（信号与信息处理专业论文）基于嵌入式技术的智能家居系统研究.pdf

原创性声明 t 1 11 11 11i iii i i i t11 1 1i iy 18 8 7 5 2 3 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除本文已经 注明引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得囱苤直太堂及其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：燃指导教师躲叠毖翌： 日期： 在学期间研究成果使用承诺书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：内蒙古大学有权将学位论文的全 部内容或部分保留并向国家有关机构、部门送交学位论文的复印件和磁盘，允许编入有关数据库进行检索， 也可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编学位论文。为保护学院和导师的知识产权，作者在学期 间取得的研究成果属于内蒙古大学。作者今后使用涉及在学期间主要研究内容或研究成果，须征得内蒙古 大学就读期间导师的同意；若用于发表论文，版权单位必须署名为内蒙古大学方可投稿或公开发表。 学位论文作者签名： 日 期：盈 指导教师签名：孟皇坚互 日期：j 啤 基于嵌入式技术的智能家居系统研究 摘要 智能家居是一种融合了计算机、网络、自动控制、传感等多种技术，并涉 、及生态、环境、能源等多个领域的工程技术。除了满足自动控制的需求之外， i 智能家居还要实现节能、环保、人性化、以及个性化。微电子技术和嵌入式技 术的发展，使得这一切都可以成为现实1 1 。本文即阐述了如何实现智能家居系 统，并给出基于2 7 0 s 系统的智能家居终端实现方法。 本系统的硬件部份主要由l i o da r m 开发平台、系统扩展板、g s m 模块 组成。软件部份则主要分为l i o d 开发板程序、p c 服务器端程序及扩展板单片 机程序。本文的嵌入式系统选择的是l i n u x 操作系统，图形用户界面的开发环 境选择是q ，视频监控则采用i n t e l 开源的计算机视觉类库o p e n c v 中的相关 视频处理函数。文中讲述了如何在l i n u x 体系下开发图形用户界面，简单介绍 了q 移植到嵌入式平台中的方法和过程，分析了q t 的特点，并详细说明了 q t e m b e d d e d 图形用户界面开发过程及其提供的一种真正可视化的编程工具 q t d e s i g n e r 的开发步骤。同时还介绍了o p e n c v 的移植及如何利用o p e n c v 函数进行视频控制。 ， 由于在实现设备远程控制中g s m 短信方式有着独特的便利性，文章还详 细介绍了g s m 短信方式在家庭网关系统中的软件设计，包含设备的安全性管 理以及用户与设备互操作的实现。该家居网关系统结构灵活实用，为用户远程 控制家居设备提供选择性，使智能家居系统更加完善和人性化。 关键词：嵌入式系统，智能家居，g s m ，q t e m b e d d e d r e s e s r c ho fs m a r th o m es y s t e m b a s e do ne m b e d d e dt e c h n o l o g y a b s t r a c t s m a r th o m ei sae n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yw h i c hi n o s c u l a t e st e c h n o l o g i e so f c o m p u t e r ，n e t w o r k i n g ，a u t o m a t i o n ，s e n s o r s ，e t c ；a n di t a l s or e f e r st ob i o n o m i c s ， e n v i r o n m e n t s ，e n e r g ys o u r c e sa n de v e nm o r ef i e l d s e x c e p tt os a t i s f yt h ed e m a n do f a u t o m a t i cc o n t r o l ，s m a r th o m em u s tr e a l i z ee n e r g ys a v i n g ，e n v i r o n m e n tp r o t e c t i n g ， h u m a n i z e da n dp e r s o n a l i z e d t h ed e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c sa n de m b e d d e d t e c h n o l o g ym a k e si tc o m et r u e t h i sa r t i c l ed i s c u s s e sh o wt or e a l i z et h es m a r t h o u s es y s t e m ，a n dd e s c r i b e sad e s i g no ft h et e r m i n a lc o n t r o lb a s e do n2 7 0 一s s y s t e m t h e s y s t e m h a r d w a r ei n c l u d e sl i o da r md e v e l o p m e n t p l a t f o r m ， 凌：。 m i c r o c o n t r o l l e rb o a r da n dg s mm o d u l e t h es o f t w a r ei sm a i n l yd i v i d e di n t ol i o d d e v e l o p m e n tb o a r dp r o g r a m ，p cs e r v e rp r o g r a ma n dm i c r o c o n t r o l l e rp r o g r a m t h e e m b e d d e ds y s t e mi n ，t h i sp a p e rc h o i c el i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ，a n dt h eg r a p h i c a l u s e ri n t e r f a c ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tc h o i c eq t v i d e om o n i t o r i n ga d o p t sr e l a t e d v i d e op r o c e s s i n gf u n c t i o no fi n t e lo p e ns o u r c ec o m p u t e rv i s i o nl i b r a r yo p e n c v t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fs m a r th o m eb a s e do nl i n u xs y s t e ma s f o l l o w s ：f i r s t ，g i v i n gu sab r i e f i n t r o d u c t i o no ft h em e t h o da n dp r o c e s so fp o r t i n gq t t oe m b e d d e dp l a t f o r m ，a n dt h e na n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fq t i t sg i v eu sa d e t a i l e dd e s c r i p t i o no fq t e m b e d d e dg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c ed e v e l o p m e n tp r o c e s s i i o ft h eq t d e s i g n e r 1 a t f o r ma n dh o wt o a sg s mt e c h n o l o g yi sv e r yc o n v e n i e n ti ne q u i p m e n tr e m o t ec o n t r o l ，t h e s o f t w a r ed e s i g no fh o m eg a t e w a ys y s t e ms u p p o r t i n gg s ms m si si n t r o d u c e di n t h i sp a p e r ，i n c l u d i n gt h er e a l i z a t i o no fe q u i p m e n ts e c u r i t ym a n a g e m e n ta n dd a t a e x c h a n g eb e t w e e nt h eu s e ra n de q u i p m e n t s t h i sh o m eg a t e w a ys y s t e mi sf l e x i b l e ， p r a c t i c a la n ds e l e c t i v ef o ru s e r st oc h o o s et h ew a yt oe q u i p m e n tr e m o t ec o n t r o l ， m a k i n gs m a r th o m es y s t e mm o r ep e r f e c ta n dh u m a n i z e d k e y w o r d s ：e m b e d d e d s y s t e m ，s m a r th o m e ，g s m ，q t e m b e d d e d 1 i i 目录 第一章绪论o 1 1 1 智能家居概述1 1 2 本文研究背景及意义2 1 3 国内外研究现状2 1 4 论文组织形式4 第二章系统整体结构及方案设计5 2 1 智能家居系统的整体结构5 2 2 智能家居系统的基本功能。6 2 - 3 本章小节k 。6 第三章系统硬件电路7 3 1a r m 开发平台的硬件构成7 3 1 12 7 0 s 系统硬件介绍7 3 1 2 系统供电单元介绍。8 3 2 扩展板硬件电路9 ， 3 2 1a t 8 9 s 51 单片机介绍9 3 2 2 传感器接口电路j 1 0 3 2 3 家电控制接口电路11 3 2 4r s 2 3 2 接口电路“1 2 3 3 外围传感器介绍。1 2 3 3 1 传感器的特性_ 一1 2 3 3 2 传感器的接线分布以及电源供电要求1 4 3 4 本章小节1 4 第四章家庭网关开发平台的建立1 5 4 1 嵌入式l i n u x 开发环境的建立1 5 4 1 1 安装t o o l c h a i n 15 4 1 2j t a g 编译1 6 4 1 3 编 翠b o o t l o a d e r 1 7 4 1 4b o o t p 设置。1 9 i v 塑鍪吏奎兰堡兰垡笙奎 4 1 5t f 砸设置2 0 4 1 6 下载l i n u x 内核镜像2 l 4 1 7 下载文件系统2 1 4 2q t 的移植2 2 4 2 1 软件安装包2 3 4 2 2 编译环境参数的设置。2 4 4 2 3q t e m b e d d e d 的编译配置2 4 4 3o p e n c v 的移植2 6 4 3 1o p e n c v 的特点2 6 4 3 2o p e n c v 的函数体系2 6 4 3 3o p e n c v 移植j 2 7 4 4 本章小节。2 9 第五章软件功能实现3 0 5 1 扩展板程序设计3 0 5 1 1 主程序与和数据发送3 0 5 1 2 扩展板串口中断程序31 5 2 客户端( l i o d 板) 程序设计3 2 5 2 1g s m 操作程序设计3 3 5 2 2 扩展板接口程序设计：3 8 5 2 3 视频监视程序设计4 0 5 3 服务端程序设计4 1 5 4 用户操作界面设计4 3 5 4 1 用户界面开发环境介绍。4 3 5 4 2 用户界面设计一4 4 5 4 3 用户操作界面4 9 5 5 本章小节5 2 第六章总结与展望。5 3 参考文献5 4 附录相关软件程序5 6 j 改谢6 1 v 内蒙古人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 智能家居概述 智能家居，或称智能住宅，在英文中常用s m a r th o m e 、i n t e l l i g e n th o m e ，与此含义相 近的还有家庭自动化( h o m ea u t o m a t i o n ) 、电子家庭( e l e c t r o n i ch o m e 、e h o m e ) 、数字 家园( d i g i t a lf a m i l y ) 、网络家居( n e t w o r kh o m e ) ，智能建筑( i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ) 。 智能家居是以住宅为平台，兼备建筑、网络通讯、讯息家电、设备自动化，集系统、 结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。 j j 智能家居是在家庭产品自动化、智能化的基础上，通过网络按拟人化的要求而实现的【2 1 。 智能家居可以定义为一个过程或者一个系统，利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综 合布线技术、无线技术、将与家居生活有关的各种子系统，有机地结合在一起。与普通家 一 居相比，由原来的被动静止结构转变为具有能动智能的工具，提供全方位的讯息交换功能， 帮助家庭与外部保持讯息交流畅通。智能家居强调人的主观能动性，要求重视人与居住环 ， 境的协调，能够随心所欲地控制室内居住环境。智能家居的系统结构图如图1 1 所示。 图1 1 智能家居系统结构图 f i g 1 1t h es t r u c t u r a ld i a g r a mo fs m a r th o m e 1 2 本文研究背景及意义 日新月异的电子信息科技为智能监控系统的发展带来无穷的活力。随着微电子、光电子、 微波、无线网络技术的发展，空间距离感大大缩小，视觉、听觉的范围已经不再为距离所 限制。 人们正在进入以计算机、网络、卫星通信为特征的信息社会。自动化概念的引入，使安 全监控设备得到广泛应用。随着人类移动范围越来越大，人们所关心的信息越来越多或者 需要控制的对象的距离越来越遥远。为了能及时、有效地获取所关心的信息并进行相关控 制，远程监控技术的发展成为一个广受关注的热点。 现己普遍使用的手机、手持p d a 等设备可以较为方便的成为人们远程监控的便携式终 端。如何利用这些便携式终端，借助g s m g p r s 、w l a n 等无线网络进行通讯成为智能监 控中的又一个热点。 随着人们生活水平和安防意识的提高，在现代化高档小区中，人们越来越重视居住环 境的安全监视，特别对危及人民生命和财产安全如火灾、煤气泄漏、外人非法入侵等情况 需要有效的监视，并能及时将异常情况告知户主或相关的机构 3 1 。本实验设计的基于l i o d 开发平台的智能家居安全监控系统为家居的安全监控提供了一个很好的蓝本。 1 3 国内外研究现状 国际上对于智能家居系统的研究，主要问题之一是如何采用统一的技术标准来实现家 庭各监测设备之间的连接与通信，从而设计出满足用户需求的智能家居系统。由于各国智 能家居行业发展情况不同，家庭总线技术标准也各异，因此，实现家庭各监测设备之间的 连接与通信方式也各有差别。目前，国内外主要采用的技术方案为有线方式，常用的有线 技术标准，如：美国的x 10 和c e b u s ( c o n s u m e re l e c t r o n i c sb u s ) 、欧洲的e i b ( e u r o p e a n i n s t a l l a t i o nb u s ) 、日本的h b s ( h o m eb u ss y s t e m ) 等【4 】。 ( 1 ) x 1 0 x 1 0 是一种国际通用的智能家居电力载波协议。采用这种协议的兼容产品可以通过电 力线实现相互通信，无需重新布线。使用时，控制组件可插入室内不同的电源插座，家庭 其他系统内的设备就可以执行控制命令，整个系统被控制的电器可多达2 5 6 路。目前，许 多国家已将它广泛的应用于家庭安全监控、家用电器控制、室内照明控制、背景音乐控制 和住宅仪表数字读取等方面。 2 ： 内蒙古人学硕士学位论文 ( 2 ) c e b u s 消费电子总线( c e b u s ) 是美国电子工业协会( e i a ) 的开放标准( e i a 6 0 0 ) ，其目标 是建立一个针对家用电子产品的开放性协议，允许用户以很小的代价实现在系统中加入新 的家电产品，减少家用电子产品设备功能的冗余1 5 1 。1 9 9 7 年，c e b u s 的e i a 6 0 0 正式成 为美国a n s i 标准。消费总线使用五种类型的介质( 电力线、无线、红外、双绞线和同轴 电缆) ，鉴于家庭中电力线载波通讯的特殊性，c e b u s 以电力线作为物理层的传输介质，采 用扩频载波( s p e c t r u ms p r e a dc a r d e r ) 通讯来实现控制流，其数据传输速率为l o k b p s 。c e b u s 同时也得到了i b m 、h o n e y w e l l 、m i c r o s o f t 、i n t e l 、d e m o s y s 、l u c e n t 、p h i l i p s 、s i e m e n s 、： x l s y n e r g y 等国际著名公司的支持。 ( 3 ) e i b e i b 标准在欧洲被称为e u r o p e a ni n s t a l l a t i o nb u s ，即欧洲安装总线。它是由1 1o 多个 欧洲电气制造商联合成立的协会组织制定的。该该协议已被美国消费电子制造商协会 ( c e m a ) 吸收作为家庭网络e i a 7 7 6 标准【6 】。e i b 是一个基于事件控制的分布式总线系 统。系统采用串行数据通讯进行控制、监测和状态报告。其数掘传输和总线装置的电源共 用一条电缆2 4 v 的直流电源。所有总线装置均通过共享的串行传输连接( 即：总线) 相互 交换信息。数据传输按照总线协议所确定的规则进行，总线的访问需要访问控制，e i b 采 用c s m a c a ( 避免碰撞的载波侦听多路访问协议) 。 ( 4 ) h b s 日本提出的家庭总线系统( h o m eb u ss y s t e m ，简称h b s ) 是在h b s 标准委员会的制 定下成立的智能家居总线标准。h b s 系统由一条同轴电缆和4 对双绞线构成，前者用于 传输图像信息，后者用于传输语音、数据及控制信号。各类家用设备与电气设备均按一定 方式与h b s 相连，这些电气设备既可以在室内进行控制，也可在异地通过电话进行遥控。 除了以上常用的总线技术外，其他的有线总线技术规范还有：c a n b u s 、l o n w o r k s 、r s 4 8 5 、 e t h e m e t 等。 近几年来，在各大公司和媒体的强大概念宣传攻势下，我国智能家居行业逐渐形成， 可用的、接近现实需求的产品不断增加，集成商、开发商以及装修公司己经积累了很多经 验。另外，国内各大电器厂家也适时推出了自己的智能家居系统与标准，如科龙集团研制 的“智能网络家居系统”，海信的“智能家居控制系统”，清华同方的“e h o m e 数字家园”， 方正“卓越3 0 0 0 ”等。这些系统都可实现对家居环境的智能监测与安防监控功能。 在我国，有线方式的发展已经相对比较成熟，在行业中已经具有一定的标准型和通用 塑鍪直奎堂堡主兰垡堡兰 性，但电话线、以太网、电力线等有线组网技术普遍存在布线麻烦，增减设备需要重新布 线，安装和维护成本高，移动性能差的缺陷。无线传输则省去了大量的电缆连线，移动性 很好。可以随时增加链路，安装、扩容很方便。但是，无线通信的质量远低于有线通信， 其信号衰减要比同距离的有线通信大很多，而且传输信道容易受到干扰，可靠性没有有线 方式好1 7 。随着人们健康意识的提高，对电磁辐射的重视也越来越大，无线传输方式也受到 一定程度的限制。 1 4 论文组织形式 论文主要分为5 部分，各部分内容安排如下： 第1 章绪论介绍本论文的研究背景、国内外研究现状以及本文的研究内容和意义。 第2 章系统整体结构及方案设计介绍了智能家居系统的整体结构，进- 步分析了智能 家居系统的基本功能。： 一 第3 章系统硬件电路主要介绍了智能家居系统的硬件结构，系统硬件由两部份构成， 2 7 0 s 硬件系统及扩展板硬件系统，其中包括几种重要的接口电路及相关的外围传感器： 第4 章家庭网关开发平台的建立分为三部份，嵌入式开发环境的建立图像处理软件 o p e n c v 的移植以及嵌入式q t q t o p i a 的移植。系统在l i o d 开发平台的l i n u x 操作系统下完 成，采用嵌入式q t 作为软件开发平台，以嵌入式q t o p i a - 1 7 0 作为用户平台界面，视频监 控采用i n t e l 开源的计算机视觉类库o p e n c v ( i n t e lo p e n s o u r c ec o m p u t e rv i s i o nl i b r a r y ) 中 相关视频处理函数。 第5 章软件功能实现介绍了智能家居系统中控制端与信息采集端的相关软件设计。控 制端程序即l i o d 板程序主要包括数据通信、视频采集和发送控制命令等三个方面，其中数 据通信包括与扩展板、g s m 模块的r s 2 3 2 通信和与服务器端的网络通信；视频数据采集主 要包括客户端的视频预览和视频数据传输；发送控制命令则主要根据短信内容、扩展板传 感器报警信息发送各种控制命令。信息采集端即扩展板单片机程序主要完成传感器报警数 据采集并将采集到的数据传输到l i o d 开发板上和负责接收l i o d 板发送来的控制命令。 第6 章总结及展望对本文所作的工作进行总结并对该领域需进一步研究的工作进行展 望。 4 内蒙古大学硕士学位论文 第二章系统整体结构及方案设计 2 1 智能家居系统的整体结构 本系统主要由l i o da r m 开发平台、系统扩展板、g s m 模块组成，系统架构如图2 1 所示。其中： l i o da r m 为系统核心，主要完成对系统扩展板的控制、对g s m 收发的短消息进行解析 和处理进行及视频数据采集传输。 扩展板电路主要负责传感器数据的采集、家用电器开关的控制、接收和处理来自l i o d 开 发平台的控制信息以及将传感器报警信息、家用电器开关状态信息反馈给l i o d 平台； g s m 模块负责短消息的收发； ； 藿菌 用户手机 服务器 图2 12 7 0 s 系统架构图 f i g 2 1t h e s t r u c t u r a ld i a g r a mo f2 7 0 一ss y s t e m 内蒙古大学硕士学位论文 2 2 智能家居系统的基本功能 在建立远程监控模式时监控终端主要实现以下几个方面的功能： 建立和远程服务端的连接，能够自行创建分配资源，并且能够调用开发人员指定的 函数处理客户端请求。 能够收集各传感器信息，并发送到服务端。 能够接收服务端的命令并执行。 ， 能够执行客户远程或现场输入的命令并反馈到服务端。 当监控端检测到异常情况，可通过移动通信网络告知户主。 2 3 本章小节 本章主要介绍了智能家居系统的整体结构，阐述了智能家居系统的基本功能，特别是 l i o da r m 开发平台、系统扩展板、g s m 模块各部份的组成及功能。系统分别选用以2 7 0。鼋 系统作为智能家居控制系统硬件和软件的核心，以及5 1 单片机作为家居设备子系统的控制 器。选择一个正确的开发方案，是进行开发的前提。 6 l 溅卜 蘸牙 l i o d 打外 叫扩艟板 l 模块l 一 串门 平台 串订 ；无绫或有线 ； 以太嘲 图3 1 系统硬件连接示意图 f i g 3 1t h ed i a g r a mo fs y s t e mh a r d w a r ec o n n e c t i n g 3 1 12 7 0 s 系统硬件介绍 系统l i o d 平台选用的是2 7 0 s 开发平台，是一款基于i n t e l 高性能的p x a 2 7 0 处理器并支持。 嵌入式i 。i n u x w i n c e 系统的多功能嵌入式开发平台。 2 7 0 s 平台包括c p u ，f l a s h ，s d r a m ，c p l d 核心系统部分和外围的接口部分，其中 核心芯片p x a 2 7 0 是i n t e l 开发的高度集成的片上系统微处理器，结合了i n t e lx s c a l e 技术，具有 动态电压调整、动态频率调整以及成熟的电源管理，提供业界领先的m i p s m w 性能。具体型 号采用f w ( n h ) p x a 2 7 0 c 5 c 5 2 0 ，主频5 2 0 m h z ，工作温度范围4 0 8 5 ，完成程序运行， 资源调配，内存管理，中断处理等功能，控制着整套系统运行。系统接5 v 的外接电源即可单 独上电运行工作了，还配有3 5 0 0 m a h 的电池，可以单独供电5 个小时以上，能够支持电源充 电和u s b 充电两种方式。因此它非常适合做移动设备。 外部接口方面，2 7 0 s 系统主要包括j t a g 接口，2 个r s 2 3 2 接口，1 个全功能串口， 1 个u s b 主接口1 个u s b 从接口。全功能串口p 3 是调试串口，通过这个串口的调试信息i 可以很方便的知道程序的运行情况和出现问题的地方，。2 个r s 2 3 2 串口供用户使用，分 别是蓝牙串口和红外串口，在智能家居系统中用于连接g s m 模块和扩展板电路。同时，2 7 0 s 系统的u s b s l a v e 接口直接使用c p u 提供的u s b c - n ，u s b c p 两根信号线，支持各种 u s b 的从设备的接口，由此系统可外接u s b 摄像头。2 7 0 s 系统也为w i f i 留下了接口， 7 内蒙古人学硕上学位论文 接口使用的是x s c a l e 2 7 0 的s p i 接口进行通信的，只要外接一块w l f i 的模块板就可以实 现上网功能。 3 1 2 系统供电单元介绍 p x a 2 7 0 处理器作为嵌入式系统应用，对电源的要求很高，本身系统的运行也需要多 路电压的支持。同时p x a 2 7 0 加入了i n t e ls p e e d s t e p 动态电源管理技术，在保证c p u 性能 的情况下，最大限度地降低移动设备功耗。所以这里使用了美国国家半导体公司的电源管 理芯片l p 3 9 7 1s q b 4 1 0 ： 。? 首先，整个2 7 0 s 系统是通过外部电源或者电池供电，外部d c 电源的参数为+ 5 v 2 a ， 电池为3 5 0 0 m a h 。5 v 进来经过防过流保险管f u s l ，防过压保护二极管d 4 ，再通过电池 充电芯片b q 2 4 0 7 0 ，2 7 0 s 核心系统所需电平全部由专用电源管理芯片- l p 3 9 7 1 来提供。 其缺省电压范围和上电时序控制适合p x a 2 7 0 的要求。可以通过其1 2 c 接口访问其内部寄 存器，调节工作模式、电压等参数。其工作温度范围是一4 0 。c 8 5 。 。 以下是各路电压的数值和具体作用。 d c 5 v ：从5 v 电源板上输入的5 v 电压。 ：， v c c3 v ：3 v ，c p u 及板上外设的工作电源。 v c c1 p 8 v ：1 8 v ，驱动存储器系统总线。 v c c1 p 4 v ：1 4 v ，驱动c p u 核心的电源。 v c cs 洲1 p l v ：1 1 v ，驱动c p u 的内部s r a m 。 v c cp l l1 p 3 v 1 3 v ，驱动c p u 的内部p p l 。 v c cu s i m3 v ：3 v ，驱动外部u s i m 卡。 v c c ，电源芯片给 的启动电压。b a t t ( 3 v ) 3 v l p 3 9 7 1c p u 下图是系统供电的结构图。 8 内蒙古人学硕士学位论文 图3 22 7 0 s 系统供电结构图 f i g 3 2t h ed i a g r a mo f2 7 0 一ss y s t e mp o w e rs u p p l y l p 3 9 7 1 也可以根据用户的具体要求进行初始状态的修改，以下为其重要的控制信号： l p 3 9 7 1 的1 2 c 接口连接到p x a 2 7 0 的电源管理1 2 c 接口p w rs c l p w rs d a 。 l p 3 9 7 1 的复位输出信号提供p x a 2 7 0 的复位信号，n r s t i 则作为系统的复位输入。 l p 3 9 7 1 的n b a t tf l t 直接连接到p x a 2 7 0 的n b a t tf a u l t ；p x a 2 7 0 的 n v d df a u l t 可由l p 3 9 7 1s y se n 产生的一组电压如b u c k 2 的输出电压直接提供。 l p 3 9 7 1 的p w re n 、s y se n 直接由p x a 2 7 0 的p w re n 、s y se n 控制，高电平 为允许输出，低电平关闭输出。 3 。2 扩展板硬件电路 扩展板硬件电路主要由中央处理芯片a t 8 9 s 5 1 、传感器接口电路、家电控制接口电路 和r s 2 3 2 接口电路组成。主要负责采集传感器信息、报警信号，利用中断程序通过串行口 上传给智能家居控制中心，同时通过控制电路控制四路家电的闭合与断开。总体硬件电路 图详见附录。 3 2 1a t 8 9 s 5 1 单片机介绍 a t 8 9 s 5 1 是一个低功耗，高性能c m o s8 位单片机，片内含4 kb y t e si s p ( i n s y s t e m p r o g r a m m a b l e ) 的可反复擦写1 0 0 0 次的f l a s h 只读程序存储器，器件采用a t m e l 公司的高 密度、非易失性存储技术制造，兼容标准m c s 5 1 指令系统及8 0 c 5 1 引脚结构引，芯片内 9 内蒙古大学硕士学位论文 集成了通用8 位中央处理器和i s pf l a s h 存储单元，a t 8 9 s 5 1 在众多嵌入式控制应用系统中 得到广泛应用。 a t 8 9 s 5 1 提供以下标准功能：4 k 字节f l a s h 闪速存储器，1 2 8 字节内部r a m ，3 2 个i o 口线，看门狗( w d t ) ，两个数据指针，两个1 6 位定时、计数器，一个5 向量两级中断结 构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，a t 8 9 s 5 1 可降至0 h z 的静态 逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止c p u 的工作，但允许r a m ， 定时计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存r a m 中的内容，但振荡器 停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 单片机基本结构示意图见下图： 图3 3 单片机内部结构图 f i g 3 3t h ei n t e m e ld i a g r a mo fs i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r 在智能家居系统中，p 2 口用来采集外部传感器信息，p 1 口则用来输出四路家电的控制 信号。因为扩展板电路在系统主要负责采集传感器报警信号，并将信息通过r s 2 3 2 传输到 l i o d 平台上进行处理，同时，扩展板需要接收l i o d 平台的家电控制命令并实现对家用电器 的控制。所以，下面分别介绍几个重要的接口电路。 3 2 2 传感器接口电路 在智能家居系统中，烟雾、煤气泄漏、红外等这些传感器的报警信号通过光电耦合接 入单片机的p 2 口( 如图3 4 所示) ，在传感器没有报警信号时，光电耦合芯片处于截止状态， 与之相接的单片机端口为低电平；当传感器有报警，传感器输出高电平，此时光电耦合芯 1 0 内蒙古大学硕士学位论文 片导通，与之相接的单片机端口为高电平，由单片机对报警信号进行采集并做出相应处理。 3 2 3 家电控制接口电路 图3 4 传感器接口电路 f i g 3 4t h ei n t e r f a c ec i r c u i tc h a r to fs e n s o r 家用电器控制接口电路则如图3 5 所示，k 1 k 4 为继电器，分别控制四路家电的闭合 和断开，q 1 q 4 为继电器线圈电流驱动，电路由单片机的p 1 口进行控制，d d l d d 4 发 光二极管用于显示某路控制电路的工作情况，主要为了调试电路设置。： 图3 5 家电控制接口电路 f i g 3 5t h ei n t e r f a c ec i r c u i tc h a r to f a p p l i a n c e sc o n t r o l 内蒙古大学硕t ：学位论文 3 2 4r s 2 3 2 接口电路 扩展板与l i o d 开发平台通过r s 2 3 2 接口进行通信，在本系统中，扩展板的r s 2 3 2 电平 转换芯片采用m a x 2 3 2 ，扩展板的主控处理器芯片采用通用的5 1 系列单片机。具体接口电 路如图3 6 所示。 图3 6r s 2 3 2 接口电路图 f i g 3 6t h ei n t e r f a c ec i r c u i tc h a r t o fr s 2 3 2 3 3 外围传感器介绍 本系统主要用于安全监控，家居安全问题主要是危及人民生命和财产安全的煤气泄漏， 着火，外人非法入侵等，所以系统选用煤气、烟雾、人体红外三种传感器。 i 3 3 1 传感器的特性 1 红外传感器 红外传感器作为一种新型的电子防盗设备广泛应用于家庭 住宅区。目前市面上红外传感器很多，价格也很便宜，红外传感 器是一种能够感应目标辐射的红外线并将其转换成电信号后对目 标进行识别探测的侦察设备。这种传感器通常分为有源式和无源 式两种。 有源式红外传感器的工作原理是，当人员或车辆通过传感器 的工作区域时，传感器发出的红外光线即被切断，此时传感器便 1 2 图3 7 红外传感器 f i g 3 7i n f r a r e ds e n s o r 塑茎直查堂堡主兰篁笙茎 被启动。 无源式红外传感器的工作原理是当目标发出热辐射使传感器工作区域的温度突然发生 变化时，传感器便被启动。本系统选用了h a n r i c 的红外人体感应开关作为红外传感器。 ( 1 ) 主要技术指标： ( 2 ) 工作电压：d c9 v ( 3 ) 开关持续时间：5 秒一分钟可调 ( 4 ) 感应范围( 角度) ：9 0 度 ： ( 5 ) 距离：1 0 米 使用时，将红外传感器安装在1 5 _ 5 米高的墙面上。当接通电源稳定3 0 秒左右，当 红外传感器探测到有外人入侵，则触发继电器，输出高电平。 2 烟雾传感器 烟雾传感器是一种在消防管理、安全防范系统中常用的报警 器材，它工作可靠、体积小巧，安装、使用非常方便、灵活。具 有连续自动监测室内烟雾的功能在达到报警点时，通过声光报警 提醒用户注意，并可输出高或低电平与控制系统进行接口。 本系统采用的是立保s g 1 5 8 a 1 5 8 光电式烟雾探测器。其主 要技术参数如下： ( 1 ) 静态电流：最大5 毫安 ( 2 ) 报警时工作电流：最大5 0 毫安 图3 8 烟雾传感器 f i g 3 8s m o k es e n s o r ( 3 ) 报警响度：大于8 5 d b 一 ( 4 ) 工作电压：d v 9 v _ 2 4 v ( 5 ) 工作温度：1 0 - - 4 5 度 ( 6 ) 烟雾灵敏度：符合u l 的2 1 7 号标准：每英寸3 2 的微弱灰尘，探测器有反应。 3 煤气传感器 煤气传感器是智能家庭网络实现安防功能重要构件之一。它采用高性能的半导体气敏探 头，灵敏度高，响应和恢复速度快，具有连续自动监测室内煤气泄漏的功能。在达到报警 点时，通过声光报警，提醒用户注意，并可输出高或低电平与控制系统进行接口。 主要技术参数： ( 1 ) 电源：9 1 6 v d c ； ( 6 ) 回应时间：报警输出延时1 5 秒左右。 3 3 2 传感器的接线分布以及电源供电要求 图3 9 煤气传感器 f i g 3 9g a ss e n s o r 智能家居系统中，三个传感器的接线分布以及电源供电要求分别如下： 1 烟雾传感器采用直流1 2 v 外接电源供电。红外传感器与烟雾报警器采甩9 v 电源。 2 传感器接线分布如下： ， 1 ) 燃气泄漏报警器连线：，。 a 红：电源正。b 黑：电源负。c 白：传感器负输出端。d 绿：t 传感器正输出端。 2 ) 红外传感器连线： ： a 红：电源正。b 黄：电源负。c 灰：传感器负输出端。d 黑：传感器正输出端。 3 ) 烟雾报警器连线：。 乱红：电源正。b 黑：电源负。c 白：传感器负输出端。d 绿：传感器正输出端。 传感器与扩展板的连接方式可参见3 2 2 节传感器接口电路。