Android終端及FPGA控制的智能家居系統(tǒng)

　　針對智能家居的應(yīng)用需要和智能手機(jī)的日益普及，設(shè)計并實現(xiàn)了一個以Android手機(jī)作為遙控終端及FPGA為主控中心的智能家居系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用藍(lán)牙進(jìn)行通信，應(yīng)用多種傳感器，實現(xiàn)視頻監(jiān)控、學(xué)習(xí)型紅外遙控、溫濕度采集、振動檢測以及GSM遠(yuǎn)程報警等功能，從而滿足用戶的需求并達(dá)到一種智能控制的效果。該系統(tǒng)使用方便、操作簡單、易于擴(kuò)展。

　　智能家居是以住宅為平臺，利用通信技術(shù)、自動控制技術(shù)等新技術(shù)，將各種家電安防設(shè)施進(jìn)行集成，組成住宅設(shè)施管理系統(tǒng)，造就一個安全便利舒適環(huán)保的家居生活環(huán)境。近年隨計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，智能家居逐漸成為未來家居生活的發(fā)展方向。

　　在智能家居的控制系統(tǒng)中，控制終端是其核心設(shè)備，目前主要有以下幾種方案：第一種是采用鍵盤、LCD顯示器和紅外遙控器等設(shè)備對各種家用設(shè)備進(jìn)行控制，這種方式需要對終端的軟件和硬件分別進(jìn)行設(shè)計，因而設(shè)計復(fù)雜且成本高。第二種是采用PC作為控制終端，使用這種方式的缺陷是只能在固定的位置進(jìn)行控制。第三種是采用智能手機(jī)作為控制終端，通過WiFi、藍(lán)牙、GSM等無線網(wǎng)絡(luò)對家居系統(tǒng)進(jìn)行控制，此方案使用方便、快捷。

　　隨著Android智能終端日益普及，其作為控制終端將成為未來智能家居系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。本系統(tǒng)以Android智能設(shè)備作為遙控終端，以FPGA作為主控中心處理器，通過藍(lán)牙與手機(jī)端進(jìn)行通信并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實現(xiàn)視頻監(jiān)控、紅外遙控、溫濕度檢測、振動檢測、GSM遠(yuǎn)程報警等功能。FPGA內(nèi)部資源豐富，接口方便，還可實現(xiàn)臉部識別、指紋識別等功能。

　　1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，首先在Android平臺下開發(fā)一個應(yīng)用程序，數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙發(fā)送給主控中心，當(dāng)FPGA接收處理完數(shù)據(jù)后通過串口給相應(yīng)的功能模塊發(fā)送指令，各功能模塊執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)后也會將數(shù)據(jù)通過主控中心返回給智能終端并顯示，其中采用串口通信可讓通信方式多樣化，如485總線、藍(lán)牙模塊、WiFi模塊、ZigBee模塊等都可用串口進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)。這種結(jié)構(gòu)使得用戶只需用手機(jī)、平板電腦等Android終端就能任意控制各種家用設(shè)備并實時掌握周圍的環(huán)境情況，使用非常簡單快捷。

　　圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　2主控中心FPGA設(shè)計

　　本系統(tǒng)采用FPGA作為中間控制部分的處理器主要基于以下兩點考慮，首先整個系統(tǒng)中用到多個串口，普通單片機(jī)內(nèi)部不超過3個串口，而FPGA可以根據(jù)需求搭建多個UART接口;其次FPGA可以采用平行以及流水線處理，可以完成視頻數(shù)據(jù)采集、VGA接口輸出等高速處理，還可完成臉部識別、指紋識別等復(fù)雜運算。設(shè)計中采用的FPGA芯片型號是Altera公司CycloneII系列EP2C8Q208C8，在QuartusII平臺下用Verilog語言進(jìn)行開發(fā)。

　　2.1 UART模塊的設(shè)計

　　由于FPGA與各功能模塊均利用串口進(jìn)行通信，因此需要搭建多個UART接口，對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和處理。UART通信模塊主要由波特率產(chǎn)生模塊、發(fā)送模塊和接收模塊三部分組成，其中波特率產(chǎn)生模塊是將50MHz的主時鐘經(jīng)過多次分頻后為UART的收發(fā)模塊提供特定的波特率。

　　FPGA中的每個UART都被例化成一個子模塊，各模塊間通過輸出輸入接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，此外還有一個控制模塊，用于控制每個串口的發(fā)送和接收。

　　2.2視頻監(jiān)控的設(shè)計

　　視頻監(jiān)控是家庭防盜系統(tǒng)中必不可少的部分，本系統(tǒng)通過OV7670攝像頭獲取視頻信息，用FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和存儲，最后通過VGA接口用顯示器顯示出來。框架如圖2所示。

　　圖2視頻監(jiān)控框架圖

　　OV7670是OmmVision公司生產(chǎn)的CMOS攝像頭，通過SCCB總線控制，圖像最高達(dá)到30幀/s.FPGA先構(gòu)建一個配置模塊，用SCCB總線對OV7670進(jìn)行初始化設(shè)置并使其開始工作，其中的SCCB總線本質(zhì)為簡化了的I2C總線。

　　配置成功后，F(xiàn)PGA將接收RGB565格式的數(shù)據(jù)，即第一個字節(jié)的前5位表示紅色，第一字節(jié)的后3位和第二字節(jié)前3位表示綠色，第二字節(jié)后5位表示藍(lán)色。數(shù)據(jù)通過SDRAM控制模塊存進(jìn)外部SDRAM中，SDRAM的主要作用是把圖像數(shù)據(jù)以30幀/s的速率進(jìn)行緩存，然后再以60幀/s的速率讀出。從SDRAM讀出的數(shù)據(jù)將通過VGA控制模塊轉(zhuǎn)換為VGA協(xié)議輸出，最后通過一個三路10位高速視頻DAC芯片ADV7123進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換后顯示在顯示器上，進(jìn)行實時的監(jiān)控。

　　除了可實時監(jiān)控外，當(dāng)系統(tǒng)觸發(fā)警報信息后可以對視頻信息存儲到外接Flash中，由于Flash的容量以及讀寫速度有限，不能將所有視頻數(shù)據(jù)保存下來，因此采樣間斷性存儲的方法，即以圖片的形式將現(xiàn)場的情況保存下來，這種方式既能減少Flash的容量，又可以較好地保存現(xiàn)場的信息。