基于Linux操作系統的智能家居的設計

ID:71651 · 發表于 2015-1-18 14:26

智能家居是當前社會一個新穎的話題，也是電子技術發展的方面，把電子技術充分應用在生活中。然而到目前為止，智能家居才做到智能小區這個地步，因為實現智能家居的費用比較高。智能家居也是物聯網的一個分支，把家庭中的相關家居通過一個控制平臺，連接到網絡上，在聯網的條件下，可以隨時查看家里的情況和控制。
　　物聯網的興起，為智能家居提供了條件。如何通過簡化物聯網終端設備，最終開發出一套經濟實用的支持多終端應用的智能家居物聯網平臺是非常有意義、有價值的工作。本系統基于Linux操作系統，開發了一套融合無線移動網絡、射頻識別裝置的智能家居控制系統。此系統具有智能抄表、遠程開啟電器、射頻識別和遠程遙控等功能。
　　1　系統概述
　　本系統采用S3C2410芯片作為主控制器，操作界面為3.2寸TFT觸摸顯示屏。上電后，顯示屏顯示整個家居系統網絡內各設備，每個設備分別對應一個圖標，包括燈光控制、風扇、冰箱、空調、溫度、電飯煲、煙霧、燃氣流量采集等。點擊圖標進入該設備相應的詳細信息欄。進入燈光控制界面，可以方便地查看家中各房間亮燈情況，也可遠程通過短信方式控制各房間的燈的亮滅；燃氣使用情況可方便地發送至相關采集部門；坐在辦公室，一條短信可以將電飯煲電源接通。家居中各設備與主控平臺間選擇了2.4 GHz的無線射頻收發芯片nRF2401，通過它可以實現各家居設備與主控平臺間的無線通信。主控平臺與外網的通信，采用的是ATK-SIM900A GSM/GPRS終端無線模塊。煙霧傳感器采用MQ-2傳感器來采集室內煙霧情況。智能家居控制系統結構框圖如圖1所示。
　　

　圖1　智能家居控制系統結構框圖
　　嵌入式ARM2410系統開發平臺是整個智能家居系統的監控與管理中心，它主要集成了無線通信模塊、射頻識別模塊、紅外感應模塊、觸摸顯示屏。該總控平臺一方面可以通過無線模塊接收到外部命令（例如：手機短信），并通過射頻識別，控制對應的家居設備按指示工作，例如，打開電飯煲、空調或洗衣機。另一方面，各家居設備運行信息可以通過射頻模塊接收采集（例如電表讀數等），處理后，可以將數據發送到嵌入式ARM2410系統開發平臺，該平臺將數據分類處理后，可選擇有用數據發送至對應公司服務器（例如供電局、水廠等），實現自動抄表。
　　智能家居控制系統的中的每一個家居設備，都需要分別安裝一個射頻識別模塊，通過該模塊可以與嵌入式ARM2410系統開發平臺實現短距離無線通信。
　　2　射頻識別模塊
　　nRF2401是一款工作在2.4～2.5 GHz世界通用ISM頻段的單片射頻收發器件。該射頻識別模塊可以實現多機通信，多機通信采用頻分多址的方法，只需要在接收端對不同的通道配置地址即可。發送端使用相應的地址作為本機地址。接收數據時通過讀取STATUS中相關位即可得知接收的是哪個通道的數據。射頻識別模塊內包括：頻率發生器、增強型 SchockBurstTM模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器和解調器。輸出功率頻道的選擇和協議可以通過對應的SPI接口進行設置。射頻識別模塊功耗低，當工作在發射模式下發射功率為-6 dBm時，電流消耗為9.0 mA；接收模式時為12.3 mA，掉電模式和待機模式下電流消耗更低。
　　nRF2401在接收模式下可以接收6路不同通道的數據，nRF2401在星形網絡中的結構如圖2所示。每一個數據通道使用不同的地址，但是共用相同的頻道，也就是說6個不同的nRF2401設置為發送模式后可以與同一個設置為接收模式的nRF2401進行通信，而設置為接收模式的 nRF2401可以對這6個發射端進行識別。同一時刻，所有的數據通道都被搜索，但只能接　　

　　圖2　nRF24L01在星形網絡中的結構
　　收一路數據通道的數據。nRF2401在確認收到數據后記錄地址，并以此地址為目標地址發送應答信號，在發送端數據通道0被用作接收應答信號，因此數據通道0的接收地址要與發送端地址相等以確保接收到正確的應答信號。
3　煙霧的檢測
煙霧檢測采用MQ-2 傳感器模塊，模塊能檢測多種氣體，當氣體濃度超過程序中設定值的時候，模塊檢測出來并在相應引腳上產生信號，供單片機讀取。模塊有一下參數：
1、可以用于家庭和工廠的氣體泄漏監測裝置，適宜于液化氣，丁烷，丙烷，
甲烷，酒精，煙霧等的探測；
2、靈敏度可調；
3、工作電壓 5V 使用前，供電至少預熱 2 分鐘以上，傳感器稍微發燙屬于
正常現象；
4、輸出形式：a）模擬量電壓輸出 b）數字開關量輸出（0 和 1）
5、串口通信　　
　　主控芯片采用8051系列單片機芯片，單片機通過串口與傳感器通信，可以方便地采集到瞬時流量和累積流量，可記錄自上電以來瞬時流量的最大值和最小值，具有超量程指示功能，程序模擬SPI接口，實現與NRF2401的通信。
4　Linux移植及Qt應用程序開發
本系統在Friednly2410開發板上移植了Linux操作系統，并在此嵌入式操作系統平臺上進行了簡易家居智能控制平臺的開發。Linux移植及Qt應用程序開發步驟如圖4所示。

　　圖4　Linux移植及Qt應用程序開發步驟
　　首先是配置開發板所需要的環境軟件。在開發板環境建立中，要注意的是對于沒有串口的機器，一定要先安裝USB轉串口的驅動，而在安裝時務必注意將電腦與板載串口的波特率設置為一致。這個沒設置好，串口通信會有問題。除此之外，還需安裝好串口調試工具及程序燒錄下載工具。
　　其次是搭建Linux交叉編譯環境。一般的電腦上都是Windows操作系統，要開發Linux嵌入式操作系統，需要安裝虛擬機（例如VMware 等）、基于Linux內核的相關操作系統（例如Fedora）和交叉編譯器。虛擬機是用來承載Linux操作系統在Windows機器上運行而設置的，就像虛擬光盤一樣，是個虛擬的。交叉編譯器，是用來編譯和產生系統開發過程中各種鏡像文件。
　　接著進入移植過程。移植時一般順序為：編譯Uboot→編譯內核→構建文件系統。
　　最后是Qt應用程序開發。本系統是基于圖形界面開發的。Qt程序開發需要先建立Qtopia開發平臺，然后進入編譯目錄，執行編譯腳本，無誤退出后，再編譯應用程序。編譯應用程序時，只需進入每個程序目錄，執行make命令。然后，將編譯好的程序的可執行文件拷貝到文件系統的鏡像目錄中，最后將編譯生成的.bin文件燒錄到開發板中即可。
　　結語
　　本文描述的是一種簡易可行的智能家居聯網方案，其具有成本低、易于實現、組網容易等優點，但對于更復雜的互動功能還存在一定的欠缺。但基于上述主控平臺，只需要調整智能家居的內部局部通信網絡就可以實現更加完善的智能家居功能。