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基于μCOS的智能家居系统开发

专家
2014-03-17 23:11:10    评分

作者:华北科技学院 王川疆 廖丽辉 牛智慧

指导教师:黎冠


  作品简介

  3、功能和使用说明

  主要功能包括灯光控制、背景音乐、安全防范、自动窗帘、远程监控。功能切换基本依靠触摸屏来控制,下面的图3、图4是触摸屏的两个主用户界面的截图,操作简单方便。这些功能也可以由上位机来控制。下面通过四个模式的切换来介绍使用说明:

  进门之前刷IC卡,系统自动进入“在家模式”,也可以通过点击图3中的“家”,切换到该模式,此时灯亮,音乐响,窗帘上升。

  点击图3中的“夜”,进入夜晚模式,此时灯灭,音乐停,窗帘降下。

  点击图3中的“晨”,进入早晨模式,此时卧室灯亮,音乐响,窗帘上升。

  点击图3中的“外”,进入离家模式,此时灯灭,音乐停,窗帘降下。灯光、音乐、窗帘也可以通过点击图4中的按键,进入对应的控制界面来分别进行控制,或者使用上位机控制。

  点击图4中的时钟按钮 ,可以校对时钟;点击舒适度按钮 ,可以查看当前室内的温湿度情况;点击摄像头按钮 ,打开摄像头,可以通过上位机实时监控室内情况。

  此外,当有人强行进入或者发生火灾时,会触发警报,报警器响,触摸屏上也会显示出当前发生的紧急情况。

  4、作品特色

  (1)先进性:成功移植μC/OS-Ⅲ实时操作系统,实现FAT32文件系统,集成IC卡射频识别技术,实现上位机远程监控和数据储存,通过触摸屏,实现人机交互,基于I2C总线的温度读取。

  (2)安全性:该系统采用继电器实现弱电对强电的控制,避免了人体直接接触市电的危险;对隐患进行实时报警。

  (3)创新性:使用了光耦隔离,对时间的人性化管理。

 

  平台选型说明

  选用kinetis K10芯片,kinetis K10 Board V1_2为核心开发板,该种芯片是当今扩展能力最强的低功耗ARM Cortex-M4微控制器产品,具有出色的混合信号集成能力,拥有16位的I/O输出。

 

  设计说明

  一、开发背景

  近几年来,高科技和信息技术广泛应用,人们对生活品质也有了更高的要求,这为智能家居系统提供了活力,它的发展将为人们创造出更加安全、有序、高效的现代生活环境。朝着这个方向,我们选取智能家居系统作为本次参赛的题目。采用Kinetis K10 Board V1_2开发板作为核心开发板,精心设计了扩展单元模块,使用触摸屏实现显示和控制的功能。软件方面成功移植了μc/OS-Ⅲ操作系统,采用Codewarrior Development Studio开发环境,最终实现了防盗报警、燃气泄漏报警、烟雾报警、IC卡门禁、灯光调控、步进电机驱动、上位机监控等功能。系统实物如图1所示:

  二、设计方案

  从人性化和实用性出发,尽我们最大的努力,设计出一个舒适安全的家居环境。设计的思路如下:

  构思智能家居基本模型→选定模块→购买元件→调试系统→调试硬件→搭建模型→演示

  1、系统核心:kinetis K10芯片,μC/OS-Ⅲ操作系统。

  2、实现的主要功能:灯光控制、背景音乐、安全防范、自动窗帘、人机界面、远程监控。

  3、功能模块介绍:依据大部分人一天的作息习惯,我们为整个系统设置了四个基本的模式,分别是“在家模式”“离家模式”“夜间模式”“早晨模式”,可以通过触摸屏上的“家”“外”“夜”“晨”来进行切换。具体的操作可以参考我们的演示视频。 3.1灯光控制

  当系统进入不同的模式时,灯光会作出相应的变化。也可以通过触摸屏对灯光进行分别控制。

  3.2背景音乐

  在“在家模式”和“早晨模式”时,音乐会自动播放,在“离家模式”和“夜晚模式”时音乐会自动关闭,也可以通过触摸屏来进行控制。

  3.3安全防范

  安全防范包括“强行进入报警”、“燃气泄露和烟雾报警”、“IC卡门禁”功能,当发生紧急状况时会触发警报,触摸屏上也会同步显示该状况。

  3.4自动窗帘

  当进入“在家模式”和“早晨模式”时,窗帘会自动升起,进入“离家模式”和“夜晚模式”时,窗帘会自动下降。也可以通过触摸屏进行控制。

  3.5人机界面

  我们自己设计了触摸屏的人机界面,友好美观,布局合理,操作流畅。下面是“模式切换界面”和“功能面板”的截图。

  3.6远程监控

  通过触摸屏控制,打开视频监控功能后,可以在上位机上实时查看室内情况。

  三、设计原理

  1、硬件设计

  1.1硬件设计总原理图:

  1.2系统各功能和硬件支持:

  1.3各功能实现原理

  (1)灯光控制

  使用220V,25W的小灯泡,采用上图的控制电路,即“灯光控制”电路,实现了弱点控制强电。

  当PTE4,PTE17管脚输入高电平时,对应的24V固态继电器会吸合,进而控制其连接的220V继电器吸合,此时灯亮,这样就实现了弱点对强电的控制。

此文档的相关视频来自:http://v.eepw.com.cn/video/play/id/13541




关键词: 触摸屏     智能家居     上位机    

专家
2014-03-17 23:12:50    评分
2楼

  (2)背景音乐

  使用MP3解码模块,实现了对该模块的控制。

  需要给该模块加上+5V,GND的电源,接出一个耳机插孔,用来外接扬声器。将模块的“PLAY”“NEXT”“PREV”三个控制键与核心控制板的三个I/O口相连,只要I/O口产生一个下降沿,就可以实现对应的控制。

  (3)安全防范

  安防是每个家庭系统中都必不可少的部分,我们在此部分设置了“强行进入报警”、“燃气泄露和烟雾报警”、“IC卡门禁”三个部分,下面详细介绍各部分实现的原理。

  IC卡门禁:

  这个模块是IC卡的射频读写模块,还有一张IC卡,作为身份识别的卡片。按如图所示的方式,将该模块与核心控制板相连接,与主机进行SPI通信。

  强行进入报警:

  强行进入警报我们用一个门磁开关来检测,为了使单片机检测到标准的高低电平,我们增加了一个上拉电阻。如上图所示,图中的”KEY”就是门磁。当门打开时,相当于开关闭合,此时控制器检测到低电平,并且触发警报。

  燃气泄露和烟雾报警

  该模块我们选用烟雾传感器来采集数据。当空气中的烟雾浓度超过设定值时,传感器的”DOUT”(对应PTB3)管脚会由原来的高电平变为低电平,根据这个原理,核心控制器检测到一个下降沿时,说明出现危险,会触发警报。

  (4)自动窗帘

  自动窗帘我们用步进电机来实现,通过控制电机的正反转来模拟窗帘的升降过程。具体使用4相5线步进电机,I/O口模拟输出脉冲通过ULN2003A放大后作为驱动。

  在使用前首先要分清步进电机的接头。步骤是1、先通过万用表测两两之间的电阻,其中有一端同其他四端之间的电阻相同,该端为共地端。2、找一个5V的直流电源,正极接公共端,负极短时接触其余四端进行检测。先假定其中一线为A,负极接触A,电机会向某方向动一下,如果不动,换一线为A。3、接触A后,换一线假定为B,如果接触B时电机转动方向与A一致,说明B正确,如果不一致,说明B错误。由此判断出C、D。4、判别定出的ABCD是否正确:公共端接+5V不变,电源负端分别接触A、B、C、D、A顺序接触,电机就向一个方向转动,否则判定出的ABCD不正确。

  使用4相5线步进电机,I/O口模拟输出脉冲通过ULN2003A放大后作为驱动。

  在使用时,由于K10芯片的I/O口输出功率不足以驱动步进电机,需要加驱动电路。我们使用ULN2003A搭建驱动电路。如上图所示。单片机I/O口循环输出

  {1110,1100,1001,1011,0011,0111,0110}电机正转,

  {0110,0111,0011,1011,1001,1100,1110}电机反转。

  (5)远程监控

  该功能主要通过核心控制器与上位机的串口通信来实现。上位机通过点击不同的按钮,发送命令给核心控制器,控制器也可以发送命令到上位机,下面是上位机的主界面。

  (6)舒适度

  舒适度部分我们检测了两个指标:温度和湿度,使用SHT11温湿度传感器模块。

  (7)WIFI模块(还在调试中)

  WIFI模块已经调通,但是由于时间原因不能用它实现更多的功能。

  2、软件设计

  2.1控制程序设计

  基于CodeWarrior10.2的开发平台,为了是软件更加安全简洁,设计中使用μC/OS嵌入式操作系统。

  图14中将系统软件分为四层,第一层系统底层bsp模块和固件库模板,第二层μC/OS内核模块,第三层系统调用模块和文件系统模块、LCD控制模块,第四层为用户任务模块。使得软件的层次结构分明,提高了系统的稳定性,其次文件系统模块,系统调用模块,方便了用户任务的使用。

  图15是系统的流程框图,在μC/OS-Ⅲ中创建了状态切换任务,音乐控制任务,窗帘控制任务,灯光控制任务,安防控制任务,视频监控任务,IC卡检测任务,LCD检测任务,上位机监视任务,WIFI监视任务等十个任务。系统按照时间分为在家模式,睡觉模式,早晨模式,离家模式四个模式,系统上电之后,默认是离家模式。

  当用户刷卡之后,IC卡检测模块发送一个在家模式信号,然后每个任务对象,接收在家模式信号后,执行对应的在家模式才有的功能。

  当我们点击触摸屏的时候,LCD监控任务会产生一条消息,通过消息总线,是对应的任务接收到对应的消息,进而执行相应的行为。因为消息都是通过总线发送的,所以,可以同时用,上位机和WIFI进行控制。


菜鸟
2015-07-18 11:07:43    评分
3楼
非常不错 支持

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