【文章內容簡介】 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 常活動節(jié)約不必要的能耗。而且 在現在這個注重綠色環(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住戶的要求調整方案，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容 本次設計是基于 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、光電傳感器為數據采集源 ，采用西門子公司的 AT35GSM 模塊完成通信及監(jiān)控功能，實現了遠程監(jiān)控、實時監(jiān)控家居溫度、空氣質量，以及家居重要財產防盜的功能。 本章小結 本章主要分析了智能家居的研究背景，以及國內外的發(fā)展現狀及發(fā)展趨勢，以及智能家居平臺系統(tǒng)的技術特點。最后簡單介紹了本智能家居系統(tǒng)的基本內容 和設計思路。 6 第 2 章 系統(tǒng)的總體 方案 設計 系統(tǒng)需求分析 針對國內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、家居安防報警網絡卻情有獨鐘，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的智能化家居系統(tǒng)的發(fā)展奠定了硬件基礎，使較復雜的檢測和識別算法在系統(tǒng)中得到應用。在軟件方面，出現了豐富的支持嵌入式設備的軟件，使嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)的難度降低，出現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支持。同時智能化家居的概念也更加明確，相關的智能化技術得到了顯著地發(fā)展，使開發(fā)能獲得大量先進的資料。 設計本智能家居系統(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、關閉家電的工作狀態(tài)。 （ 2） 在家居的門口安裝了 4*4 鍵盤，當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 家居內溫度、煙霧情況，當室內煙霧濃度偏高時，系統(tǒng)可以打開室內抽風 機把室內有害氣體抽出室外，當室內煙霧濃度過高，系統(tǒng)啟動火災報警模塊，提示家居主人預防火災的發(fā)生。 （ 4） 當 有小孩靠近窗戶時，系統(tǒng)自動把窗戶關上，避免小孩可能發(fā)生墜樓的危險 ，當小孩離 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 智能家居相關的設備都是跟人們生活息息相關的， 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。對智能家居產品來說，最重要的是應立足于客戶的 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、質量、性能良好，具備應付各種復雜環(huán)境變化的能力。 根據目前國內外智能家居系統(tǒng)的發(fā)展現狀，人們不僅關注家居內部控制，更加注重對家用電器內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部 進行遠程控制，主要實現的功能有：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、空氣質量的情況，通過光電傳感器監(jiān)控家庭重要財產，具有防火防盜的功能 。 系統(tǒng)總體 架構 設計 本課題旨在設計一套智能家居系統(tǒng) ， 根據系統(tǒng)的設計需求， 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、風扇 ) 部分，具有語音提示功能的密碼鎖防盜部分，窗戶自動關窗預防小孩墜樓部分，煙霧濃度監(jiān)測自動報警部分。 各個模塊相互獨立，某個模塊出現故障不影響其他模塊運行。本智能家居系統(tǒng)整體架 構框圖如圖 所示。 8 應 用 程 序 層A R M L i n u x 操 作 系 統(tǒng)驅 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 機風 扇煙霧傳感器光電傳感器窗戶步進電機臺 燈G S M 模 塊繼電器驅動電 平 鎖 圖 智能家居系統(tǒng)整體架構框圖 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動程序，編譯加載驅動后應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)學習研究等原因，故選擇功能更強大的 ARM 處理器 [6]。隨著電子技術的發(fā)展，ARM 處理器經歷了包括 ARM ARM ARM11 等在內的多個發(fā)展階段，不斷成熟的 ARM 處理器的應用必將為嵌入式的發(fā)展帶來新的活力，是更高端的產品應用成為可能。 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 內核電源芯片和復位芯片來保證系統(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 內存： ? 在板 64M SDRAM， 32bit 數據總線， 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 RJ45 接口 (采用 DM9000 網絡芯片 ) 。 ? 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 個可調電阻，用于 AD 模數轉換測試。 ? 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)，帶電源開關和指示燈。 ? 系統(tǒng)時鐘源： ? 12M 無源晶振。 ? 實時時鐘： ? 內部實時時鐘（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 網絡日臻完善的今天，它易于集成，可以在較短的時間內花費較少的成本開發(fā)出新穎的產品。在遠 程監(jiān)控和無線公話以及無線 POS 終端等領域您都能看到 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： ? 信息傳送內容：語音和數據。 ? 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，耳麥，免提手柄）。 ? 通訊接口： RS232（指令和數據的雙向傳送）。 ? 模塊復位：采用 AT 指令或掉電復位 。 ? 串口通訊波特率： 300bps...115kbps 。 要實現發(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 max232 把 TTL電平轉換成 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 串口轉換電路。 圖 TC35 模塊和 max232 串口轉換電路 溫度傳感器 本系統(tǒng)選擇 DALLAS 公司生產的 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備數字測溫和控制領域。 DS18B20 的主要特征 和引腳封裝原理圖 12 如下： ? 全數字轉換及輸出。 ? 先進的單總線數據通信。 ? 測量結果以 9~12 位數字量方式串行傳送。 ? 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 ,便于與其它電器設備連接。 圖 DS18B20 封裝及原理圖 DS18B20 引腳功能說明如下： （ 1） DQ 為數字信號輸入 /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率較低的二氧化錫(SnO2)。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導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率的變化轉 換為與該氣體濃度相對應的 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 ? 產品尺寸：直徑 105mm 厚度 32mm 圖 MQ2 引腳接線圖 根據 MQ2 的工作原理（其電導率隨著氣體濃度的增大而增大，其電阻是電導率的倒數，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)中實現光電轉換的關鍵元件，它是把光信號（紅外、可見紫外光輻射）轉變成為電信號的器件。光電傳感器是以光電器件作為轉換元件的傳感器。它可以用于檢測直接引起光量變化的非電量，如光強等。 本設計試圖把光電傳感器安裝在家庭保險柜