基于TouchGFX和FreeRTOS的智能家居解決方案*

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(中國礦業(yè)大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，徐州 221116)

引 言

智能家居即(Smart Home)，也被稱為智能化住宅、感知住宅等[1]，是現(xiàn)代電子技術(shù)、自動化技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)及通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。

目前，智能家居控制系統(tǒng)面臨著諸多問題：首先是價格昂貴，維護成本高[2]，不利于產(chǎn)品的普及和推廣；其次行業(yè)無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[2]，各個廠商提供的解決方案質(zhì)量參差不齊，兼容性差；再次裝置靈活性不高，安裝拆卸以及維護困難，無法做到循環(huán)多次使用；此外，實時性不高，無法全方位穩(wěn)定地實現(xiàn)一定區(qū)域內(nèi)對家電和環(huán)境的監(jiān)測。本文針對以上問題，提出了一套完整的解決方案。

1 相關(guān)技術(shù)

1.1 LPCXpresso5460X介紹

LPCXpresso板由恩智浦、Code Red Technologies、Embedded Artists共同研制[3]，其中LPCXpresso54608器件性能優(yōu)越，板載CMSIS-DAP/SEGGER J-Link，兼容MCUXpresso IDE和其他通用的工具鏈(如Keil和IAR)，除了標(biāo)準(zhǔn)的LPCXpresso V3功能外，該板適用于一般工業(yè)控制、智能家居系統(tǒng)等多種環(huán)境[4],還提供了一整套外設(shè)接口：

① 272×480彩色液晶電容觸摸屏；

② UART和SPI端口；

③ 多種擴展選項，包括Arduino UNO和PMod；

④ 128 Mb Micron MT25QL128 Quad-SPI閃存；

⑤ 16 MB MT48LC8M16A2B4 SDRAM；

⑥ 數(shù)字麥克風(fēng)接口；

⑦ 全尺寸SD/MMC卡插槽；

⑧ 集成了板載10/100 Mbps以太網(wǎng)MAC。

1.2 TouchGFX

TouchGFX是一個用C ++編寫的軟件框架，可以在低功耗硬件上開發(fā)嵌入式圖形用戶界面(Graphic User Interface, GUI)應(yīng)用程序。 TouchGFX嵌入式GUI技術(shù)優(yōu)化了小型硬件平臺(如ARM Cortex-M微控制器的利用率，能夠在更少的MCU負載下實現(xiàn)更快速的圖像更新[5]。

TouchGFX應(yīng)用程序遵循分層模型，如圖1所示，一個TouchGFX應(yīng)用構(gòu)建于TouchGFX Core層和OSAL/HAL層的預(yù)構(gòu)建庫或源代碼之上。最頂層的Application層由開發(fā)人員來開發(fā)。HAL層用于特定目標(biāo)板的移植，其中包括用于特定微控制器、DMA、觸摸屏設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動程序以及可用于多種評估板的板級支持包。此外，TouchGFX框架還為目標(biāo)板提供OSAL層，以支持特定嵌入式實時操作系統(tǒng)。

圖1 TouchGFX結(jié)構(gòu)圖

1.3 FreeRTOS

TouchGFX應(yīng)用構(gòu)建在嵌入式實時操作系統(tǒng)之上，采用嵌入式實時操作系統(tǒng)(RTOS)可以更合理、更有效地利用CPU的資源，簡化應(yīng)用軟件的設(shè)計，縮短系統(tǒng)開發(fā)時間，更好地保證系統(tǒng)的實時性和可靠性[5]。

在一個TouchGFX應(yīng)用中，至少要求一個線程用于GUI的渲染和刷新，兩個信號量用于控制對框架中心的資源的訪問。TouchGFX可以通過實現(xiàn)oswrapper類來運行幾乎所有的主流操作系統(tǒng)[5]，其中FreeRTOS是實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，具有以下特點：

① 簡單而功能強大，內(nèi)核只有3個.c文件，提供功能包括任務(wù)管理、時間管理、信號量、消息隊列、內(nèi)存管理，可基本滿足較小系統(tǒng)的需要[6]。

② 完全免費，源碼公開、可移植、可裁減、調(diào)度策略靈活。

③ 大量開發(fā)者使用，并保持高速增長趨勢。

④ 文檔齊全，F(xiàn)reeRTOS的創(chuàng)始人RichardBarry編寫了大量的移植代碼和配套文檔[7]。

2 硬件架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)的輸入信號主要有以下幾種：

① 溫濕度信號：溫度形式有多種，最常見為氣溫、水溫以及體表溫度；濕度信號通常為空氣相對濕度。

② 聲音信號：主要來源于人和其他動物，此外還有環(huán)境中的各種聲音。

③ 紅外信號：主要來源于人和其他動物，可以作為區(qū)分人和動物跟外界的標(biāo)志信號，也可以作為通信和控制信號。

④ 化學(xué)信號：如可燃氣體，可用于預(yù)判和監(jiān)測室外內(nèi)火情的標(biāo)志信號。

⑤ 震動信號：用于監(jiān)測一定范圍內(nèi)的環(huán)境震動，可用于輔助判斷外來侵入者。

⑥ 視覺(頻)信號：應(yīng)用較為廣泛，可用于監(jiān)控室內(nèi)外的畫面情況，但較為昂貴。

⑦ 觸覺(點擊)信號：系統(tǒng)提供圖形用戶接口進行人機交互，接收來自用戶的點擊。

輸入到系統(tǒng)中的模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，和其他數(shù)字信號輸入到控制系統(tǒng)中，經(jīng)過MCU執(zhí)行相應(yīng)調(diào)度程序和算法，再提供對應(yīng)的輸出信號，使得智能家居做出相應(yīng)的動作，其中輸出接口主要有以下幾種：

① PWM接口：控制電機/舵機的正反向轉(zhuǎn)動，根據(jù)PWM驅(qū)動極性之不同，所用的PWM接口數(shù)不同。

② 通信接口：UART/I2C用于程序下載調(diào)試以及接口端口數(shù)據(jù)值讀取。

③ I/O接口：多路，用于功能執(zhí)行和狀態(tài)顯示等。

④ 定時器接口：用于測量外界有關(guān)信號脈沖讀取。

根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出信號及系統(tǒng)原理，設(shè)計出系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框圖

2.2 系統(tǒng)整體電路

根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計的電路主要包括燈光/彩燈控制WS2812BS、門窗控制、電機驅(qū)動、防盜模式、防火模式、節(jié)能模式等。防盜模式通過震動傳感器實現(xiàn)，防火模式通過DHT11與MQ-2共同實現(xiàn)，節(jié)能模式通過HCSR501實現(xiàn)。

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件設(shè)計模式

由于系統(tǒng)頂層GUI采用TouchGFX框架，采用C++寫成；而底層LPCXpresso54608采用C語言寫成，為了使得系統(tǒng)上下層銜接得當(dāng)，采取分層架構(gòu)來實現(xiàn)系統(tǒng)的低耦合和高內(nèi)聚。

實現(xiàn)示意圖如圖3所示，系統(tǒng)軟件總體采用一種典型的模型-視圖分離設(shè)計模式，稱之為MVP架構(gòu)。其中，M代表Model，為模型(層);V代表View，為視圖(層)；P代表Presenter，為控制(層)。對于每個采用本架構(gòu)的應(yīng)用來說，其中只有一個Model，但是有很多對View和Presenter，其中每一對View和Presenter對應(yīng)一個屏幕。

圖3 實現(xiàn)示意圖

Model(模型層)負責(zé)處理整個應(yīng)用UI的狀態(tài)，并且還需要和系統(tǒng)的其余部分(后端)通信，以獲取UI層從后端所獲取的信息。在這種應(yīng)用場景下，Model相當(dāng)于是整個系統(tǒng)的入口，當(dāng)Model發(fā)生改變時，當(dāng)前的Presenter會接收到Model改變的消息，這個過程是通過應(yīng)用中的ModelListener即模型監(jiān)聽器來完成的。

View(視圖層)負責(zé)放置和重繪UI層的圖形元素。View能夠獲取用戶事件，比如說點擊事件，并且根據(jù)時間作出反應(yīng)，通常來講是將事件轉(zhuǎn)移給本視圖的Presenter。當(dāng)Presenter要求View做出改變時，View還能響應(yīng)來自Presenter的應(yīng)答。

Presenter(控制層)負責(zé)編排模型和視圖，處理與UI元素相關(guān)的邏輯。一是在模型中發(fā)生更改時，通知Presenter，Presenter采取相應(yīng)的操作同步視圖； 二是在視圖中發(fā)生更改時，通知Presenter，Presenter采取相應(yīng)措施來同步模型。

但是要實現(xiàn)實際功能，需要和底層硬件進行銜接。Model層提供了和底層硬件銜接的接口。特定的目標(biāo)板如LPCXpresso54608使用C語言，可獨立實現(xiàn)特定的功能，比如傳感器數(shù)據(jù)的采集，此時只要在Model中實現(xiàn)特定的函數(shù)接口，便可在FreeRTOS中注冊和創(chuàng)建任務(wù)設(shè)置優(yōu)先級等流程，即可實現(xiàn)前后端的銜接。下載特定的板級支持包，配置、編譯等一系列操作之后，即可將程序下載至特定的目標(biāo)板上運行，從而達到系統(tǒng)預(yù)定功能。系統(tǒng)軟件設(shè)計模式和總體架構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計模式和總體架構(gòu)圖

3.2 系統(tǒng)軟件功能

系統(tǒng)軟件的主要功能包括：

① 人手點擊觸屏LCD事件監(jiān)聽，觸摸屏控件回調(diào)函數(shù)處理。

② 從UI到底層：視圖層事件經(jīng)過控制層和模型層，映射為給予底層元器件信號和動作執(zhí)行。

③ 從底層到UI：底層元器件狀態(tài)改變，通過接口與模型層通信和控制層處理，來更新UI。

④ FreeRTOS根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級來進行任務(wù)調(diào)度以及消息傳輸。

⑤ LPCXpresso54608和擴展板之間的接口通信。

⑥ 擴展板對各個傳感器信號的采集處理，對于上層指令執(zhí)行以及狀態(tài)回傳。

無論是從UI到底層，還是從底層到UI，在中間操作系統(tǒng)的支持和任務(wù)調(diào)度之下，整個系統(tǒng)構(gòu)成一個閉環(huán)模式，確保了各個模塊之間消息和事件的暢通，保證工作的實時有序。

4 實現(xiàn)與評估

國家統(tǒng)計局2016年統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，中國人均住房建筑面積為40.8平方米[8]。以一家三口的小康之家為例，40.8×3=122.4平方米，常見于當(dāng)前房市三室兩廳一衛(wèi)戶型，如圖5所示。以此構(gòu)建實物模型來模擬真實場景下的智能家居控制。

圖5 模型設(shè)計和制作

以此實物模型為基礎(chǔ)，進行相關(guān)部件的安裝以及線路的布置。依據(jù)設(shè)計功能，設(shè)計用戶交互軟件(如圖6所示)，實現(xiàn)了如圖3所示的功能。

圖6 系統(tǒng)軟件界面

經(jīng)過分析評估，本系統(tǒng)具有以下特色：基于32位ARM內(nèi)核，標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，功能專一，同時兼具擴展性，兼容性好；主控系統(tǒng)和擴展系統(tǒng)，體積小巧，功能強大；成本低廉，超低功耗，真正做到價格可控，利于向大眾普及推廣；采用FreeRTOS，系統(tǒng)實時性高；系統(tǒng)接口豐富，靈活性高，安裝拆卸以及維護容易，便于二次開發(fā)和升級； 具有良好的系統(tǒng)交互功能，可帶給用戶友好的使用體驗。

結(jié) 語