（物理电子学专业论文）基于lpc2138和蓝牙技术的智能家居系统设计.pdf

摘要 摘要 随着电子技术和计算机技术的进步，智能家居逐步进入人们的生活中。然而 通过调研发现，目前市场上的产品还都存在这样或那样的不足，例如功能不全、 成本较高、安装维护不便等，使智能家居产品没有得到很好的推广。为此，设计 了基于l p c 2 1 3 8 和蓝牙技术的智能家居系统。 系统采用菲利普公司的l p c 2 1 3 8 作为中心控制芯片。l p c 2 1 3 8 是基于一个支持 实时仿真和嵌入式跟踪的a r m 7 t d m i - s t mc p u 的微控制器，支持3 2 1 6 位代码，有很 强的处理能力。其具有多达4 7 个g p i o 和9 个外部中断，使系统可实现多种功能。 系统应用蓝牙模块来组建家庭内部通信网络。蓝牙技术是一项公开的近距离 无线连接的技术规范，工作在2 4 g h z 的i s m ( 工业、科学、医学) 频段上，具有开 放性、低功耗等特点，传输距离一般为0 1 m - - 一l o m ，功率放大后可达l o o m 。蓝牙 模块在系统中的应用，解决了智能家居系统应用时需重新布线的烦恼。但是，蓝 牙工作的i s m 频段是全球的公共频段c t ：多数国家规定该频段为2 4 0 0 , - - , 2 4 8 3 5 m h z ，并划分为7 9 个信道，每个信道带宽为i m h z ) ，在使用其中某个频段时，也就 难免出现相互之间的干扰。为此，系统采用跳频和前向纠错方案以确保链路的稳 定性。 在进行系统的硬件电路设计时，为了提高系统电路的通用性，从而将系统分 为不同的模块。中心控制模块，负责信息汇总处理和系统总体控制功能；家庭安 全防范模块，监控并采集家庭环境信息，并通过系统中心控制模块与安全设备连 接可实现安全联动功能；家用电器控制模块，通过控制开关和红外遥控来实现控 制家用电器的功能；紧急呼叫模块，实现紧急呼救功能；家庭内部通信模块，即 为蓝牙模块，嵌入在系统中心控制模块、家庭安全防范模块、家用电器控制模块 和紧急呼叫模块上，实现系统中心控制模块和家庭安全防范模块、家用电器控制 模块、紧急呼叫模块间的通信；家庭对外通信模块，可实现自动报警和远程控制 的功能。由于系统电路的模块化设计和无线通信技术的应用，从而使得系统便 于安装、维护。 在进行软件设计时，遵循模块化的设计思想，既考虑了各模块功能的实现， 又兼顾了程序总体的协调性。系统软件主要由一个中心控制程序和六个子程序构 成。各个子程序基本上与硬件模块相对应。在a r m 公司推出的a d s l 2 集成开发 环境下，利用c 语言进行系统的程序设计。 论文首次将a r m 单片机和蓝牙技术应用于智能家居系统中；蓝牙技术的无线 连接解决了家庭布线的烦恼；系统的硬件和软件都采用了模块化设计，使得系统 具有很强的可移植性。系统的各部分硬件电路均经过联机检测实验，性能良好。 摘要 系统具有成本较低，性能完善，可靠性高，易于安装、维护、扩充升级等特 点，便于推广和应用。 关键词：智能家居；l p c 2 1 3 8 ；蓝牙技术；模块化设计 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yi ne l e c t r o n i ca n dc o m m u n i c a t i o n , t h e s m a r th o m es y s t e mi sc o m i n gi n t op e o p l e sl i f e b u tt h ep r o d u c t so nt h em a r k e ts t i l l h a v es o m ed e f i c i e n c i e sa t p r e s e n t , f o re x a m p l e ，i n c o m p l e t ef u n c t i o n , h i 曲c o s t , d i s c o m m o d i o u st oi n s t a l la n ds a f e g u a r da n ds oo n s ot h es m a r th o m es y s t e mp r o d u c t i s n tp o p u l a r i z e dv e r yw e l l t h e r e f o r e ，t h es m a r th o m es y s t e mb a s e do nl p c 213 8a n d b l u e t o o t ht e c h n o l o g yh a sb e e nd e s i g n e d l p c 2 1 3 8w h i c hp h i l i pc o r p o r a t i o np r o m o t e si su s e df o rt h em a s t e rc o n t r o lc h i p i nt h es m a r th o m es y s t e m i ti sam i c r o - c o n t r o l l e rw h i c hb a s e do na3 2 16b i t a r m 7 t o m i - s t mc p us u p p o r t e dr e a l - t i m ee m u l a t i o na n de m b e d d e dt r a c k i t s u p p o r t e d3 2 16b i tc o d ea n dc a l ls u p p l ys t r o n gp r o c e s sf u n c t i o n b e c a u s eo f f o r t y s e v e ng p i oa n dn i n ee x t e r n a li n t e r r u p ti nl p c 2 1 3 8 ，t h es m a r th o m es y s t e mc a n s u p p l ym a n yk i n d so ff u n c t i o n b l u e t o o t ht e c h n o l o g yi su s e df o ro r g a n i z i n gt h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki nt h e h o u s e i ti so n ek i n do fp u b l i cs h o r td i s t a n c ew i r e l e s sc o n n e c t i o nt e c h n o l o g ym a n u a l i tw o r k si nt h e2 4 g h zi s m ( i n d u s t r y , s c i e n c e ，m e d i c i n e ) f r e q u e n c yb a n da n dh a s m a n yc h a r a c t e r i s t i c s ，f o re x a m p l e ，o p e n n e s s ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n i t st r a n s m i s s i o nd i s t a n c ei sp o p u l a r l yf r o mo 1mt olo m , i tc a nr e a c h10 0 mi fa m p l i f y i n gi t s p o w e r t h ea p p l i c a t i o no fb l u e t o o t hm o d u l ei nt h es m a r th o m es y s t e m ，s o l v et h e t r o u b l et h a tt h es y s t e mw o u l d n tn e e dw i r i n gi nh o u s ea g a i nw h e nb e i n ge m p l o y e d b u tt h ei s mf r e q u e n c yb a n dw h i c hb l u e t o o t hw o r k si ni so n ek i n do fg l o b a lp u b l i c f r e q u e n c yb a n d ( d e f i n e d2 4 0 0t o2 4 8 3 5 m h zb ym o s tc o u n t r i e si nt h ew o r l da n di ti s p l o t t e do u tt os e v e n t y n i n ec h a n n e l sa n dt h eb a n d w i d t hi s 1m h z ) i ti si n e v i t a b l et o c o m ea c r o s sm u t u a li n t e r f e r e n c ew h e ni ti sw o r k i n ga to n eo fc h a n n e l s t h ep r o j e c t o ff r e q u e n c yh o p p i n ga n df o r w a r de r r o rc o r r e c t i o ni su s e df o ri n s u r i n gs t a b i l i t yo f t h el i n k w h i l e c a r r y i n go nh a r d w a r ec i r c u i td e s i g no f t h es m a r th o m es y s t e m ，i no r d e rt o i m p r o v et h ec o m m o n a l i t yo ft h ec i r c u i t , t h es y s t e mi sp l o t t e do u td i f f e r e n tm o d u l e s t h em a s t e rc o n t r o lm o d u l ea s s u m e st h ei n f o r m a t i o nc o l l e c t i n g ，i n f o r m a t i o n p r o c e s s i n ga n dt h em a j o rc o n t r o lo ft h es y s t e m ；t h eh o u s es a f e t ya n dp r o t e c t i o n m o d u l em o n i t o r sa n dc o l l e c t st h ee n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i o no ft h es y s t e m ，i ta l s oc a n r e a l i z et h es a f e t yt e a mw o r ki fi tc o n n e c t st h es a f e t ye q u i p m e n tb yt h em a s t e rc o n t r o l m o d u l e ；t h eh o u s e h o l da p p l i a n c e s c o n t r o lm o d u l ec a nc o n t r o lt h eh o u s e h o l d a p p l i a n c e sb yc o n t r o ls w i t c hp o i n t sa n di n f r a r e dr e m o t e - c o n t r o l ；t h ee m e r g e n c yc a l l i i i a b s t r a c t m o d u l ei th a st h ef u n c t i o no fc a l l i n gf o rh e l pp e r e m p t o r i l y ；t h eh o u s ei n s i d e c o m m t m i c a t i o nm o d u l ei st h eb l u e t o o t hm o d u l ea n dr e a l i z e st h e r e c i p f o c a l c o m r m m i c a t i o na b o u tt h em a s t e rc o n t r o lm o d u l ea n dt h eh o u s e h o l d a p p l i a n c e s c o n t r o lm o d u l e ，t h ee m e r g e n c yc a l lm o d u l e ，t h eh o u s ei n s i d ec o m m u n i c a t i o nm o d u l e ， t h eh o u s es a f e t ya n dp r o t e c t i o nm o d u l eb ye m b e d d e di nt h e m ；t h eh o u s ee x t e m a l c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，i tc a nr e a l i z et h ef u n c t i o no fa u t o a l a r ma n dl o n g - r a n g e c o n t r 0 1 t h eb u i l d i n gb l o c kd e s i g no ft h es y s t e mc i r c u i ta n dt h ea p p l i c a t i o no f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm a k et h es m a r th o m es y s t e mb e i n ge a s yt oi n s t a l la n d s a f e g u a r d w h i l ec a r r y i n go ns o f t w a r ed e s i g no ft h es y s t e m , f o l l o wt h eb u i l d i n gb l o c k d e s i g np h i l o s o p h y i tn o to r d yc o n s i d e r st h er e a l i z a t i o no f t h ef u n c t i o no fe a c hm o d u l e ， b u ta l s ot h i n k so v e rt h et o t a lc o m p a t i b i l i t yo ft h ep r o c e d u r e t h es o f t w a r ei n c l u d e s o n em a s t e rp r o g r a ma n ds i xs u b p r o g r a m s e a c hs u b p r o g r a mi sc o r r e s p o n d i n gt ot h e h a r d w a r em o d u l e u n d e rt h ea d si 2i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tw h i c h a r m c o r p o r a t i o np r o m o t e s ，e x p l o i t ss o r w a r eo f t h es y s t e mu s i n gt h ecl a n g u a g e a r m p r o c e s s o ra n db l u e t o o t ha r et h ef i r s tt i m eu s e di nt h ec o n s t r u c t i o no ft h e s m a r th o m es y s t e mi nt h i sp a p e r ；b e c a u s eo ft h ew i r e l e s sl i n ko ft h eb l u e t o o t h , t h e r e i sn ot r o u b l ei nh o u s ew i r i n g ；b e c a u s eb o t ht h eh a r d w a r ea n ds o r w a r eo ft h es y s t e m a p p l yt h eb u i l d i n gb l o c kd e s i g n ，s ot h es y s t e mh a sb e t t e rp o r t a b i l i t y e a c hp a r to ft h e h a r d w a r ec i r c u i ti sr e l i a b l ep e r f o r m a n c eb yo i l l i n ed e t e c t i n g t h es m a r th o m es y s t e mi sl o wc o s t , p e r f e c tp e r f o r m a n c e ，h i g hr e l i a b i l i t y , e a s y t oi n s t a l l ，s a f e g u a r da n du p g r a d e s o ，i ti se x p e d i e n tt op o p u l a r i z ea n da p p l y k e y w o r d s ：s m a r th o m e ；l p c 2 1 3 8 ；b l u e t o o t h ；b u i l d i n gb l o c kd e s i g n i v 曲阜师范大学博士硕士学位论文原创性说明 ( 在口划“4 ) 本人郑重声明：此处所提交的博士口硕士日论文基于l p c 2 1 3 8 和蓝 牙技术的智能家居系统的设计，是本人在导师指导下，在曲阜师范大学攻 读博士口硕士囤学位期间独立进行研究工作所取得的成果。论文中除注明 部分外不包含他人已经发表或撰写的研究成果。对本文的研究工作做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中已明确的方式注明。本声明的法律结果将完 全由本人承担。 作者签名：匙彪辉 日期：矽庐钐o 曲阜师范大学博士硕士学位论文使用授权书 ( 在口划“) 基于l p c 2 1 3 8 和蓝牙技术的智能家居系统的设计系本人在曲阜师范大学 攻读博士口硕士囵学位期间，在导师指导下完成的博士口硕士回学位论 文。本论文的研究成果归曲阜师范大学所有，本论文的研究内容不得以其他 单位的名义发表。本人完全了解曲阜师范大学关于保存、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被 查阅和借阅。本人授权曲阜师范大学，可以采用影印或其他复制手段保存论 文，可以公开发表论文的全部或部分内容。 作者签名： 导师签名： 矗红珲 锣坼 日期：力舶z 矽0 日期：砂伊。9 d 第二拳应用技术介绍 第一章绪论 智能家居是在传统住宅的基础上，利用现代计算机技术、现代通信技术、自 动控制技术来实现家庭内部各种信息的采集、处理、传输和显示，实现对家庭内 部各种电器设备和安全防护设备的自动化、智能化监控，从而使人们的家居生活 更加安全、舒适、便利。 1 1 智能家居的发展现状 智能家属从上世纪八十年代兴起于翟本和欧美，九十年代末弓| 入中国。霉前， 美国有7 0 0 0 万家庭依靠智能化家庭网络设备生活【l 】。近年来，以美国微软公司及 摩托罗拉公司等为首的一批国际知名企业也先后进入智能家庭网络的研究及开 发领域，分别开发了“梦幻之家 、“家庭主任”、“居所之门 等家庭智能设备。3 c o m 公司研发出家用无线网关等网络产品，并与m i c r o s o f t 联手开发通用式即插即用的 家庭网络系统。该系统方便地连接家电与网络，可以高速传输文字、语音、视听 等资讯。这套产品也适合小型办公室 2 1 。i n t e l 推出了a n yp o i n t 家庭网络系统可以 逶过电话线或无线方式将p c 枫与往户家中的备种设备连接起来，该公司还准备 在适当的时候推出家用网关等网络设备。日本松下电器等一批大公司联手推出了 无线连接和电力线连接并用的e c h o n e 系统，该系统支持即插即用，且能兼容不同 厂家的家庭电器设备。近年来随着自动化技术、智能技术的不断更新，国际上出 现了很多功能比较齐全的智能家屠产品，例如e l a n 、l i f ew a r e 、h o m el o g i c 和 m c o n t r o l 等产品，引领了国际智能家居产品的潮流1 3 。 国内厂商也在进行智能化家庭网络产品的研发和生产，一些大型i t 企业利用 自身在资金与技术等方面的优势，在低端产品市场上己占据了相当重要的地位。 清华同方在智能纯家庭网络领域与建设部智能建筑化专家委员会共同设立了智 能住宅开放实验室，还取得了著名综合布线厂商西蒙、百通全线产品在中国的总 代理资格。北京德达创先科技集团先后开发了l d m s 2 0 0 0 ，智能家居控制器、 h o m e n e t 网络化综合管理系统，并开通中国智能建筑服务霹提供智能化建筑的在 线瓷询与在线技术支持，该网站已成为国内建筑智能化领域的权威网站。虽前在 国内从事智能化家庭网络产品的企业中还有近几年从事安防产品转移过来的一 些中小企业，一些传统家电业的巨头如海尔、创维、t c l 、科龙、海信也开始进 入智能化家庭网络产晶市场。在近凡年，各电子产品制造商、各电信产晶生产及 运营商，在合作基础上提出了三种符合中国国情的智能家居协议标准，包括以中 国电信为首的中国通信标准化协会的c c s a 标准协议、以联想为首的国内闪联信 第二章应用技术介绍 息设备资源共享协同服务的i g r s 标准协议和以海尔为首的e 家佳的i t o p h o m e 标准协议【4 j 。 虽然国内各大厂商开始进入智能家居产品的研制和开发，但目前市场上的产 品还都存在这样或那样的不足，例如功能不全、成本较高、安装维护不便等，使 智能家居产品没有得到很好的推广。因此，国内市场迫切需研制一种功能完善、 安装维护方便并且价格合理的智能家居系统。 1 2 智能家居系统的结构及功能 目前国内市场上的智能家居系统依据其体系结构为特征进行划分，可以分为 以下四种类型【5 捌： ( 1 ) 拼凑型控制系统； ( 2 ) 主机式集中控制系统； ( 3 ) 遥控型系统； ( 4 ) 现场总线控制系统。 智能家居系统主要有以下几种功能： ( 1 ) 智能家庭安防：实现家庭的防火、防盗和防煤气泄漏。在无线连接状 态下，对防盗报警器、烟雾探测器、有害气体检测装置等进行数据采集以及可自 动查询各传感器的工作状态。一旦出现警情，则由智能监控系统通过电话网向 主人报警或通过互联网向监控中心报警。 ( 2 ) 智能家庭仪表：通过蓝牙设备和计算机实现对水表、电表和煤气表的 远程抄表。 ( 3 ) 智能家电：通过互联网、电话线接1 5 1 ，实现信息交换和远程控制。包 括对重要家用电器、主要电源插座等实行远程监测和控制。 ( 4 ) 场景组合控制功能：主要是通过对灯光、电器和安防的不同状态的设 定，设计成几种特定的模式，如回家、外出、娱乐等，供用户选择。 ( 5 ) 紧急呼救：家中突发紧急事件时，可按动紧急呼救按钮，由系统的自 动拨号模块拨出预先设置的号码求救( 例如：家中老人突然发病可拨出预先设定 的号码1 2 0 或者别的求助号码) 。 另外还有部分智能家居产品具有智能门禁、可视对讲、现场监控等功能。 1 3 本文的主要工作和技术路线 1 3 1主要工作 本文主要做了以下几个方面的工作： 2 第二耄应用技术贪缓 ( 1 ) 将a r m 单片机引入到智能家居系统中，提高了系统的控制功能，为完 善系统的功能打下基础，并篱要介缓了菲利普公蠲的a r m 单片机l p c 2 1 3 8 。 ( 2 ) 将蓝牙技术弓l 入到智能家居系统中，研究如何实现系统的模块化设计， 从而探索使智能家居产品便于安装维护的办法。并简要介绍了蓝牙技术及在硬件 设计中用到的蓝牙芯片。 ( 3 ) 给出了系统的总体结构框图，并对系统各模块的硬件电路进行了详细 的分析和说明。 ( 4 ) 对系统的软件设计进行了介绍，并给出了部分程序的流程图。 ( 5 ) 对系统调试的结果进行分析，对论文进行了总结，并提出了未来需要 进一步研究开发的方向。 1 3 2 技术路线 在大量查烫国蠹磐有关参考文献的基础上，详缏了解了智能家屠系统的发展 历史、当前国际上智能家居产品应用的技术及其发展趋势。参观调研了一些电子 商场，实际考察了目前市场上智能家居产品及其功能特性，了解了适应国内市场 产品的要求，从而确立了技术上循序渐进的开发步骤： ( 1 ) 根据实际情况对具体的功能模块提出各自的实现方法。 ( 2 ) 在做好系统总体规划的基础上，分别设计系统的各部分电路，先应用 e w b 、p r o t e l 9 9 s e 等相关软件进行仿真，然后在实验箱上进行测试。 ( 3 ) 设计系统的程序。根据总体规划，分块实现的原则进行编程，然瑟利 用开发板和实验电路进行联机测试，最后进行程序的整合。 ( 4 ) 软硬件测试完成后，利用p r o t e l 9 9 s e 软件画出系统的原理图和p c b 图， 算做出系统的电路板，结合程序进行系统的综合调试。 1 4 本文的创新点 ( 董 将a r m 单片机弓l 入到智能家居系统中，从丽使系统的功能托较完善， 硬件电路非常简洁，提高了系统的可靠性和性价比。 ( 2 ) 将蓝牙技术引入到智能家屦系统中，用无线传输代替有线传输，且易 于实现系统的模块化设计，使系统结构更加简单，安装维护更容易。 ( 3 ) 首次提出将a r m 单片视和蓝牙技术结合起来，应用到餐能家屠系统中， 使得系统扩展功能方便，安装灵活，节约能源。 第二肇应用技术介缨 第二章应用技术介绍 2 1l p c 2 1 3 8 单片机 2 1 1l p c 2 1 3 8 单片机的特性 l p c 2 1 3 8 t 强】是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的3 2 1 6 位a r m 7t d m i s t mc p u 的微控制器，带有5 1 2 k b 的嵌入的高速f l a s h 存储器，1 2 8 位宽度的存储 器接口和独特的加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟速率下运行。它对代码规模 有严格控露的应用，使其可用1 6 位的t h u m b 模式将代码规模降低超过3 0 ，丽性 能损失却很小。其较小的封装、极低的功耗以及2 个3 2 位定时器、2 个1 0 位8 路 a d c 、1 个l o 位d a c 、p w m 通道和4 7 个g p i o 以及多达9 个边沿或电平触发的外部 中断使l p c 2 1 3 8 可理想地用于小型系统孛，如诱润控制、p o s 机、通信霹关、势 议转换器、软m o d e m 、声音辨别和低端成像等。 l p c 2 1 3 8 具有如下特性【lo 】： 小型l q f p 6 4 封装的16 3 2 馒a r m 7 t d m i 。s 微控制器，3 2 k b 片内静态 r a m 。 片p 勺b o o t 装载软件实现在系统在应用中编程( i s p 几”。扇区擦除或整片 擦除的时间为4 0 0 m s ，l m s 可编程2 5 6 字节。 歉曲e d 彘蕾c 嚣鳓5 疆和嵌入式蹑踪接口可实时调试( 利用片内r e a l m o n i t o r 软件) 和高速跟踪执行代码。 寅时时钟具有独立的电源和时钟源，在节电模式下极大地降低了功耗。 具有两个低功耗模式：空闲和掉电，也露通过个别使能f 禁止外部功能和 降低外部时钟来优化功耗，也能通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。 向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。 通过片内p n 可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作频率，p l l 的稳定时间为 1 0 0 微秒，片内晶振频率范围：1 - 3 0m h z 。 单个电源供电，含有上电复位( p o r ) 和掉电检测( b o d ) 电路；c p u 操作电压范围：3 0 3 6v ( 3 3v “一l o ) ，i o d 可承受5 v 的最大电压。 2 1 2l p c 2 1 3 8 结构图和引脚排列 l p c 2 1 3 8 的结构如图2 1 所示【l o l 。 堙c 2 1 3 8 的己q f p 礤封装的弓| 脚捺列如图2 2 掰示瑟o l 。 毒 第二章应用技术介缓 图2 1l p ( 2 2 1 3 8 结构图 2 。1 3l p c 2 1 3 8 的应用领域 自从攘出l p c 2 1 3 8 以来，已经在很多方面获褥了成功的应用。典型的应用有： 工业控制；医疗系统；访问控制； p o s 机；通信网关；嵌入 式软m o d e r m ：一般性应用【1 0 1 。 2 2 蓝牙技术 2 2 1 蓝牙技术简介 蓝矛，英文译为b l u e t o o t h ，本是一位在公元l o 世纪统一了丹麦的国王，哈拉 尔德二世( h a r a l d ) 的绰号，据说这位国王非常喜爱吃蓝梅，牙齿因而被染蓝，故 得此名。1 9 9 8 年5 月，爱立信、诺基亚、东芝、i b m 和英特尔等五家著名厂商 在联合歼震短程无线透信技术的标准纯活动时提出了蔫蓝牙( b l u e t o o t h ) 来命名， 意在统一无线局域网技术的通讯标准，其宗旨是提供种短距离、低成本的无线 传输应用技术。后来s i g ( b l u e t o o t hs p e c i a li n t e r e s tc r o u p ) 组织于19 9 9 年7 月2 6 嚣推出了蓝牙技术规范的1 o 版本，1 9 9 9 年1 2 月1 日，微软公司正式宣布加显 蓝牙特别利益集团( s i g ) ，全面支持“蓝牙”技术，并与3 c o m 、朗讯、摩托罗控公司 和原有的5 家公司一起成为蓝牙特别利益集团的9 个核心成员。时至今臼，世 5 第：章应用技术介绍 界上约有3 0 0 0 家公司加入了推进蓝牙标准的蓝牙特别利益集团，包括海尔、长 虹在内的多家星内公司企业陋瑚。 图2 2l p c 2 1 3 8 的引脚排列 蓝牙技术是一顼公开的技术规范，已得到许多国家的支持。蓝牙技术是一种 近距离无线连接的技术规范，其程序写在一个9 x 9 m m 的芯片中。它具有无线性、 开放性、低功耗等特点。传输距离一般为o 1 - , 1 0 m ，功效放大可达1 0 0 m ：蓝牙 工作在2 4 g h z 的i s m ( i 业、科学、医学) 频段上，采用跳频扩谱技术传送信息。 世赛上大多数国家频段定义为2 4 0 0 , - - - 2 4 8 3 5 m 跑，也就是说将该频段划分为7 9 个信道，信道带宽为l m h z 。因为应用了全球统一的频率设定，所以蓝牙产品具 有全球通用性【1 1 1 3 1 。同时正是由于蓝牙技术工作在全球通用i s m 频段且频道有 限，嚣此使用时就难免出现相互干扰的现象；为此，蓝牙技术设计了跳频和尚前 纠错方案以确保链路的稳定性。 2 2 2 跳频技术 跳频技术，就是将整个频带分成若干跳频信道( h o pc h a n n e l ) 。在一次连 接中，蓝牙芯片所控制的收发器按照一定的码序列，不断地从一个信道跳转到另 一个信道；而接受方也是按照相同的跳转规律进行通信。这实际上属于一种硬件 如密方法。除非第三方掌握了收发双方的信道切换规律，否则是无法获得完整信 息的，而干扰源也不可能按同样的规律进行干扰。跳频的瞬时带宽很窄，但通过 6 第二章应用技术介绍 扩展频谱技术，可以使这个窄带宽被成倍的扩展成宽频带，使被干扰的可能性变 得很小，由此就可以保证传送的完整性和系统的稳定性器4 1 。一般传输时跳频速 率为1 6 0 0 黟g s ，两在与其它设备开始建立连接时可达3 2 0 0 跳s 。 2 2 3 纠错技术 在蓝牙技术中使用了三种纠错方案 1 3 比例前向纠错码( 1 乃f e c ) 、2 3 比 例翦向纠错码( 2 3 f e c ) 和自动请求重发方式( a r q ) h 4 】。 1 3 比例前向纠错码是一神较简单的纠错码方式，属于重复码，实现时对每 位信息重复三次。2 3 比例前向纠错码是一种( 1 5 ，1 0 ) 精简的汉明码表示方法， 用予部分分组。使用a r q 方式，在一个时隙中传送的数据必须在下个时隙褥 到确认( 或超时) 信息。只有数据在接受端通过了报头错误检测和循环冗余检测， 被认为无错后，才向发送端返回确认信息，否则，返回一个错误信息【1 4 】。 2 2 4 微微网( p i c o n e t ) 蓝牙技术是一种支持点对点和点对多点的通信技术。透过蓝牙技术连接在一 起的所套设备可认为是一个p i c o n e t ( 微微网) ，一个p i e o n e t 可以是两台相连的设 备，也可以是八台连在一起的设备。在一个p i c o n e t 中j 所有设备都是级别相同的 单元，其有相同的权限，只有在p i c o n e t 初建时，其中一个单元被定义为m a s t e r ， 其它单元被定义为s l a v e 。凡个p i c on e t 可以被连接在一起，靠跳频顺序识别每个 p i e o n e t ，同- - p i e o n e t l 勾的所有设备都与这个跳频顺序同步。几个独立且不同步的 p i e o n e t 组成一个s c a t t e r n e t ( 分布式网络) i s 】。其拓扑结构如图2 3 和图2 4 所示。 图2 。3 微微网拓扑结构 7 第二耄应用技术贪缓 图2 4 分布式网络拓扑结构 在微微网( p i e o n e t ) 内的连接被建立之前，所有的设备都处s t a n d b y ( 待令) 状 态。在这种模式下，未连接单元每隔1 2 8 秒周期性地转监听“信息。每当一个设 备被激活，它就监听规划给该单元的3 2 个跳频频点( 跳频频点的数目因地理区域 不同而异) 。作为m a s t e r 的设备首先初始化连接程序，如果地址已知，则通过寻 呼( p a g e ) 消息建立连接；如果地址来知，剽通过一个后接p a g e 消息的i n q u i r y ( 查 询) 消息建立连接。在最初的寻呼状态，m a s t e r 单元将在分配给被寻呼单元的1 6 个跳频频点上发送一串1 6 个相同的p a g e 消息。如果没有应答，m a s t e r 则按照激 活次序在剩余1 6 个频点上继续寻呼。s l a v e 收到从m a s t e r 发来消息的最大延迟 时闻为激活周期的2 倍( 2 5 6 秒) ，平均延迟时闻是激活周期的一半( 0 6 秒) 。 i n q u i r y 消息主要用来寻找蓝牙设备，i n q u i r y 消息和p a g e 消息很相象，但是 i n q u i r y 消息需要一个额外的数据串周期来收集所有的响应。如果p i c o n e t 中已 经处于连接的设备在较长一段时闻肉没有数据传输，蓝牙还支持节能工作模式。 m a s t e r 可以把s l a v e 置为h o l d ( 保持) 模式，在这种模式下，只有一个内部计数 器在工作，s l a v e 也可以主动要求被置为h o l d 模式。一旦处于h o l d 模式的单元 被激活，爨l l 数据传递也立即重薪开始。除h o l d 模式外，蓝牙还支持另终两种节 能工作模式：s i 疽坂呼吸) 模式和p a r k ( 暂停) 模式，在s n i f f 模式下，s l a v e 降低了 从p i e o n e t “收听”消息的速率，“呼吸 间隔可以依应用要求做适当调整；在p a r k 模式下，设备依然与p i e o n e t 同步但没有数据传送，工作在该模式下的设备放弃 了m a c 地址，偶尔收听m a s t e r 的消息并恢复同步、检查广播消息。这三种工作 模式如果按照节能效率以升序排队，那么依次是：呼吸模式、保持模式和暂停模 式f 1 5 1 。 s 第三章系统硬件设计 第三章系统硬件设计 3 1系统的总体结构 根据智能家屠系统功能要求，并且在系统的设计上采用模块化设计【糯，我们 将智能家居系统分为以下几个模块：( 1 ) 系统中心控制模块；( 2 ) 家庭安全防范 模块；( 3 ) 家用电器控制模块；( 4 ) 家庭对外通信模块；( 5 ) 语音模块：( 6 ) 紧 急呼叫模块。系统总体框图给出了各个模块之间的关系，智能家居系统的总体框 图如图3 1 所示。 ：立堂塑巍一一l 图3 1 系统总体框图 3 2 系统硬件电路设计 3 。2 。1系统中心控制模块硬件电路设计 中心控制模块在智能家居系统中的位置如图3 1 所示。单片机l p c 2 1 3 8 、 l c d 、键盘加上电源、时钟等就构成了中心控制模块，它主要完成各种信息的采 集和处理，并接收或者发送楣应的控制命令。用户可通过l c d 显示器和小键盘 查询系统的工作状态和对系统进行一些设置。 中心控制模块的电路图如图3 2 所示。l p c 2 1 3 8 微控制器可使用外部晶振或 外部时镄源，内部p l l 电路可调整系统时钟，使系统运行速度更快( 其c p u 最 大操作时钟为6 0 m h z ) 。若不使用片内p l l 功能及i s p 下载功能，则外部晶振频 率为l - 3 0 m h z ，外部时钟频率为i - 5 0 m h z ：若使用片内p l l 功能或i s p 下载 功能，则终部晶振频率为1 0 - - - 2 5 m h z ，外部时钟频率为1 0 - - 2 5 m h z 。在本系统 中，我们使用1 1 0 5 9 2 m h z 的外部爵振组成外部时钟电路，电路由匿3 2 中的晶 体y l 和电容c 6 、c 7 组成，这样可使串1 ：3 的波特率更精确。 爹 第三章系统硬件设计 l p c 2 1 3 8 微控制器的内核和i o 使用同一电源电压，3 3 v 的直流稳压电源 如图3 3 c 1 、c 2 所示。通过变压器输入9 v 直流电源，电感l 1 用于限制瞬态电流，经过 滤波，然后通过s p x ll1 7 m 一3 3 将电源稳压至3 3 v ，其输出端用了一个 3 0 p t , p o2 1c p 1 p 1 1 9 6 73 3 a 11 b 2 59 p o2 6 p o2 7 p l17 p 02 8 2 9 3 0c a p o0 l 1 0 l l 1 2 1 3 1 4 15 1 6p 窨 是 竺 e l 鼍j 3 置螽 普普毫 妇k q m 2 1 ，聊m d 1 6 c p 1j p o 2 2 a d l 7 c p o o n m o w a p ll 斜卫u i c ：目p r 1 ) 0 c 2 v t e v d o a p l18 像a c 日目【2 p o2 5 a 4 a o u t p o2 6 a 5 p n 2 7 a a d oo c a 1 扇1 p l l7 a c 印盯1 p o 2 8 a d d 型c 删2 瓜 丁o ，2 p o2 9 a d o2 c m 0 3 m a t o3 2 p o 3 a 3 o n 3 苊o 苫 p 1 i i r a c e p k r 0电 至墨 l | 壁 蛊a - 羹 丕星 p h i l i t u 2 1 3 0 ；耋 苫 萋 蚕 量 苫 5 至 宝 = 售 = 山 u 1 u p c 2 1 3 s 耋墨 p 1 2 甜u 舾y n c ml7 ，c 腰12 尽c k l a 枷2 p n l 6 t e n i u m j m 2 ：a p 0 2 p o i5 r i i 庄刖俐a d i 5 p 1 2 l ，哦s t m 1 啪 v s p n1 4 l x d i 雁i n r l ，s d a l p l2 2 h 珏强砌 p o 13 d 哦l m t t il ， d 1 4 p 012 ，d 文1 瓜i t 1 0 ， d 1 3 p n1l ，c b l 圮a p l 1 s a n p 1 2 3 p i p e s t a 1 2 e p n l 0 r i s l 虻a p l0 a d l2 蛊p o 9 r x d ! ! m v m o h n d 蠢毋8 f r x d l t p w l v l 4 a d i 1 l 莓 i 国寻 卜一 宝孟 ( a ) 控制电路 p 12 0 p o 1 7c a p l2 d o l 6e 、兀d p l2 3 v 4 2 p 01 2 p o l l p i2 3