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基于S3C2410的智能家居数据采集系统设计

2016-10-09来源: elecfans关键字:S3C2410  智能家居  数据采集系统
  O 引言

  智能家居是以住宅为平台,兼备建筑设备、网络通信、信息家电和设备自动化,集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。它利用先进的计算机技术、网络通信技术和综合布线技术,将与家居生活有关的各种系统有机地结合在一起,通过统筹管理,让家居生活更加舒适、安全。家庭自动化、家庭网络、网络家电、信息家电等产品都属于智能家居系统产品。

  数据的采集、处理以及传输是实现智能小区控制作用的核心。在此设计了利用嵌入式系统作为开发平台,利用TCP/IP协议作为信息传输方式的业主基本信息数据采集的方案。

  由于Internet的发展和普及,采用TCP/IP协议简单、方便、成本低,开放性好,标准化程度高。物业管理中心一方面通过互联网获得最新的消息(天气预报、重大新闻等),向外发布。另一方面,利用采集各节点的数据进行控制、决策和协调,并向外发布信息。

  1 数据采集系统设计

  1.1 基本要求

  各个业主将自己的基本信息(主要包括电度表、水度表、气压表等的读数)、室内情况(主要包括温度、含天燃气浓度等)通过信息采集、处理与分析,完成单个业主的控制,并传输到物业管理中心,提供给物业管理人员使用以及供广大业主参考。必须满足的基本要求如下:

  能对业主家各类传感设备兼容,即能实现多路模拟和数字信号的采集。采集的时间间隔在30 s~2 min。

  具有业主控制功能,能实现数据传输、处理和控制。当通信网络一旦出现故障,各节点能依据历史数据和当前采集的信息,实现报警功能。

  实时接收由管理中心发来的信息,并能做出相应的显示,提醒业主自己当前的情况。通信接口丰富(具有TCP/IP通信接口、RS 232/USB接口等),内存空间较大。数据采集系统的组成原理如图1所示。

  

  1.2 系统设计

  1.2.1 节点的硬件组成

  考虑到各业主间的完全独立的特殊性,前端设备采用嵌入的设计方法,其硬件组成结构如图2所示。

  

  节点作为控制的一部分,要完成对各业主的控制功能。控制的实现利用采集的各种数据和中心发布的协调控制指令,通过节点处理后完成。所以,一个节点由数据采集、传输、控制三个功能单元组成。这些功能的实现通过嵌入式系统来完成。

  按其功能要求其数据流有:一是从各个传感器采集的数据,通过中间处理过程进行处理后,显示在业主面前;二是从信息采集系统中取来的数据,通过中间处理过程进行处理后,上传到物业管理中心,存储在数据库中;三是管理中心发布系统协调控制的命令或处理的结果在业主家显示。

  1.2.2 数据的采集

  物业管理数据的采集主要功能是将各业主的水表、电表、媒气表等原始数据通过各类检测器送到节点进行预处理。

  常用传感器技术包括干簧管传感器、霍尔传感器、红外线传感器、IC卡控制器和电子传感器等。本系统采用电子传感器,在普通水表、气表的计数机构中对应于刻度盘的下面安装电子传感器,使传感器与计数齿轮同步转动,电子传感器得到的电子信息与机械读数完全同步,形成一定的函数关系,经A/D转换后,分别得到水表、媒气表读数的数字信息,电表的读数则可以采用电子式智能电表得到。通过RS 232接口传送到微处理器中。

  摄像头数据通过USB接口与处理器通信。主要用于业主外出(特别是在外出度假)时,开启摄像设备。可以对客厅或其他重要地方进行监控。

  1.2.3 数据的预处理

  节点数据的预处理,其主要功能将各类检测器采集的异样数据进行过滤,去掉非法、无效的数据,对故障数据进行恢复,将有效、合法的数据按照标准进行格式化处理,并将其封装、利用TCP/IP协议,通过通信网络发送到测控中心指定的数据通道或数据库。提供给物业管理中心。采集得到的数据经预处理后的实时检测交通数据效果更好,更符合实际情况的需要,并有效地节省了计算机存储的工作量。

  1.2.4 数据的显示、存储及传输

  节点控制机将各种检测器采集的交通流信息用来控制该节点的交通,同时又要经处理机进行预处理,一方面利用LCD液晶显示,使各业主很方便知道自已各种费用;另一方面,利用通信接口,通过TCP/IP协议,保证采集到的数据安全性、可靠性、有效性传输到控制中心,用于整个系统协调控制和管理。
 

 

  2 系统实现
  2.1 硬件结构

 

  节点处理机要执行繁重的通信和算法处理,对处理器的通信和运算速度有很高的要求,传统的单片机处理器性能有限无法满足节点的要求。因此采用SAMSUNG公司的处理器S3C2410平台,它具有灵活的特性和强大的性能,在嵌入式系统中得到了广泛的应用。该处理器内部集成了ARM公司ARM920T处理器核的32位微控制器,资源丰富,带独立的16 KB的指令CACHE和16 KB数据CACHE,LCD控制器、RAM控制器、NAND闪存控制器、三路UART、四路DMA、四路带PWM的Timer、并行I/O口、八路10位ADC、TouchScreen接口、I2C接口、I2S接口、两个USB接口控制器、两路SPI,主频最高可达203 MHz。在处理器丰富资源的基础上,还进行了相关的配置和扩展,平台配置了16 MB 16位的FLASH和64 MB 32位的SDRAM。通过以太网控制器芯片DM9161扩展了一个网口,另外引出了一个HOST USB接口。硬件平台如图3所示。主要包括数据采集、数据显示、数据存储以及数据传输(网络控制)。这里主要介绍数据显示和数据传输的实现。

  

  2.1.1 显示接口的实现

  在该显示系统的硬件电路中,S3C2410与LCD模块的连接是关键。S3C2410内部自带一个LCD驱动控制器(STN&TFT),可以支持规格为每像素2位(4级灰度)或每像素4位(16级灰度)的黑白LCD。也可以支持每像素8位(256级颜色)的彩色LCD屏。通过编程可以支持不同LCD屏的要求。本系统除了显示用户水、电、媒气的用量.还要显示时间和室内摄像的图像。因此,选用夏普公司生产的图形点阵256色STN液晶模块LM057QCl-T0l,它的分辨率为320×240,由于它具有接口简单、工作稳定和便于操作等特点,在嵌入式系统有比较广泛的应用。LM057QClT01要求其电源电压VDD为5 V,并且LCD数据和控制信号的高电平输入电压V1H在3.8~5.25 V范围内,低电平输入电压价则在O~1.5 V范围内,故可以直接与S3C44BOX0相连,而液晶显示所需的偏转电压(27 V)可由外电路接入到VEE(第7管脚),其电路图如图4所示。

  

  2.1.2 网络通信接口的实现

  对于以太网接口,S3C24lO内嵌了两个以太网控制器,在全双工模式下支持IEEE 802.3.MAC控制层协议,但未提供物理层接口,需外接一片物理层芯片以提供以太网的接人通道。本系统中选用DM9161作为物理层芯片,由于信号定义很明确,连接比较简单。信号的发送和接收应通过网络隔离变压器和网络水晶接头RJ45接口接入以太网。DM9161是高集成度、低功耗的100Base-TX和10Base-T物理层收发芯片,只需要连接很少外围元件就可以实现以太网数据的物理层收发,提供完全IEEE 802.3u中定义的100Base-TX所有的物理层功能。使用非屏蔽双绞线(UTP5/UTP3)作为传输媒质,为MAC层设备提供MII。MII是IEEE 802.3u标准(Clause22)中定义的接口规范。其目的是提供一个简单的、易于实现的MAC子层和物理层的接口。MII接口使得不同的传输媒质和物理层接口模块可以通过统一的接口与MAC子层进行数据交互。

  

  2.2 系统软件

  系统操作系统采用Linux操作系统,Linux内核是一种源码开放的操作系统,采用模块化的设计。在此只保留了必需的功能模块,删除了冗余的功能模块,并对内核重新编译,从而使系统运行所需的硬件资源显著减少。最重要的一点是,Linux自诞生之日起就与网络密不可分。Linux系统内核集成了大量的网络应用程序,支持全部的标准因特网协议和几乎所有的联网技术,这使Linux很适合基于网络的应用开发,用户编写的程序代码可以直接建立在这些网络应用程序的基础之上,从而大大缩短开发周期。因此将其应用于智能家居控制器的设计,具有代码量小、运行消耗系统资源少、可靠性高、开发周期短等优点,适应智能家庭数据采集控制器对于操作系统的要求。

  2.3 应用软件

  应用软件主要有协议软件、数据采集模块、通信处理模块、用户接口管理等。这里主要介绍数据显示模块和通信处理模块的实现。

  2.3.1 数据显示

  LCD的显示包括LCD初始化、LCD显示和LCD清屏三个模块。采用S3C2410的PORTC和PPORTD作为LCD驱动接口,因此需设置它们的工作在第3功能状态,设置I/O口控制寄存器的语句如下:

  

  部分显示程序如下:

  

  2.3.2 通信软件模块

  本系统采用TCP/IP协议,信过程采用客户-服务器模式,其具体流程图如图6所示。

  

  3 结语

  本文提出一种基于S3C22410处理器的智能家居数据采集系统的设计。系统包括数据采集、数据显示、数据存储以及数据传输(网络控制)四部分。实现水、电、气三表一体的智能管理,利用TCP/IP协议实现数据传输,实现对家居环境状态进行有效监控,既有效地节约了小区务业管理的人力资源,又有效地降低了事故的发生率,保证居住方便、安全、舒适,很适合智能家居的应用与推广。


关键字:S3C2410  智能家居  数据采集系统

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mcu/article_2016100930235.html
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