ARMv7树莓派的智能控制器设计与应用

作者:沈扬军;裘君;杨捷;王寅秋; 刊名:单片机与嵌入式系统应用 上传者:李欣

【摘要】设计了一款基于树莓派的智能控制器,并将其应用于楼宇控制中。所设计的控制器以树莓派为核心板,设计扩展了A/D转换输入模块、RS485通信模块、开关量输入/输出模块等,并且以嵌入式Linux操作系统作为运行环境编写了各模块的驱动程序、模块与模块之间相互联系的应用程序。经过测试,所设计的控制器能满足智能楼宇的控制需求。

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引 言随着嵌入式设备智能化程度的进一步提升以及物联网的快速发展,智能控制器作为嵌入式设备的“中枢控制”核心器件应用,渗透率得到进一步提升,从简单的家电、电动工具等应用拓展到智能硬件、汽车电子、智能家居、智慧城市等一系列新兴领域中。本文设计了一款基于树莓派的智能控制器,并且应用于楼宇控制系统中。树莓派[2]采用基于ARMv7的32位Broadcom BCM2836四核处理器,带有40个GPIO口,多组复用引脚,其中有2组UART接口、3组SPI接口、1组I2 C接口和1组PWM接口。根据智能楼宇应用需求,通过树莓派[3]的SPI接口、UART接口、I2 C接口等扩展了16路模拟量的输入模块,7路开关量的输入模块,8路开关量的输出模块和RS485模块等。树莓派40路引脚如图1所示。基于树莓派的智能控制器应用于楼宇控制中,体现了 图1 树莓派引脚图两个方面的优势:一方面扩展板丰富的接口可以采集楼宇控制中多种传感器信息,如温湿度传感器、压力传感器、烟雾传感器等;另一方面运行Linux操作系统[4]的树莓派可以运用遗传算法、蚁群算法、动态规划算法等对整体系统进行优化,还可使用树莓派的WiFi模块,通过MQTT通信,与阿里物联网实现信息的交互。智能控制器设计流程框图如图2所示。 管,判断器件是否处于正常的发送或接收状态。实际电路1 硬件电路设计设计如图5所示。1.1 电源模块智能控制器采用220 V交流供电,并通过220 V转12 V的HE12P24LRN AC-DC电源模块和12 V转5 V的DC-DC降压隔离模块进行电压转换。其中HE12P24LRN模块属于小封装型的高效绿色电源模块,它的电源波纹(见图3)与噪音性图5 RS485电路能优越,占用空间小且输出电压1.4 A/稳定。12 V、5 V和树莓派D采样电路设计GPIO接口输出的3.3V满足了图2 设计流程框图控制器需要实现对3种不同模拟量的采样,分别是模控制板对不同电压的需求。拟电压量、模拟电流量和模拟电阻量。根据楼宇控制系统需求,控制器设计了8组模拟电阻量、6组模拟电流量和2组模拟电压量。模拟电阻量电路设计如图6所示,主要适用于电阻式传感器,通过电阻式传感器阻值变化得到对应电压值,供A/D芯片采样。设计方法如下:外接5V电压供电,接口上方串联一个电阻R3(阻值根据接入电阻式传感器阻值图6 模拟电阻量输入的范围作调整)。选择合适的模块原理图图3 电源波纹图阻值,保证A/D芯片采样值均匀分布,确保A/D采样的1.2 开关量电路设计精确性。在开关量输入/输出电路设计中,采用光电耦合芯片模拟电流量的电路设计如图7所示,适用于电流式传PS2501进行光电隔离,低电平输入有效。PS2501体积感器,把4~20mA或0~10mA电流量转换成1~5V或小、寿命长、抗干扰能力强。电路设计如图4所示。0~5V的电压量供A/D芯片采样。设计方法如下:选择一块LM358(LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器)芯片,取12V电压供电。当实现4~20 mA转1~5 V电压时,R4取200Ω,R6=100kΩ,R7=25kΩ。根据同向放大电路倍数为A=(1+R7/R5)=1.25,R4两端的压降为0~2V,那么U1对应的图4 开关量输出电路1.3 RS485通信电路设计在RS485电路设计中,采用1块MAX485芯片进行电平转换,芯片的RO端和DI端分别连接树莓派GPIO口的TXD与RXD,/RE和DE连接DO13,当/RE为逻辑0时,器件处于接收状态;当DE为逻辑1时,器件处于发图7 模拟电流

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