Android終端及FPGA控制的智能家居系統

　　針對智能家居的應用需要和智能手機的日益普及，設計并實(shí)現了一個(gè)以Android手機作為遙控終端及FPGA為主控中心的智能家居系統，該系統利用藍牙進(jìn)行通信，應用多種傳感器，實(shí)現視頻監控、學(xué)習型紅外遙控、溫濕度采集、振動(dòng)檢測以及GSM遠程報警等功能，從而滿(mǎn)足用戶(hù)的需求并達到一種智能控制的效果。該系統使用方便、操作簡(jiǎn)單、易于擴展。

　　智能家居是以住宅為平臺，利用通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等新技術(shù)，將各種家電安防設施進(jìn)行集成，組成住宅設施管理系統，造就一個(gè)安全便利舒適環(huán)保的家居生活環(huán)境。近年隨計算機技術(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(lái)家居生活的發(fā)展方向。

　　在智能家居的控制系統中，控制終端是其核心設備，目前主要有以下幾種方案：第一種是采用鍵盤(pán)、LCD顯示器和紅外遙控器等設備對各種家用設備進(jìn)行控制，這種方式需要對終端的軟件和硬件分別進(jìn)行設計，因而設計復雜且成本高。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作為控制終端，通過(guò)WiFi、藍牙、GSM等無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )對家居系統進(jìn)行控制，此方案使用方便、快捷。

　　隨著(zhù)Android智能終端日益普及，其作為控制終端將成為未來(lái)智能家居系統發(fā)展的趨勢。本系統以Android智能設備作為遙控終端，以FPGA作為主控中心處理器，通過(guò)藍牙與手機端進(jìn)行通信并對數據進(jìn)行處理，實(shí)現視頻監控、紅外遙控、溫濕度檢測、振動(dòng)檢測、GSM遠程報警等功能。FPGA內部資源豐富，接口方便，還可實(shí)現臉部識別、指紋識別等功能。

　　1系統結構

　　系統結構框圖如圖1所示，首先在A(yíng)ndroid平臺下開(kāi)發(fā)一個(gè)應用程序，數據通過(guò)藍牙發(fā)送給主控中心，當FPGA接收處理完數據后通過(guò)串口給相應的功能模塊發(fā)送指令，各功能模塊執行相應任務(wù)后也會(huì )將數據通過(guò)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(xiàn)、藍牙模塊、WiFi模塊、ZigBee模塊等都可用串口進(jìn)行收發(fā)數據。這種結構使得用戶(hù)只需用手機、平板電腦等Android終端就能任意控制各種家用設備并實(shí)時(shí)掌握周?chē)沫h(huán)境情況，使用非常簡(jiǎn)單快捷。

　　圖1系統結構框圖

　　2主控中心FPGA設計

　　本系統采用FPGA作為中間控制部分的處理器主要基于以下兩點(diǎn)考慮，首先整個(gè)系統中用到多個(gè)串口，普通單片機內部不超過(guò)3個(gè)串口，而FPGA可以根據需求搭建多個(gè)UART接口;其次FPGA可以采用平行以及流水線(xiàn)處理，可以完成視頻數據采集、VGA接口輸出等高速處理，還可完成臉部識別、指紋識別等復雜運算。設計中采用的FPGA芯片型號是Altera公司CycloneII系列EP2C8Q208C8，在QuartusII平臺下用Verilog語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

　　2.1 UART模塊的設計

　　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(gè)UART接口，對數據進(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(shí)鐘經(jīng)過(guò)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(gè)UART都被例化成一個(gè)子模塊，各模塊間通過(guò)輸出輸入接口進(jìn)行數據的交互，此外還有一個(gè)控制模塊，用于控制每個(gè)串口的發(fā)送和接收。

　　2.2視頻監控的設計

　　視頻監控是家庭防盜系統中必不可少的部分，本系統通過(guò)OV7670攝像頭獲取視頻信息，用FPGA進(jìn)行數據的采集和存儲，最后通過(guò)VGA接口用顯示器顯示出來(lái)?？蚣苋鐖D2所示。

　　圖2視頻監控框架圖

　　OV7670是OmmVision公司生產(chǎn)的CMOS攝像頭，通過(guò)SCCB總線(xiàn)控制，圖像最高達到30幀/s.FPGA先構建一個(gè)配置模塊，用SCCB總線(xiàn)對OV7670進(jìn)行初始化設置并使其開(kāi)始工作，其中的SCCB總線(xiàn)本質(zhì)為簡(jiǎn)化了的I2C總線(xiàn)。

　　配置成功后，FPGA將接收RGB565格式的數據，即第一個(gè)字節的前5位表示紅色，第一字節的后3位和第二字節前3位表示綠色，第二字節后5位表示藍色。數據通過(guò)SDRAM控制模塊存進(jìn)外部SDRAM中，SDRAM的主要作用是把圖像數據以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讀出的數據將通過(guò)VGA控制模塊轉換為VGA協(xié)議輸出，最后通過(guò)一個(gè)三路10位高速視頻DAC芯片ADV7123進(jìn)行D/A轉換后顯示在顯示器上，進(jìn)行實(shí)時(shí)的監控。

　　除了可實(shí)時(shí)監控外，當系統觸發(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(xiě)速度有限，不能將所有視頻數據保存下來(lái)，因此采樣間斷性存儲的方法，即以圖片的形式將現場(chǎng)的情況保存下來(lái)，這種方式既能減少Flash的容量，又可以較好地保存現場(chǎng)的信息。