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(shí)別裝置、紅外感應(yīng)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(gè)巨大的網(wǎng)絡(luò)。然后，將生活中的所有物品都納入這個(gè)網(wǎng)絡(luò)，方便識(shí)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(luò)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(luò)連接在一起，系統(tǒng)可以自動(dòng)的、實(shí)時(shí)的對(duì)物體進(jìn)行監(jiān)控、識(shí)別、定位、追蹤并觸發(fā)相應(yīng)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(jiǎn)化物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備，最終開發(fā)出一套經(jīng)濟(jì)實(shí)用的支持多終端應(yīng)用的智能家居物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是非常有意義、有價(jià)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)、射頻識(shí)別裝置的智能家居控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)具有智能抄表、遠(yuǎn)程開啟電器、射頻識(shí)別遠(yuǎn)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(gè)家居系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各設(shè)備，每個(gè)設(shè)備分別對(duì)應(yīng)一個(gè)圖標(biāo)，包括燈光控制、風(fēng)扇、冰箱、電飯煲、燃?xì)饬髁坎杉取｜c(diǎn)擊圖標(biāo)進(jìn)入該設(shè)備相應(yīng)的詳細(xì)信息欄。進(jìn)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(yuǎn)程通過短信方式控制各房間的燈的亮滅；燃?xì)馐褂们闆r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(tái)間選擇了2.4 GHz的無線射頻收發(fā)芯片nRF24L01，通過它可以實(shí)現(xiàn)各家居設(shè)備與主控平臺(tái)間的無線通信。主控平臺(tái)與外網(wǎng)的通信，采用的是德國(guó)西門子公司的MC39i GSM/GPRS終端無線模塊。燃?xì)饬髁繙y(cè)量采用了美國(guó)矽翔微機(jī)電系統(tǒng)(上海)有限公司的MF4000系列氣體流量計(jì)燃?xì)饬髁坑?jì)，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(tái)是整個(gè)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(shí)別模塊、紅外感應(yīng)模塊、觸摸顯示屏。該總控平臺(tái)一方面可以通過無線模塊接收到外部命令（例如：手機(jī)短信），并通過射頻識(shí)別，控制對(duì)應(yīng)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(jī)。另一方面，各家居設(shè)備運(yùn)行信息可以通過射頻模塊接收采集（例如采集燃?xì)庾x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(tái)，該平臺(tái)將數(shù)據(jù)分類處理后，可選擇有用數(shù)據(jù)發(fā)送至對(duì)應(yīng)公司服務(wù)器（例如燃?xì)夤?、供電局、水廠等），實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表。

　　智能家居控制系統(tǒng)的中的每一個(gè)家居設(shè)備，都需要分別安裝一個(gè)射頻識(shí)別模塊，通過該模塊可以與嵌入式ARM2440系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)短距離無線通信。

2　射頻識(shí)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(shí)別模塊可以實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信，多機(jī)通信采用頻分多址的方法，只需要在接收端對(duì)不同的通道配置地址即可。發(fā)送端使用相應(yīng)的地址作為本機(jī)地址。接收數(shù)據(jù)時(shí)通過讀取STATUS中相關(guān)位即可得知接收的是哪個(gè)通道的數(shù)據(jù)。射頻識(shí)別模塊內(nèi)包括:頻率發(fā)生器、增強(qiáng)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(duì)應(yīng)的SPI接口進(jìn)行設(shè)置。射頻識(shí)別模塊功耗低，當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為-6 dBm時(shí)，電流消耗為9.0 mA；接收模式時(shí)為12.3 mA，掉電模式和待機(jī)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(luò)中的結(jié)構(gòu)如圖2所示。每一個(gè)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(gè)不同的nRF24L01設(shè)置為發(fā)送模式后可以與同一個(gè)設(shè)置為接收模式的nRF24L01進(jìn)行通信，而設(shè)置為接收模式的nRF24L01可以對(duì)這6個(gè)發(fā)射端進(jìn)行識(shí)別。同一時(shí)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(luò)中的結(jié)構(gòu)

　　收一路數(shù)據(jù)通道的數(shù)據(jù)。nRF24L01在確認(rèn)收到數(shù)據(jù)后記錄地址，并以此地址為目標(biāo)地址發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，在發(fā)送端數(shù)據(jù)通道0被用作接收應(yīng)答信號(hào)，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(yīng)答信號(hào)。

3　氣體流量的檢測(cè)

　　氣體流量測(cè)量采用的是MF4000系列氣體流量計(jì),MF4000系列質(zhì)量流量計(jì)是美國(guó)矽翔微機(jī)電專為管徑為3~8 mm的氣體管路中的低速氣流的流量計(jì)量而設(shè)計(jì)?？谑皆O(shè)計(jì)為用戶提供簡(jiǎn)便的安裝，滿足用戶測(cè)量多氣體管路的需求。塑料卡口可輕松的進(jìn)行機(jī)械接口轉(zhuǎn)換，應(yīng)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(yīng)用，MF4000系列氣體流量計(jì)技術(shù)參數(shù)如表1所列。

表1　MF4000系列氣體流量計(jì)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(jī)，單片機(jī)與氣體流程傳感器通過RS232通信，整個(gè)通信過程單片機(jī)作為主機(jī)，傳感器作為從機(jī)，它們采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)）主從式工控網(wǎng)絡(luò)的半雙工異步傳輸模式，主機(jī)和從機(jī)之間用輪詢的方式來進(jìn)行通信。只有主機(jī)才能啟動(dòng)通信，沒有接到主機(jī)請(qǐng)求，從機(jī)不能主動(dòng)發(fā)送信息。主機(jī)向從機(jī)發(fā)送任務(wù)報(bào)文，從機(jī)接收到主機(jī)的任務(wù)命令后返回響應(yīng)報(bào)文并執(zhí)行相應(yīng)操作。除了發(fā)送響應(yīng)報(bào)文外，從機(jī)只能處于接收狀態(tài)。主機(jī)的每一次查詢都是以一個(gè)報(bào)文（幀）的數(shù)據(jù)傳送給從機(jī)。其通信流程如圖3所示。


圖3　單片機(jī)與傳感器/流量計(jì)的RS232串行通信流程

　　對(duì)于RS232協(xié)議，用固定的字符0x9D標(biāo)識(shí)一幀數(shù)據(jù)的開始。數(shù)據(jù)傳輸通信時(shí)，幀頭（地址）的識(shí)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(gè)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(duì)于有用數(shù)據(jù)而言），從機(jī)不得不對(duì)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，使得通信時(shí)間延長(zhǎng)，造成該從機(jī)的時(shí)間浪費(fèi)。本協(xié)議采用1位幀頭（地址）標(biāo)志位來解決幀頭（地址）的識(shí)別問題。

　　具體方法為：主機(jī)首先禁止奇偶校驗(yàn)，同時(shí)設(shè)置奇偶校驗(yàn)位為Mark標(biāo)志（相當(dāng)于設(shè)置幀頭標(biāo)志位DS為1），再向從機(jī)發(fā)送幀頭（地址）。此時(shí)，正處于幀頭（地址）監(jiān)聽狀態(tài)的從機(jī)收到主機(jī)發(fā)來的幀頭（地址）后，進(jìn)入中斷服務(wù)例程，讀取主機(jī)發(fā)送的幀頭（地址）是否正確，當(dāng)確認(rèn)正確后，從機(jī)進(jìn)入數(shù)據(jù)接收狀態(tài)并等待主機(jī)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(jī)發(fā)送下一個(gè)幀頭（地址）。主機(jī)接著禁止奇偶校驗(yàn)，同時(shí)設(shè)置奇偶校驗(yàn)位為Space標(biāo)志（相當(dāng)于設(shè)置幀頭（地址）標(biāo)志位DS為0），再發(fā)送數(shù)據(jù)，進(jìn)入數(shù)據(jù)接收狀態(tài)的從機(jī)將正常接收所有數(shù)據(jù)，然后向主機(jī)發(fā)送響應(yīng)報(bào)文，最后釋放總線并重新進(jìn)入幀頭（地址）監(jiān)聽狀態(tài)。
　　單片機(jī)通過串口與傳感器通信，可以方便地采集到瞬時(shí)流量和累積流量，可記錄自上電以來瞬時(shí)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(yīng)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(tái)上進(jìn)行了簡(jiǎn)易家居智能控制平臺(tái)的開發(fā)。Linux移植及Qt應(yīng)用程序開發(fā)步驟如圖4所示。

圖4　Linux移植及Qt應(yīng)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(duì)于沒有串口的機(jī)器，一定要先安裝USB轉(zhuǎn)串口的驅(qū)動(dòng)，而在安裝時(shí)務(wù)必注意將電腦與板載串口的波特率設(shè)置為一致。這個(gè)沒設(shè)置好，串口通信會(huì)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(jī)(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(jī)是用來承載Linux操作系統(tǒng)在Windows機(jī)器上運(yùn)行而設(shè)置的，就像虛擬光盤一樣，是個(gè)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(jìn)入移植過程。移植時(shí)一般順序?yàn)椋壕幾gUboot→編譯內(nèi)核→構(gòu)建文件系統(tǒng)。

　　最后是Qt應(yīng)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(tái)，然后進(jìn)入編譯目錄，執(zhí)行編譯腳本，無誤退出后，再編譯應(yīng)用程序。編譯應(yīng)用程序時(shí)，只需進(jìn)入每個(gè)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(jiǎn)易可行的智能家居聯(lián)網(wǎng)方案，其具有成本低、易于實(shí)現(xiàn)、組網(wǎng)容易等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于更復(fù)雜的互動(dòng)功能還存在一定的欠缺。但基于上述主控平臺(tái)，只需要調(diào)整智能家居的內(nèi)部局部通信網(wǎng)絡(luò)就可以實(shí)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(luò)來重新組建家居設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。