基于Linux的智能家居管理方案

引言

　　物聯(lián)網(wǎng)指的是將各種信息傳感設(shè)備，如射頻識別裝置、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來，組成一個巨大的網(wǎng)絡。然后，將生活中的所有物品都納入這個網(wǎng)絡，方便識別和管理。通俗地說，互聯(lián)網(wǎng)的終端是人，而“物聯(lián)網(wǎng)”的終端是物品，每一件物品都有CPU、網(wǎng)絡地址和傳感器，物品與物品之間也可以傳遞信息、發(fā)送指令，其主要宗旨是讓所有物品與網(wǎng)絡連接在一起，系統(tǒng)可以自動的、實時的對物體進行監(jiān)控、識別、定位、追蹤并觸發(fā)相應事件。

　　物聯(lián)網(wǎng)的興起，為智能家居提供了條件。如何通過簡化物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備，最終開發(fā)出一套經(jīng)濟實用的支持多終端應用的智能家居物聯(lián)網(wǎng)平臺是非常有意義、有價值的工作。本系統(tǒng)基于Linux操作系統(tǒng)，開發(fā)了一套融合無線移動網(wǎng)絡、射頻識別裝置的智能家居控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)具有智能抄表、遠程開啟電器、射頻識別遠程遙控等功能。

1　系統(tǒng)概述

　　本系統(tǒng)采用S3C2440芯片作為主控制器，操作界面為4.3寸觸摸顯示屏。上電后，顯示屏顯示整個家居系統(tǒng)網(wǎng)絡內(nèi)各設(shè)備，每個設(shè)備分別對應一個圖標，包括燈光控制、風扇、冰箱、電飯煲、燃氣流量采集等。點擊圖標進入該設(shè)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(fā)送至相關(guān)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(shè)備與主控平臺間選擇了2.4 GHz的無線射頻收發(fā)芯片nRF24L01，通過它可以實現(xiàn)各家居設(shè)備與主控平臺間的無線通信。主控平臺與外網(wǎng)的通信，采用的是德國西門子公司的MC39i GSM/GPRS終端無線模塊。燃氣流量測量采用了美國矽翔微機電系統(tǒng)(上海)有限公司的MF4000系列氣體流量計燃氣流量計，智能家居控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　智能家居控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　嵌入式ARM2440系統(tǒng)開發(fā)平臺是整個智能家居系統(tǒng)的監(jiān)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(shè)備按指示工作，例如，打開電飯煲、空調(diào)或洗衣機。另一方面，各家居設(shè)備運行信息可以通過射頻模塊接收采集（例如采集燃氣讀數(shù)、水表讀數(shù)、電表讀數(shù)等），處理后，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到嵌入式ARM2440系統(tǒng)開發(fā)平臺，該平臺將數(shù)據(jù)分類處理后，可選擇有用數(shù)據(jù)發(fā)送至對應公司服務器（例如燃氣公司、供電局、水廠等），實現(xiàn)自動抄表。

　　智能家居控制系統(tǒng)的中的每一個家居設(shè)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ARM2440系統(tǒng)開發(fā)平臺實現(xiàn)短距離無線通信。

2　射頻識別模塊

　　nRF24L01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(fā)器件。該射頻識別模塊可以實現(xiàn)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(fā)送端使用相應的地址作為本機地址。接收數(shù)據(jù)時通過讀取STATUS中相關(guān)位即可得知接收的是哪個通道的數(shù)據(jù)。射頻識別模塊內(nèi)包括:頻率發(fā)生器、增強型SchockBurstTM模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器。輸出功率頻道的選擇和協(xié)議可以通過對應的SPI接口進行設(shè)置。射頻識別模塊功耗低，當工作在發(fā)射模式下發(fā)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。

　　nRF24L01在接收模式下可以接收6路不同通道的數(shù)據(jù)，nRF24L01在星形網(wǎng)絡中的結(jié)構(gòu)如圖2所示。每一個數(shù)據(jù)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nRF24L01設(shè)置為發(fā)送模式后可以與同一個設(shè)置為接收模式的nRF24L01進行通信，而設(shè)置為接收模式的nRF24L01可以對這6個發(fā)射端進行識別。同一時刻，所有的數(shù)據(jù)通道都被搜索，但只能接

圖2　nRF24L01在星形網(wǎng)絡中的結(jié)構(gòu)

　　收一路數(shù)據(jù)通道的數(shù)據(jù)。nRF24L01在確認收到數(shù)據(jù)后記錄地址，并以此地址為目標地址發(fā)送應答信號，在發(fā)送端數(shù)據(jù)通道0被用作接收應答信號，因此數(shù)據(jù)通道0的接收地址要與發(fā)送端地址相等以確保接收到正確的應答信號。

3　氣體流量的檢測

　　氣體流量測量采用的是MF4000系列氣體流量計,MF4000系列質(zhì)量流量計是美國矽翔微機電專為管徑為3~8 mm的氣體管路中的低速氣流的流量計量而設(shè)計。卡口式設(shè)計為用戶提供簡便的安裝，滿足用戶測量多氣體管路的需求。塑料卡口可輕松的進行機械接口轉(zhuǎn)換，應用于不同的低成本環(huán)境，內(nèi)置安全插件可適用于更寬的應用，MF4000系列氣體流量計技術(shù)參數(shù)如表1所列。

表1　MF4000系列氣體流量計技術(shù)參數(shù)


　　智能家電控制芯片為傳統(tǒng)的8051系列單片機，單片機與氣體流程傳感器通過RS232通信，整個通信過程單片機作為主機，傳感器作為從機，它們采用點對點（或點對多點）主從式工控網(wǎng)絡的半雙工異步傳輸模式，主機和從機之間用輪詢的方式來進行通信。只有主機才能啟動通信，沒有接到主機請求，從機不能主動發(fā)送信息。主機向從機發(fā)送任務報文，從機接收到主機的任務命令后返回響應報文并執(zhí)行相應操作。除了發(fā)送響應報文外，從機只能處于接收狀態(tài)。主機的每一次查詢都是以一個報文（幀）的數(shù)據(jù)傳送給從機。其通信流程如圖3所示。


圖3　單片機與傳感器/流量計的RS232串行通信流程

　　對于RS232協(xié)議，用固定的字符0x9D標識一幀數(shù)據(jù)的開始。數(shù)據(jù)傳輸通信時，幀頭（地址）的識別是非常關(guān)鍵和重要的。一般解決此問題的方法是：找到所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中不可能出現(xiàn)的特征數(shù)據(jù)，再將此特征數(shù)據(jù)作為幀頭發(fā)送。但是，這種通信方式中，一方面特征數(shù)據(jù)一般較難找到，大多數(shù)情況下都需要用數(shù)個特殊字符組成特征數(shù)據(jù)作為幀頭；另一方面由于增加了較多的無用字符（相對于有用數(shù)據(jù)而言），從機不得不對特征數(shù)據(jù)進行解碼，使得通信時間延長，造成該從機的時間浪費。本協(xié)議采用1位幀頭（地址）標志位來解決幀頭（地址）的識別問題。

　　具體方法為：主機首先禁止奇偶校驗，同時設(shè)置奇偶校驗位為Mark標志（相當于設(shè)置幀頭標志位DS為1），再向從機發(fā)送幀頭（地址）。此時，正處于幀頭（地址）監(jiān)聽狀態(tài)的從機收到主機發(fā)來的幀頭（地址）后，進入中斷服務例程，讀取主機發(fā)送的幀頭（地址）是否正確，當確認正確后，從機進入數(shù)據(jù)接收狀態(tài)并等待主機發(fā)送數(shù)據(jù)；否則，仍處于幀頭（地址）監(jiān)聽狀態(tài)并等待主機發(fā)送下一個幀頭（地址）。主機接著禁止奇偶校驗，同時設(shè)置奇偶校驗位為Space標志（相當于設(shè)置幀頭（地址）標志位DS為0），再發(fā)送數(shù)據(jù)，進入數(shù)據(jù)接收狀態(tài)的從機將正常接收所有數(shù)據(jù)，然后向主機發(fā)送響應報文，最后釋放總線并重新進入幀頭（地址）監(jiān)聽狀態(tài)。
　　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。

4　Linux移植及Qt應用程序開發(fā)

　　本系統(tǒng)在TQ2440開發(fā)板上移植了Linux操作系統(tǒng)，并在此嵌入式操作系統(tǒng)平臺上進行了簡易家居智能控制平臺的開發(fā)。Linux移植及Qt應用程序開發(fā)步驟如圖4所示。

圖4　Linux移植及Qt應用程序開發(fā)步驟

　　首先是配置開發(fā)板所需要的環(huán)境軟件。在開發(fā)板環(huán)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(zhuǎn)串口的驅(qū)動，而在安裝時務必注意將電腦與板載串口的波特率設(shè)置為一致。這個沒設(shè)置好，串口通信會有問題。除此之外，還需安裝好串口調(diào)試工具及程序燒錄下載工具。

　　其次是搭建Linux交叉編譯環(huán)境。一般的電腦上都是Windows操作系統(tǒng)，要開發(fā)Linux嵌入式操作系統(tǒng)，需要安裝虛擬機(例如VMware等)、基于Linux內(nèi)核的相關(guān)操作系統(tǒng)（例如Fedora）和交叉編譯器。虛擬機是用來承載Linux操作系統(tǒng)在Windows機器上運行而設(shè)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(chǎn)生系統(tǒng)開發(fā)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(nèi)核→構(gòu)建文件系統(tǒng)。

　　最后是Qt應用程序開發(fā)。本系統(tǒng)是基于圖形界面開發(fā)的。Qt程序開發(fā)需要先建立Qtopia開發(fā)平臺，然后進入編譯目錄，執(zhí)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(zhí)行make命令。然后，將編譯好的程序的可執(zhí)行文件拷貝到文件系統(tǒng)的鏡像目錄中，最后將編譯生成的.bin文件燒錄到開發(fā)板中即可。

結(jié)語

　　本文描述的是一種簡易可行的智能家居聯(lián)網(wǎng)方案，其具有成本低、易于實現(xiàn)、組網(wǎng)容易等優(yōu)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(diào)整智能家居的內(nèi)部局部通信網(wǎng)絡就可以實現(xiàn)更加完善的智能家居功能。例如可以不修改主控電路，利用WiFi或ZigBee網(wǎng)絡來重新組建家居設(shè)備網(wǎng)絡。