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摘要：随着经济与科技的进步，网络进入了千家万户，智能家居市场水涨船高，文章介绍了嵌入式智能家居控制系统的架构，再从硬件设备与软件设计两个方面出发详细地介绍了该智能家居控制系统。
关键词：嵌入式；Linux；ARM架构；智能家居
Embedded Smart Home System Based on Linux and ARM Architecture
GUO Shilin,JIANG Yefeng,HOU Junbo,WEI Yingnan
(Liaoning University of Science and Technology,Anshan Liaoning 114051)
【Abstract】：With the progress of economy and science and technology,the network has entered thousands of households,the smart home market is rising,the article introduces the architecture of the embedded smart home control system,and then introduces the smart home control system in detail from the two aspects of hardware equipment and software design.
【Key words】：embedded;Linux;ARM architecture;smart furniture
0引言
科技的发展日新月异，电子设备逐渐普及，智能家居逐渐进入大众视野。在此之前智能家具的操控系统多为基于Windows，但它并不能满足现在人们追求新鲜事物，寻找新功能，体验新感受的需求，而Linux操作系统却可以完美的解决这一问题，首先设计者可以根据用户的提议直接修改内核源码使其完美契合用户要求，其次Linux完全免费，任何人不用花钱就可以下载使用，而且有多个发行版可供选择，所以基于Linux的智能家具控制系统的设计与实现更加顺应当前智能家居市场要求，对于提高人们的生活质量具有重要意义。
1智能家具控制系统架构
该智能家具采用64位四核ARM Cortex-A53主控芯片。从扩展性上来讲，8位单片机的扩展功能非常有限，这也导致限制了它的广泛运用，而在ARM架构的嵌入式主板上，可以通过总线等进行扩展，为开发者满足消费者对于智能产品层出不穷的期许带来极大便利。从网络传输上来讲，大多数的客户要求嵌入式主板具有高速网络功能来快速的传输数据，以实现远程智能控制和传输，因此ARM嵌入式主板能满足绝大多数客户的需求[1]。基于ARM架构的功能实现如图1所示。
2硬件设备
硬件设备是与客户直接产生联系的设备，它不仅需要考虑到设备的稳定与安全还要简单易用顺应时代发展趋势，该智能家具控制系统对于硬件的设计有语音操控[2]，对室内环境的实时监测(当客户不在家中时监测室内是否有火灾发生等)，人脸采集实现各种隐私操作(如打开房门、打开保险箱等操作)，以及设备之间的独立供电与继电器的控制，该硬件系统充分配备了客户日常生活中所需的功能，具体展示如下。
2.1语音识别模块
该模块基于LD3320语音识别模块，LD3320是非特定人(不用针对指定人)语音识别芯片，即语音声控芯片。最多可以识别50条预先内置的指令，具有16个3.3v输出口可与继电器模块，单片机IO口等设备相连，通过内置咪头捕捉语音指令，也可以使用咪头外接进行扩展，具备三种工作模式(普通模式：直接进行指令识别；按键模式：需要预先通过按键触发开始ASR进程；口令模式：先识别唤醒口令再识别工作口令)而本智能家具控制系统为避免指令误触以及提升设备易用性与识别精准度故采用了口令模式。语音识别模块工作模式及流程如图2所示。
2.2传感器模块
智能家居控制系统的传感器模块采用的是HW-072火焰传感器，它的工作原理是利用其对于火焰产生的红外线异常敏感的特点，当火焰亮度变大以及周围环境温度剧烈升高导致发出的红外线随之增多时，火焰传感器管脚间的阻抗变小，当火焰亮度变小时，发出的红外线越少，火焰传感器管脚间的阻抗变大。利用ADO口检测管脚分压的原理来检测火焰，IO管脚与蜂鸣器，LED灯相连，当IO管脚为低电平时，蜂鸣器和LED灯的电路导通，产生鸣叫同时LED亮进而实现报警功能。
2.3人脸信息采集模块
该模块是在Linux CMOS Sensor Interface基础上采用RPI Camera V2型号的USB摄像头进行人脸信息采集，像素可达800万，视场角度为62.2。
采集信息时可以同通过raspistill指令制定需要捕捉的人脸信息的大小、存储路径以及多种高级属性，如白平衡、对焦方式、测逛模式、曝光补偿、光圈快门等，之后由总线接收人脸信息数据再压缩并传输，再交由ARM Cortex-A53主控芯片处理此人脸信息，最后通过Socket技术(基于TCP协议)将人脸信息实时反馈在手机客户端中，这样就可以实现通过手机对现场画面进行监控与捕捉。
2.4继电器控制模块
无论是通过语音指令控制家具还是终端App控制家具，最终的操控点都会落在继电器上，继电器是具有隔离功能的自动开关元件，广泛应用于遥控、遥测、通讯、自动控制、机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一，在本系统中均使用由低电平触发，220v，10A的继电器，采用低电平触发可以充分保障客户在使用电器时的安全。为避免一个继电器故障导致整套智能家具控制系统全部失灵，该智能家居控制系统采用继电器与工作设备一对一模式，即一个继电器只控制一个设备。
3软件设计
软件设计主要完成应用程序的设计，多线程的实现，工厂模式的构建，信息处理，Android终端控制及其App界面的搭建与美化，软件部分的设计直接关系到客户的使用体验即可靠性、稳定性、流畅性等。客户通过操控软件间接控制硬件设备乃智能家居控制系统的点睛之笔。
3.1工厂模式的设计与实现
工厂模式(Factory Pattern)是最常用的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。在工厂模式中，我们在创建对象时不会对客户端暴露创建逻辑，并且是通过使用一个共同的接口来指向新创建的对象。在该智能家居控制系统中设有两大工厂分别为指令工厂和设备工厂，其中指令工厂内封装了语音指令控制以及Android终端控制，设备工厂内封装了诸多硬件设备，如RPI Camera V2型USB摄像头、LED灯、火焰传感器等，当需要添加新控制功能或新设备时，只需要将其插入对应的工厂链表中，再由主线程连接调用即可[3]，可塑性极强。
3.2安卓App控制模块
该模块基于网络Socket编程(Socket流程如图3所示)，使用Around开发，可以对智能家具实现远程控制[4]，RPI Camera V2型USB摄像头捕捉到的内容可通过App内上方显示区反馈给客户，进而达到监控的目的，此区域也可以作为展示区，设计成如超链接或图片等内容供客户查看观赏。在App下方设有多个按键，每个按键都对应相关的操作，客户可以通过触控相应按键实现远程控制。
3.3 App页面的实现
该Android终端的界面主要包含两部分，分别为监控区和控制区，使用HTML(超文本标记语言)、CSS语言、动态Web网页设计等共同构建，当客户端访问服务器时，需要正确的IP地址及端口号(已固定)作为登录条件，只有当用户输入内容正确无误后才可以使用此App。
3.4多线程工作的实现
多线程允许在程序中并发执行多个指令流，每个指令流都称为一个线程，彼此间互相独立。线程又称为轻量级进程，它和进程一样拥有独立的执行控制，由操作系统负责调度，在该智能家居控制系统中，语音指令控制、火灾报警、人脸识别等都需要并列执行，而不能在执行语音指令控制时火灾报警和人脸识别就失效了，因此各功能皆为独立线程互不干扰并行执行，线程的创建如图4所示。
4结语
本项目基于Linux操作系统与ARM架构并用C语言、Java语言进行研发，其拓展性、开发成本及功耗等方面相比于传统的基于Windows操作系统并通过蓝牙、WLAN等技术连接的智能家居具有显著优势。智能家居会让人们的生活变得更加高效，清除使用家具时冗余的操作流程，极大地提升了生活质量，从而更好地回馈社会，推动社会进步，因此应用前景广泛，商业价值可观，该智能家居控制系统研发经费由辽宁科技大学创新创业训练计划支持，项目名称为基于Linux和ARM架构的嵌入式智能家居。
参考文献
[1]钱俊.浅析基于STM32的智能家具控制系统的设计与开发[J].电子测试,2019(19):41-42.
[2]陆彩霞.基于嵌入式Linux的智能家居照明节能控制系统研究与实现[J].微电子学与计算机,2016,33(10):139-142.
[3]叶核亚.数据结构[M].北京:电子工业出版社,2015:17-47.[4]明日科技.Java从入门到精通[M].北京:清华大学出版社,2019:324-342.
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