基于S5P6818的在线智能家居监测电路设计

王亚林，王清勃，查文华

东华理工大学机械与电子工程学院，江西，南昌，330013

0 引言

随着国家经济发展和百姓生活水平的提高，人们对家居环境的品质要求越来越高，家中空气湿度、温度和不健康气体等逐渐被重视和关注起来。本文设计一种在线家居环境监测系统，以GEC-S5P6818为控制器，在其外围加上温度、光照等传感器模块，可以采集环境温度、湿度、大气压强和光照强度等信息，并在LCD屏上显示出来，同时也将数据通过MQTT实时上传阿里云服务平台，实现环境数据在线监控和显示，达到了对监控环境的实时监测[1-2]。

1 智能监控系统的主要硬件部分

使用的GEC-S5P6818开发平台有丰富的外围设备，支持以太网、USB接口和MIPI接口。在底板背部留有一个40PIN的LCD接口，通过软排线将RGB相关信号连接到LCD控制板上[3]，硬件结构总体框图如图1所示。

图1 硬件结构总体框图

1.1 LCD显示字符部分

利用了分辨率为800*480的LCD显示屏。当显示BGM图片时，把颜色值填入帧缓冲设备中，底层驱动按照从左到右、从上到下的顺序把屏幕每个像素点显示成对应的颜色，在LCD屏上就能显示出bmp图片。当内存映射时，使用mmap函数把一个文件映射到内存，映射成功之后就可以像操作内存一样操作这个文件，进而对文件进行一系列操作。

1.2 GY-39传感器模块

使用的GY-39是一款能实现气压、温湿度、光照强度采集的传感器模块，工作电压3～5V，当MCU收集传感器数据后，通过用户解析统一处理后，在终端显示出计算后的结果。

1.3 火焰传感器部分

使用的火焰传感器连接在开发板的串口上，工作电压3.3～5V；比较器输出信号，波形良好，具有驱动能力，输出电流达15mA以上。火焰传感器可检测波长范围在760～1100nm内的火焰。在测试初期，一直使用打火机作火源，火焰距离80cm左右，火焰越大，测试距离越远。检测角度纵向约为60度，利用传感器对火焰光谱的敏感性，在可调电位器调节下，可适当调节火焰传感器的灵敏度。在检测范围内，当检测到火苗或明显的光照时，AD口采集到数据后会向核心板发送高电位“1”，串口RX收到该数据后，开始调用蜂鸣器函数并驱使蜂鸣器发声，如果火焰不结束，蜂鸣器会一直鸣叫。

2 开发环境及配置设计

在嵌入式开发平台创建好开发环境后进行配置、安装，然后在主机上编辑和调试嵌入式程序，并将文件执行写入目标机中。利用虚拟机系统、物理机系统和ARM开发板文件的共享功能，实现编译程序代码及跨平台代码的信息编辑[4-5]。

设计中利用source insight4.0进行代码书写、管理。其中，Ubuntu的代码编译使用arm-linuxgcc系列工具，在遇见错误和逻辑问题时，为稳定执行过程，做到及时修改程序，可使用gdb进行调试。在PC机上编译完成后，利用rz工具进行烧写，然后经过串口写进S5P6818开发板上。接入网线到开发板中会出现以下情况。

（1）在SecureCRT终端可以打开以下信息：[4147.078000] PHY: stmmac-0:04 - Link is Up - 1000/Full，说明当前以太网口已经被激活可以使用。

（2）以太网口LED灯在闪烁,说明在测试Windows与开发板是不是连通；开发板ping百度时出现：

[root@GEC6818 /]#ping www.baidu.com

PING www.baidu.com: 56 data bytes

64 bytes from www.baidu.com: seq=0 ttl=64 time=1.888 ms

64 bytes from www.baidu.com: seq=1 ttl=64 time=0.648 ms

如果出现跳秒现象的话，说明开发板可与ping通PC机。

4 采集数据及计算过程

4.1 数据采集过程

由于GY-39模块采集到的数据，输出格式固定，每帧数据均含十六进制的8～13个字节，各帧含义如下：

Byte0: 0x5A，帧头标志；

Bytel:0x5A，帧头标志；

Byte2:0x15，本帧数据类型；

Byte3:0x04，数据量；

Byte4:0x00～0xFF，数据前高8位；

Byte5:0x00～0xFF，数据前低8位；

Byte6:0x00～0xFF，数据后高8位；

Byte7:0x00～0xFF，数据后低8位；

Byte8:0x00～0xFF，校验和。

4.2 GY-39模块涉及的数据计算

（1）光照强度计算（当Byte2=0x15时,数据:Byte4～Byte7）。

Lux=(前高8位＜＜24)| (前低8位＜＜16)| (后高8位＜＜8)|后低8位单位lux；

Lux=(0x00＜＜24)|(0x00＜＜16) |(0xFE＜＜8)0x40；

Lux= Lux/100-650.88 (lux)；

（2）温度、气压、湿度、海拔，分别计算（当Byte2=0x45时）。

温度：Byte4 Byte5；

T=(高8位＜＜8)| 低8位；

T= T/100单位C；

气压: Byte6-Byte9；

P= (前高8位＜＜24)| (前低8位＜＜16)| (后高8位＜＜8)| 后低8位；

P= P/100 单位pa；

湿度: Byte10-Byte11；

Hum= (高8位＜＜8) |低8位；

Hum= Hum/100 百分制；

海拔: Bytel2～Byte13；

H= (高8位＜＜8)| 低8位 单位m；

火焰传感器采集到的数据为高低电平，通过串口将采集到的数据读出来，高电平为1，低电平为0；将1和0作为字符串传递到应用的函数中即可，随后将导出的串口恢复。实验中，收集的部分数据见表1，系统采集数据与普通仪表采集数据对比如图2所示。

表1 实验采集数据

图2 系统采集数据与普通仪表采集数据对比

5 MQTT协议数据上报

系统是基于Aliyun mqtt的数据上传的代理协议，提供一对多分发消息，发布者可以匹配多个订阅者，当发布者更改时，可以通知所有订阅者，这种模式提供多个基于网络拓扑结构的扩展功能。在物联网平台上自定义Topic类后，设备将消息发送到自定义Topic中，服务端通过 SDK获取设备上报消息，服务端通过调用云端API Pub向设备发布指令，实现智能家居在线监控。来自IOT平台相应设备的数据显示在对象模型的选项卡上，数据验证通过后，它将与设备数据表单中的设备详细信息页面一起显示在IOT控制台平台上对应选项卡，服务器可以通过基本引擎获取响应结果，设备事件属性，数据，设备设置和属性，服务调用命令，预订服务，产品流云。通过定义物模型并设置实时刷新来实时查看采集到的数据，并且可以选择图表和表格的形式，使得数据更加的直观。

5.1 开发MQTT库需要提供命令

Connect：当一个TCP/IP套接字在服务器端和客户端连接建立时需使用的命令。

publish：是由客户端向服务端发送，告诉服务器端自己感兴趣的Topic。

disconnect：断开这个TCP/IP协议。

5.2 数据上报

采集到的一系列数据经过处理后，需要通过设备发送上报到云平台，即可实现智能家居系统的在线查看功能，利用打火机进行实验监测时，电脑监控界面出现异常报警信号，如图3所示。

图3 打火机测试报警信号

6 结语

本文利用嵌入式技术、物联网技术进行了家居环境的实验研究，实时监测出了家居环境的温度、湿度、光照强度等。但所设计系统也有不完美之处，偶尔出现数据的精度不够问题，且由于预算经费的限制，限制使用功能选用更好的模块，后续在功能扩展、精度条件和算法等方面还有深度研究的价值。理想型智能家居传感器终端应具有自适应判断环境、自我诊断和自我修复的能力，可以有效地改善智能家居应用的动态智能协作感知。此外，随着中国三大电信运营商对5G网络和应用的快速发展，依靠最新的5G网络优势，结合智能家居应用的特点，5G手机被用于实现可视对讲等服务。另外，在保证安全的基础上，通过终端模块加载和自动发现协议，使一些设备能通过大数据获取人们的日常活动，对家庭网络的访问将更加自动化，实现即插即用。