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基于μSOS的智能家居系統(tǒng)設(shè)計論文
采用Kinetis K10作為核心控制器，使用觸摸屏實現(xiàn)顯示和控制等人機交互功能，設(shè)計重點體現(xiàn)現(xiàn)代家居的安全監(jiān)測和舒適度調(diào)節(jié)。軟件方面成功移植了μc/OS操作系統(tǒng)，實現(xiàn)了防盜報警、消防報警、IC卡門禁、燈光調(diào)控、電動窗簾、溫濕度檢測和背景音樂控制等功能，實驗室驗證了系統(tǒng)的可行性和實用性。
科學(xué)技術(shù)不斷的發(fā)展，人們生活水平得到很大提高，人們對物質(zhì)生活要求舒適度日益增加，這樣就使得人們對家居生活的要求也越來越向智能化、舒適化、安全化的方向發(fā)展。本文提出了一種基于μC/OS的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計，重點體現(xiàn)安全監(jiān)控和提高生活的舒適度與便捷度，盡可能為用戶營造出一個安全舒適的生活環(huán)境。
1 設(shè)計方案
系統(tǒng)控制核心采用飛思卡爾kinetis K10芯片，控制系統(tǒng)選用μC/OS-Ⅲ操作系統(tǒng)[ 1 ]。主要功能：安全監(jiān)測方面實現(xiàn)煙霧報警、IC卡門禁、紅外報警、強行進入報警，舒適生活方面設(shè)計了自動窗簾、燈光調(diào)節(jié)、溫濕度檢測、音樂播放等功能，功能切換基本依靠觸摸屏來控制。
1.1功能模塊電路設(shè)計
1)燈光控制。通過繼電器模塊，實現(xiàn)5路燈光控制。圖1中，當(dāng)PTE4，PTE17管腳輸入高電平時，對應(yīng)的繼電器會吸合，進而控制其連接的220V觸點吸合，此時燈亮。反之，管腳輸入低電平，繼電器斷開，觸點斷開，將燈斷開。
2)背景音樂。電路中使用MP3解碼模塊，實現(xiàn)了背景音樂控制功能[ 2 ]。該模塊需要+5V的直流電源，并接出一個耳機插孔，用來外接揚聲器。將模塊的“PLAY”“NEXT”“PREV”三個控制鍵與核心控制板的三個 I/O口相連，只要I/O口產(chǎn)生一個下降沿，就可以實現(xiàn)對應(yīng)的控制。3)安全防范模塊。安防是每個家庭系統(tǒng)中都必不可少的部分，在此部分設(shè)置了“強行進入報警”、“燃氣泄露和煙霧報警”、“IC卡門禁”三個部分，下面詳細介紹各部分實現(xiàn)的原理。a.IC卡門禁。通過IC卡的射頻讀寫模塊，進行IC卡識別，進而進行用戶身份識別。將該模塊與核心控制板相連接，與主機通信采用SPI通信模式。b.強行進入報警。強行進入警報用一個門磁開關(guān)來檢測，為了使單片機檢測到標(biāo)準(zhǔn)的高低電平，增加了一個上拉電阻。當(dāng)門打開時，門磁開關(guān)閉合，此時控制器檢測到低電平，并且觸發(fā)警報。c.燃氣泄露和煙霧報警電路。該電路選用煙霧傳感器來采集現(xiàn)場空氣參數(shù)數(shù)據(jù)[ 3 ]。當(dāng)空氣中的煙霧濃度超過設(shè)定值時，傳感器的”DOUT”(對應(yīng)PTB3)管腳會由原來的高電平變?yōu)榈碗娖剑鶕?jù)這個原理，核心控制器檢測到一個下降沿時，說明出現(xiàn)危險，會觸發(fā)警報。4)自動窗簾。自動窗簾采用步進電機來實現(xiàn)，通過控制電機的正反轉(zhuǎn)來控制窗簾的升降。使用4相5線步進電機，I/O口模擬輸出脈沖通過ULN2003A放大后作為電機驅(qū)動[ 4 ]。由于K10芯片的I/O口輸出功率不足以驅(qū)動步進電機，需要加驅(qū)動電路。使用ULN2003A搭建驅(qū)動電路。5)遠程監(jiān)控。該功能主要通過核心控制器與上位機的串口通信來實現(xiàn)。上位機通過點擊不同的按鈕，發(fā)送命令給核心控制器，控制器也可以發(fā)送命令到上位機。6)溫濕度檢測。溫濕度檢測體現(xiàn)在舒適度部分，這里使用SHT11溫濕度傳感器模塊，來實現(xiàn)對環(huán)境溫濕度的檢測。
1.2軟件設(shè)計
基于CodeWarrior10.2的開發(fā)平臺，為了是軟件更加安全簡潔，設(shè)計中使用μC/OS嵌入式操作系統(tǒng)。將系統(tǒng)軟件分為四層，第一層系統(tǒng)底層BSP模塊和固件庫模板，第二層μC/OS內(nèi)核模塊，第三層系統(tǒng)調(diào)用模塊和文件系統(tǒng)模塊、LCD控制模塊，第四層為用戶任務(wù)模塊。使得軟件的層次結(jié)構(gòu)分明，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，其次文件系統(tǒng)模塊，系統(tǒng)調(diào)用模塊，方便了用戶任務(wù)的使用。設(shè)計中，在μC/OS-Ⅲ中創(chuàng)建了狀態(tài)切換任務(wù)，音樂控制任務(wù)，窗簾控制任務(wù)，燈光控制任務(wù)，安防控制任務(wù)，視頻監(jiān)控任務(wù)，IC卡檢測任務(wù)，LCD檢測任務(wù)，上位機監(jiān)視任務(wù)，WIFI監(jiān)視任務(wù)等十個任務(wù)。系統(tǒng)按照時間分為在家模式，睡覺模式，早晨模式，離家模式四個模式，系統(tǒng)上電之后，默認是離家模式。當(dāng)用戶刷卡之后，IC卡檢測模塊發(fā)送一個在家模式信號，然后每個任務(wù)對象，接收在家模式信號后，執(zhí)行對應(yīng)的在家模式才有的功能。當(dāng)點擊觸摸屏的時候，LCD監(jiān)控任務(wù)會產(chǎn)生一條消息，通過消息總線，是對應(yīng)的任務(wù)接收到對應(yīng)的消息，進而執(zhí)行相應(yīng)的行為。因為消息都是通過總線發(fā)送的，所以，可以系統(tǒng)控制可以通過觸摸屏、上位機和WIFI進行控制。
2 結(jié)論
采用kinetis K10作為核心控制芯片，并成功移植了μC/OS-Ⅲ實時操作系統(tǒng)，使用了IC卡等模塊，實現(xiàn)用戶身份識別，實時采集溫濕度傳感器、煙霧、窗門磁傳感器狀態(tài)，控制燈光、背景音樂和窗簾動作，控制程序設(shè)計參考人們的作息規(guī)律，更加貼近生活，并且設(shè)計了友好的人機交互界面，打造出一個安全、有序、高效的智能家居系統(tǒng)，實驗室驗證了該系統(tǒng)的可行性。
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