 如下： ? 全數(shù)字轉(zhuǎn)換及輸出。 ? 先進(jìn)的單總線數(shù)據(jù)通信。 ? 測(cè)量結(jié)果以 9~12 位數(shù)字量方式串行傳送。 ? 不需要外圍任何元件。 ? 測(cè)溫范圍 55℃ ~+125℃，固有測(cè)溫分辨率為 ℃。 ? 工作電壓： 3~5V/DC。 ? PVC 電纜直接出線或德式球型接線盒出線 ,便于與其它電器設(shè)備連接。 圖 DS18B20 封裝及原理圖 DS18B20 引腳功能說(shuō)明如下： （ 1） DQ 為數(shù)字信號(hào)輸入 /輸出端。 （ 2） GND 為電源地。 （ 3） VDD 為外 接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時(shí)接地）。 DS18B20 與 ARM 處理器的接口十分簡(jiǎn)單，只需要將 DS18B20 的信號(hào)線與控制線的一位雙向端口連接即可。本系統(tǒng)將 DS18B20 的信號(hào)線與 S3C2440 的 GPE0 引腳連接，如下 面 圖 所示。 圖 DS18B20 引腳電路圖 MQ2 煙霧傳感器 MQ2 氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn) 換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的 13 輸出信號(hào)。 MQ2 氣體傳感器對(duì)液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對(duì)天然氣和其它可燃蒸汽的檢測(cè)也很理想。這種傳感器可檢測(cè)多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。 MQ2 的主要特征如下： ? 工作溫度： 10℃～ +50℃ ? 報(bào)警濃度： ～ %FT ? 工作濕度： 10～ 90% ? 工作電源： 12VDC/9VDC ? 信號(hào)輸出：常開(kāi) /常閉 ? 安裝方式：吸頂 ? 外殼：阻燃樹(shù)脂 ? 產(chǎn)品尺寸：直徑 105mm 厚度 32mm 圖 MQ2 引腳接線圖 根據(jù) MQ2 的工作原理（其電導(dǎo)率隨著氣體濃度的增大而增大，其電阻是電導(dǎo)率的倒數(shù)，所以隨著煙霧濃度的增大其電阻是減小的）并且參考圖 MQ2Datasheet 上的測(cè)試電路，在根據(jù)圖 的電路圖，可以得到 煙霧傳感器的輸出電壓如式 所示。 ? ?RLsL R LV c VR RV?? (式 ) 光電傳感器 光電傳感器是各種光電檢 測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號(hào)（紅外、可見(jiàn)紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)的器件。光電傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。它可以用于檢測(cè)直接引起光量變化的非電量，如光強(qiáng)等。 本設(shè)計(jì)試圖把光電傳感器安裝在家庭保險(xiǎn)柜