智能雞蛋盒的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引 言

智能雞蛋盒作為智能家居的一類(lèi)產(chǎn)品，它解決了人們一直煩惱的忘記家里雞蛋數(shù)量和忘記雞蛋是否新鮮的問(wèn)題。本論文實(shí)現(xiàn)了把雞蛋數(shù)量和儲(chǔ)存時(shí)間等數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a href="/tags/Android" target="_blank">Android 客戶(hù)端，并記錄的功能，用戶(hù)可以隨時(shí)查看雞蛋盒里雞蛋的數(shù)量并檢查雞蛋是否新鮮。

1 智能雞蛋盒的設(shè)計(jì)

1.1 硬件電路的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)硬件方案時(shí)，需要考慮以下幾個(gè)因素：

(1) 該智能雞蛋盒在低溫封閉的環(huán)境中工作，所以芯片以及其它元器件必須具備能在低溫環(huán)境下正常工作的能力；

(2) 由于是在冰箱內(nèi)工作，所以無(wú)線網(wǎng)絡(luò)要有一定的無(wú)線穿透能力。

經(jīng)過(guò)一系列調(diào)研后，發(fā)現(xiàn) RT5350 這款自帶無(wú)線功能的主控芯片能滿(mǎn)足本項(xiàng)目的基本要求，而其他元器件如電阻、電容、LED 燈也能在低溫下正常工作。RT5350 是Ralink 公司在 2010 年左右推出的一款單芯片，其內(nèi)部集成了基帶處理器、射頻、功率放大器以及一顆高性能的 MIPS 24Kc CPU 內(nèi)核（最高主頻為 360 MHz），一個(gè)基于 Ralink RT5350 的五端口百兆以太網(wǎng)交換機(jī)[1]，所以?xún)H需很少的外圍元器件就可以實(shí)現(xiàn)低成本的2.4GHz 802.11n 無(wú)線產(chǎn)品。本文將RT5350 作為主控芯片， 采用距離傳感器檢測(cè)雞蛋是否存在，不使用壓力傳感器的原因在于壓力傳感器的功能是檢測(cè)壓力大小，無(wú)法直接檢測(cè)雞蛋的有無(wú)，而距離傳感器可以比較直接的檢測(cè)出一定距離內(nèi)是否有物體存在。

智能雞蛋盒與手機(jī)客戶(hù)端建立TCP/IP 連接，通過(guò)距離傳感器檢測(cè)雞蛋數(shù)量，同時(shí)將這些數(shù)據(jù)通過(guò)引腳口的高低電平傳遞給主控芯片，主控芯片經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理后將這些信息通過(guò) TCP 傳輸給手機(jī)客戶(hù)端?？傇O(shè)計(jì)框圖如圖 1 所示。

1.2 Android客戶(hù)端的設(shè)計(jì)

智能雞蛋盒Android 客戶(hù)端整體的框架設(shè)計(jì)采用狀態(tài)欄 ActionBar、 切換頁(yè)面， 使用 ViewPager 與 Fragment 進(jìn)行界面顯示，使用ListView 和自定義的 Adapter 展示數(shù)據(jù)列表，采用popWindow 組件顯示雞蛋盒里雞蛋存放的時(shí)間[2]， 選擇在 Android3.0 之后出現(xiàn)的 ActionBar 來(lái)實(shí)現(xiàn)標(biāo)題顯示， 為了能夠讓 ActionBar 的標(biāo)題居中顯示，我們采用自定義的ActionBar。

在底部欄的選項(xiàng)卡里，文字采用TextView，圖片采用自定義的開(kāi)源框架SVGView，原因在于傳統(tǒng)的 Bitmap（位圖）通過(guò)在每個(gè)像素點(diǎn)上存儲(chǔ)色彩信息來(lái)表達(dá)圖像，而SVG 是一個(gè)繪圖標(biāo)準(zhǔn)。與Bitmap 相比，SVG 放大后不會(huì)失真，且Bitmap 需要為不同的分辨率設(shè)計(jì)多套圖標(biāo)，而矢量圖則不需要。

2 智能雞蛋盒的實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件電路的實(shí)現(xiàn)

本軟件設(shè)計(jì)是在虛擬機(jī)上的UBUNTU 系統(tǒng)上對(duì)OpenWrt 系統(tǒng)進(jìn)行裁剪，并通過(guò)編寫(xiě)程序來(lái)完成。首先要構(gòu)建編譯環(huán)境，然后下載并配置 OpenWrt，完成基本的配置后，編譯利用UBUNTU 系統(tǒng)自帶的VI 編輯器編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)、程序以及MAKEFILE，最后對(duì)整個(gè) OpenWrt 系統(tǒng)進(jìn)行編譯，編譯完成后生成一個(gè)固件，利用串口調(diào)試助手SecureCRT 和tftpd32 軟件將固件燒錄到RT5350 芯片上[3]。

2.2 硬件程序的編寫(xiě)

硬件程序的編寫(xiě)需先打開(kāi)設(shè)備驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)并初始化，等待手機(jī)端連接，創(chuàng)建子進(jìn)程發(fā)送心跳包并判斷連接是否斷開(kāi)， 實(shí)時(shí)監(jiān)控接收到的指令并解析，實(shí)時(shí)監(jiān)控雞蛋數(shù)量變更并發(fā)送雞蛋數(shù)量變更數(shù)據(jù)給手機(jī)端。程序整體框架圖如圖 2 所示。

開(kāi)機(jī)后，穩(wěn)壓電路會(huì)對(duì)電源電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，把電源電壓轉(zhuǎn)換成適合RT5350 芯片工作的 3.3 V 電壓，之后RT5350 芯片開(kāi)始工作；OpenWrt 系統(tǒng)啟動(dòng)后，立即啟動(dòng) Shell 開(kāi)機(jī)啟動(dòng)腳本，對(duì)本軟件程序進(jìn)行啟動(dòng)；驅(qū)動(dòng)程序會(huì)建立一個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)并對(duì)硬件電路進(jìn)行初始化，此時(shí)硬件電路各部分開(kāi)始工作，程序啟動(dòng)時(shí)會(huì)打開(kāi)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)的節(jié)點(diǎn)，從而使程序能夠?qū)τ布M(jìn)行操作，同時(shí)再對(duì)硬件所映射的寄存器進(jìn)行初始化，使各硬件電路開(kāi)始工作；初始化完成后，建立 Socket，程序填充 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議信息[4]，并開(kāi)放特定端口等待手機(jī)端的連接 ；創(chuàng)建子進(jìn)程發(fā)送心跳包并判斷連接是否斷開(kāi)，子進(jìn)程會(huì)不斷向手機(jī)端發(fā)送心跳包 ；程序?qū)崟r(shí)接收手機(jī)端發(fā)送過(guò)來(lái)的信息并對(duì)信息進(jìn)行指令解析，再根據(jù)相應(yīng)的指令采取相應(yīng)的動(dòng)作；程序通過(guò) I/O 口對(duì) ST188 光電傳感器發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行采集，從而對(duì)雞蛋盒上存放的雞蛋數(shù)量進(jìn)行監(jiān)控，只要雞蛋數(shù)量發(fā)生變化，程序會(huì)立即識(shí)別并將雞蛋變更后的數(shù)量發(fā)送到手機(jī)端[5]。

2.3 Android客戶(hù)端的實(shí)現(xiàn)

Android 客戶(hù)端的主要核心模塊是和硬件通訊以及把硬件采集的數(shù)據(jù)顯示到客戶(hù)端。該模塊主要技術(shù)包括Socket 通訊、Service 后臺(tái)、BrodcastReceiver 通訊、Thread 線程以及Java 語(yǔ)言的反射技術(shù)。目前暫時(shí)定位 8 個(gè)雞蛋的原因是Socket 通訊時(shí)，在硬件上的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言是 C，而C 的一個(gè)字符為 8 個(gè)字節(jié)，因此暫時(shí)定位發(fā)送一個(gè)通訊邏輯。根據(jù)需求分析，在與智能雞蛋盒通訊時(shí)，我們需要采用 Socket 長(zhǎng)連接通訊機(jī)制， Socket 基于TCP/IP 協(xié)議，為 Client、Service（C/S）連接方式。智能雞蛋盒硬件電路作為 Server 端，而App 作為 Client 端， Client 需要保持長(zhǎng)連接，就需要通過(guò)發(fā)送心跳包來(lái)與Server 保持長(zhǎng)連接，并且 Android 系統(tǒng)的機(jī)制不能堵塞 UI 線程，無(wú)法在主線程操作網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)，因此使用Service 和 Thread 作為Socket 通訊的線程，使用Timer 定時(shí)器與Server 端通訊發(fā)送心跳包。設(shè)備模塊實(shí)現(xiàn)圖如圖 3 所示。

3 智能雞蛋盒的測(cè)試

3.1 硬件電路的測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備見(jiàn)表 1 所列，硬件測(cè)試分為如下幾步進(jìn)行：

(1) 檢查該模塊電路的焊接是否正確，用萬(wàn)用表針對(duì)每條線路與每個(gè)可疑的斷線點(diǎn)進(jìn)行逐一排查，看是否有短路和斷路的地方。

(2) 連接 5V電源，靜態(tài)檢查單片機(jī) RT5350芯片的電壓是否為5V，是否正常工作，并檢查各元件是否有異常發(fā)熱現(xiàn)象。檢查距離傳感器是否正常工作，靈敏性是否達(dá)標(biāo)。

(3) 使用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量電源模塊，將電源電壓穩(wěn)定在3.3V左右。

(4) 將編譯好的OpenWrt固件燒錄到RT5350 核心板上， 在確保程序正常后插上電源對(duì)雞蛋盒進(jìn)行功能檢測(cè)，檢測(cè)的內(nèi)容主要有雞蛋數(shù)量能否被正常檢測(cè)，雞蛋數(shù)量發(fā)生變化時(shí)能否及時(shí)將信號(hào)傳遞給手機(jī)端[6]。測(cè)試結(jié)果符合要求。

3.2 Android 客戶(hù)端的測(cè)試

使用 Android[7] 手機(jī)進(jìn)行測(cè)試，打開(kāi)Android 客戶(hù)端，連接硬件，查看App 顯示的雞蛋數(shù)量和儲(chǔ)存時(shí)間是否與實(shí)際符合。所使用的手機(jī)為HM NOTE 2（紅米 Note 2），Android 系統(tǒng)版本為Android 4.4.4。測(cè)試結(jié)果符合要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

智能雞蛋盒硬件電路的主芯片選擇了具有 WiFi功能模塊的 RT5350芯片， 在嵌入式 Linux系統(tǒng)上進(jìn)行軟件編譯， 運(yùn)用TCP/IP通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)主芯片和手機(jī)客戶(hù)端的連接。智能雞蛋盒 Android 客戶(hù)端主要實(shí)現(xiàn)和硬件電路的通信，把硬件 電路采集的雞蛋庫(kù)存及存放時(shí)間等參數(shù)傳輸?shù)娇蛻?hù)端，方便 用戶(hù)實(shí)時(shí)查看。