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基于嵌入式的智能家居监控系统设计

发布时间:2018-12-02 01:06:05 文章来源:未来智讯    
    基于嵌入式的智能家居监控系统设计作者: 董玉华 孙炎辉 马彪   摘要:提出一种以嵌入式为平台的远程监测与家居抑制的设计方案。选用ARM9作为系统抑制中心的处理器,利用GSM/GPRS实现智能化家居抑制系统的远程通讯。该平台从GSM/GPRS接收远程的下令,通过射频模块nRF905实现对抑制终端的通讯,从而实现远程监控居室环境和智能化管理居室设备的预想。此系统具有低功耗、高本能和可二次开发等特性,在智能家居抑制设计中具有广泛的应用前景。
  关键词:智能家居;嵌入式;Linux内核;GSM/GPRS
  中国分类号:TP212文献标识码:A文章编号:10053824(2013)03009104
  0引言
  随着电子科学技能的高速发展和社会经济条件的日益改善,人们在生活上对精神享受和物质享受的要求也越来越高,这其中包括了对家庭居室平安防护与智能化居室管理的意识也越来越强。一个强大的居室抑制系统随之悄悄地走进我们的生活。系统设计要可以满足家庭居室平安防护、智能化居室管理、节能和方便等要求。使用嵌入式系统设计的居室抑制系统已成为现代生活的首选。
  智能家居抑制系统的理念:在电子计算机中选用嵌入式抑制系统,综合居室布线设计和现代通讯网络科技,融合适合人体特性的需求,将居室内各种家用电子设备和家居生活的各个子系统装置统一联系起来[1],最终组合为一个居室抑制中央总系统。例如,将居室中的平安监测抑制子系统、居室光感应自动抑制子系统、家电管理设备抑制子系统、居室地热监测抑制子系统和煤气监测抑制子系统等通过无线射频与中央主抑制系统通讯实现监测与抑制,同时还能通过远程GSM/GPRS无线通讯网络监测和抑制中央系统,从而实现远程监测居室环境,智能抑制居室平安防护设施,以及智能化管理居室设备。
  1基于嵌入式的智能家居系统构成
  根据智能家居的观念[2],基于嵌入式的智能家居抑制系统包括三局部:远程监控终端、家居抑制中心和家居抑制子系统,功能结构如图1所示[3]。家居抑制中心以Mini2440开发板为核心,当远程监控终端(手机或PC机)通过GSM或GPRS发送下令时,家居抑制中心利用S3C2440处理器的串行口读取来自远程终端的GSM/GPRS的数据(抑制指令)并判断数据内容,抑制无线射频模块nRF905向家居子系统模块发送相应的抑制下令,家居子系统接收到下令后,根据下令的不同,实现所要求的功能,从而完成远程监测居室环境和远程抑制居室设备子系统。在软件设计应用方面,通过Qtopia2.2.0设计GUI系统操作界面,界面内容主要是显示实时时钟、移动远程终端发送的手机号码及其抑制指令,并完成按键抑制居室设备等。
  图1嵌入式智能家居系统功能结构框图2家居监控系统的硬件设计
  2.1家居抑制中心硬件设计
  家居抑制中心的硬件以三星公司推出的ARM9处理器S3C2440为核心。S3C2440的功耗低,体积小,且静态设计特别,相当符合于对成本和敏感性有特殊要求的实际嵌入式开发应用。人机交互选取触摸屏和LCD,扩展了GSM/GPRS模块和nRF905模块[4]。
  GSM/GPRS模块选取CIMCOM的SIM900B模块,支持GSM/GPRS服务,事务频率可为GSM/GPRS 850/900/1 800/1 900 MHz,选取工业标准接口设计,可实现低功耗语音、SMS、数据和传真信息的传输,内嵌TCP/IP协议,扩展的TCP/IP AT下令让用户可以容易使用TCP/IP协议,为用户进行数据传输提供了方便。供应电压必须大于3.4 V,否则会自动关机。为保证数据正确,电流要求为2 A。SIM900B硬件原理图如图2所示。
  图2SIM900B硬件原理图SIM卡槽电路设计如图3所示。
  图3SIM卡槽硬件电路图射频nRF905能完成近距离无线数据收发,具有实时性好,功耗低,能够免费使用433/868/915 MHz 3个频道等特点,可3.3 V供电。主系统抑制器Mini2440开发板与设备nRF905发送模块的硬件连接如图4所示。
  图4Mini2440与nRF905的电路连接图2.2家居抑制子系统
  选用宏晶科技的STC12LE5A60S2单片机作为家居抑制子系统的抑制器[4]。其优点:功能齐全,应用可靠,抗干扰能力强,大略方便,事务电压为3.3 V,能提供更好的兼容性。子系统硬件电路完成单片机抑制,nRF905射频收发模块读取抑制指令做出判断,同时向继电器模块发出抑制下令,实现对家居设备电源打开和关闭等操作。硬件设计电路如图5所示。
  图5家居抑制子系统硬件电路图3智能家居监控系统软件设计
  软件设计包括硬件驱动的设计、家居主抑制系统GUI应用程序的编写、家居子系统抑制nRF905接收数据及继电器开关电路事务状态3个局部。
  3.1硬件驱动
  硬件驱动大体能够分为以下几类:网络界面驱动、字符设备驱动和块设备驱动[5]。字符设备是指按字节来访问的设备,字符驱动就负责驱动字符设备,这样的驱动常常实现read,write,open和close的调用。块设备是指按多数目字节进行访问的设备,该设备与字符设备的区别在于与内核的界面不同。进行网络数据访问的界面设备就叫做网络界面设备,它一般通过套接字来实现。
  Linux用户一般是通过操作设备档来访问和操作各种设备的,见图6。用户要对硬件进行读写,实质上便是对其设备文件(UART1:ttySAC1,nRF905:rf905)进行打开、抑制、读、写和关闭等一系列操作,从而抑制系统硬件事务,这也是顶层应用程序实际操作底层驱动的案例。设备号是设备描述的重要信息,分为主次设备号。其中,主设备号用于区分不同种类设备,而次设备号用于区分同类不同设备。设备号搭建了设备文件和驱动程序之间相互联系的沟通桥梁。   图6Linux系统的软件结构层次关系设计串口驱动程序:最初,定义一个串口驱动变量并且初始化;其次,对串口驱动进行注册;再次,初始化串口驱动端口及串口操作函数;最终,调用添加端口函数,添加已初始化好的串口操作函数。设计nRF905驱动时是将其注册为混杂设备,对于混杂设备拥有统一的主设备号10,次设备号由系统自动分配。
  3.2GUI应用程序
  在GUI应用程序设计中[6],要实现读取串口数据,抑制nRF905发送设备操作信息对居室设备进行抑制,并在GUI界面上显示设备事务状态及操作下令,以及一键抑制居室设备的功能。GUI界面体现了人性化的设计思维,适合人们日常习惯,给家居智能化抑制提供了便捷。GUI应用程序设计流程如图7所示。
  图7GUI应用程序设计流程图1)打开串口设备。
  在S3C2440中提供了3个UART通道,在上面介绍的串口驱动中已经声明了设备名称,在使用串口时需要调用open(“/dev/ttySAC1”, O_RDWR|O_NOCTTY|O_NDELAY)函数获得串口驱动设备的设备描述,打开方式为读写和非阻塞打开设备文件。
  2)初始化串口波特率。
  在使用UART时,最初要设置串口的波特率,默认设置串口波特率为19 200,8位数据位,1位中断位,无奇偶校验的数据传输方式。
  3)居室抑制指令识别。
  在接收到数据指令后,需要对数据进行提取和判断。数据指令格式必须是英文格式,合法指令必须以open,shut,check,ip,gsm字样开头,内容包括MP3,AC,TV,IP地址及其端口号。判断出操作类型后,总抑制台通过操作字抑制nRF905发送数据,对家居设备进行操作,并向移动抑制设备发送相应的信息提示。
  3.3居室抑制子系统
  单片机抑制nRF905模块实现指令的接收和判断,同时抑制开关电路执行相应的动作,子系统接收下令的抑制流程如图8所示。
  图8家居抑制子系统指令接收流程图4结语
  本文利用ARM设计了智能家居的监控系统,系统的运行状态界面如图9所示。系统监控中心选取S3C2440,抑制子系统选取单片机,远程通讯选取GSM/GPRS,监控中心与各个抑制子系统之间的通讯选取nRF905。该监控系统设计方案具有低功耗、高本能和可二次开发等特点,具有良好的可行性、通用性和推广性,为智能家居的远程监控提供了有效的解决方案。
  图9智能家居监控系统运行界面参考文献:
  [1]郭稳涛,何怡刚.智能家居远程监控系统的设计与研讨[J].计算机测量与抑制,2011(9):21092112.
  [2]侯立功.基于物联网技能的智能家居系统构想[J].数字通讯,2011,38(6):3335,38.
  [3]母兵国.智能家居系统抑制中心主控模块的设计与实现[J].中山大学研讨生学刊,2009,30(4):104106.
  [4]龙剑,王选择,丁善婷.嵌入式主动交互式智能家居的远程抑制系统[J].湖北工业大学学报,2013(2):1518.
  [5]孙琼.嵌入式Linux的应用程序开发详解[M].北京:人民邮电出版社,2006.
  [6]董玉华,肖瑛.基于S3C2440的温度采集系统的实现[J].数字通讯,2012,(39)3:5557.
  作者简介:
  董玉华(1978),女,辽宁大连人,硕士,讲师,研讨方向为嵌入式系统开发和物联网应用,Email:dongyuhua@126.com。
  基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(DC12010311)。Design of embedded smart home monitoring system
  DONG Yuhua,SUN Yanhui,MA Biao
  (College of Information & Communication Engineering,Dalian Nationalities University,Dalian 116605,P.R.China)
  Abstract:The design scheme of remote monitoring and home control is introduced in this paper based on embedded platform. ARM9 is used for the core processor of the system, and GSM/GPRS is used for remote control of intelligent home control system. The platform receives the remote command from 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" /> // monitor
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