基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計

1、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于實踐課程報告物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用學(xué)年學(xué)期:2014-2015學(xué)年下學(xué)期專業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)號： 031241108 授課班號： 0312411 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展以及生活水平的不斷提高，智能家居的概念開始走向大眾并成為一段時間以來科技界的熱門話題之一。由于其廣闊的應(yīng)用前景和巨大的潛在市場需求，各大電子廠商紛紛投入到智能家居系統(tǒng)的研發(fā)中，并已取得了長足的進步，世界上各種不同的智能家居產(chǎn)品相繼問世，極大的方便了人們的生活。 本文研究基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)。文章首先介紹了智能家居和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，然后介紹了物聯(lián)網(wǎng)在智能家居中的應(yīng)用現(xiàn)狀。無線

2、傳感器節(jié)點是組成智能家居系統(tǒng)的基礎(chǔ)單元，是本文設(shè)計的重點。本文綜合考慮智能家居低功耗、低成本、傳輸距離短等特點，選擇zigbee技術(shù)搭建智能家居無線網(wǎng)絡(luò)，選擇星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為智能家居網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 硬件方面，本文首先根據(jù)各節(jié)點的功能確定了各節(jié)點的結(jié)構(gòu)框架，選擇cc2430芯片為zigbee核心芯片設(shè)計zigbee模塊，選擇stm32f103vet6微控制器設(shè)計核心模塊，在此基礎(chǔ)上完成節(jié)點各模塊的硬件設(shè)計。軟件方面，也使用模塊化的設(shè)計方法，不同模塊之間的通信通過通信接口進行，這樣做有利于軟件系統(tǒng)的開發(fā)、維護和更新。 本文設(shè)計的智能家居系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控、報警、控制等功能，雖然不足以反映現(xiàn)代智能家居

3、系統(tǒng)的全貌，但是在某些方面體現(xiàn)出智能家居的方便性和實用性，以及廣泛的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞:智能家居、物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、zigbee, cc2430目 錄摘要.第一章緒論. 1 1. 1引言.1 1. 2智能家居概述. 1 1.2.1智能家居起源.1 1.2.2智能家居系統(tǒng)簡介. 1 1.2.3智能家居發(fā)展現(xiàn)狀. 2 1. 3物聯(lián)網(wǎng)概述. 3 1.3.1物聯(lián)網(wǎng)的定義. 3 1. 3. 2物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu). 3 1. 3. 3物聯(lián)網(wǎng)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀. 4 1. 4物聯(lián)網(wǎng)在智能家居中的應(yīng)用現(xiàn)狀. 4 1. 5課題的研究內(nèi)容.4第二章智能家居系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu).5 2. 1設(shè)計需求.5 2. 2總體設(shè)計方案.

4、5 2. 3拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇.7 2. 4系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計.7 2. 4. 1末端節(jié)點結(jié)構(gòu).7 2.4.2家庭網(wǎng)關(guān)節(jié)點結(jié)構(gòu). 82. 5軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計. 8第三章智能家居系統(tǒng)硬件設(shè)計. 8 3. 1硬件設(shè)計流程.8 3. 2模塊確定和核心芯片的選擇. 9 3. 3通信模塊設(shè)計.10 3.3.1 zigbee模塊設(shè)計. 10 3. 4采集模塊設(shè)計. 12 3. 4. 1溫度傳感器模塊. 12 3. 4. 2濕度傳感器模塊. 13 3. 4. 3火警監(jiān)測模塊. 14 3.4.4煤氣檢測模塊. 15 3. 4. 5紅外簾幕傳感器模塊.16 3. 5末端控制節(jié)點. 16第四章智能家居系統(tǒng)軟件設(shè)計. 1

5、7 4. 1軟件設(shè)計流程和開發(fā)平臺. 17 4. 2采集節(jié)點軟件設(shè)計. 184. 3控制節(jié)點軟件設(shè)計.18 4. 4網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟件設(shè)計.19全文總結(jié). 20參考文獻. 20第一章緒論1.1引言 隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，各種高科技家居產(chǎn)品越來越多的被應(yīng)用到我們的日常生活中，人們對生活質(zhì)量的要求也越來越高，對家居智能化的要求也越來越高，因此產(chǎn)生了智能家居的概念。智能家居最開始被定義為:將家庭中各種跟信息有關(guān)的通信設(shè)備、家用電器和安防設(shè)備通過hbs chome bus system，家庭總線技術(shù))連接到家庭智能系統(tǒng)上進行集中監(jiān)視、控制和管理，以保持住宅環(huán)境的舒適、安全與和諧。自從自智能家居的概念問世以

6、來，智能家居得到了很大的發(fā)展，各種產(chǎn)品相繼被推出，被廣泛應(yīng)用于家庭安防、家庭環(huán)境控制等方面，給人們的生活帶來的很大的方便，具有廣泛的應(yīng)用前景。 相對于的智能家居，物聯(lián)網(wǎng)的概念出現(xiàn)得更晚，隨著ibm公司2008年提出“智慧地球”概念，物聯(lián)網(wǎng)的概念更加貼近人們的生活。物聯(lián)網(wǎng)主要是把局域傳感網(wǎng)絡(luò)和目前發(fā)展已經(jīng)十分成熟的互聯(lián)網(wǎng)連接在一起，從而實現(xiàn)對被感知物體的監(jiān)測和控制。物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)為智能家居技術(shù)帶來了全新的解決方案，同時，我國政府推出的三網(wǎng)融合政策也為智能家居的發(fā)展提供了政策上的大力支持，隨著3g技術(shù)的發(fā)展和三網(wǎng)融合政策的大力推行，智能家居和物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系也變得更加緊密。 本課題是基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居

7、的研究，通過大量的傳感器采集用戶住宅環(huán)境，然后分析這些采集到的數(shù)據(jù)，為用戶提供智能服務(wù)。與普通家居相比，智能家居提高了人們的生活品質(zhì)，極大的方便了用戶。1.2智能家居概述1.2. 1智能家居起源 智能家居是it技術(shù)、控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)向傳統(tǒng)的家電產(chǎn)業(yè)滲透的必然結(jié)果。隨著近年來信息化的高速發(fā)展、通信的自由化和高層次化、業(yè)務(wù)量的高速增長和人們對工作和生活環(huán)境的安全性、舒適性以及高效性要求的提高，社會對智能家居的需求大大增加;此外在技術(shù)方面，電子信息通訊技術(shù)和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，也促成了智能家居的誕生。 上個世紀(jì)80年代初，大量采用電子技術(shù)的家電產(chǎn)品進入市場，產(chǎn)生了住宅電子化的概念。80年代中期，

8、將家電和通信設(shè)備以及安防設(shè)備的功能綜合后形成了住宅自動化的概念。80年代末，在美國出現(xiàn)了通過總線對家居中各種通信設(shè)備、安防設(shè)備等進行控制和管理的系統(tǒng)，稱為smart home，這就是現(xiàn)代智能家居的原型。1.2. 2智能家居系統(tǒng)簡介 現(xiàn)代智能家居系統(tǒng)一般可以分為內(nèi)網(wǎng)、外網(wǎng)和網(wǎng)關(guān)三部分。其中內(nèi)網(wǎng)是負(fù)責(zé)連接各種家電和其他設(shè)施的局域網(wǎng)，外網(wǎng)一般是小區(qū)局域網(wǎng)，internet等，功能是實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸,網(wǎng)關(guān)的作用是連接內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)，實現(xiàn)外網(wǎng)對內(nèi)網(wǎng)的控制智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。圖1.1智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 目前智能家居系統(tǒng)的功能主要由以下幾個方面:家電智能控制:對家電進行自動控制,如根據(jù)室內(nèi)溫度自動幵關(guān)

9、空調(diào)或調(diào)解空調(diào)的工作狀態(tài)。 燈光智能控制:根據(jù)室內(nèi)的光線強度自動調(diào)節(jié)照明設(shè)備的開關(guān)或照明強度。以保持室內(nèi)光線在合適的亮度。 家庭智能安防功能:目前家庭安防系統(tǒng)的主要功能是監(jiān)控火警、煤氣泄漏和非法闖入等。一旦出現(xiàn)以上情況，安防系統(tǒng)將有助于事件得到緊急處理以降低損失。此外，智能家居還包括家居布線系統(tǒng)、家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等方面。由于技術(shù)和成本等方面的限制，目前還沒有出現(xiàn)真正意義上完全的智能家居系統(tǒng)，但是利用無線傳感器技術(shù)強大的擴展能力，只要在設(shè)計系統(tǒng)時預(yù)留相應(yīng)的擴展接口，在需要添加設(shè)備或更新技術(shù)時不需要對現(xiàn)有系統(tǒng)進行改造，只需要通過firmware升級和節(jié)點的擴充即可實現(xiàn)系統(tǒng)的升級。 1.2.3智能家居發(fā)

10、展現(xiàn)狀 自從世界上第一幢智能建筑于1984年在美國出現(xiàn)以后，美國、歐洲、澳大利亞等很多國家先后提出了智能家居的解決方案，智能家居在這些國家有著很廣泛的應(yīng)用，雖然智能家居技術(shù)是一個新興的概念，而且剛處于起步的階段，但是它的其市場前景已經(jīng)被很多大公司一致看好，intel, ibm, microsoft, sony等世界著名企業(yè)早己涉足該領(lǐng)域，它們陸續(xù)成立了研究智能家居技術(shù)的子公司。美國硅谷也己經(jīng)把網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)技術(shù)融入到家庭的應(yīng)用作為當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的重點方向。很多世界知名的風(fēng)險資本公司和各大電子公司都紛紛開始進行密切合作，以巨額的研發(fā)經(jīng)費來支持智能家居的研發(fā)和設(shè)計。同時，很多規(guī)模較小的電子企業(yè)也將研發(fā)

11、重心放在智能家居領(lǐng)域，希望以快速推出產(chǎn)品和創(chuàng)新來搶占市場，以在市場競爭中占得先機。從小規(guī)模的產(chǎn)品如很小體積的支持流媒體和各種視頻格式的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器，到較大規(guī)模的智能家居系統(tǒng)，各種智能家居產(chǎn)品相繼問世，給人們的生活帶來了極大的方便。 在國內(nèi)，經(jīng)過十余年的發(fā)展，智能家居技術(shù)正在走向成熟，出現(xiàn)了智能小區(qū)的概念。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字化時代的到來，家用電器越來越智能化，以及人們生活水平的提高，智能小區(qū)的概念為越來越多的人所接受，智能家居將得到更大的發(fā)展。1.3物聯(lián)網(wǎng)概述 1.3. 1物聯(lián)網(wǎng)的定義物聯(lián)網(wǎng)的概念最早是在1999年被提出的，它的英文名是internet of things(iot)，也稱為w

12、eb of things 2005年，在突尼斯舉行的信息社會世界峰會上，國際電信聯(lián)盟在于突尼斯舉行的信息社會世界峰會上，發(fā)布了itu互聯(lián)網(wǎng)報告2005:物聯(lián)網(wǎng)，正式提出了“物聯(lián)網(wǎng)”的概念。博欣將物聯(lián)網(wǎng)定義為通過各種信息傳感設(shè)備、裝置和技術(shù)，實時采集所有需要監(jiān)控、連接、互動的物體和過程，采集其光、聲、熱、電、力學(xué)、生物、化學(xué)、位置等各種人們需要的信息，再結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)形成一個巨大的網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)物體與物體，物體一與人、物品與網(wǎng)絡(luò)之間的連接，方便識別、管理和控制。 1.3. 2物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)目前一般講物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為三個層次，分別為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。其結(jié)構(gòu)如圖1.2所示。圖1.2物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)感

13、知層的主要作用是完成數(shù)據(jù)的釆集,包括傳感器和短距離傳輸m絡(luò)兩個部分。傳感器部分實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的采集,而短距離傳輸網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)將傳感器釆集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)。網(wǎng)絡(luò)層的主要作用是傳遞信息,它是基于現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)建立的,包括接入單元和接入網(wǎng)絡(luò)兩個組成部分。接入單元負(fù)責(zé)接收感知層發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至接入網(wǎng)絡(luò)。接入網(wǎng)絡(luò)即為現(xiàn)有的各種通信網(wǎng)絡(luò)，包括有線電話網(wǎng)、移動通信網(wǎng)等。用戶通過接入網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳入互聯(lián)網(wǎng)。應(yīng)用層的主要作用是對數(shù)據(jù)進行管理和處理，并與物聯(lián)網(wǎng)的各種應(yīng)用相結(jié)合。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層包括中間件和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用兩個部分。中間件是一個獨立的軟件或服務(wù)程序，用于將一些公用能力統(tǒng)一封裝以提高應(yīng)用的開發(fā)效

14、率。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用即各種供用戶使用的應(yīng)用，如家庭安防等。 1.3. 3物聯(lián)網(wǎng)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀自物聯(lián)網(wǎng)的概念問世以來，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)得到了很大的發(fā)展，被應(yīng)用于交通、物流、電力、工業(yè)等很多領(lǐng)域。目前美歐及日韓等發(fā)達國家在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的廣度和深度等方面處于領(lǐng)先地位。在國內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用總體還處于發(fā)展初期，雖然國內(nèi)開展了一系列物聯(lián)網(wǎng)有關(guān)的項目，在電力、醫(yī)療衛(wèi)生、公共服務(wù)等領(lǐng)域取得了一些進展，但總體來說，國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)跟發(fā)達國家相比還有很大差距。1.4物聯(lián)網(wǎng)在智能家居中的應(yīng)用現(xiàn)狀目前物聯(lián)網(wǎng)在智能家居中的應(yīng)用主要集中在家庭自動化和家庭智能安防系統(tǒng)等方面。所謂家庭自動化，即在傳統(tǒng)的家用電器如冰箱、空調(diào)中嵌入傳感器和執(zhí)行

15、器，使之成為智能家電，成為傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個節(jié)點，并通過internet與外部網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，使用戶可以很方便地對家電進行遠(yuǎn)程操作。所謂智能安防系統(tǒng)，即在住宅中安放一些監(jiān)測火警、煤氣泄漏等狀況的傳感器節(jié)點，一旦發(fā)生意外狀況，這些節(jié)點會將危險信息發(fā)送給終端，并及時發(fā)出警報，以使險情能夠及時得到處理。1.5課題的研究內(nèi)容本文研究基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)，首先研究了智能家居和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特點和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對系統(tǒng)的原理和設(shè)計需求進行了闡述，確定了組成系統(tǒng)所需要的三種節(jié)點(采集節(jié)點、控制節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點)，并對每種節(jié)點的功能進行了描述，然后根據(jù)節(jié)點功能對各節(jié)點硬件電路進行了設(shè)計。論文采用cc2430芯片作為終

16、端節(jié)點(采集節(jié)點和控制節(jié)點)的主芯片，采用stm32f 103 vet6芯片作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點的主芯片，對系統(tǒng)所需要的各個模塊，如各個傳感器模塊、通信接口模塊及其外圍電路進行設(shè)計。軟件設(shè)計方面，本文選用iar system的iar embedded workbench ide開發(fā)平臺進行開發(fā)，介紹了軟件開發(fā)流程并在各節(jié)點功能的基礎(chǔ)上介紹了各節(jié)點軟件工作流程。第二章智能家居系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)2. 1設(shè)計需求本文設(shè)計一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)，根據(jù)智能家居系統(tǒng)的特點，該系統(tǒng)需要具有如下幾種功能:1)室內(nèi)舒適度自動調(diào)節(jié)功能:監(jiān)測室內(nèi)空氣舒適度(溫度和濕度)并能夠根據(jù)室內(nèi)溫度和濕度度的變化自動控制空調(diào)(或窗戶)

17、以使室內(nèi)溫度和濕度達到用戶設(shè)定的范圍; 2)安防功能:監(jiān)測住宅內(nèi)火災(zāi)、煤氣泄漏、人員非法闖入等狀況并及時發(fā)出警報(通過蜂鳴器報警); 3 ) internet/gsm通信功能:由于在現(xiàn)代生活中常常發(fā)生家中無人的情況，當(dāng)住宅內(nèi)發(fā)生火災(zāi)、煤氣泄漏等情況而用戶不在住宅內(nèi)使上述功能2不足以通知用戶時，系統(tǒng)還應(yīng)能夠通過短信或者internet向用戶發(fā)出警報; 4)控制功能:系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)可以接受用戶通過短信或者網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過來的指令并執(zhí)行相應(yīng)的操作。根據(jù)以上功能，系統(tǒng)需要有以下功能模塊:舒適度檢測模塊(濕度傳感器模塊和溫度傳感器模塊等)，安防監(jiān)控模塊(火警監(jiān)控模塊、煤氣泄漏監(jiān)控模塊、非法闖入監(jiān)控模塊等)，通信模塊

18、(包括通過internet與用戶通信和通過gsm網(wǎng)絡(luò)與用戶通信)，系統(tǒng)還需要有一定的數(shù)據(jù)處理功能，此功能需要使用mcu模塊來實現(xiàn)。2. 2總體設(shè)計方案 目前常用的智能家居系統(tǒng)采用的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)多為基于互聯(lián)網(wǎng)的采集控制系統(tǒng)。典型的基于物聯(lián)網(wǎng)的采控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，網(wǎng)絡(luò)分為局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)兩部分，連接方式有有線連接和無線連接方式兩種。在如圖2.1所示的智能家居系統(tǒng)中，帶有傳感器的末端節(jié)點負(fù)責(zé)監(jiān)測和采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并通過zigbee網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)傳送到家庭網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過短信將信息轉(zhuǎn)發(fā)到用戶手機或者通過internet將數(shù)據(jù)發(fā)送至用戶pc機。反之，用戶可以通過同樣的方法將命令發(fā)送至家庭網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)

19、轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的末端節(jié)點。圖2.1物聯(lián)網(wǎng)采集控制系統(tǒng)本文主要介紹該系統(tǒng)的局域網(wǎng)部分，局域網(wǎng)部分主要包括家庭網(wǎng)關(guān)和一些末端節(jié)點，末端節(jié)點為帶有功能各異傳感器的監(jiān)控節(jié)點或者控制相應(yīng)智能家電操作的榨制節(jié)點，這些節(jié)點被安放在住宅內(nèi)重要的位置，監(jiān)控節(jié)點主要有室內(nèi)舒適度監(jiān)控節(jié)點和家庭安防系統(tǒng)監(jiān)控節(jié)點。室內(nèi)舒適度監(jiān)控包括主要溫度傳感器模塊和濕度傳感器模塊等,而家庭安防系統(tǒng)監(jiān)控包括或火警監(jiān)測模塊?？諝饷簹夂繖z測模塊和紅外幕簾傳感器模塊等。圖2.2展示了智能家居系統(tǒng)的各個監(jiān)控模塊。 圖2.2智能家居系統(tǒng)中的監(jiān)控模塊2. 3拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇 在zigbee技術(shù)簡介部分我們已經(jīng)介紹過了zigbee的三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分

20、別為星型、簇狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。本文設(shè)計的智能家居系統(tǒng)用于普通住宅，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模很小，點數(shù)日有限，要求的覆蓋范圍也不大，所以本文選用星型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。家庭網(wǎng)關(guān)節(jié)點就是星型網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)一協(xié)調(diào)器，各種末端竹點一般為半功能設(shè)備。2. 4系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計 本文所介紹的智能家居系統(tǒng)中,根據(jù)作用的不同將節(jié)點分為采集(監(jiān)控)節(jié)點、控制節(jié)點和家庭網(wǎng)關(guān)節(jié)點。這些節(jié)點是整個網(wǎng)絡(luò)的基本組成單元,在系統(tǒng)的硬件設(shè)計部分,我們主要介紹這些節(jié)點的設(shè)計。 2. 4. 1末端節(jié)點結(jié)構(gòu) 采集節(jié)點和控制節(jié)點都屬于末端節(jié)點,他們既可以是兩個分幵的獨立的節(jié)點,也可以將功能集成在同一個節(jié)點上,本文將節(jié)點的采集和控制功能分幵,作為獨立的節(jié)點。由于這

21、兩種節(jié)點工作的環(huán)境多變，有時候還有一些體積上的特殊要求，所以一般采用電池供電。采集節(jié)點的主要作用是監(jiān)測相應(yīng)的環(huán)境變量的變化并及時將相應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送給家庭網(wǎng)關(guān)進行處理，具有采集、接收、處理和發(fā)送數(shù)據(jù)等功能。部分采集節(jié)點還具有路由的功能，可以對其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù)進行處理?？刂乒?jié)點主要負(fù)責(zé)接收上層網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過來的控制指令，控制節(jié)點需要能夠識別這些指令并且根據(jù)這些指令通過自身集成的繼電器做出相應(yīng)的操作。采集和控制節(jié)點的結(jié)構(gòu)框圖相似，如圖2.3所示。其中執(zhí)行機構(gòu)(繼電器)模塊為控制節(jié)點所獨有，采集節(jié)點沒有這一部分。與此相反，傳感器模塊為采集節(jié)點特有，控制節(jié)點不包括這個模塊。圖2.3末端節(jié)點結(jié)構(gòu)圖2.4.

22、2家庭網(wǎng)關(guān)節(jié)點結(jié)構(gòu) 網(wǎng)關(guān)節(jié)點是整個系統(tǒng)中最重要的節(jié)點,幾乎所有的功能都要有該節(jié)點的參與才能夠完成,一旦該節(jié)點失去作用,整個網(wǎng)絡(luò)將陷入癱瘓,網(wǎng)關(guān)節(jié)點對于數(shù)據(jù)的處理和通信能力要求很高,而且一般不需要移動,工作環(huán)境穩(wěn)定,所以網(wǎng)關(guān)節(jié)點一般采用持續(xù)供電而非電池供電方式。網(wǎng)關(guān)節(jié)點的主要功能是接收采集節(jié)點釆集到的數(shù)據(jù)并經(jīng)處理后發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng),相反,它也接收用戶通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送過來的指令并發(fā)送給相應(yīng)的控制節(jié)點。同時,網(wǎng)關(guān)節(jié)點還需要有一定的數(shù)據(jù)存儲能力,其結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。 圖2.4網(wǎng)關(guān)節(jié)點結(jié)構(gòu)圖2. 5軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 在系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)盡量采用模塊化的設(shè)計，不同模塊之間的通信通過通信接日進布于，這樣做有

23、利于軟件系統(tǒng)的開發(fā)、維護和史新，任意一個模塊的修改不會影響到其他的模塊的功能。此外，由于各個采集節(jié)點的功能相似，只是監(jiān)測和采集的變量小同，這些模塊的軟件之間有很強的相似性，經(jīng)過簡單.的修改就能得到其他模塊的軟件。第三章智能家居系統(tǒng)硬件設(shè)計3. 1硬件設(shè)計流程在本文第三章中我們己經(jīng)確定了組成系統(tǒng)的幾種節(jié)點以及各節(jié)點的功能，本章分別設(shè)計這幾種節(jié)點的硬件電路。通常硬件電路的設(shè)計流程如下:第一步，根據(jù)各節(jié)點的功能確定實現(xiàn)各節(jié)點功能所需的模塊;第二步，為各模塊選擇合適的芯片，選擇芯片時要考慮芯片功能、參數(shù)、成本等因素;第三步，設(shè)計各模塊原理圖并畫出pcb圖;最后加工電路板并調(diào)試電路。整個設(shè)計流程如圖3.

24、 1所示。圖3.1硬件設(shè)計流程3.2模塊確定和核心芯片的選擇在本文的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計中給出了各節(jié)點的結(jié)構(gòu)框圖，根據(jù)這些結(jié)構(gòu)圖，本文系統(tǒng)需要設(shè)計mcu電路模塊、通信模塊(包括zigbee模塊和gsm模塊)、各傳感器模塊、電源模塊、通信接口模塊等模塊，本章將一一介紹這些模塊的硬件電路設(shè)計。 核心芯片即末端節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點都需要使用到的微控制器(mcu )，由于末端節(jié)點采用電池供電，故能耗問題是我們設(shè)計一電路時需要重點考慮的方面，考慮到大部分耗能都與mcu有關(guān)，所以低耗能的mcu是必須的till。此外，mcu必須有足夠的接口與其他模塊相連，且必須支持相應(yīng)的接口，最后，成本方面的考慮也是必須的。綜合以上

25、條件考慮，本文選用意法半導(dǎo)體公司(st)生產(chǎn)的一款基于arm cortex-m3的32位處理器芯片stm32f 103 vet6作為各節(jié)點的微控制器。這是一款專門為低功耗需求設(shè)計的mcu，工作電壓為3.3v,工作頻率為72mhz，具有休眠模式和省電模式，耗電量很低。該芯片可以直接與高頻芯片進行通信，采用lqfp 100封裝價，價格便宜，成本較低。內(nèi)部具有512 kb flash,64kbram,且有多達80個io口，完全能夠滿足本文中系統(tǒng)各節(jié)點的要求。3. 3通信模塊設(shè)計3. 3. 1 z i gbee模塊設(shè)計 在本文設(shè)計的系統(tǒng)中，無論是末端節(jié)點還是智能網(wǎng)關(guān)都要用到zigbee模塊，智能網(wǎng)關(guān)和

26、末端節(jié)點之間的通信主要通過zigbee實現(xiàn)，故zigbee模塊是本文系統(tǒng)中重要的組成部分，zigbee模塊的性能和可靠性直接影響到整個系統(tǒng)的系能和可靠性。 本設(shè)計選用chipcon公司生產(chǎn)的符合zigbee標(biāo)準(zhǔn)的soc片上系統(tǒng)cc2430作為zigbee模塊的核心芯片，它內(nèi)部集成了8051微控制器器，功能強大，具有很高的接收靈敏度和很強的抗干擾能力，工作電壓為2.0-3.6v，本文中工作在3.3 v，該芯片只需要極少的外圍電路就可以工作，設(shè)計簡單，在低成本、低功耗等方面表現(xiàn)卓越。cc2430主要有如下特點： (1)芯片內(nèi)部集成了高性能低功耗的8051微控制器核; (2)具有良好的無線接收靈敏度

27、和很強的抗干擾能力; (3)硬件支持csma/ca功能; (4)功耗很低，在休眠模式時電流僅有0.9必，外部的中斷或r丁c能夠喚醒系統(tǒng);在待機模式時電流很小，外部的中斷能喚醒系統(tǒng); (5)較寬的電壓范圍(2.0-3.6 v); (6)數(shù)字化的rssi/lqi支持和具有強大 dma功能; (7)具有電池監(jiān)測和溫度感測功能; (8)內(nèi)部集成14位adc模塊以及aes安全協(xié)處理器; (9)帶有兩個強大的支持幾組協(xié)議usart，以及1個符合ieee 802.15.4規(guī)范的mac計時器，1個16位計時器和2個8位計時器。 cc2430內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.2所示:圖3.2 cc2430內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 cc2430

28、外圍電路很簡單,如圖3.3所示。其中i/o 口通過總線由接口引出(圖中并未畫出),電路設(shè)計時主要考慮以下幾個方面: (1)電源的去稱和濾波:射頻電路對電源的要求很高,為了保證系統(tǒng)的性能,減少電源中的干擾,需要在電源端加接耦電容,最好在每個電源引腳接一個去耦電容,此外,為了布局方便,去稱電容的大小越小越好,所以一般采用0402封裝的電容作為電源去稱電容(圖中沒有畫出)(2) 阻抗匹配:rf的輸入/輸出是高阻和差動的,用于rf最合適的差動負(fù)載是(115+jl80)。本設(shè)計中采用的天線為單極天線,單級天線是非平衡天線,使用非平衡天線時,為了優(yōu)化電路性能應(yīng)當(dāng)使用非平衡變壓器。非平衡電壓器可以使用低成本

29、的電感和電容來組成,圖3.2中l(wèi)1、l2、l3、c3就組成了簡單的非平衡變壓器,它們與一根印制在電路板上的微波傳輸帶線(x/2偶極)配合即可匹配rf的輸入/輸出阻抗50。圖3.3 cc2430應(yīng)用電路 (3)天線的選擇問題:cc2430芯片可以使用各種天線,比如差動天線或者單機天線等,使用差動天線時不需要使用非平衡電壓器,只需要直接將腳接在cc2430的rf_p和rf_n上即可,本文中使用單級天線,需要使用非平衡變壓器,如前文所述,本文中使用電容和電感來組成簡單的非平衡變壓器。非平衡變壓器還需要與一根印制在電路板上的微波傳輸帶線(x/2偶極)相連才能匹配rf輸入/輸出阻抗50f2,偶極天線長度

30、可以由下式求出:l=14.25/f式中f單位為ghz,l單位為cm,如f=2.4ghz時,l=5.94cm,圖中每個入/2的長度為2.97cm。3. 4采集模塊設(shè)計 3.4.1溫度傳感器模塊本文選用ds18b20溫度傳感器芯片,其外形和典型封裝如圖3.4所示,我們選擇圖中最左邊的封裝。這種溫度傳感器芯片非常簡單,只有三個引腳,使用時1腳接地,3腳接mcu電源,2腳接mcu i/o口。爆接的時候千萬要注意不能接反,一旦接反就會發(fā)熱,很可能燒毀。ds18b20應(yīng)用電路如圖3.5。其中 dq 接到 cc2430 (或 mcu)的 i/o 口。圖3.4溫度傳感器ds18b20 圖3.5溫度傳感器模塊電

31、路3. 4. 2濕度傳感器模塊同室內(nèi)溫度一樣，室內(nèi)空氣的濕度也是住宅舒適度的一個重要的方面，監(jiān)測和采集住宅內(nèi)空氣濕度是本系統(tǒng)的一個重要功能。本文選擇dht 11芯片作為濕度傳感器測量空氣濕度。dht 11數(shù)字溫濕度傳感器是一中含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它采用專門的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫度濕度傳感技術(shù)，確保該產(chǎn)品具有很高的可靠性和很強的長期穩(wěn)定性。dht 11內(nèi)部包含一個電阻式濕度傳感器和一個ntc溫度傳感器，濕度傳感器為hr202濕敏電阻，溫度傳感器則為100k士1%的熱敏電阻濕度傳感器。這里我們只需用到它的濕度傳感器功能。其電路圖3.6所示：圖3.6濕度傳感器模塊電路3.4.3

32、火警監(jiān)測模塊 本文選用用氣體傳感器mq-7來檢測空氣中co濃度的變化，根據(jù)空氣中一氧化碳?xì)怏w濃度的變化來判斷火警。這種傳感器具有靈敏度高、價格低廉、壽命長、外圍電路簡單等優(yōu)點。芯片采用高低溫循環(huán)檢測方式，低溫時(1.5v電壓加熱)檢測空氣中co的濃度，傳感器的電阻隨著co濃度增加而減小，高溫時(5.0v電壓加熱)清洗傳感器吸附的雜散氣體。圖3.7為該傳感器的靈敏度特性圖。 圖中縱坐標(biāo)為傳感器的電阻比( rs/ro )，橫坐標(biāo)為氣體濃度。rs表示傳感器在不同濃度氣體中的電阻值r。表示傳感器在1 000ppm氫氣中的電阻值。mq-7組成的檢測電路很簡單，考慮到mq-7工作時要用到sv和1.5v兩種

33、電壓加熱，本文使用繼電器來給芯片提高低電壓，原理圖如圖3.8。如圖3.8所示，p1輸入低電平時，繼電器線圈導(dǎo)通，此時繼電器1腳與2腳相接，dq-7芯片h端接sv電源，此時為高溫加熱，加熱60秒后，p1輸入高電平，繼電器線圈不導(dǎo)通，此時繼電器1腳接在3腳上，r4分壓，假設(shè)傳感器自身電阻為r(約為31歐)，此13寸加熱電壓為:s xr/(r+r4)=1.5。將r=31代入可求得r4約為72歐。p2為傳給mcu的輸出信號。圖3.7 mq-7靈敏度特性曲線圖3.8 dq-7電路3. 4. 4煤氣檢測模塊現(xiàn)在家庭廚房中使用煤氣非常普遍,由于人們的疏忽或者設(shè)備本身的問題導(dǎo)致的煤氣泄漏乃至中毒事件時有發(fā)生,

34、成為家庭安全事故的重要原因,因此監(jiān)視煤氣泄漏現(xiàn)象變得越來越重要。煤氣檢測模塊通常安裝于廚房中用于監(jiān)測煤氣泄漏,在事故發(fā)生時發(fā)出警報,及時作出處理。煤氣泄漏中最嚴(yán)重的當(dāng)屬co泄漏,因為co與血紅蛋白結(jié)合的能力遠(yuǎn)強于氧氣,因而吸入過量co會導(dǎo)致呼吸困難,嚴(yán)重的會導(dǎo)致窒息而亡。因此，監(jiān)測廚房中的co含量，防止中毒事件的發(fā)生是家庭安全的重要部分。本系統(tǒng)選用mq-5氣體傳感器來監(jiān)測煤氣泄漏的發(fā)生，mq-5用的mq-7芯片外形和封裝完全相同，應(yīng)用電路也相似，mq-5芯片加熱時只需要sv電源即可，無需高低電壓，跟mq-7與上節(jié)中所使所不同的是，故電路更加簡單。與火警監(jiān)測模塊相同，此模塊上同樣安裝一個蜂鳴器，

35、以及時發(fā)出警報。3. 4. 5紅外簾幕傳感器模塊 紅外幕簾傳感器是家庭中安裝在住宅門窗旁邊用來監(jiān)測是否有人從門窗闖入的產(chǎn)品。紅外幕簾傳感器原理是通過檢測人體發(fā)射的紅外線來觸發(fā)報警，它的探測區(qū)域就如同像一個窗簾一樣把整個門窗范圍罩住，一旦發(fā)現(xiàn)有非正常情況模塊就會觸發(fā)報警功能，保障住宅內(nèi)人員的生命和財產(chǎn)安全。 本文選用科立信公司產(chǎn)品ks-306flt紅外幕簾。它的特點有:(1)采用智能識別技術(shù);(2)抗干擾能力強,靈敏度高,且具有溫度自動補償功能;(3)可以設(shè)置不同的報警方式;可以選擇不同的安裝方式;(4)報警模式可設(shè)置(單向或雙向);在單向報警模式下,識別方向和返回時間可以調(diào)整;(5)流線型設(shè)計

36、,安裝靈活簡便。3. 5末端控制節(jié)點 在本設(shè)計中,末端控制節(jié)點的作用是根據(jù)智能網(wǎng)管系統(tǒng)發(fā)送過來的指令控制智能家電的開關(guān),一般控制節(jié)點的結(jié)構(gòu)圖如圖3.9所示(其中實際使用時mcu直接使用cc2430芯片中集成的mcu)。圖3.9末端控制節(jié)點結(jié)構(gòu)圖本文中通過mcu控制繼電器以控制智能家電開關(guān)的通斷,執(zhí)行模塊(繼電器模塊)的電路非常簡單,如圖3.10所示。圖3.10控制節(jié)點繼電器模塊電路圖第4章 智能家居系統(tǒng)軟件設(shè)計4. 1軟件設(shè)計流程和開發(fā)平臺節(jié)點的軟件設(shè)計，一般有安裝開發(fā)平臺、編寫代碼、生成可執(zhí)行文件、燒寫程序、調(diào)試、修改代碼等步驟，具體開發(fā)流程如圖4.1所示。圖4.1節(jié)點軟件幵發(fā)流程 本文中幵

37、發(fā)平臺選擇 iar system 的 iar embedded workbench ide (ew),釆用c語言編程。iar embedded workbench適用于大量的8位/16位/32位的微處理器和微控制器,使用戶同一種幵發(fā)環(huán)境中對各種不同的微處理器進行幵發(fā)。4. 2采集節(jié)點軟件設(shè)計 本節(jié)以溫度傳感器(ds18b20)模塊為例介紹采集節(jié)點的軟件設(shè)計，采集節(jié)點負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)發(fā)等工作，由于采集節(jié)點一般以電池供電，為了降低能耗，延長電池的使用壽命，所以采集節(jié)點一般工作在較為節(jié)能的休眠模式，節(jié)點每隔一定的時間被喚醒，采集數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)需不需要被發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，然后再度進入休眠狀態(tài)。節(jié)點每次被喚

38、醒之后要搜索并加入網(wǎng)絡(luò)，如果沒有搜到網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點進入休眠狀態(tài)直到一卜一次被喚醒。節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)之后，便會采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)并與程序中預(yù)先設(shè)定的溫度范圍進行比較，并將比較的結(jié)果發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，完成數(shù)據(jù)發(fā)送后，節(jié)點再度l1-入休眠狀態(tài)，等待下一次被喚醒，節(jié)點工作流程如圖4.2 圖4.2溫度傳感器節(jié)點工作流程4. 3控制節(jié)點軟件設(shè)計 控制節(jié)點的軟件設(shè)計相對簡單，它的作用是接收網(wǎng)關(guān)的命令并進行操作，與采集節(jié)點為了節(jié)能而周期性休眠喚醒不同，控制節(jié)點必須時刻處于正常工作狀態(tài)，以及時對發(fā)送過來的命令作出反應(yīng)，其工作流程如圖4.3所示。圖4.3控制節(jié)點軟件流程4. 4網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟件設(shè)計網(wǎng)關(guān)節(jié)點的作用包括接收數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理和發(fā)送命令等方面，接收的數(shù)據(jù)包括采集節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)和用戶通過網(wǎng)絡(luò)(gsm, internet)發(fā)送的命令，網(wǎng)關(guān)需要對這些接收到的數(shù)據(jù)進行分析以決定下一步操作。網(wǎng)關(guān)節(jié)點工作流程如圖4.4所示。圖4.4網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟件流程全文總結(jié) 隨著社會的進步、科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及人們生活水平的不斷提高，人們對家居環(huán)境的要求也越來越高，智能家居系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。本文對基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)