基于μC/OS的智能家居系统设计

　　采用Kinetis K10作为核心控制器，使用触摸屏实现显示和控制等人机交互功能，设计重点体现现代家居的安全监测和舒适度调节。软件方面成功移植了μc/OS操作系统，实现了防盗报警、消防报警、IC卡门禁、灯光调控、电动窗帘、温湿度检测和背景音乐控制等功能，实验室验证了系统的可行性和实用性。

　　科学技术不断的发展，人们生活水平得到很大提高，人们对物质生活要求舒适度日益增加，这样就使得人们对家居生活的要求也越来越向智能化、舒适化、安全化的方向发展。本文提出了一种基于μC/OS的智能家居系统的设计，重点体现安全监控和提高生活的舒适度与便捷度，尽可能为用户营造出一个安全舒适的生活环境。

　　1 设计方案

　　系统控制核心采用飞思卡尔kinetis K10芯片，控制系统选用μC/OS-Ⅲ操作系统[ 1 ]。主要功能：安全监测方面实现烟雾报警、IC卡门禁、红外报警、强行进入报警，舒适生活方面设计了自动窗帘、灯光调节、温湿度检测、音乐播放等功能，功能切换基本依靠触摸屏来控制。

　　1.1功能模块电路设计

　　1)灯光控制。通过继电器模块，实现5路灯光控制。图1中，当PTE4，PTE17管脚输入高电平时，对应的继电器会吸合，进而控制其连接的220V触点吸合，此时灯亮。反之，管脚输入低电平，继电器断开，触点断开，将灯断开。

　　2)背景音乐。电路中使用MP3解码模块，实现了背景音乐控制功能[ 2 ]。该模块需要+5V的直流电源，并接出一个耳机插孔，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)安全防范模块。安防是每个家庭系统中都必不可少的部分，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。卡门禁。通过IC卡的射频读写模块，进行IC卡识别，进而进行用户身份识别。将该模块与核心控制板相连接，与主机通信采用SPI通信模式。b.强行进入报警。强行进入警报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，增加了一个上拉电阻。当门打开时，门磁开关闭合，此时控制器检测到低电平，并且触发警报。c.燃气泄露和烟雾报警电路。该电路选用烟雾传感器来采集现场空气参数数据[ 3 ]。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。自动窗帘采用步进电机来实现，通过控制电机的正反转来控制窗帘的升降。使用4相5线步进电机，I/O口模拟输出脉冲通过ULN2003A放大后作为电机驱动[ 4 ]。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。使用ULN2003A搭建驱动电路。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。6)温湿度检测。温湿度检测体现在舒适度部分，这里使用SHT11温湿度传感器模块，来实现对环境温湿度的检测。

　　1.2软件设计

　　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。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。设计中，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，可以系统控制可以通过触摸屏、上位机和WIFI进行控制。

　　2 结论

　　采用kinetis K10作为核心控制芯片，并成功移植了μC/OS-Ⅲ实时操作系统，使用了IC卡等模块，实现用户身份识别，实时采集温湿度传感器、烟雾、窗门磁传感器状态，控制灯光、背景音乐和窗帘动作，控制程序设计参考人们的作息规律，更加贴近生活，并且设计了友好的人机交互界面，打造出一个安全、有序、高效的智能家居系统，实验室验证了该系统的可行性。

　　作者：刘晓羽 来源：科技风 2016年14期