劉凌, 劉琦, 陳凱

(西安文理學(xué)院 機械與材料工程學(xué)院， 西安 710065)

0 引言

智能家居是一種被認(rèn)為智能化的住宅生活，是智能建筑的重要組成部分。近年來，隨著人們生活水平和科技水平的提高，智能家居的質(zhì)量和功能也在不斷的提高。智能家居，不能很簡單的認(rèn)為是家居或者是房間，而是一個大的系統(tǒng)，它將房間布局、家居設(shè)備、家居環(huán)境等有機的結(jié)合在一起，通過智能小型電腦，使用戶的生活變得智能化。本文的智能家居系統(tǒng)，使用典型的智能家居設(shè)計模型，通過客戶端口上的BOA服務(wù)器來控制接口。BOA服務(wù)器是一個可以提供可視化的網(wǎng)頁接口，通過網(wǎng)頁上的按鈕，可以將信息發(fā)送到EXYNOS4412開發(fā)板上，開發(fā)板對接收到數(shù)據(jù)進行一個分析，然后調(diào)用相應(yīng)的應(yīng)用程序來控制相應(yīng)的模塊去做相應(yīng)的工作。

2 總體設(shè)計方案

本文的設(shè)計主要包括兩個部分：硬件電路搭建和程序設(shè)計。硬件電路主要是使用EXYNOS4412開發(fā)板作為核心SOC，使用ARM控制板做控制中心來控制蜂鳴器、電機、溫濕度傳感器等各個模塊來完成智能家居的系統(tǒng)控制和家居環(huán)境的控制，并且若家居環(huán)境處于危險狀況時報警。程序設(shè)計主要是使用C語言編寫出各個傳感器需要的驅(qū)動和需要實現(xiàn)的功能，其總體設(shè)計框圖如圖1所示：

圖1 總體設(shè)計框圖

3 系統(tǒng)各功能模塊簡介

3.1 煙霧傳感器

MQ-2煙霧模塊是二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料的一種，也是表面離子式N型半導(dǎo)體的一種。當(dāng)與煙霧接觸時，如果晶粒間界處的勢壘收到煙霧的調(diào)至而變化，就會引起表面導(dǎo)電率的變化。利用這一點就可以獲得這種煙霧存在的信息，煙霧的濃度越大，導(dǎo)電率越大，輸出電阻越低，則輸出的模擬信號就越大。其原理圖如圖2所示。

圖2 MQ-2原理圖

3.2 溫濕度傳感器

DHT11溫濕度傳感器含有已校準(zhǔn)的數(shù)字信號輸出，是一個復(fù)合傳感器。DHT11內(nèi)部具有以下結(jié)構(gòu)：一個干濕元件和一個測溫元件，它的特點是響應(yīng)快、性價比高。

3.3 超聲波傳感器

HY-SRF05當(dāng)用戶選擇打開超聲波測距模塊時，超聲波測距模塊開始工作，當(dāng)檢測到的數(shù)據(jù)小于設(shè)定值的時候，表明此時有人經(jīng)過，家居環(huán)境處于不安全的狀態(tài)，同時觸發(fā)蜂鳴器報警；當(dāng)用戶關(guān)閉安全模式時，超聲波測距模塊處于待機狀態(tài)。

3.4 人體紅外模塊

HC-SR501的設(shè)計采用LHI778探頭設(shè)計，是基于紅外線技術(shù)的自動控制模塊，具有靈敏度高，可靠性強等特點，因此被廣泛應(yīng)用于各類自動感應(yīng)電器設(shè)備。其原理圖如圖3所示。

4 系統(tǒng)編程軟件流程圖

在本文所設(shè)計的智能家居模型中，人體紅外感應(yīng)主要有兩種作用，一種為安全模式下的對家居環(huán)境安全的檢測，另一種為在智能模式下感應(yīng)到有人經(jīng)過時打開燈光的作用。其流程圖如圖4所示。

圖3 HC-SR501原理圖

5 嵌入式系統(tǒng)的移植

5.1 zImage和rootos的編譯和移植

zImage即為內(nèi)核，rootos即為根文件系統(tǒng)。LINUX內(nèi)核初始化的第一步是執(zhí)行實模式下的匯編代碼，之后執(zhí)行保護模式下init/main.c文件中的start_kernel()函數(shù)。start_kernel()函數(shù)首先會初始化CPU子系統(tǒng)，之后讓內(nèi)存和進程管理系統(tǒng)就位，接下來啟動外部總線和I/O設(shè)備，最后一步是激活初始化(init)程序，它是所有Linux進程的父進程。初始化進程執(zhí)行啟動必要的內(nèi)核服務(wù)的用戶空間腳本。

5.2 網(wǎng)頁的移植

1)在PC端搭建共享文件夾。

mkdir /rootos 在根目錄下創(chuàng)建rootos文件夾

vim /etc/exports 打開nfs服務(wù)器配置文件，寫入共享的文件夾

service nfs restart 重啟服務(wù)器

圖4 HC-SR501編程流程圖

cd UEA_160822/shared_arm_development/tools/Linux 進入到這個文件夾中

tar -Jxvf rootfs_qtopia_qt4-2016-11-23.tar.xz -C /rootos/ 將壓縮包解壓到/

rootos中cd /rootos 進入到解壓的目錄

mv rootfs_qtopia_qt4/*./ 將文件夾中的文件全部移出來

rm -rf rootfs_qtopia_qt4/ 刪除空文件夾

2)在kermit端通過設(shè)置環(huán)境變量讓bootloader掛載PC機的rootos。

set bootargs "root=/dev/nfs nfsroot=192.168.0.188:/rootos ip=192.168.0.187 console=ttySAC0,115200 lcd=S70"

3)取下網(wǎng)線，將開發(fā)板和PC機直連，將zImage發(fā)送到開發(fā)板，啟動內(nèi)核，若啟動沒有完成，檢查PC機防火墻是否關(guān)閉或者PC機NFS服務(wù)是否開啟成功。

4)將/dev/mmcblk0p2掛載到/mnt：mount /dev/mmcblk0p2 /mnt/；將內(nèi)核拷貝到/mnt目錄下

5)將/dev/mmcblk0p3掛載到/mn：tmount /dev/mmcblk0p3 /mnt/；將根文件拷貝到/mnt目錄下

6)重啟開發(fā)板。

7)在bootloader命令行修改環(huán)境變量

設(shè)置內(nèi)核的自啟動：set bootcmd "ext2load mmc 0:2 40008000 zImage;bootm 40008000"

設(shè)置內(nèi)核啟動后的文掛載：set bootargs "root=/dev/mmcblk0p3 console=ttySAC0,115200 lcd=S70"

8)重啟EXYNOS4412，若其成功啟動，則表明系統(tǒng)移植完成；若沒有成功啟動，則檢查環(huán)境變量等，如果還是不能進入系統(tǒng)，則需要重新移植內(nèi)核和跟文件系統(tǒng)。

5.3 BOA服務(wù)器的移植

下載BOA服務(wù)器的源碼包boa-0.94.13.tar.tar，下載完成后解壓源碼包：tar xvf boa-0.94.13.tar.tar；進入到解壓好的目錄中cd boa-0.94.13/src；生成Makefile文件并對其進行修改，執(zhí)行.configure生成Makefile文件；修改 src/compt.h文件；修改/src/log.c；修改src/boa.c；BOA服務(wù)器的配置。

5.4 CGI的調(diào)用

CGI，即公用網(wǎng)關(guān)接口，Web服務(wù)器調(diào)用其他可執(zhí)行程序的接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)就是CGI來規(guī)定的。CGI工作過程如圖5所示。

圖5 CGI工作過程

6 視頻流服務(wù)器的移植

6.1 JPEG庫的移植

通過網(wǎng)站現(xiàn)在mjpg-stream的源碼包jpegsrc.v8b.tar.gz；http://www.ijg.org/files/jpegsrc.v8b.tar.gz；解壓源碼包：tar xf jpegsrc.v8b.tar.gz；配置源碼包：cd jpeg-8b；編譯：make；安裝：make install；cp /jpeg/lib/libjpeg.* /rootfs/lib通過以上步驟，完成jpeg庫的移植。

6.2 mjpg-stream的移植

通過http://sourceforge.net/projects/mjpg-streamer/下載并解壓源碼包；修改頂層makefile及plugins目錄中的各級makefile，將所有的CC=gcc修改為CC=arm-linux-gcc；修改 plugins/input_uvc/Makfile；編譯并移植庫文件：mkdir /rootfs/mjpg；cp *.so /rootfs/mjpg；cp mjpg-streamer /rootfs/bin.將攝像頭與EXYNOS4412連接，啟動網(wǎng)頁服務(wù)器/etc/boa/boa&；進入 mjpg_streamer 的文件夾，運行 mjpg_stream mjpg_streamer-i “/mjpg/input_uvc.so” -o “/mjpg/output_http.so -w./ www”& (注意：這里是板子的ip 192.168.0.168)；瀏覽器上執(zhí)行：http://192.168.0.168:8080/?action=snapshot。

7 控制終端界面的設(shè)計

控制終端的主界面如圖6所示。

圖6 終端界面

其中左側(cè)溫度和濕度顯示當(dāng)前環(huán)境下的溫濕度度數(shù)；房門、電燈、窗簾、安全模式和懶人模式分別顯示其對應(yīng)功能在終端上的開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)在終端上進行相應(yīng)的操作的時候，會顯示相應(yīng)功能是否打開。右側(cè)留下了門、智能模式、風(fēng)扇、安全模式、窗簾和燈的按鈕，點擊相應(yīng)的按鈕會進入到相應(yīng)的操作界面，通過點擊開和關(guān)會對相應(yīng)的傳感器進行操作。智能模式，打開智能模式后，當(dāng)人體紅外傳感器檢測到有人經(jīng)過時即打開燈光，延時4s關(guān)閉。安全模式。打開安全模式后，人體紅外傳感器，超聲波測距傳感器，煙霧傳感器開始工作。其中人體紅外傳感器是檢測是否有人非法進入到家中；超聲波測距模塊檢測窗口；煙霧傳感器檢測家中是否有火災(zāi)發(fā)生或者是可燃?xì)怏w的泄漏；若家中有危險產(chǎn)生，則觸發(fā)蜂鳴器報警，提示用戶注意防范。查看界面，如圖7所示。

8 總結(jié)

通過本軟件的開發(fā)，完成以下一些功能：

1) 家居控制系統(tǒng)

圖7 查看照片界面

通過終端上的提示按鍵或者網(wǎng)頁的提示來打開或者關(guān)閉燈光；通過終端屏幕上的提示按鍵或者網(wǎng)頁的提示來打開或者關(guān)閉窗簾；通過終端屏幕的提示按鍵或者網(wǎng)頁的提示按鈕來控制風(fēng)扇來模擬家具中的通風(fēng)系統(tǒng)；通過溫濕度傳感器實現(xiàn)對家居中溫濕度的監(jiān)控，實現(xiàn)測量家居中溫濕度。

2) 安防系統(tǒng)

監(jiān)控模塊：在沒有人在家的時候，用戶可以通過攝像頭實現(xiàn)對家居狀態(tài)的監(jiān)控，以達(dá)到對家居的監(jiān)控，同時監(jiān)控系統(tǒng)有拍照功能；防火模塊：當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，必然有大量煙霧，通過煙霧傳感器的檢測來判斷當(dāng)前家具是否發(fā)生異常，當(dāng)發(fā)生異常時觸發(fā)蜂鳴器報警；防盜模塊：通過測量來人與窗口的距離來檢測它的安全狀態(tài)，當(dāng)人體離窗戶距離過小時，會觸發(fā)蜂鳴器報警。

3) 網(wǎng)頁

當(dāng)用戶的手機或者電腦的網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器在局域網(wǎng)內(nèi)，就可以使用網(wǎng)頁對家居中設(shè)備進行操作。