基于Linux操作系统的智能家居的设计 - 单片机嵌入式工控博客工控论坛

何先生

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发表人：edu118gct

发表时间：2014/7/31 14:36:00

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本栏论题：

基于Linux操作系统的智能家居的设计 [4941]

    智能家居是当前社会一个新颖的话题，也是电子技术发展的方面，把电子技术充分应用在生活中。然而到目前为止，智能家居才做到智能小区这个地步，因为实现智能家居的费用比较高。智能家居也是物联网的一个分支，把家庭中的相关家居通过一个控制平台，连接到网络上，在联网的条件下，可以随时查看家里的情况和控制。
    　　物联网的兴起，为智能家居提供了条件。如何通过简化物联网终端设备，最终开发出一套经济实用的支持多终端应用的智能家居物联网平台是非常有意义、有价值的工作。本系统基于Linux操作系统，开发了一套融合无线移动网络、射频识别装置的智能家居控制系统。此系统具有智能抄表、远程开启电器、射频识别和远程遥控等功能。
    　　1　系统概述
    　　本系统采用S3C2410芯片作为主控制器，操作界面为3.2寸TFT触摸显示屏。上电后，显示屏显示整个家居系统网络内各设备，每个设备分别对应一个图标，包括灯光控制、风扇、冰箱、空调、温度、电饭煲、烟雾、燃气流量采集等。点击图标进入该设备相应的详细信息栏。进入灯光控制界面，可以方便地查看家中各房间亮灯情况，也可远程通过短信方式控制各房间的灯的亮灭；燃气使用情况可方便地发送至相关采集部门；坐在办公室，一条短信可以将电饭煲电源接通。家居中各设备与主控平台间选择了2.4 GHz的无线射频收发芯片nRF2401，通过它可以实现各家居设备与主控平台间的无线通信。主控平台与外网的通信，采用的是ATK-SIM900A GSM/GPRS终端无线模块。烟雾传感器采用MQ-2传感器来采集室内烟雾情况。智能家居控制系统结构框图如图1所示。
    　　　图1　智能家居控制系统结构框图
    　　嵌入式ARM2410系统开发平台是整个智能家居系统的监控与管理中心，它主要集成了无线通信模块、射频识别模块、红外感应模块、触摸显示屏。该总控平台一方面可以通过无线模块接收到外部命令（例如：手机短信），并通过射频识别，控制对应的家居设备按指示工作，例如，打开电饭煲、空调或洗衣机。另一方面，各家居设备运行信息可以通过射频模块接收采集（例如电表读数等），处理后，可以将数据发送到嵌入式ARM2410系统开发平台，该平台将数据分类处理后，可选择有用数据发送至对应公司服务器（例如供电局、水厂等），实现自动抄表。
    　　智能家居控制系统的中的每一个家居设备，都需要分别安装一个射频识别模块，通过该模块可以与嵌入式ARM2410系统开发平台实现短距离无线通信。
    　　2　射频识别模块
    　　nRF2401是一款工作在2.4～2.5 GHz世界通用ISM频段的单片射频收发器件。该射频识别模块可以实现多机通信，多机通信采用频分多址的方法，只需要在接收端对不同的通道配置地址即可。发送端使用相应的地址作为本机地址。接收数据时通过读取STATUS中相关位即可得知接收的是哪个通道的数据。射频识别模块内包括：频率发生器、增强型 SchockBurstTM模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。输出功率频道的选择和协议可以通过对应的SPI接口进行设置。射频识别模块功耗低，当工作在发射模式下发射功率为-6 dBm时，电流消耗为9.0 mA；接收模式时为12.3 mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。
    　　nRF2401在接收模式下可以接收6路不同通道的数据，nRF2401在星形网络中的结构如图2所示。每一个数据通道使用不同的地址，但是共用相同的频道，也就是说6个不同的nRF2401设置为发送模式后可以与同一个设置为接收模式的nRF2401进行通信，而设置为接收模式的 nRF2401可以对这6个发射端进行识别。同一时刻，所有的数据通道都被搜索，但只能接　　
    　　图2　nRF24L01在星形网络中的结构
    　　收一路数据通道的数据。nRF2401在确认收到数据后记录地址，并以此地址为目标地址发送应答信号，在发送端数据通道0被用作接收应答信号，因此数据通道0的接收地址要与发送端地址相等以确保接收到正确的应答信号。
    3　烟雾的检测
    烟雾检测采用MQ-2 传感器模块，模块能检测多种气体，当气体浓度超过程序中设定值的时候，模块检测出来并在相应引脚上产生信号，供单片机读取。模块有一下参数：
    1、可以用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气，丁烷，丙烷，
    甲烷，酒精，烟雾等的探测；
    2、灵敏度可调；
    3、工作电压 5V 使用前，供电至少预热 2 分钟以上，传感器稍微发烫属于
    正常现象；
    4、输出形式：a）模拟量电压输出 b）数字开关量输出（0 和 1）
    5、串口通信　　
    　　主控芯片采用8051系列单片机芯片，单片机通过串口与传感器通信，可以方便地采集到瞬时流量和累积流量，可记录自上电以来瞬时流量的最大值和最小值，具有超量程指示功能，程序模拟SPI接口，实现与NRF2401的通信。
    4　Linux移植及Qt应用程序开发
    本系统在Friednly2410开发板上移植了Linux操作系统，并在此嵌入式操作系统平台上进行了简易家居智能控制平台的开发。Linux移植及Qt应用程序开发步骤如图4所示。

    　　图4　Linux移植及Qt应用程序开发步骤
    　　首先是配置开发板所需要的环境软件。在开发板环境建立中，要注意的是对于没有串口的机器，一定要先安装USB转串口的驱动，而在安装时务必注意将电脑与板载串口的波特率设置为一致。这个没设置好，串口通信会有问题。除此之外，还需安装好串口调试工具及程序烧录下载工具。
    　　其次是搭建Linux交叉编译环境。一般的电脑上都是Windows操作系统，要开发Linux嵌入式操作系统，需要安装虚拟机（例如VMware 等）、基于Linux内核的相关操作系统（例如Fedora）和交叉编译器。虚拟机是用来承载Linux操作系统在Windows机器上运行而设置的，就像虚拟光盘一样，是个虚拟的。交叉编译器，是用来编译和产生系统开发过程中各种镜像文件。深圳、广州、郑州想系统学习嵌入式的朋友可联系郭老师QQ754634522
    　　接着进入移植过程。移植时一般顺序为：编译Uboot→编译内核→构建文件系统。
    　　最后是Qt应用程序开发。本系统是基于图形界面开发的。Qt程序开发需要先建立Qtopia开发平台，然后进入编译目录，执行编译脚本，无误退出后，再编译应用程序。编译应用程序时，只需进入每个程序目录，执行make命令。然后，将编译好的程序的可执行文件拷贝到文件系统的镜像目录中，最后将编译生成的.bin文件烧录到开发板中即可。
    　　结语
    　　本文描述的是一种简易可行的智能家居联网方案，其具有成本低、易于实现、组网容易等优点，但对于更复杂的互动功能还存在一定的欠缺。但基于上述主控平台，只需要调整智能家居的内部局部通信网络就可以实现更加完善的智能家居功能。