基于S3C6410的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對(duì)家居的安全、舒適、便利等方面要求也逐步提高，現(xiàn)代家居向著高度智能化、人性化的智能家居方向發(fā)展。智能家居又稱智能住宅，它是融合了自動(dòng)化控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)于一體的網(wǎng)絡(luò)化智能化的家居控制系統(tǒng)。智能家居作為一個(gè)新生產(chǎn)業(yè)，市場消費(fèi)潛力巨大。本文以三星公司S3C6410處理器為核心，利用S3C6410主控板、STM32、wifi模塊、GSM模塊及多種移動(dòng)終端設(shè)計(jì)一個(gè)智能家居系統(tǒng)，使分立的設(shè)備通過無線和有線介質(zhì)構(gòu)成一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)了家居環(huán)境監(jiān)視、防盜自動(dòng)報(bào)警、燈具自動(dòng)控制、燃?xì)庑孤┻h(yuǎn)程報(bào)警等功能，使家居更安全、更舒適、更方便。

1 系統(tǒng)整體方案

智能家居系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括4個(gè)子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)、攝像頭監(jiān)控系統(tǒng)和遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)。其中，數(shù)據(jù)采集子節(jié)點(diǎn)通過無線傳感模塊NRF24L01將數(shù)據(jù)發(fā)送到集中處理節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行相關(guān)自動(dòng)控制任務(wù)，集中處理節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過RS232發(fā)送到S3C6410主控板進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理;使用wifi模塊建立局域網(wǎng)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到局域網(wǎng)的安卓移動(dòng)終端;使用GSM模塊將報(bào)警信號(hào)發(fā)送到移動(dòng)終端，同時(shí)將攝像頭安裝在S3C6410主控板上，使用路由器建立局域網(wǎng)，可在終端上打開瀏覽器，監(jiān)視攝像頭。

1.1 數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)控制系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)控制原理如圖2所示。數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)家居環(huán)境主要參數(shù)(溫濕度、自然環(huán)境光照狀態(tài)、燃?xì)鉅顟B(tài)，紅外感應(yīng)狀態(tài))進(jìn)行采集和自動(dòng)控制，此系統(tǒng)包含3個(gè)采集和自控節(jié)點(diǎn)。溫濕度通過溫濕度傳感器DHT11進(jìn)行采集，自然光照狀態(tài)通過光敏電阻電路進(jìn)行檢測(cè)，燃?xì)鉅顟B(tài)通過煙霧傳感器模塊進(jìn)行檢測(cè)，樓梯口情況通過紅外感應(yīng)傳感器進(jìn)行檢測(cè);系統(tǒng)有3個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)1包括室內(nèi)溫濕度采集，樓梯口情況檢測(cè)與樓梯燈自動(dòng)開關(guān)控制，廚房煙霧狀態(tài)檢測(cè)與廚房排氣扇自動(dòng)開關(guān)控制;節(jié)點(diǎn)2有浴室的煙霧狀態(tài)檢測(cè)與排氣扇的自動(dòng)控制;節(jié)點(diǎn)3包括室外溫濕度的采集，自然光照狀態(tài)的檢測(cè)與院子燈的自動(dòng)開關(guān)控制。數(shù)據(jù)采集集中處理節(jié)點(diǎn)(無線傳感器模塊NRF24L01)收集分立節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，在集中節(jié)點(diǎn)上裝有一個(gè)液晶顯示屏來顯示采集到的溫濕度等數(shù)據(jù)，同時(shí)通過串口發(fā)送到S3C6410主控板。

1.2 數(shù)據(jù)監(jiān)視系統(tǒng)

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)視有兩類終端，分別是主控板顯示屏和移動(dòng)安卓終端。數(shù)據(jù)監(jiān)視原理如圖3所示。S3C6410利用串口接收來自數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)處理。主控板上安裝液晶顯示屏，用來顯示采集對(duì)象的圖標(biāo)和數(shù)據(jù);顯示屏的應(yīng)用程序采用QT開發(fā)工具C++開發(fā)語言進(jìn)行開發(fā)，使用Linux系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)用。主控板上安裝wifi模塊，通過此模塊建立wifi局域網(wǎng);移動(dòng)安卓終端裝載有安卓系統(tǒng)，監(jiān)視應(yīng)用程序利用Eclipse開發(fā)工具用java語言進(jìn)行設(shè)計(jì);監(jiān)視數(shù)據(jù)從wifi模塊向外傳送，在局域網(wǎng)范圍內(nèi)，只要連接上建立的局域網(wǎng)絡(luò)就可進(jìn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)視。

1.3 攝像頭監(jiān)視系統(tǒng)

攝像頭可在很多設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視，只要此設(shè)備裝有瀏覽器即可。攝像頭監(jiān)視方案如圖4所示。攝像頭安裝在主控板上，利用程序進(jìn)行驅(qū)動(dòng);這里利用網(wǎng)線或無線路由建立的局域網(wǎng)進(jìn)行攝像頭數(shù)據(jù)的傳送;可在電腦上連上網(wǎng)線對(duì)攝像頭進(jìn)行監(jiān)視，也可連接路由建立的局域網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)視，同時(shí)可在移動(dòng)終端上連接路由建立的局域網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)視。多終端監(jiān)視，方便靈活實(shí)用。

1.4 遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)

燃?xì)馐羌揖影踩囊淮箅[患，這里利用GSM模塊和移動(dòng)終端建立燃?xì)膺h(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)，方案如圖5所示。當(dāng)燃?xì)獬霈F(xiàn)泄漏時(shí)，觸發(fā)GSM模塊動(dòng)作，遠(yuǎn)程通知用戶及時(shí)處理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于S3C6410的智能家居系統(tǒng)由采集自控系統(tǒng)，多終端監(jiān)視系統(tǒng)構(gòu)成;所有的節(jié)點(diǎn)通過有線介質(zhì)和無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個(gè)整體;主控板采用S3C6410配用板和核心板;硬件的主要設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)采集部分，數(shù)據(jù)采集使用STM32處理器，再加上外圍的傳感器、控制電路組成。

2.1 家居溫濕度硬件設(shè)計(jì)

溫濕度采集模塊的核心是溫濕度的采集，采用集成溫濕度傳感器DHT11，要注意DHT11輸出的數(shù)字量是串行數(shù)據(jù)，有特定的數(shù)據(jù)格式，需要用STM32的通用IO口來“模擬”這個(gè)串行口與DHT11進(jìn)行通信。

2.2 紅外狀態(tài)硬件設(shè)計(jì)

紅外感應(yīng)系統(tǒng)包括熱釋電人體紅外模塊電路和自動(dòng)開燈模塊電路。熱釋電人體紅外模塊電路采用RE200B型的熱釋電人體紅外探測(cè)頭，利用專門的高性能傳感信號(hào)處理集成電路BISS0001對(duì)RE200B的信號(hào)進(jìn)行處理，然后將信號(hào)傳到STM32進(jìn)行處理。

2.3 自然光照狀態(tài)硬件設(shè)計(jì)

家居的自然光照狀態(tài)數(shù)據(jù)采集和自控系統(tǒng)包括光明電阻探測(cè)電路、自動(dòng)開燈電路兩部分。光照狀態(tài)探測(cè)器選用光敏電阻傳感器，當(dāng)光照值達(dá)不到設(shè)定的要求時(shí)，其阻值迅速變大，從而傳感器電路輸出信號(hào)，自動(dòng)控制開燈電路。光敏電阻采集到的信號(hào)經(jīng)過過零比較器后連接到STM32，由STM32進(jìn)行處理。

2.4 燃?xì)庑孤顟B(tài)硬件設(shè)計(jì)

家居燃?xì)庑孤┫到y(tǒng)包括燃?xì)庑孤┨綔y(cè)器電路、自動(dòng)開關(guān)排氣扇控制模塊電路兩部分。燃?xì)庑孤┨綔y(cè)器選用MQ-7型氣敏傳感器，當(dāng)元件接觸還原性氣體時(shí)，其電導(dǎo)率隨氣體濃度的增加而迅速升高;可用于可燃性氣體的檢測(cè)。燃?xì)庑孤┨綔y(cè)器硬件電路如圖6所示，MQ-7采集到的信號(hào)經(jīng)過過零比較器后連接到STM32，由STM32進(jìn)行處理。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集和自控、主控板監(jiān)控和安卓監(jiān)控等三部分。采集數(shù)據(jù)和自控部分在KEIL平臺(tái)利用C語言進(jìn)行設(shè)計(jì);主控板監(jiān)控部分利用QT平臺(tái)用C++進(jìn)行設(shè)計(jì);安卓監(jiān)控部分利用Eclipse開發(fā)工具用java語言進(jìn)行設(shè)計(jì);這些軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采集、控制、傳送、顯示的功能。

3.1 采集數(shù)據(jù)和自控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

家居采集數(shù)據(jù)部分對(duì)溫濕度、紅外感應(yīng)狀態(tài)、自然光照狀態(tài)、燃?xì)鉅顟B(tài)進(jìn)行周期性采集;自控部分包括院子燈、排氣扇、樓梯燈的實(shí)時(shí)自動(dòng)控制。軟件統(tǒng)一使用keil開發(fā)工具用C語言進(jìn)行設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集和自控任務(wù)流程圖如圖7所示。

3.2 主控板監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主控板周期性接收來自數(shù)據(jù)采集部分的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行顯示、控制、傳送任務(wù)，這些任務(wù)通過軟件來完成。軟件使用QT平臺(tái)用C++高級(jí)語言進(jìn)行設(shè)計(jì)，并用Linux系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)用。系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)傳送數(shù)據(jù)并在液晶屏上顯示，同時(shí)會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示圖標(biāo)的變化，若燃?xì)獍l(fā)生泄漏還會(huì)進(jìn)行聲音報(bào)警。

3.3 安卓監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

安卓終端通過連接wifi局域網(wǎng)絡(luò)，接收來自主控板傳送的數(shù)據(jù);軟件設(shè)計(jì)利用Eclipse開發(fā)工具用java語言進(jìn)行設(shè)計(jì);可以利用軟件將接收到的數(shù)據(jù)顯示在安卓設(shè)備顯示屏上，若燃?xì)獍l(fā)生了泄漏還會(huì)進(jìn)行聲音報(bào)警。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需注意以下問題：1)在使用STM32時(shí)，因?yàn)槭褂玫腎O口較多，軟件配置IO口要特別注意正確配置它的模式。2)因?yàn)槭褂玫腎O口較多，程序處理部分也較多，要特別注意檢查，避免多個(gè)功能重疊使用同一個(gè)IO口。3)使用無線收發(fā)模塊NRF24L01時(shí)，寫接收通道地址，P0和P1通道是40位地址，但P2-P5只有8位地址，其高32位地址與P1通道相同，因此只要寫一個(gè)字節(jié)地址就可。4)切記在配置NRF24L01無線收發(fā)器時(shí)發(fā)送和接受的模式不能搞混，與收發(fā)頻率要設(shè)置相同。5)配置內(nèi)核要耐心和細(xì)心，否則容易出問題。6)STM32是一款小管腳較多的貼片芯片，焊芯片時(shí)要特別注意。7)各傳感器在使用前都要調(diào)整它的靈敏度，否則會(huì)出現(xiàn)測(cè)試不了的情況。

5 結(jié)束語

課題應(yīng)用S3C6410主控板、STM32、wifi模塊、GSM模塊、各種移動(dòng)終端等設(shè)計(jì)一個(gè)智能家居系統(tǒng)，使分立的設(shè)備通過無線和有線介質(zhì)組成一個(gè)整體，使之擁有家居環(huán)境監(jiān)視，多終端攝像頭監(jiān)視，燈具自動(dòng)控制，燃?xì)?/strong>泄漏遠(yuǎn)程報(bào)警等豐富功能，真正讓用戶感到家居的安全、舒適和便利。