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，設計并實現了一個以Android手機作為遙控終端及FPGA為主控中心的智能家居系統，該系統利用藍牙進行通信，應用多種傳感器，實現視頻監控、學習型紅外遙控、溫濕度采集、振動檢測以及GSM遠程報警等功能，從而滿足用戶的需求并達到一種智能控制的效果。該系統使用方便、操作簡單、易于擴展。

　　智能家居是以住宅為平臺，利用通信技術、自動控制技術等新技術，將各種家電安防設施進行集成，組成住宅設施管理系統，造就一個安全便利舒適環保的家居生活環境。近年隨計算機技術、通信技術和網絡技術的發展，智能家居逐漸成為未來家居生活的發展方向。

　　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、LCD顯示器和紅外遙控器等設備對各種家用設備進行控制，這種方式需要對終端的軟件和硬件分別進行設計，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行控制。第三種是采用智能手機作為控制終端，通過WiFi、藍牙、GSM等無線網絡對家居系統進行控制，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發展的趨勢。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，通過藍牙與手機端進行通信并對數據進行處理，實現視頻監控、紅外遙控、溫濕度檢測、振動檢測、GSM遠程報警等功能。FPGA內部資源豐富，接口方便，還可實現臉部識別、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Android平臺下開發一個應用程序，數據通過藍牙發送給主控中心，當FPGA接收處理完數據后通過串口給相應的功能模塊發送指令，各功能模塊執行相應任務后也會將數據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、藍牙模塊、WiFi模塊、ZigBee模塊等都可用串口進行收發數據。這種結構使得用戶只需用手機、平板電腦等Android終端就能任意控制各種家用設備并實時掌握周圍的環境情況，使用非常簡單快捷。

　　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考慮，首先整個系統中用到多個串口，普通單片機內部不超過3個串口，而FPGA可以根據需求搭建多個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語言進行開發。

　　2.1 UART模塊的設計

　　由于FPGA與各功能模塊均利用串口進行通信，因此需要搭建多個UART接口，對數據進行傳輸和處理。UART通信模塊主要由波特率產生模塊、發送模塊和接收模塊三部分組成，其中波特率產生模塊是將50MHz的主時鐘經過多次分頻后為UART的收發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行數據的交互，此外還有一個控制模塊，用于控制每個串口的發送和接收。

　　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OV7670攝像頭獲取視頻信息，用FPGA進行數據的采集和存儲，最后通過VGA接口用顯示器顯示出來。框架如圖2所示。

　　圖2視頻監控框架圖

　　OV7670是OmmVision公司生產的CMOS攝像頭，通過SCCB總線控制，圖像最高達到30幀/s.FPGA先構建一個配置模塊，用SCCB總線對OV7670進行初始化設置并使其開始工作，其中的SCCB總線本質為簡化了的I2C總線。

　　配置成功后，FPGA將接收RGB565格式的數據，即第一個字節的前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SDRAM控制模塊存進外部SDRAM中，SDRAM的主要作用是把圖像數據以30幀/s的速率進行緩存，然后再以60幀/s的速率讀出。從SDRAM讀出的數據將通過VGA控制模塊轉換為VGA協議輸出，最后通過一個三路10位高速視頻DAC芯片ADV7123進行D/A轉換后顯示在顯示器上，進行實時的監控。

　　除了可實時監控外，當系統觸發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，不能將所有視頻數據保存下來，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場的信息。