在現(xiàn)代社會信息化建設(shè)中，物體信息化扮演著 “催化劑” 和 “增倍器” 的重要角色。只有走集成整合信息技術(shù)以及信息數(shù)據(jù)之路，企業(yè)的信息化建設(shè)才能真正發(fā)揮作用，推動信息建設(shè)邁向新高度?，F(xiàn)代物體信息化的蓬勃發(fā)展，直接催生了眾多新生事物，物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)更是讓 IT 行業(yè)面臨諸多挑戰(zhàn)。

智能家居控制系統(tǒng)可以被定義為一個過程或者一個系統(tǒng)。它巧妙地運(yùn)用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、綜合布線技術(shù)，將與家居生活相關(guān)的各種子系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合在一起。通過統(tǒng)籌管理，智能家居控制系統(tǒng)讓家居生活變得更加舒適、安全、高效。與普通家居相比，智能家居不僅具備傳統(tǒng)的居住功能，能夠提供舒適安全、高品位且宜人的家庭生活空間，還將原本被動靜止的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇又腔鄣墓ぞ?，提供全方位的信息交換功能，幫助家庭與外部保持信息交換暢通。它優(yōu)化了人們的生活方式，幫助人們合理安排時間，增強(qiáng)了家居生活的安全性，甚至能夠為各種能源費用節(jié)約資金。

本文所設(shè)計的是基于嵌入式 Linux 的智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由 GSM 模塊 SIM900A、DS18B20、QM - 2 氣體傳感器、DHT11 濕度傳感器、光敏傳感器、帶觸摸屏的 LCD 模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)在初始化并正常工作后，會定時采集傳感器數(shù)據(jù)。若采集的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，系統(tǒng)會對室內(nèi)的相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行控制，使其達(dá)到指定指標(biāo)，并將所得數(shù)據(jù)選擇性地通過 GSM 發(fā)送或者報警，以實現(xiàn)對室內(nèi)設(shè)備的有效控制。用戶也可以通過短信方式控制室內(nèi)設(shè)備的運(yùn)作。實物實驗證明，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，符合設(shè)計要求。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以 ARM 芯片 S3C2440 為控制中心，負(fù)責(zé)控制硬件和傳輸信息。硬件方面，包含了各式各樣的傳感器，如氣體傳感器、光照傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、防盜傳感器等。系統(tǒng)內(nèi)部各層次通信采用了多種通信方式，如 GPIO、A/D 采樣、串口、Spi 等；外部通訊則通過 GSM 通信模塊和以 ARM 為的 RJ45 網(wǎng)口通信實現(xiàn)。顯示器是由 LCD 加上電阻屏組成的液晶顯示器界面終端。

系統(tǒng)采用 Linux 操作系統(tǒng)作為任務(wù)控制系統(tǒng)。人機(jī)交互界面使用帶有觸摸屏的 LCD 液晶顯示器，利用 ARM 內(nèi)部自帶的 LCD 驅(qū)動和電阻屏驅(qū)動硬件來控制采集數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程通信采用 SIM900A 模塊，采用短信通信模式，能夠?qū)⑾到y(tǒng)的參數(shù)和用戶的任務(wù)以短信作為載體進(jìn)行交流。聲音模塊采用了外置的芯片 UDA1341TS，具備雙通道聲音輸入輸出功能，與 ARM 通信采用 IIS 通信協(xié)議，具有快速抗干擾能力強(qiáng)的特點。傳感器網(wǎng)絡(luò)采用了多種傳感器，針對不同的通訊方式，為每一個傳感器都制作了對應(yīng)的通信驅(qū)動。調(diào)節(jié)設(shè)備包括溫度調(diào)節(jié)設(shè)備、干燥設(shè)備、增濕設(shè)備、光照調(diào)節(jié)設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備、加熱設(shè)備等。

硬件設(shè)計

1. 溫度傳感器與降溫裝置：此模塊主要利用 DS18B20 來采集家庭各點的溫度。降溫裝置用于調(diào)節(jié)空氣溫度，以達(dá)到控制室溫的目的。裝置使用延時繼電器，通過控制三極管的信號使繼電器得電后導(dǎo)通電阻絲。為防止陡然對電熱絲加電和停電而縮短其壽命，還加上了電容保護(hù)。
2. 氣體傳感器與空氣流通裝置：氣體傳感器用于采集室內(nèi)氣體是否為有害氣體，若檢測到有害氣體，就會啟動排風(fēng)機(jī)進(jìn)行換風(fēng)。將模擬信號輸出端送入到 ARM 自帶的 AD 端口進(jìn)行檢測，當(dāng)調(diào)整好全橋電阻的阻值后，器皿傳感器的阻值改變會引起 OUT1 和 OUT2 的電勢差改變，將此電勢差輸入 ARM 的 AD 模塊進(jìn)行采集和處理。若空氣不符合標(biāo)準(zhǔn)，便可以通過排風(fēng)扇進(jìn)行空氣更新處理。
3. 光照傳感器與室內(nèi)亮度調(diào)節(jié)裝置：光照傳感器采用光敏電阻采集室內(nèi)光照信息，并通過判斷光照度來調(diào)節(jié)對應(yīng)設(shè)備，從而達(dá)到調(diào)節(jié)室內(nèi)亮度的目的。
4. 濕度傳感器與濕度控制調(diào)節(jié)裝置：濕度傳感器使用 DHT11 傳感器來檢測當(dāng)前空氣濕度，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，若超過額定值，便進(jìn)行干燥處理。DHT11 傳感器采用單總線協(xié)議，一根總線只能掛載一個 DHT11 傳感器，讀取的是已經(jīng)轉(zhuǎn)換好的濕度值，使用一個 ARM 的引腳控制一個 DHT11 傳感器。
5. 人機(jī)交互界面：人機(jī)交互界面分為信息輸入與輸出兩部分，輸入設(shè)備為電阻觸摸屏，輸出設(shè)備為采用 VGA 驅(qū)動的 LCD 顯示器。
6. GSM 模塊的通信與設(shè)計：GSM 模塊采用 SIM900A 通信模塊，并采用增強(qiáng)型 AT 指令。系統(tǒng)采用 GSM 模塊作為與用戶進(jìn)行信息交換的途徑，GSM 采用串口通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其電源模塊必須滿足電流能夠達(dá)到 2A 的直流電流能力，否則將會因電源功率不夠而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定現(xiàn)象。
7. 系統(tǒng)電源設(shè)計：由于系統(tǒng)對于電能有特殊要求，所以必須使用分離式電源單獨為 GSM 模塊供電。

軟件設(shè)計

軟件設(shè)計采用嵌入式 Linux，它具有較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理能力。嵌入式 Linux 系統(tǒng)的構(gòu)建包括驅(qū)動編程、內(nèi)核裁剪、文件系統(tǒng)制作、應(yīng)用軟件制作等。

1. 嵌入式系統(tǒng) Linux 的移植與分析：首先要編寫對應(yīng)的驅(qū)動程序，驅(qū)動程序是內(nèi)核中面向硬件層的程序，為上層軟件提供抽象函數(shù)接口，通過這些接口可以間接控制硬件。在本系統(tǒng)中，需要編寫 SPI、USART、單總線、LCD、電阻屏等驅(qū)動接口。接著進(jìn)行內(nèi)核裁剪，將編寫好的底層驅(qū)動程序加入到內(nèi)核程序中后，通過 make menueonfig 軟件進(jìn)行配置，將需要的驅(qū)動加入到內(nèi)核配置單里，再通過 make zImage 制作出內(nèi)核鏡像。然后利用 busybox 工具制作文件系統(tǒng)。將做好的內(nèi)核和文件系統(tǒng)依次燒寫到 ARM 硬件的對應(yīng)區(qū)域，開機(jī)成功啟動后配置目標(biāo)板的 FTP 協(xié)議。編寫任務(wù)程序時，利用抽象的底層函數(shù)作為信息交換接口，使用 C 語言編寫任務(wù)程序，將編好的程序利用 arm - linux - gcc 進(jìn)行編譯和連接，通過 FTP 到目標(biāo)板進(jìn)行調(diào)試。
2. 系統(tǒng)與任務(wù)構(gòu)架結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)硬件層的驅(qū)動編寫到 Linux 驅(qū)動中進(jìn)行相應(yīng)硬件操作，定時執(zhí)行。系統(tǒng)層和抽象層將底層的硬件抽象成為接口使用，上層的軟件通過接口操作硬件執(zhí)行任務(wù)。任務(wù)的優(yōu)先級由右向左依次降低，頂層的任務(wù)是反饋調(diào)節(jié)任務(wù)，位于基本任務(wù)之上。系統(tǒng)任務(wù)按照優(yōu)先級別排列為：①防盜監(jiān)控②溫度監(jiān)控③濕度監(jiān)控④氣體監(jiān)控⑤光照監(jiān)控⑥排風(fēng)扇加熱⑦電燈喇叭⑧GSM 通訊⑨RJ45 通訊⑩LCD 人機(jī)交互界面。
3. GSM 通訊協(xié)議：GSM 采用 SAM900A 通信模塊，使用短信通信方式。手機(jī)收到短信后通知串口接收數(shù)據(jù)，得到的數(shù)據(jù)編碼方式如下：在這些短信編碼中，將所需要的內(nèi)容截取下來，便可以識別。在控制家庭智能終端的過程中，所采取的指令方式也采用編碼方式，其中短信部分編碼定義如下：[優(yōu)先級所代表的設(shè)備 0 - 10][監(jiān)控開關(guān) 0/1][設(shè)定參數(shù)級別 0 - 5][是否定時開啟若不定時為 0 否則為分鐘單位的 1 - 255]。其中優(yōu)先級所代表的設(shè)備就是任務(wù)優(yōu)先級代碼所代表的設(shè)備，控制開關(guān)將控制對應(yīng)設(shè)備是否開啟或者關(guān)閉，參數(shù)級別代表對應(yīng)設(shè)備對應(yīng)環(huán)境參數(shù)的控制區(qū)間，0 窄，5 寬，是否開啟定時為設(shè)置開啟時間，單位為分鐘，若不定時則為 0。
4. 系統(tǒng)安全策略：為避免他人惡意控制家具，系統(tǒng)中加入了對應(yīng)的密碼服務(wù)。系統(tǒng)會識別對應(yīng)的手機(jī)號和密碼，識別通過后才會執(zhí)行對應(yīng)的操作，否則將會記錄惡意短信發(fā)送方的手機(jī)號碼，以備調(diào)查之用。
5. 傳感器反饋控制的通用程序流程圖：在本系統(tǒng)中，所使用的傳感器檢測與反饋調(diào)節(jié)方式是相同的。系統(tǒng)初始化后，進(jìn)入重復(fù)由優(yōu)先級從高到低檢測傳感器對應(yīng)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)與對應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行對比。若監(jiān)測數(shù)據(jù)符合事先所設(shè)定的參數(shù)，那么繼續(xù)測試下一個傳感器；若監(jiān)測數(shù)據(jù)不符合，那么將檢測數(shù)據(jù)分析，檢測是否超過危險臨界值。若沒有超過，就執(zhí)行一般的對應(yīng)處理反饋交互環(huán)境信息；若超過危險臨界值，就發(fā)短信給用戶并咨詢是否報警等應(yīng)急措施。

硬件控制與短信收發(fā)測試

• 硬件控制分析：本系統(tǒng)可以使用 Linux 操作系統(tǒng)下的 SHELL 命令執(zhí)行對應(yīng)的命令來控制對應(yīng)的硬件，以檢測硬件的可行性。例如，輸入 “openlight” 命令可以控制 led 的端口輸出高電平驅(qū)動三極管，使 led 燈亮起；輸入 “Lightoff” 命令可以控制 led 的端口輸出低電平，使 led 熄滅。通過這種方式，可以檢測到硬件控制達(dá)到了預(yù)期要求。
• 短信收發(fā)數(shù)據(jù)分析：對于 GSM 通訊協(xié)議的測試采取實際短信功能的測試。通過手機(jī)發(fā)送如下格式的數(shù)據(jù)：“13995991 -”（發(fā)送方的手機(jī)號碼的前 8 位）“2”（選定控制對象為溫度監(jiān)控設(shè)備）“3”（控制對象的參數(shù)選擇為適中）“200”（定時 200 分鐘后執(zhí)行）。測試結(jié)果表明，在 200 分鐘后系統(tǒng)執(zhí)行了對應(yīng)的操作，原先被關(guān)閉的溫度傳感器設(shè)備被激活，能夠在一定溫度范圍內(nèi)反饋控制風(fēng)扇吹風(fēng)降溫。