基于FPGA的智慧家居系统设计

余永坤 重庆邮电大学通信与信息工程学院 亢成 /马昶 重庆邮电大学移动通信重庆市重点实验室

基于FPGA的智慧家居系统设计

余永坤 重庆邮电大学通信与信息工程学院 亢成 /马昶 重庆邮电大学移动通信重庆市重点实验室

智能家居最初的发展主要以灯光遥控控制和电动窗帘控制为主，随着行业的发展，智能控制的功能越来越多，控制的对象不断扩展，控制的联动场景要求更高，其不断延伸到家庭安防报警、门禁指纹控制等领域。本文利用FPGA芯片对各种传感器、摄像头和蓝牙模块等设备进行控制，实现了开锁拍照、有毒气体检测、温湿度检测等功能，最后利用手机APP实现了对家的远程监视和远程控制。

5G 万物互联 智慧家居 大规模传感器

1 引言

家居智能化系统的概念起源于上世纪70年代的美国，随后，传播到欧洲、日本等国并且得到了很好的发展。在我国，智能家居这一概念推广较晚，约在90年代末家居智能化系统才得以进入国内，但发展速度惊人，至今已存在相当数量的智能化小区及住宅。所谓智能家居是现代电子技术、自动化技术及通信技术相结合的产物。它能够自动控制和管理家电设备，对家庭环境的安全进行监控报警，并且能够为住户提供安全舒适、高效便利的学习生活及工作环境。家居智能化系统将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器以及家庭保安装置通过有线或无线的方式连接起来，并进行集中或异地的监控、管理，保持家庭住宅环境的舒适、协调。基于以上优势，本文设计了一种多种传感器并存的智慧家居系统。

2 智慧家居系统概述

2.1 系统框架

图1为智慧家居硬件系统框架构图。由图1可见，该系统主要包括核心处理器、电源模块、蓝牙模块和各类家居传感器模块(摄像头防盗模块，有毒气体检测模块，温湿度控制模块，光强照明控制模块)。核心处理器主要完成了各个功能模块的控制和与网络连接。

由于网络的飞速发展，人们希望在远方也能知道家里的情况，所以本文设计了一款基于安卓的手机app，其功能是将家里传感器采集的各种数据在手机上显示出来，同时也可以通过app将一些控制命令发送给处理器。

2.2 系统工作原理

如图1所示，降压模块是将家用220V交流电压降为5V和3.3V直流电压。然后，分别供给核心处理器、蓝牙模块和各类传感器模块。

传感器模块将采集的屋内信息，如有毒气体、温湿度、图像信息等传送至核心处理器。

核心处理器则负责将采集到的数据信息通过UART交给蓝牙模块。

WiFi模块和蓝牙模块将屋内采集到的数据信息发送至用户端，当然处理器也可以接受来至用户端的控制信息，比如灯光亮灭、温度调节等命令。

手机app通过蓝牙模块接收信息，并把这些信息呈现出来，使用户可以实时了解家中的情况。用户也可以通过app向家中下达控制指令，调节此时屋内环境的一些参数和指标。

图1 为智慧家居系统框架构

3 智慧家居硬件设计

3.1 处理器最小系统电路

本设计的核心处理器采用Xilinx公司研制的FPGA芯片，其型号为xc7a35tcpg，如图2为处理器最小系统电路原理图。xc7a35tcpg芯片有33280个逻辑单元，六输入LUT结构；1800Kbits快速RAM块；5个时钟管理单元，均各含一个锁相环(PLL)；90个DSP slices；内部时钟最高可达450MHZ；1个片上模数转换器(XADC)。Basys3板提供了完整的硬件存取电路，可以完成从基本逻辑到复杂控制器的设计，Basys3板包含16个拨键开关、16个LED、5个按键开关、4位7段数码管、3个Pmod连接口、一个专用AD信号Pmod接口、12位的VGA输出接口、USB-UART桥、串口flash、用于FPGA编程和通信的USB-JTAG口、连接鼠标、键盘、记忆棒的USB口。

图2 处理器最小系统电路原理图

3.2 各类传感器模块电路

图3为各类传感器电路原理图，其中摄像头防盗模块是采用的OV7670图像传感器，它体积小、工作电压低，提供单片VGA摄像头和影像处理器的所有功能。通过SCCB总线控制，可以输出整帧、子采样、取窗口等方式的各种分辨率8位影响数据。该产品VGA图像最高传输速率达到30帧/秒。

毒气检测模块采用的是MQ-9气体检测传感器，其所使用的气敏材料是在空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。其采用高低温循环检测方式低温(1.5V加热)检测一氧化碳。传感器的电导率随空气中一氧化碳气体浓度增加而增大，高温(5V加热)检测可燃气体甲烷、丙烷并清洗低温时吸附的杂散气体。使用简单的电路即可将电导率的变化，转化为与该气体浓度相对应的输出信号。

温湿度检测模块使用的DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有较高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并可以与一个高性能的处理器相连接。

光强调节模块使用的是光敏电阻传感器。1、光敏电阻模块对环境光线最敏感，一般用来检测周围环境的光线的亮度，触发单片机或继电器模块等；2、模块在环境光线亮度达不到设定阈值时，DO端输出高电平，当外界环境光线亮度超过设定阈值时，DO端输出低电平；3、DO输出端可以与单片机直接相连，通过单片机来检测高低电平，由此来检测环境的光线亮度改变。

当系统开始正常工作后，以上所有传感器开始实时检测屋内的信息，并将采集到的可靠信息传送给核心处理器。

图3 各类传感器电路原理图

图4为蓝牙模块电路原理图，HC-05嵌入式蓝牙串口通讯模块具有两种工作模式：命令响应工作模式和自动连接工作模式，在自动连接工作模式下模块又可分为主（Master）、从（Slave）和回环（Loopback）三种工作角色。当模块处于自动连接工作模式时，将自动根据事先设定的方式连接的数据传输；当模块处于命令响应工作模式时能执行下述所有AT命令，用户可向模块发送各种AT指令，为模块设定控制参数或发布控制命令。通过控制模块外部引脚（PIO11）输入电平，可以实现模块工作状态的动态转换。

系统开始正常工作以后，各类传感器将所采集到的信息传送给核心处理器。接着数据再经过处理，通过UART从处理器交给蓝牙模块。最后，数据被蓝牙模块发送给用户终端。若用户端需要发送控制命令，也将通过蓝牙模块接收并通过UART传输给核心处理器。

图4 蓝牙模块电路原理图

4 智慧家居软件设计

根据智慧家居系统的实际功能需求，系统软件主要可以划分为两个部分。第一部分是硬件部分软件设计，负责硬件模块的驱动；第二部分是用户终端手机安卓app的开发，负责人机的交互。

4.1 硬件部分软件设计

图5为智慧家居硬件部分软件设计流程图。如图所示当系统上电，各模块初始化正常工作。传感器模块将采集到的屋内信息，如有毒气体、温湿度、图像信息等传送至核心处理器。接着核心处理器负责将采集到的数据信息通过UART交给蓝牙模块。蓝牙模块将屋内采集到的数据信息发送至用户端，当然核心处理器也可以接受来至用户端的控制信息，比如灯光亮灭、温度调节等命令。

图5 硬件部分软件设计流程

4.2 手机APP部分软件设计

图6为手机APP部分软件设计流程图。如图所示当无线和蓝牙模块将屋内数据信息发送至手机，则APP将所得信息解析出来显示。用户进入信息界面需要注册好身份信息，进入主界面后，手机上会显示智能家居系统中的采集到的数据和人员动向的图片。

图6 手机APP部分软件设计流程

5 结论

本文中给出了基于FPGA的智慧家庭系统的设计原理以及工作流程。但该系统还需进一步的优化，比如在传感器的规模和数量上需要增加，以便更好的采集数据、完善功能；其次，数据的传输与发送应该借助蜂窝网或者无线局域网，来达到信息的高速和远距离传输；最后，手机终端的APP设计还应该完善，进一步提高用户体验。在未来，5G的商用和普及将会激发物联网技术的研究和应用。因此，智能家居有着巨大的商业潜力。

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