智慧家居生活Samy

1 绪论 1 1 课题研究背景及意义 智能家居系统的概念起源于上世纪 70 年代的美国 然后逐渐向欧洲 日本 等国家推广 并且在推广过程中进行发展 虽然智能家居的概念传到中国的时 候已经是其推广的后期 但它发展速度还是惊人的 我国现有的智能住宅和小 区已经有相当大的数量 智能家居 Smart Home 是现代电子技术 自动化技术及通信技术相结合 后的产物 它是以家庭为中心的平台 兼具建筑智能化 自动化 为人们提供 一个便捷的 高效率的家居环境 智能化家居不再是静止不动的建筑物 而是 帮助主人合理利用时间的工具 使家庭更为舒适 环保 便捷智能化 它能通 过网络信息通信技术实现对家居电器的智能控制 使得各种家电可以按照人们 预设的工作运行 而无视距离的因素 它可以提供远程控制如 家用电器 空 调 热水器 控制 照明控制 自动控制内部和外部的窗帘和窗户 进行防盗 报警 远程电话连接 还可以利用各种编程定时装置控制和计算机控制功能 使生活更加舒适 方便和安全 它可以自动控制并管理电气设备 对家居周围 环境进行安全监测报警 确保用户的生活和工作环境安全 目前 已经有越来 越多的企业和国家开始致力于智能家居的研究 虽然当前智能家居系统有了一定程度的发展 而且市场上也开始出现相对 应的产品 但从总体的发展情形来看 还是不容乐观的 特别是没有一个统一 完善的标准和相应权威的产品品牌 这严重的影响了家居智能化的发展 随着科技的进步和经济的发展 人们的物质生活水平得到改善 对家居环 境的需求也越来越高 作为家居智能化的核心部分 智能家居控制系统显得更 加重要 同时 智能家居控制设计可以根据用户的要求调整方案 强化紧急处 理 危机救护等急救控制 充分展现 用户想要的 就是我们追求的 宗旨 家居智能化控制的研究和建设是未来国家经济发展的必然趋势 1 2 国内外研究现状 智能家居的发展分为三个阶段 1 家庭电子 Home Electronics 发展阶段 这个阶段主要是面向单一 的电器 家用电器没有形成网络 也没有多大的联系 2 家庭自动化发展阶段 这个阶段主要关注的是功能 家电组成一个简 单的网络 主要实现某些特定单一的功能 例如单一的自动抄表功能 3 家居智能化 Smart Home 发展阶段 这个时期是重视系统设计的阶 段 系统通过在家庭分布总线把住宅内所有与信息相关的通信设备 家用电器 报警装置合并到网络节点中进行集中的监查控制 管理 保持家电与环境的相 互协调 为生活 工作 学习以及娱乐提供各种优质服务 营造一种温馨舒适 的家庭氛围 智能家居控制系统提供了一个高效 舒适的家居环境 保证了用户的生命 财产安全 集中或远程控制家居环境的温度 湿度以及风的速度等 同时检测 空气成分 提高空气质量 调整音频 视频和其他娱乐设施 保持快乐的心情 利用太阳能与其他能源 尽可能地节约能源 实现资源的合理利用 同时提供 现代化的通信 信息服务 在智能家居系统研发方面 美国及一些欧洲国家一直处于比较领先的地位 这几年来 以美国微软公司及摩托罗拉公司等居首的一批国外知名企业 先后 进军到智能家居的研发中 比如 微软公司开发的 梦幻之家 摩托罗拉公司 开发的 居所之门 IBM 公司开发的 家庭主任 等均已日趋成熟 此外 其他国家如日本和韩国领先的企业已经逐渐开发了家居智能 智能家居市场的 前景将是一片美好 如今市场上出现的智能家居控制系统主要有 X 10 系统 美国 EIB 系统 德国 8X 系统 新加坡 尽管国内智能家居行业已经经过了近十年的发展 但还没有达到较高的 程度 仍处于发展初期 究其原因 主要有三个问题 第一个问题是从事国内 智能家居行业的制造商 参差不齐 有好有坏 有部分安防企业兼做智能家居 系统的 还有某些运营商也参与到智能家居行业的 各自的出发点不同 使得 生产出的产品也各不相同 第二个问题是产品质量参差不齐 使得了消费者对 智能家居产品的性能产生怀疑 第三个问题是智能家居行业的售后服务质量较 低 其系统相对国外系统而言比较复杂 系统之间的关联较大 出问题的几率 比较高 此时如果售后服务不能到位则会严重影响客户对智能家居产品的信任 度 由于我国的智能家居技术相对于国外起始较晚 尚未形成相应的国家标准 目前 还是主要采用国外的一些技术产品 但也有一些企业研发出了自己的产 品 比如 e 家庭 海尔 e home 数字家园 清华同方 在我国 软硬件开发机制的积极发展满足了智能家居市场的需求 解决了 当前智能产品实用性差 使用复杂 价格昂贵等缺陷 并且技术创新性也逐步 向国际先进水平靠拢 智能家居产品的使用 尤其是国外智能家居产品的使用 给国内的用户的 印象是 有钱人的消费 让智能家居 飞入寻常百姓家 可以说是绝大部分智 能家居生产厂家想要实现的理想 这需要综合考虑产品平台设计 结构设计 功能设计和用户定位等方面 对智能家居的中国市场价格高的独特特征作出的 产品设 1 3 智能家居的发展趋势 虽然智能家居现在还存在着的某些问题 但仍然认为应用的发展是伴随着技术 的成熟而渐渐应用到各个地方的 并不是应用在等待技术完完全全成熟以后才 会开始发展 如 RFID 二维码传感器技术的进一步成熟 物联网智能家居行业体系结构想要走上良性发展的轨道需建立一个统一的 体系结构标准 这样才能实现多个生产厂家的产品相互兼容 也才能保证健康 持续的发展 这些需要从技术 性价比 实用性等方面来考虑 此外红外传感 网络和宽带 CDMA 移动网络的融合以及其他的网络 这是技术的研究和发展的 迫切需要 但是在现在的阶段 短时间内还无法制定出统一的标准 还需加以 时日的等待 智能家居目前处于起步阶段 产品的大批量生产也需要时间 随之而来的 是产品的成本是比较高的 在中国只有安装的试点研究的一小部分 所以在这 个时候需要一个更加成熟的产业链 促进商业的发展 这样就可以在市场上找 到相应的位置 同时政府也要出台相应的扶持政策 不断催化推动物联网智能 家居的可持续发展 1 4 课题主要完成的任务 本课题的主要任务是设计基于物联网技术的智能家居系统 采用 DS18B20 温度传感器 MQ 2 烟雾传感器 光电传感器为数据采集源 利用西门子公司 的 AT35GSM 模块实现通信及监控功能 实现了远程监控 实时监控室内温度 空气质量 以及重要财产防护的功能 实际中的智能家居控制系统的总体结构框图如图 1 2 所示 可视门禁控制 窗帘控制 灯光控制 娱乐系统控制 防盗报警控制 燃煤气报警控制 智能家居控制系统 电话 手机 电脑 社区防盗报警系统 智能三表查抄系统 社区其他应用系统 PDA PC 手提 服务器 路由 防火墙 家庭网关 社区控制中心 图 1 2 实际中的智能家居控制系统的总体结构框图 2 系统的方案设计 2 1 系统需求分析 对于国内市场的实际需求分析 消费者对远程抄表和物业管理没多大兴趣 但是对电器控制 家居安防报警网络却十分关注 所以目前许多企业都往这一 方向研究 而嵌入式技术在这几年得到了很大的发展 嵌入式处理器的性能显 著地提高了 这就为以嵌入式为根本的智能化家居系统的发展打下了坚实的硬 件基础 使得较为复杂的检测和识别方法在系统中得到使用 在软件这方面 研究出了大量的支持嵌入式设备的软件 使得嵌入式系统的研究的难度降低 出现了许多专注于研究嵌入式的企业 使在嵌入式开发中能得到精良的技术支 持 同时 智能家居的概念更加清晰 智能技术得到了充分的发展 在智能家 居系统开发过程中可利用大量最新的技术 2 1 12 1 1 系统功能需求分析系统功能需求分析 要设计该智能家居系统 需满足以下几点需求 1 可以使用手机通过短信方式检测设备 打开 关闭家用电器的工作状 态 2 家居的门安装了 4 4 键盘 当用户输入正确的密码才能打开门 如 撬棍打开其他手段非法用户 系统及时启动报警模块 达到防盗的功能 3 可以实时测量家居中的烟雾浓度 当烟雾浓度太高 该系统可以打开 室内排风机室内有害气体的室外 室内烟雾浓度太高 系统启动火灾报警模块 提示家居主人预防火灾的发生 4 当小孩子接近窗口 系统自动关窗 以避免可能发生危险的孩子 当 孩子离开时 系统自动打开窗户 2 1 22 1 2 系统性能需求分析系统性能需求分析 智能家居系统正常运行是不间断的 必须非常重视系统的稳定性和可靠性 尽可能的提高系统的容错能力 于此同时一定要确保系统安全 性能优良 2 1 32 1 3 用户界面及其他需求分析用户界面及其他需求分析 智能家居相关设备与人们的生活密切相关 因此智能家居系统必须是用户 友好的界面 用户体验效果好 并且用户可以轻松地掌握操作过程 同时要求 实用 舒适和有个性等 2 2 系统设计的原则 智能家居又被称为智能住宅 它的最基本目标是为人们提供一个舒服 安 全 高效 方便 实际的生活环境 相对智能家居产品来说 最重要的是要立 足于顾客的对自己家居环境的具体要求 以实用为核心 放弃掉那些华而不实 的方面 同时还要充分考虑到顾客的体验 注重操作的方便性和直观性 注重 完美的图形化控制画面 智能家居系统的操作时 必须在安全性 可靠性和容 错性十分重视的态度上 保证系统的正常运行和性能良好 能够处理各种各样 复杂的环境变化 根据国内外智能家居系统目前的发展状况 人们不仅注意监测和控制家用 电器的内部情况 还要求产品的外观特征 低功耗 低成本和可扩展性 2 3 系统设计要求 关于系统设计有以下六点要求 1 采用不需要现场总线系统主机的国际标准 模块化结构 来保证整个 系统的安全性 可靠性 2 选用触摸式智能面板 每一个按键上有图形文字 并可以在操作中按 照主人的需求随时调整这些文字和图形 以保证主人很容易辨别和使用各种功 能 3 中央空调综合控制 由中央空调本身提供的控制接口 完整的操控中 央空调所有室内机器 读取大厅空调每一个面板上的温度预设定值和房间实时 温度 风速 冷暖模式 同时显示在主人房间中用于集中控制的触摸屏或 PDA 手机上 通过一台触摸屏任意控制每个房间的空调 并可以远程 Internet 访问 4 该系统可以根据每个房间的使用状况 是否有人 温度湿度 二氧化 碳含量 天气 时间等 完成对中央空调 新风系统 灯光 窗帘的自动管理 例如 有人进入房间 窗帘自动打开 空调和送风系统自动开启 在晚上灯光 自动变亮 没有人的时候 空调系统自动进入节能运行 灯光变暗 如果没有 人超过一定时间 自动关闭空调 窗帘和灯光等电器 5 安防系统确保做到万无一失 要和灯光 监视录像连接 报警时电子 地图显示报警地点 报警区域灯光自动亮起 摄像机自动转向该区域并录像 6 控制对象有 灯光调节 窗帘 遮阳系统 中央空调 送风系统 加 湿系统 暖气系统 热水器 家庭影院 AV 系统 电子门窗 安防报警系统 背景音乐系统 气象系统等 以上为完整智能家居系统设计要求 而本设计只是对于期中的某几个方面 进行一定程度的说明和对其硬件及原理进行阐述 2 4 系统总体架构设计 本设计方案是设计一套智能家居系统 根据课题的设计要求 控制系统采 用的智能家居系统各部分的分布式控制方法 主要包括远程监控家电 如 灯 部分 智能门禁防盗部分 窗户自动关闭部分 可燃性气体报警部分 各个模 块相互独立 单一模块发生故障时不影响其他模块的运行 该智能家居系统的 整体架构框图如下图 2 1 所示 智能家居手机遥控层 ARMLinux操作系统 驱动程序层 应用程序层 GSM模块家用电器 传感器 处理器 图 2 1 智能家居系统整体架构框图 在该智能家居系统中用处理器 控制器操控远程监控家电模块 检测温度 烟雾模块 密码锁模块等 在实际开发中应先在 ARM Linux 中编写每一个模块 的驱动程序 经编译加载驱动后应用层才能操作硬件模块 手机通过短信方式 的应用程序和硬件通信模块来控制硬件 VIII 3 系统硬件构成与工作原理 本系统所采用的硬件为 ARM9 处理器 GSM 模块 烟雾传感器 光电传感器 温湿度传感器等等 本系统硬件部分总体框体如图 3 1 所示 处理器GSM模块 烟 雾 传 感 器 光 电 传 感 器 温 湿 度 传 感 器 继电 器驱 动 电平锁 照明用灯 电机 驱动 电路 步进电机 图 3 1 系统硬件部分框图 3 1 ARM 处理器 嵌入式系统最常使用的处理器是单片机和 ARM 但因为考虑到单片机引脚 较少 功能简单等原因 所以选择功能更强大的 ARM 处理器 伴随着电子技 术的发展 ARM 处理器的发展经历了 ARM7 ARM9 ARM11 等多个阶段 渐渐成熟的 ARM 处理器的应用将带来新的活力 嵌入式开发 可以更高端产 品中的应用 本设计系统采用的 ARM9 处理器 采用了更多的晶体管 能够达到两倍以 上于 ARM7 处理器的处理能力 这种处理能力的提高是通过增加时钟频率和减 少指令执行周期实现的 ARM9 系列处理器可为要求苛刻 成本敏感的嵌入式 应用提供可靠的高性能和灵活性 丰富的 DSP 扩展使 SoC 设计不再需要单独的 DSP ARM9 系列包括三种处理器 ARM926EJ S ARM946E S 和 ARM968E S ARM968E S 面积最小 包含 DSP 增强功能的 ARM9 处理器 针对低功耗 数据密集型 嵌入式实时应用 是众多实时类型应用的理想之选 ARM946E S 具有 MPU 的 DSP 增强型高速缓存处理器 针对运行 RTOS 的 实时应用一种具有可选高速缓存接口以及完整的内存保护单元的实时处理器 对于大部分代码位于主存储器的应用 该处理器非常有用 它按需加载到高速 缓存中 同时关键的异常处理代码和数据仍本地保留在紧密耦合内存中 ARM926EJ S 具有 Java 加速 DSP 扩展和 MMU 的应用处理器 针对基于 操作系统的应用 ARM926EJ S 处理器为入门级处理器 可支持完全版操作系统 其中包括 Linux Windows CE 和 Symbian 因此此处理器是众多需要完整图形 用户界面的应用的理想之选 3 2 GSM 模块 该智能家居系统设计中的 GSM 模块选择的是西门子公司推出的一款双频 900 1800MH 高度集成的 TC35 在 GSM 网络日趋完善的今天 它易于集成 在开发新产品方面用时比较短 成本更低 在远程监控和无线通话以及无线 POS 终端等领域大家都能看到 TC35 无线模块的作用 本系统使用 TC35 作为对家电进行远程监控 以下是 TC35 的主要特征 1 信息传送内容 语音和数据 2 电源 单电源 3V 5V 3 频段 双频 GSM 900MHz 和 DCS 1800 MHz 4 SIM 卡连接方式 外接 5 天线 由天线连接器连接外部天线 6 短信息 支持 MT MO CB PDU 模式 7 音频接口 模拟信号 8 通讯接口 RS232 指令和数据可以进行双向传送 9 模块复位 使用 AT 指令或停电复位 10 串口通讯波特率 300bps 115kbps 主要是通过开发板的串口发送 AT 指令 经 MAX232 把 TTL 电平转换成 RS232 电平并处理 TC35 反馈回来的信息来实现发短信或语音功能的 3 3 温度传感器 该系统选用 DALLAS 公司推出的 DS18B20 温度传感器进行研究 DS18B20 因其体积超小 硬件开销超低 耐磨耐碰 便于使用 封装形式多种 多样 而适用于各种空间较小的设备数字测温和控制领域 DS18B20 的引脚封装原理图如图 3 2 所示 图 3 2 DS18B20 引脚封装原理图 DS18B20 引脚具体功能说明如下 1 DQ 是数字信号的输入 输出端 2 GND 是电源接地 3 VDD 是外接供电电源输入端 在寄生电源接线方式时接地 DS18B20 的主要特征有以下几点 1 全数字转换及输出 2 先进的单总线数据通信 3 测量的结果以 9 12 位数字量的形式串行传送 4 不需要外围任何元件 5 测温范围为 55 125 固定测温分辨率为 0 5 6 工作电压 3 5V 7 PVC 电缆直接出线 连接其它电器设备更加方便 DS18B20 和 ARM 处理器的接口十分简单 只需要将 DS18B20 的信号线与 控制线的一位双向端口连接即可 3 4 MQ 2 烟雾传感器 MQ 2 气体传感器所利用的气体敏感材料是二氧化锡 SnO2 它在清洁空气 情况下电导率较低的 如果传感器所处环境中存在可燃性气体 气敏材料的电 导率会随空气中可燃气体浓度的增加而增大 一个简单的电路就可以完成电导 率的变化与该气体浓度相对应的输出信号的转换 MQ 2 气体传感器对液化气 丙烷 氢气很敏感 同时对天然气和其它可燃蒸汽的检测也有不错的灵敏度 该传感器可检测多种可燃气体 是一种可以适用于各种应用的低成本传感器 MQ 2 的一些主要特征如下所示 1 工作温度 10 50 2 报警范围 0 65 15 5 FT 3 工作湿度 10 90 4 工作电源 9 12V 5 信号输出 常开 常闭 6 安装方式 吸顶 7 外壳 阻燃树脂 8 产品大小 半径径 52 5mm 厚度 32mm MQ 2 引脚接线图如图 3 3 所示 A1 4 B1 6 H1 2 A 3 B 5 H 1 R2 20K RI 1K 图 3 3 MQ 2 引脚接线图 根据电路图和 MQ 2 的工作原理 其电导率随着气体浓度的增大而增大 其 电阻是电导率的倒数 因此其电阻是随着烟雾浓度的增大而减小的 从而可以 得到烟雾传感器的输出电压 3 1 RL RLC L S V VV R R 3 5 光电传感器 如今各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件就是光电传感器 它可 以把光信号 红外 可见紫外光辐射 转变成为电信号 光电传感器是中的转 换元件是光电器件 它能够用于检测直接引起光量变化的非电量 如光强 本设计尝试光电传感器装在家里的保险箱或其他重要的属性 当小偷或其 他非家族所有者试图关闭保险箱和其他重要的属性会自动触发语音报警 从而 达到防盗的目的 光电传感器的报警电路如图 3 4 所示 图 3 4 光电传感器的报警电路 光电传感器的使用是简单和容易 只需正确的连接线路之后输入 3 3V 的高 水平 当检测的障碍会输出一个低电平信号 我们将两个光电传感器的输出引 脚连接到一个电压比较器上 比较后输出一个电压驱动蜂鸣器发出警报 如果 有小偷接近保险柜或家居中其他重要财产时 系统就可以捕捉到这一信号并且 做出反应 3 6 语音芯片 语音芯片是语音报警模块的重要部分 该芯片中有多段语音在存储管理系 统之中 这样可以保证在独立按键模式情况下进行多段语音录放 该芯片内有 XIII 振荡器 能够通过外部电阻来调整其振荡频率 并且带自动增益控制 AGC 的话筒运放和模拟线路输入 3 7 继电器 由于一般家电电器工作电压都是 220V 而单片机工作电压却只有 5V 因 此需要引入继电器来监控家电 继电器是一种控制器件 它具有控制系统 又 称为输入回路 和被控制系统 又称为输出回路 一般在自动化的控制电路中 使用 它是利用弱电流去控制强电流运作的一种 自动开关 所以在电路中能 够起着自动调节 安全保护 转换电路等作用 每当收到指定的短信要把家用 电器打开时 插座会被 MCU 通过打开继电器给上电 从而可以打开家电 每 当需要关闭家电时 也需要通过继电器关闭家电 ARM 是一种弱电型电子器件 一般他们大多工作在 5V 或低电压 驱动电 流毫安级及以下 并使它用于高功率应用的输出 如步进电机的控制 很显然 是不可行的 因此 有必要设计一个环节来连接 这个连接环节就是 功率驱 动 最典型最简单的功率驱动环节就是继电器的驱动 这里 继电器驱动包含 两层意思 一是继电器本身是由 GPIO 因为手臂的继电器是一种功率器件 另 一个就是由继电器去驱动其它负载 例如继电器能够驱动中间继电器 也能够 直接驱动接触器 因此 ARM 与其它大功率负载的接口就是继电器驱动 ARM 的 I O 高电平输出电压为 3 3V 直接连接继电器水平低 无法控制继电器的闭 合 三极管拥有良好的信号放大能力 经过三极管放大后的信号 再接入继电 器 可以完成对继电器的控制 最终得到对交流电路的控制 图 3 5 继电器原理图 XIV 4 系统各模块的工作过程 4 1 GSM 模块 TC35 模块在前面的章节中已经简单介绍过了 TC35 模块中的 40 个引脚需 要通过一个零阻力插座连接器引出 这 40 个引脚可以分为 5 类型 分别为电源 数据输入 输出 SIM 卡 音频接口和控制 在我们的开发中使用的是 GSM 集 成模块 该模块把我们要使用的引脚都接了出来 只要提供电源和接上 MAX232 电路就可以进行开发了 因为开发板上输出的电平是 TTL 电平 但 TC35 模块输入输出的为 RS232 电平 因此需要自己外接 MAX232 电路进行电 平转换之后才能进行开发 使 TC35 工作主要是通过开发板的串口发送 TC35 AT 指令和处理板的命令返回 英文短信和中文 PDU 短信是 GSM 短信模块发送短信的两种主要格式 下 面是发送英文短信的收发过程 发 AT 与 AT35 握手 收 OK 发 AT CMGF 1 发送短信格式的选择 收 OK 发 AT CMGS 1521xxx9882 要发送的手机号 收 发 data 54 test 指发送内容 指发送符号 收 OK 知道了 GSM 英文短信的发送过程 只要把握好顺序用 nbyte write fd buffer Length 即可实现发送英文短信的功能 本设计中 用发送短信 主要是为了实现家电远程监视的功能 当用户发送检测家电的请求时 系统通 过发送英文短信向用户反馈家电的工作状态 从而达到检测家电的功能 要控 制家电 首先系统要识别是什么用户向系统发送了消息 而且系统还要识别受 到消息的内容 从而对家电进行控制 系统首先保存用户的电话号码 当用户 收到消息时 首先判断是否是智能家居系统对家电发送了消息 如果是系统的 主人发送的控制命令 系统接着对短信进行解析 最后控制器对家电进行控制 若智能家居系统收到其他用户的短信请求 将不会对短信进行解析 也不会对 短信进行监控 GSM 短信模块远程监控家电过程如图 4 1 所示 开始 判断是否收到信息 解析短信 是否是系统主人发送的消息 Y Y N N 执行短信命令 图 4 1 GSM 模块的程序流程图 4 2 温度采集模块 DS18B20 温度传感器显示 9 位到 12 位 二进制 温度读数 从主机 CPU 到 DS18B20 仅需一条线 共地 就可以将指示器件的温度信息经过单线接口送入 DS18B20 或从 DS18B2O 送出 DS18B20 有两种供电方式可供选择 第一是数 据总线供电方式 虽然可节省一根导线 但测量温度时间较长 第二是外部供 电方式 由 VDD 引脚接入 DS18B2O 的工作电源 不需要将 I O 线强上拉 也 不会存在电源电流不足的问题 可以确保转换精度 虽然这样多用了一根导线 但测量速度较一来的快 而且多个 DS18B20 传感器可以挂接在总线上 共同组 成多点测温系统 本设计选用了外部供电的方式 从而可以实现及时多点采集 温度 DS18B20 的测量范围从 55 到 125 精确度值为 0 5 可在短时间内 XVI 把温度变换成数字 每个 DS18B20 在出厂时已确定了唯一的序号 在同一条单 线总线上可以同时存放多个 DS18B20 以完成多路温度采集 在 DSl8B20 内部 的 ROM 只读存贮器 中存放了 DS18B20 的序号值 多路测量的同时 DS18B20 的 ROM 搜索命令会对对所有单线总线上的传感器进行搜索 然后初始化各 DS18B20 并且发送跳过 ROM 命令和 RAM 温度转换命令 在单线上各 DS18B20 完成温度转换后 就可确定某一个 DS18B20 并通过匹配 ROM 命令 和 RAM 温度来读取命令读取其数字温度值 ROM 和 RAM 存储器操作命令分别如表 4 1 和表 4 2 所示 表 4 1 ROM 存储器操作命令 ROM 指令代码指令功能 Read ROM33H 读取 DS18B20 的 64 位器件序列号 Match55H 总线控制在单线上定位一只特定的 DS18B20 Skip ROMCCH 总线控制器不需发送器件序列号就可对存储器操作 Search ROMF0H 识别单线总线上各单线器件的序列号 Alarm ROMECH 对温度超过报警上 下限的器件做出警告搜索响应 表 4 2 RAM 存储器操作命令 RAM 指令代码指令功能 Write Scratchpad4EH 写入数据到储存器字节 2 3 和字节 4 Read ScratchpadBEH 读暂存存储器 Copy Scratchpad48H 将暂存器中 TH TL 和配置寄存器内容复杂到 E2PROM Convert Temperature44H 启动 DS18B20 温度转换 Recall EPROMB8H 将 E2PROM 中 TH TL 和配置寄存器内容回写到暂存器 Read Power supplyB4H 读电源 模拟温度信号由数字温度传感器 DS18B20 直接转换为数字信号 然后通过 串行通信的方式输出 DS18B20 温度采集程序设计流程图如下图所示 XVII DS18B20搜索 是否完毕 数据读写 是否完毕 开始 结束 初始化程序 设置搜索ROM命令 调用写命令程序 设置温度转换命令调 用写命令函数 设置跳过ROM命令调 用写命令函数 延迟500ms 设置匹配ROM命令调用写函数 循环调用蝎子节函数发送 一个DS18B20的64位序列号 设置读寄存器命令 调用写命令函数 读字节函数 数字温度数据转换 成字符串程序 Y Y N N 进行DS18B20搜索 图 4 2 DS18B20 温度采集程序设计流程图 4 3 烟雾传感器模块的实现 多种可燃性气体可以被 MQ 2 气体传感器检测 当可燃性气体存在于传感 器所处环境中时 传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大 电导 率的变化转换为与该气体浓度相对应的电压输出信号利用简单的电路就可以实 XVIII 现 根据传感器输出的电压大小判断环境中可燃性气体浓度的大小 MQ 2 气体传感器输出的是电压信号 处理器要把相应的电压值转换成对 应的数值 S3C2440 自带了 A D 转换的功能 A D 转换芯片在嵌入式系统中对 应的设备文件 dev adc 首先系统调用函数 int fd adctest open dev adc O RDWR 打开嵌入式设备中的 A D 转换设备 打 开设备失败返回 1 以后的系统函数就可以使用 fd adctest 来对设备进行操作 关闭烟雾传感器的函数为 close fd adctest 烟雾传感器的连接图如图 4 3 所示 图 4 3 烟雾传感器接线图 如 4 3 所示 MQ 2 中的其他传感器有 6 只针状管引脚 其中 4 个用于信号 输出 2 个用于加热电流 假设传感器表面电阻是 Rs 它表示的是与其串联的 负载电阻 RL 上的有效电压输出信号 可得两者之间的计算关系如下式所示 4 1 RL RLC L S V VV R R 根据上式和 MQ 2 的工作原理 它的电导率随着气体浓度的增大而增大 因为电阻式电导率的倒数 所以电阻是减小的 可以得到下式 4 2 LS CL RR VRVout 加在 MQ 2 传感器的 1 脚 3 脚之间的是回路电压即电源电压 Vc 传感 器 4 脚 6 脚输出电压是 Vout 传感器的体电阻为 Rs 当气体浓度上升 将导 致 Rs 下降 而 Rs 的下降则会使得 MQ 2 的 4 脚 6 脚对地输出的电压增大 XIX 因此气体浓度增大 其输出电压也会随之增大 烟雾报警流程图如图 4 4 所示 开始 结束 判断C是否大于 设定的值C1 读入温度传感器传入的模拟信号值 把模拟信号值转换成数字信号值C 把抽风机打开抽出有毒气体 判断C是否大 于设定值C2 系统进行蜂鸣器报警并向 主人和消防队发送报警 Y Y N N 图 4 4 烟雾报警模块流程图 S3C2440 开发板的 A D 转换器会把输入的模拟电压信号转换成 0 1023 之间 的数字 转换成的数字越大 说明电压越大即烟雾浓度越大 假设程序中经过 A D 转换后的数字是 C 在程序中可以设两个值 1C 2C 假设 1C 400 2C 800 若 C 1C 系统把室内的抽风机打开 把有害气体排出室外 若 C 2C 系统把蜂鸣器开起 进行报警 4 4 自动开关窗模块 近年来小孩坠楼现象时有发生 我们通过在窗户附近安装人体红外传感器 检测到小孩靠近窗户时将关闭窗户 小孩离开窗户后将把窗户打开 最大限度 保护小孩的安全 在实际项目中可在不同高度安装人体红外传感器通过高度准 确是大人还是小孩靠近窗户 人体红外传感器感应有人接近电路原理图如图 4 5 所示 R4 R1 R3 R2 R3 R6 Dw Rw RES2 C4 C3 C1 C2 1 2 3 J1 P2288 C1b LM324 V CC P1 2 图 4 5 人体红外传感器感应有人接近电路原理图 红外传感器检测到信号后输出微弱电流 通过 R1 转换为电压 经过单管 放大电路放大后输入电压比较器 输出高电平并输入到 74LS04 芯片中 用 74LS04 芯片把输入其中的信号取反 74LS04 芯片是个反相器芯片 经过测试 红外传感器没检测到信号经反向器输出高电平 红外传感器检测到有信号经反 相器将输出低电平信号 由此可检测是否有小孩靠近窗户而决定是否把窗户打 开或关闭 系统开机时 初始化人体红外传感器使其正常工作 系统一直判断是否有 信号输入从而判断是否有小孩靠近窗户 当有小孩靠近窗户 判断窗户是否是 打开着的 若窗户已经打开 则系统触步进电机把窗户关闭 接着延迟一段时 间 再判断小孩是否已经离开窗户从而决定把窗户打开或关闭 在该系统中 我们使用步进电机进行打开或者关闭窗户 步进电机一种可以将电脉冲信号转 变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件 在非超载的情况下 脉冲信号 的频率和脉冲数决定了电机的转速 停止的位置 且不会受到负载变化的任何 影响 每当步进驱动器接收到一个脉冲信号 它就会驱动步进电机按预定的方 向转动一个固定的角度 这个角度称为 步距角 步进电机的旋转是以确定的 角度一步一步运行的 想要达到准确定位的目的 可以通过控制脉冲个数来控 XXI 制角位移量的方法来实现 自动开关窗户模块程序流程图如图 4 6 所示 人体红外传感器工作 初始化 经过反相器把信号取反 触发中断 把窗户打开 延迟一段时间 把窗户关闭 判断窗户是否 已经打开 判断小孩是否 已经离开窗户 Y Y N N 结束 图 4 6 自动