Android終端及FPGA控制的智能家居系統(tǒng)*

鄭俊波，蘇成悅，何榕禮，林劍冰

（廣東工業(yè)大學 物理與光電工程學院，廣東 廣州 510006）

智能家居是以住宅為平臺，利用通信技術(shù)、自動控制技術(shù)等新技術(shù)，將各種家電安防設(shè)施進行集成，組成住宅設(shè)施管理系統(tǒng)，造就一個安全便利舒適環(huán)保的家居生活環(huán)境。近年隨計算機技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，智能家居逐漸成為未來家居生活的發(fā)展方向[1]。

在智能家居的控制系統(tǒng)中，控制終端是其核心設(shè)備，目前主要有以下幾種方案：第一種是采用鍵盤、LCD顯示器和紅外遙控器等設(shè)備對各種家用設(shè)備進行控制[2]，這種方式需要對終端的軟件和硬件分別進行設(shè)計，因而設(shè)計復(fù)雜且成本高。第二種是采用PC作為控制終端[3]，使用這種方式的缺陷是只能在固定的位置進行控制。第三種是采用智能手機作為控制終端，通過WiFi、藍牙、GSM等無線網(wǎng)絡(luò)對家居系統(tǒng)進行控制[4]，此方案使用方便、快捷。

隨著Android智能終端日益普及，其作為控制終端將成為未來智能家居系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。本系統(tǒng)以Android智能設(shè)備作為遙控終端，以FPGA作為主控中心處理器，通過藍牙與手機端進行通信并對數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)視頻監(jiān)控、紅外遙控、溫濕度檢測、振動檢測、GSM遠程報警等功能。FPGA內(nèi)部資源豐富，接口方便，還可實現(xiàn)臉部識別、指紋識別等功能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，首先在Android平臺下開發(fā)一個應(yīng)用程序，數(shù)據(jù)通過藍牙發(fā)送給主控中心，當FPGA接收處理完數(shù)據(jù)后通過串口給相應(yīng)的功能模塊發(fā)送指令，各功能模塊執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)后也會將數(shù)據(jù)通過主控中心返回給智能終端并顯示，其中采用串口通信可讓通信方式多樣化[5]，如 485總線、藍牙模塊、WiFi模塊、ZigBee模塊等都可用串口進行收發(fā)數(shù)據(jù)。這種結(jié)構(gòu)使得用戶只需用手機、平板電腦等Android終端就能任意控制各種家用設(shè)備并實時掌握周圍的環(huán)境情況，使用非常簡單快捷。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 主控中心FPGA設(shè)計

本系統(tǒng)采用FPGA作為中間控制部分的處理器主要基于以下兩點考慮，首先整個系統(tǒng)中用到多個串口，普通單片機內(nèi)部不超過3個串口，而FPGA可以根據(jù)需求搭建多個UART接口；其次FPGA可以采用平行以及流水線處理，可以完成視頻數(shù)據(jù)采集、VGA接口輸出等高速處理，還可完成臉部識別、指紋識別等復(fù)雜運算。設(shè)計中采用的FPGA芯片型號是Altera公司Cyclone II系列EP2C8Q208C8，在Quartus II平臺下用Verilog語言進行開發(fā)。

2.1 UART模塊的設(shè)計

由于FPGA與各功能模塊均利用串口進行通信，因此需要搭建多個UART接口，對數(shù)據(jù)進行傳輸和處理。UART通信模塊主要由波特率產(chǎn)生模塊、發(fā)送模塊和接收模塊三部分組成，其中波特率產(chǎn)生模塊是將50 MHz的主時鐘經(jīng)過多次分頻后為UART的收發(fā)模塊提供特定的波特率。

FPGA中的每個UART都被例化成一個子模塊，各模塊間通過輸出輸入接口進行數(shù)據(jù)的交互，此外還有一個控制模塊，用于控制每個串口的發(fā)送和接收。

2.2 視頻監(jiān)控的設(shè)計

視頻監(jiān)控是家庭防盜系統(tǒng)中必不可少的部分，本系統(tǒng)通過OV7670攝像頭獲取視頻信息，用FPGA進行數(shù)據(jù)的采集和存儲，最后通過VGA接口用顯示器顯示出來?？蚣苋鐖D2所示。

圖2 視頻監(jiān)控框架圖

OV7670是OmmVision公司生產(chǎn)的CMOS攝像頭，通過SCCB總線控制，圖像最高達到30幀/s。FPGA先構(gòu)建一個配置模塊，用SCCB總線對OV7670進行初始化設(shè)置并使其開始工作，其中的SCCB總線本質(zhì)為簡化了的I2C總線。

配置成功后，F(xiàn)PGA將接收RGB565格式的數(shù)據(jù)，即第一個字節(jié)的前5位表示紅色，第一字節(jié)的后3位和第二字節(jié)前3位表示綠色，第二字節(jié)后5位表示藍色。數(shù)據(jù)通過SDRAM控制模塊存進外部SDRAM中，SDRAM的主要作用是把圖像數(shù)據(jù)以30幀/s的速率進行緩存，然后再以60幀/s的速率讀出。從SDRAM讀出的數(shù)據(jù)將通過VGA控制模塊轉(zhuǎn)換為VGA協(xié)議輸出，最后通過一個三路10位高速視頻DAC芯片ADV7123進行D/A轉(zhuǎn)換后顯示在顯示器上，進行實時的監(jiān)控。

除了可實時監(jiān)控外，當系統(tǒng)觸發(fā)警報信息后可以對視頻信息存儲到外接Flash中，由于Flash的容量以及讀寫速度有限，不能將所有視頻數(shù)據(jù)保存下來，因此采樣間斷性存儲的方法，即以圖片的形式將現(xiàn)場的情況保存下來，這種方式既能減少Flash的容量，又可以較好地保存現(xiàn)場的信息。

3 Android應(yīng)用程序的開發(fā)

Android終端的應(yīng)用程序是基于Android 2.3版本，在Eclipse平臺下用Java語言進行開發(fā)，其主要內(nèi)容包括設(shè)計一個人機交流界面、獲取已配對的藍牙設(shè)備并建立連接、利用Socket進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>

3.1 界面設(shè)計

該應(yīng)用程序主要有兩個界面，開啟時首先進入主控界面，主要包括溫濕度的顯示、防盜系統(tǒng)的開啟與關(guān)閉、電視遙控等功能，點擊電視遙控按鍵將進入紅外遙控界面。界面通過AbsoluteLayout進行布局設(shè)計，這是一種絕對布局，可以任意調(diào)整每個控件的橫坐標和縱坐標，界面上每個按鍵通過綁定一個地址和添加一個監(jiān)聽器，點擊按鍵后會觸發(fā)監(jiān)聽器并執(zhí)行相應(yīng)的操作。

3.2 藍牙的獲取和連接

應(yīng)用程序中需要建立一個藍牙通信通道，以便與FPGA端的藍牙模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，在建立藍牙通信之前先搜索出已配對的藍牙設(shè)備并用列表顯示，當點擊其中一個設(shè)備進行連接時，其地址值會被記錄下來并通過Intent回傳給主Activity[6]。當本機藍牙開啟以及要連接設(shè)備的地址獲取后就可建立Socket連接，通過Thread創(chuàng)建的一個線程來進行Socket連接，連接成功后界面上會顯示“連接成功”。

4 功能模塊的開發(fā)

4.1 無線通信設(shè)計

系統(tǒng)中主要運用了藍牙、GSM這兩種無線通信協(xié)議，其中藍牙是應(yīng)用在手機和主控中心之間的通信，它的傳輸距離達10 m左右，滿足室內(nèi)使用要求。而GSM用于遠距離報警。

4.2 學習型紅外遙控

現(xiàn)在大多數(shù)家庭中使用到紅外遙控器多達數(shù)個，如果將控制全部集中于手機則會十分便利，但不同遙控器的紅外編碼是不一致的，因此本系統(tǒng)設(shè)計的是學習型紅外遙控，它以STM8S105S4單片機作為主控芯片，包括了紅外發(fā)射和接收兩部分電路，能夠?qū)W習并存儲各種紅外編碼，工作流程如圖3所示。

圖3 學習型紅外遙控工作流程

4.3 溫度檢測

溫度檢測采用NTC（熱敏電阻），它是隨溫度上升電阻呈指數(shù)關(guān)系減小、具有負溫度系數(shù)的材料，因此只要采樣出的電阻值然后與其溫度阻值變化列表進行對應(yīng)便可得出當前的溫度值。設(shè)計中用單片機內(nèi)部的10位A/D轉(zhuǎn)換器采樣其電壓值，再根據(jù)分壓電阻求出NTC的阻值，最后通過取表得出溫度值。

4.4 濕度檢測

濕度檢測采用HS1100濕度傳感器，它是一種基于電容原理的濕度傳感器，相對濕度的變化和電容值呈線性規(guī)律。在實際測試中，電容值隨著空氣濕度的變化而變化，因此將電容值的變化轉(zhuǎn)換成電壓或頻率的變化，才能進行有效地數(shù)據(jù)采集。設(shè)計中用NE555組成振蕩電路，HS1100濕度傳感器充當振蕩電容，從而完成濕度到頻率的轉(zhuǎn)換。

4.5 振動檢測

振動檢測采用MMA7631三軸小量程加速度傳感器，它根據(jù)物體運動和方向改變輸出信號的電壓值。各軸的信號在不運動或不被重力作用的狀態(tài)下，其輸出為1.65 V。采用STM8S105S4單片機內(nèi)部的10位A/D轉(zhuǎn)換器采樣3個方向的電壓，根據(jù)采樣結(jié)果的變化來判斷門窗是否振動，當變化范圍超過一定的限值時，則判斷門窗被開啟，觸發(fā)報警信息。

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一個基于Android智能終端及FPGA的智能家居系統(tǒng)，在3個平臺下完成開發(fā)，分別是用Java語言在Android系統(tǒng)下進行應(yīng)用程序開發(fā)，用Verilog語言對主控FPGA進行設(shè)計以及基于STM8單片機的功能模塊設(shè)計。以FPGA作為主控中心，相比于AMR11、STM32等串行處理器，它可實現(xiàn)視頻監(jiān)控、人臉識別等高速復(fù)雜處理，而且無須后臺服務(wù)器，減低了成本。系統(tǒng)以Android設(shè)備作為遙控終端，與傳統(tǒng)控制方案比，它可以實現(xiàn)程序化控制，可存貯各種個性化的控制方案。本系統(tǒng)使用方便、操作簡單，能滿足普通家庭的需求，具有較高的實用性和推廣價值。

[1]陳致遠，朱葉承，周卓泉.一種基于STM32的智能家居控制系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38（9）：138-140.

[2]滿莎，楊恢先，彭友，等.基于 ARM9的嵌入式無線智能家居網(wǎng)關(guān)設(shè)計[J].計算機應(yīng)用，2010，30（9）：2541-2544.

[3]陳喬云，賈金玲.基于智能手機與PC機的智能家居系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2009，17（9）：25-29.

[4]王朝華，陳德艷，黃國宏，等.基于 Android的智能家居系統(tǒng)的研究與實現(xiàn) [J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2012，22（6）：225-228.

[5]DEBONO CJ，KURT ABELA.Implementation of a Home Automation System through a Central FPGA Controller[C].2012 16th IEEE Mediterranean Electrotechnical Conference（MELECON）.Piscataway， N.J： IEEE press，2012：641-644.

[6] PAYET ETIENNE，SPOTO FAUSTO.Static analysisof Android programs[J].Information and Software Technology，2012， 54（11）：1192-1201.