【文章內(nèi)容簡介】 發(fā)展的必然趨勢 [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 ?；顒庸?jié)約不必要的能耗。而且 在現(xiàn)在這個注重綠色環(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，智能家居控制器可以根據(jù)住戶的要求調(diào)整方案，加強緊急處理，危機救護等急救控制，充分達到只要是“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界面的編寫，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 ，采用西門子公司的 AT35GSM 模塊完成通信及監(jiān)控功能，實現(xiàn)了遠程監(jiān)控、實時監(jiān)控家居溫度、空氣質(zhì)量，以及家居重要財產(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，以及國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，以及智能家居平臺系統(tǒng)的技術(shù)特點。最后簡單介紹了本智能家居系統(tǒng)的基本內(nèi)容 和設(shè)計思路。 6 第 2 章 系統(tǒng)的總體 方案 設(shè)計 系統(tǒng)需求分析 針對國內(nèi)市場的實際情況分析，消費者對遠程抄表和物業(yè)管理興趣索然，但是對家電控制、家居安防報警網(wǎng)絡(luò)卻情有獨鐘，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)雜的檢測和識別算法在系統(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)的開發(fā)的難度降低，出現(xiàn)了大量專注于嵌入式的企業(yè)，使嵌入式開發(fā)中能得到良好的技術(shù)支持。同時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，使開發(fā)能獲得大量先進的資料。 設(shè)計本智能家居系統(tǒng)，需要滿足 以 下 需求 。 系統(tǒng)功能需求 分析 （ 1） 能 用手機 通過收發(fā)短信的方式 檢測家電，打開、關(guān)閉家電的工作狀態(tài)。 （ 2） 在家居的門口安裝了 4*4 鍵盤，當(dāng)用戶輸入正確的密碼可以把門打開，用戶通過其他非法手段比如撬開鎖時，系統(tǒng)及時啟動報警模塊，達到防盜的功能。 （ 3） 能實時測量 家居內(nèi)溫度、煙霧情況，當(dāng)室內(nèi)煙霧濃度偏高時，系統(tǒng)可以打開室內(nèi)抽風(fēng) 機把室內(nèi)有害氣體抽出室外，當(dāng)室內(nèi)煙霧濃度過高，系統(tǒng)啟動火災(zāi)報警模塊，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，系統(tǒng)自動把窗戶關(guān)上，避免小孩可能發(fā)生墜樓的危險 ，當(dāng)小孩離 開時，系統(tǒng)自動 把 窗戶 打開 。 性能需 求 分析 智能家居系統(tǒng) 在正常運行時， 幾乎 每時每刻都在運行， 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)的容錯能力，同時一定要保證系統(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，用戶體驗效果良好，并且使用戶可以很容易掌握 操作流程 ，同時要求實用、舒適和 有個性等 。 系統(tǒng)設(shè)計的原則 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舒適、安全、高效、方便、實用的生活環(huán)境。對智能家居產(chǎn)品來說，最重要的是應(yīng)立足于客戶的 對家居環(huán)境的具體需求，以實用為核心，摒棄掉那些華而不實的功能。同時還要充分考慮到用戶體驗，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)大部分時間都在運行，必須高度重視系統(tǒng)的安全性、可靠性和容錯能力，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，更加注重對家用電器內(nèi)部情況進行遠程實時監(jiān)控。在要求智能家居控制系統(tǒng)方便快捷的同時，還要求產(chǎn)品外觀小、功耗低、成本低和擴展性號的特點。本系統(tǒng)主要針對用戶家庭內(nèi)部 進行遠程控制，主要實現(xiàn)的功能有：通過遠程監(jiān)控家電運行情況、通過溫度、煙霧傳感器檢測家居溫度、空氣質(zhì)量的情況，通過光電傳感器監(jiān)控家庭重要財產(chǎn)，具有防火防盜的功能 。 系統(tǒng)總體 架構(gòu) 設(shè)計 本課題旨在設(shè)計一套智能家居系統(tǒng) ， 根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計需求， 本控制系統(tǒng)采用分布式控制方式對智能家居的各部分進行統(tǒng)一控制，主要包括遠程監(jiān)控家電 (包括臺燈、風(fēng)扇 ) 部分，具有語音提示功能的密碼鎖防盜部分，窗戶自動關(guān)窗預(yù)防小孩墜樓部分，煙霧濃度監(jiān)測自動報警部分。 各個模塊相互獨立，某個模塊出現(xiàn)故障不影響其他模塊運行。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 程 序 層智 能 家 居 手 機 遙 控 層S 3 C 2 4 4 0處 理 器抽 風(fēng) 機風(fēng) 扇煙霧傳感器光電傳感器窗戶步進電機臺 燈G S M 模 塊繼電器驅(qū)動電 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， 控制器控制遠程監(jiān)控家電模塊，檢測溫度、煙霧模塊，密碼鎖模塊 等 。在實際開發(fā)中先在 ARM Linux 中編寫每個模塊的驅(qū)動程序，編譯加載驅(qū)動后應(yīng)用層方能操作硬件模塊 ，手機通過收發(fā)短信的方式通過應(yīng)用層程序與硬件模塊通信達到控制硬件的目的。 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和 ARM，由于考慮到單片機引腳少、功能簡 單以及后續(xù)學(xué)習(xí)研究等原因，故選擇功能更強大的 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 是一款真正低價實用的 ARM9 開發(fā)板，它采用 Samsung S3C2440 9 為微處理器，并采用專業(yè)穩(wěn)定的 CPU 內(nèi)核電源芯片和復(fù)位芯片來保證系統(tǒng)運行時的穩(wěn)定性。它采用了更多的晶體管，能夠達到兩倍以上于 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 開發(fā)板， 開發(fā)板硬件資源如下所示。 圖 開發(fā)板硬件資源 開發(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 時鐘頻率高達 100MHz。 ? FLASH 存儲： ? 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 級灰度、 16 級灰度、 256 色、 4096 色 STN 液晶屏，尺寸從 寸到 寸。 ? 屏幕分辨率可以達到 1024x768 象素，支持黑白、 4 級灰度、 16 級灰度、 256色、 64K 色、真彩色 TFT 液晶屏；尺寸從 寸到 寸，屏幕分辨率可以達到 1024x768 象素。 ? 標準配置為統(tǒng)寶 真彩 LCD，分別率 240x320，帶觸摸屏。 10 ? 接口和資源： ? 1 個 100M 以太網(wǎng) RJ45 接口 (采用 DM9000 網(wǎng)絡(luò)芯片 ) 。 ? 3 個串行口。 ? 1 個 USB Host 。 ? 1 個 USB Slave B 型接口。 ? 1 個 SD 卡存儲接口。 ? 1 路立體聲音頻輸出接口，一路麥克風(fēng)接口。 ? 1 個 10 針 JTAG 接口。 ? 4 USER Leds 。 ? 6 USER buttons(帶引出座 ) 。 ? 1 個 PWM 控制蜂鳴器。 ? 1 個可調(diào)電阻，用于 AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換測試。 ? 1 個 I2C 總線 AT24C08 芯片，用于 I2C 總線測試。 ? 1 個 mm間距 20pin 攝像頭接口。 ? 板載實時時鐘電池。 ? 電源接口 (5V)，帶電源開關(guān)和指示燈。 ? 系統(tǒng)時鐘源： ? 12M 無源晶振。 ? 實時時鐘： ? 內(nèi)部實時時鐘（帶后備鋰電池） 。 ? 擴展接口： ? 1 個 34 pin 接口。 ? 1 個 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： ? + +(獨創(chuàng)雙圖形系統(tǒng)共存，無縫切換 ) 。 ? (R3)。 TC35 模塊 TC35 是西門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，可以在較短的時間內(nèi)花費較少的成本開發(fā)出新穎的產(chǎn)品。在遠 程監(jiān)控和無線公話以及無線 POS 終端等領(lǐng)域您都能看到 TC35 無線模塊在發(fā)揮作用。 本系統(tǒng)采用 TC35 對家電進行遠程監(jiān)控， TC35 的主要特征如下： ? 信息傳送內(nèi)容：語音和數(shù)據(jù)。 ? 電源：單電源 ～ 。 ? 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（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 。 要實現(xiàn)發(fā)短信或語音功能主要是通過開發(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 反饋回來的信息來進行的。 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 溫度傳感器進行開發(fā)。 DS18B20 以超小的體積、超低的硬件開銷，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。 ? 先進的單總線數(shù)據(jù)通信。 ? 測量結(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。 ? 測溫范圍 55℃ ~+125℃，固有測溫分辨率為 ℃。 ? 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 引腳功能說明如下： （ 1） DQ 為數(shù)字信號輸入 /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接地）。 DS18B20 與 ARM 處理器的接口十分簡單，只需要將 DS18B20 的信號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)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡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應(yīng)的 13 輸出信號。 MQ2 氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，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℃ ? 報警濃度： ～ %FT ? 工作濕度： 10～ 90% ? 工作電源： 12VDC/9VDC ? 信號輸出：常開 /常閉 ? 安裝方式：吸頂 ? 外殼：阻燃樹脂 ? 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 測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號（紅外、可見紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號的器件。光電傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。它可以用于檢測直接引起光量變化的非電量，如光強等。 本設(shè)計試圖把光電傳感器安裝在家庭保險柜