（计算机软件与理论专业论文）基于无线通信的家居集中控制系统的设计.pdf

摘要 家居集中控制系统通过使用嵌入式技术、家电控制协议和通讯协议，将居 室内的家电联系起来，从而实现实对而又智能的集中控制，为人们提供了一个 更舒适、更安全、更方便的生活环境。 论文以实际的科研项目为背景，分析了家居控制系统的起源、发展和研究 现状，在对相关技术进行分析论证的基础上，规划和设计整个系统结构。针对 目前移动通信工具比较普及，家居内部以传统电器为主的特点，提出通过 r s 4 8 5 总线连接，移动通信手段和红外通信技术相结合的方式，实现了家居集 中控制系统中家居内部的互联和控制的功能。论文给出了基于无线通信的家居 控制系统的总体设计方案和部分实现细节，主要工作包括： 1 根据无线通讯理论中数据传输的特点和本家居集中控制系统的需要，参 与制定了系统通讯的协议。 2 对基于n r f 2 4 0 1 芯片的无线通讯方式进行了深入的学习，设计了无线 收发的电路及外围电路。使用c 语言编写了无线接收和发送的程序，并按照制 定的家居控制协议，实现了家居控制系统的通信。 3 设计了液晶显示的硬件电路。液晶采用t n 正显的方式方便的显示了用 户控制的电器类型和电器编号。 4 设计了矩阵键盘的硬件电路。为了达到节能的目的，矩阵键盘采用了中 断控制的方式。 5 。分析了家电红外脉冲信号的特点，设计了红外学习和红外接收的硬件电 路，软件实现了红外遥控信号的正确接收，并采用自学习的方法，实现了对传 统红外控制家电的远程控制。 6 完成了基于l p c 9 3 2 单片机的矩阵键盘控制模块、液晶显示模块、红外 遥控信号接收和自学习模块、家居安防模块的相关软件编写，与家居控制器构 成完整的家居控制系统，并通过试验对系统的测试。 对设计电路进行了调试和实测。测试结果表明系统工作正常，满足各项性 能指标，达到了设计要求，验证了电路设计的合理性。 关键词：n r f 2 4 0 1 ，红外通讯，家居集中控制 a b s t r a c t h o m ec e n t r a l i z e dc o n t r o ls y s t e ml i n k sa l lt h ee l e c t r i c a la p p l i a n c e si naf a m i l y b yt h eu s eo fe m b e d d e dt e c h n o l o g y , h o m ea p p l i a n c ec o n t r o lc r i t e r i o na n dt h e p r o t o c o lo fc o m m u n i c a t i o n i tp r o v i d e sam o r ec o m f o r t a b l e ，s e g u r ea n dc o n v e n i e n t l i v i n ge n v i r o n m e n tw i t ht h er e a l - t i m ea n di n t e l l i g e n tc o n t r o lo ft h ea p p l i a n c e s t h i sp a p e r , w h i c hh a sa l la c t u a lp r o j e c tb a c k g r o u n d ，i n c l u d e st h ei n t e l l i g e n t h o m e sd e r i v a t i o n , d e v e l o p m e n ta n da c h i e v e m e n t si nr e c e n ty e a r s w eo b s e r v e dt h a t t h et o o l so fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sw e r ec o m m o n p l a c e sn o wa n dt h et r a d i t i o n a l a p p l i a n c e ss t i l lp l a y e dt h em a i nr o l ea th o m e s oa c c o r d i n gt oo u ra n a l y s i sa n d d e m o n s t r a t i o no nt h er e l a t e dt e c h n o l o g y , w ed e s i g n e dt h ec o n s t r u c t i o no ft h es y s t e m ， a n d p r e s e n t e das c h e m et h a tc a ni m p l e m e n ti n t e r c o n n e c t i o ni na h o u s el i k ean e t w o r k i nt h i ss c h e m e ，i tu s e ds e v e r a lt e c h n o l o g i e si n c l u d i n gr s 4 8 5b u st e c h n o l o g y , m o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n di n f r a r e dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y h e r e ， w ep r e s e n t e dt h eo v e r a l ld e s i g no fo u r i n t e l l i g e n th o m ec o n t r o ls y s t e m s t h a tb a s e do i l w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n p a r t so ft h es y s t e mw h i c hh a v e b e e nr e a l i z e da r es h o w na s f o l l o w ： 1 p a r t i c i p a t e di ni n s t i t u t i n gt h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo f t h es y s t e m ，w h i c hi s b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co fd a t at r a n s m i s s i o ni nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt h e o r y a n dt h en e e do ft h i sh o m ec e n t r a l i z e dc o n t r o ls y s t e m 2 d e s i g n e dt h ew i r e l e s st r a n s c e i v e rc i r c u i t a n di t sp e r i p h e r a lc i r c u i ta f t e rt h e s t u d yo ft h et h e o r yo f t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dt h ep f i n d p l eo fn r f 2 4 0 1c h i p a c c o r d i n gt oh o m ea p p l i a n c e sc o n t r o lp r o t o c o l1w r o t et h ec o d eo fw i r e l e s s t r a n s m i s s i o na n dr e c e i v i n gp r o g r a mw i t hc ，a n di m p l e m e n t e dc o m m u n i c a t i o n t h r o u g ht h eh o m ea p p l i a n c e sc o n t r o ls y s t e m 3 d e s i g n e dt h el e dd i s p h y i n gc i r c u i t t h el e d c a n d i s p l a yt y p e sa n dn u m b e r s o ft h ea p p l i a n c e st h a tu s e ri sc o n t r o l l i n gt h r o u g ht np o s i t i v ed i s p l a y 4 - d e s i g n e dt h em a t r i xk e y b o a r dc i r c u i t u s e di n t e r r u p t e dm e c h a n i s mt oc o n t r o l t h em a t r i xk e y b o a r ds oa st os a v ep o w e r 5 b ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fi n f r a r e dp u l s es i g n a l , t h i sp a p e rd e s i g n e d a ni n f r a r e ds t u d ya n dr e c e i v i n gc i r c u i t i tc a nr e c e i v ei n f r a r e dr e m o t ec o n t r o ls i g n a l c o r r e c t l yb yt h ep r o g r a r a i ta l s oa d o p t e dt h ew a yo fs e l f - s t u d y i n gt oc o n t r o lt h e t r a d i t i o n a lh o m ea p p l i a n c e s 6 b a s e do nt h el p c 9 3 2m c u 1w r o t et h ec o d eo fm a t r i xk e y b o a r dc o n t r o l m o d u l e ，l c dd i s p l a ym o d u l e ，r e c e i v i n go fi n f r a r e dr e m o t ec o n t r o ls i g n a la n d s e l f - s t u d y i n gm o d u l e h o u s es a f e t yd e f e n s em o d u l e n es o f t w a r eo fm c ua n d h a r d w a r eo ft h eh o u s ec o n t r o l l e rm a k eu do ft h ew h o l eh o m ec e n t r e ls y s t e m a n d t h es y s t e mh a sp a s s e dt e s t t h ec i r c u i t sa r ea d j u s t e da n da c t u a l l yt e s t e d t h er e s u l to ft h et e s ti n d i c a t e st h e a c c o m p l i s h m e n to ft a r g e ta n d v e r i f i e st h er a t i o n a l i t yo fc i r c u i t k e yw o r d s ：n r f 2 4 0 1 ，i n f r a r e dc o m m u n i c a t i o n ，h o m ec e n t r a l i z e dc o n t r o l m 此页若属实请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所呈交的论支是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外。论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生签名：毒疰五 日期z ! z ：! ：2 ， 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 一姥扯一名：堆日期捌出仓 注：请将此声明装订在学位论文的目录前 武汉理工大学硕七毕业论文 第1 章绪论 1 1 现代化家居的背景和发展趋势 随着现代科技的发展，有线电视、电话，宽带上网、卫星电视、安全监控、 信息家电等已经或即将走进千家万户，家居生活的智能化是当今计算机网络与 通讯技术最人性化的应用，给人们的家居生活带来全新的感受。今天，借助电 话控制或i n t c m e t ，您几乎可以在任何地点、任何时间实时监控您的家居状况， 为您的家居生活带来前所未有的方便【”。 未来学家沃尔夫伦森曾说，人类在经过农耕、工业、电气化等时代后，将 进入关注梦想、精神和生活情趣的新社会。1 9 8 4 年首栋智能建筑在美国康乃迪 克州哈特佛市出现，全世界争相建造智能家居的序幕也从此揭开。未来家居、 建筑将在不断智能化中得到最充分的发展。 2 0 0 6 年8 月2 5 日在北京召开的“国际智能家居高峰论坛”专家学者云集， 共同探讨未来中国家居智能化发展的方向。论坛上，有关专家介绍说，智能家 居、智能建筑以现代建筑为平台，兼备建筑、网络通讯、信息家电、设备自动 化，集系统、结构、服务、管理为一体，以计算机为核心，通过通信网络为支 撑，综合运用了现代控制技术等多种技术，将消防报警、安全防范、宽带、中 央空调、综合布线等系统融为一体，为住户提供高效、舒适、安全、便利、环 保的居住环境。他指出，在中国，智能建筑也有了初步发展，但远不如想象中 的乐观。尽管在建设投资和数量有着惊人的增长，但是建筑本身的实际内容有 诸多问题：工程建设水平不高、工程质量不能令人满意，智能系统不能正常工 作，甚至有的建筑完全是跟风而上，名不副实。家居智能化和家电自动化有明 显的区另j t 2 j 。 智能家居是住宅智能化的核心部分，目前我国的智能家居市场有三个特点： 一是市场潜力大，现在的房地产业在全国的发展都很火爆，作为其下游产业， 智能家居市场前景还是非常乐观的。第二点就是产品多，厂家多，大部分集中 在上海、北京、深圳、广州等地。但到目前为止还没有一家形成规模化。第三， 就是目前国家对智能家居行业还没有实施统一的行业标准，使得很多中小企业 武汉理t 大学硕士毕业论文 各自为政，按自己对市场的理解来开发产品，相互问的产品不具备兼容性1 4 】。 因此，今后几年智能家居市场会进入一个行业整合阶段，最终可能会出现 几家规模比较大，品牌影响力好的厂家。从产品角度来讲，以后的智能家居产 品会朝着实用化、傻瓜化( 操作简单) 、模块化的方向发展，所谓模块化就是产 品开发商把智能家居产品做成模块化的，可以根据用户的实际需求任意搭配。 这样不仅可满足不同层次用户的需要，而且可以节约成本，也可以节约不必要的 端口模块的浪费。 随着高科技和信息技术的广泛应用，安全、舒适、便利的生活环境已经不 再是一个遥远的梦想。由于智能家居系统能够为人们提供更加轻松、有序、高 效的现代生活环境，因此已经成为房地产商追逐的热点。在未来，没有智能家 居系统的住宅将像今天不能上网的住宅那样不合潮流。相信不远的将来，智能 家居一定会更好地造福人类。 1 2 家居控制系统的现状和存在的问题 我国对智能家居系统的研究还h i h i ! 起步，主要集中在一些分散的智能家庭 控制子系统的研究，如果以智能家居控制系统三个层次的功能来讲，目前国内 市场上的智能家居产品，除实现第一层次的功能外，多数是在往第二层次f 郎家 居控制系统) 上靠近，但还不是特别完善和成熟。能实现第三层次的智能家居产 品就更少了，实现该层次功能的装置现在多数是以机顶盒、p c 机的形式出现。 长期从事智能家居行业研究的清华大学杨士元教授在论坛上对比分析美 国、韩国等国家智能家居发展历程，对中国智能家居行业的发展提出了独到见 解，他认为智能化要从家庭的智能化开始，逐步演变到住宅小区的智能化。他 介绍，智能化家居装修需要四个步骤1 6 j ： 1 先设计配置以下子系统：家居布线系统、家庭局域网络及宽带网、电话 通讯系统、家庭办公系统、可视对讲( 门铃) 系统、智能灯光控制、家庭安防 系统、家庭娱乐系统。 2 设计配置与所在小区结合安装的智能化子系统：小区报警系统( 家庭报 警点或接口) 、三表抄送系统、小区物业管理系统、小区宽带增值服务( 网上教 育、网络游戏、v c d 点播、网上购物等) 。 3 有条件的或对各子系统产品比较了解的用户可以选择家庭控制主机。 2 武汉理工大学硕士毕业论文 4 可以选择安装的其他家庭智能化设备和产品：家庭中央空调、整体厨卫 产品、环境控制产品1 8 j 。 智能化家居的装修核心则是综合布线，杨士元教授认为实现智能家居必须 满足具有家庭网络总线系统的条件；能够通过这种网络( 总线) 系统提供各种 服务功能的条件；能与住宅外部相连接的条件。因此，家庭智能化装修的核心 是家居综合布线系统。布线设计应以实用为主，适当超前。在选择信息点及线 缆时必须要有前瞻眼光。例如，家中的紧急呼救信息点就应该多设一些，可以 有备无患；厨房要多设c o 、煤气等探头；主卧则要设有数据宽带、a v 、语音 电话、传真、v c d 点播、安防等六个以上的插座。至于电器产品则可以随时 增减、调整更换。 经过近年的不断成长，家居控制系统相关产品从无到有，有了长足的发展， 促进了家庭的信息化、智能化，改善了人们的生活环境，但同时也存在诸多的 问题。 首先，由于媒体炒作和开发商的一些夸张的宣传，消费者的认识存在误解。 一是认为简单的监控设施或网络设施的堆砌便是实现了信息化、智能化，如设 置一个可视电话、可视门铃等；二是认为智能化深不可测，一打电话热水器便 开了，甚至把冰箱、微波炉等都接上网络，都用手机遥控。据调查，拥有个人 电脑的美国家庭当中，有3 7 希望拥有家庭网络，但很少有消费者需要带有电 子邮件功能的冰箱、微波炉等。 其次，家庭网络中，有线方式必然要涉及到布线的问题，限制用户的移动 性和灵活性，单纯的无线方式又受到成本和性能方面的制约。事实证明，家庭 网络应是多种通信媒介相融合的混合，但标准化接口和通信协议等方面的技术 标准难以统一，为家居控制系统的普及留下了障碍【9 】。 第三，处理家庭信息的家庭控制器的承担者多为p c 机。“闪联”虽然为我们 提供了一个可以期待的家居控制系统前景，过分依赖p c 也不能不说是一个缺 点。推出更低层次的嵌入式家庭控制器，将p c 解放出来，也成为该领域的一 个发展方向。 第四，家居控制系统中的终端产品主要定位于信息家电，而信息家电相关 产品的开发多数停留在概念上，缺乏对家居控制系统的支撑。传统家电的信息 化程度有限，遥控方式以红外遥控为主。 虽有诸多问题，但总体看来，家居控制系统相关产品向着标准化、开放性、 3 武汉理工大学硕士毕业论文 模块化、实用性、普及化的方向不断发展，从技术上，具有多媒体数据通信、 无线通信和通过移动终端实现远程控制及其他扩展功能的家居控制系统是发展 的主要方向。 1 3 短程无线通讯技术在家居控制中的运用 随着移动通信的大发展，无线通信的地位变得越来越重要，当r r 专业人员、 商业领导者和终端消费者讨论无线通信网络的时候，他们第一个提到也是最主 要的是使用便利性问题，这个基本的优点几乎超过了所有其他优点的总和。因 此，在家居控制中出现了另一种需求：实现低价位、低功耗、可替代电缆的无 线数据和语音链路。通过一个小型的、短距离的无线网络为移动和商业用户提 供方便【1 1 】。 1 3 1 短程移动通信技术简介 目前短程无线通信技术主要有两种，一种是红外无线通信技术，另一种是 工作于i s m ( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i cm e d i c a l ) 频段射频通信技术。 1 i s m 频段主要是开放给工业、科学、医学三个主要领域使用，该频段 是依据美国联邦通信委员会( f c c ) 所定义出来，不需要使用授权限制的自由频 段。 2 红外通信是一种较早的短距离无线通信技术，它一般采用红外波段内的 近红外线，波长在0 7 5 2 5 口之间。红外通信的应用主要在两方面，红外遥控 和红外数据传输。红外遥控方面，人们相对比较熟悉，家庭中的电视机、广播、 灯和其他家用电器的遥控器都使用红外信号。红外遥控相关的组成部件都很便 宜，工作频率主要数集中在3 8 k h z 附近( 3 6 7 k h z ，3 7 9 k h z ) ，但对红外遥控 而言，不同的产品厂商所依据的红外遥控编码并不相同，红外控制协议主要有： n t 协议、n o k i an r c l 7 协议、夏谱协议、s o n ys i r c 协议、p h i l i p sr c - 5 协 议、n e c 协议等。 1 3 22 4 g h z 高频在家居控制系统中使用的优点 市场上现有的遥控器，大都是采用红外或r f 4 3 3 m 或r f 3 1 5 m 的单向发射 4 武汉理工大学硕士毕业论文 技术。红外遥控器是一种靠红外接收和发送命令的监控和管理工具，适用于家 庭网络及类似环境下设备的监测和控制，传统红外遥控系统一般分发射和接收 两个部分。发射部分的主要元件为红外发光二极管。其工作原理主要是通过光 敏管受光以后内阻发生变化从而使电子开关的状态发生变化。一般使用的传感 器有光敏二极管、光敏三极管几种。传统无线遥控系统整个工作原理流程为在 发射端采用某个固定频率的振荡器，再通过开关来控制信号，将红外线或脉冲 信号调制到振荡器上进行空间开路发射；然后在接收端再把它们放大、检波、 双稳态触发器、双向可控硅或继电器电路、接通控制开关。 红外传播技术经过近些年的发展已经非常成熟，许多电器设备都包含了红 外无线传输接口，其使用价格也比较便宜，但是红外传播技术也存在不足：第 一、是红外信号在短距离传输中，必须在视线上直接对准，即直线对准所控制 的电器设备的接收部分才能实现信息的传递，而且在信号的传输过程中，中间 不能有任何的阻拦；第二、红外信号的传输只限于在两个设备的有限距离之间 进行，其有效的控制距离时在1 0 米左右。因此红外遥控因为作用距离短和方向 性差而不方便使用，而采用4 3 3 m h z 或3 1 5 m h z 频率的无线遥控，信号抗干扰 能力比较差。而且有些国家对此频段有一定的限制，例如某频段中国可用，韩 国不能用。对于厂商来说，针对不同国家、地区，要做很多硬件修改。 在现有的红外信号的传播或r f 4 3 3 m 或r b 3 1 5 m 的单向发射技术是无法满 足人们的操作需要及效率要求。 2 4 g 无线收发技术，使用全球免费开放的i s m 频段，通过高效g m s k 调 制，使信号抗干扰能力强，而且支持数据的双向传输。能够很好的解决现有技 术中的存在的红外控制信号作用距离短和方向性差，4 3 3 m h z 或3 1 5 m h z 频率 的无线遥控信号抗干扰能力比较差的问题。 1 4 本文的主要工作和组织结构 1 4 1 主要工作 本家居集中控制系统包括灯光控制系统、窗帘控制系统及电器控制系统。 控制模式包括无线遥控、定时控制、集中控制、场景控制，电话远程控制及电 脑控制。 武汉理工大学硕士毕业论文 本文的主要工作是研究了基于无线的家居集中控制系统的相关理论和方 法。设计了一种适合于本系统运用的能实现数据双向无线传输的2 4 g 的遥控硬 件平台。采用了省电模式，使用键盘中断和外部中断来唤醒m c u ，通过液晶辅 助显示的功能，执行相应的数据发送和接收工作，并设计了一种红外学习和红 外接收的电路来实现对红外设备的控制和学习，最后指出了在嵌入式应用中应 注意或可改进的地方。 1 4 2 组织结构 本文第一章介绍了家居集中系统的研究现状和本文研究课题的意义。第二 章从系统需求分析的角度，结合现有的技术，提出了一个总体方案。第三章确 定了本系统使用的通讯接口，并设计了系统使用的通讯协议。第四章首先介绍 了基于n r f 2 4 0 1 芯片的无线通讯原理，然后设计了无线通讯模块、红外学习和 接收模块、矩阵键盘模块和液晶模块的硬件电路。第五章对系统软件设计进行 了详细的说明，并给出了各模块的软件设计的流程图。最后对本文的研究工作 进行了总结和展望。 6 武汉理工大学硕士毕业论文 2 1 系统分析 第2 章系统分析与方案设计 根据给出的设计任务与指标，仔细分析原系统特点和构造，提出设计思想， 并根据这些设计思想来进行具体方案的设计1 1 2 1 。 2 1 1 功能需求分析 我国1 9 9 7 年初制定了小康住宅电气设计( 标准) 导则( 讨论稿) 。导则 中规定了小康住宅小区电气设计总体上应满足的要求有：高度的安全性、舒适 的生活环境、便利的通信方式、综合的信息服务、家庭智能化系统等【1 3 1 。家庭 智能化系统己经成为规定中的基本要求。家庭智能化系统的最终目标是建立一 个开放的，智能的、人性的家居环境，这势必要求家居控制系统等相关产品必 须面对国内家庭智能化系统依托于智能小区的实际情况，走有中国特色的道路， 开发既可以与小区互联，又可以灵活使用的家居控制系统产品。家居控制系统 作为第二层次的家庭智能化系统，必须将家用电器、安防设施等系统相连接， 并完成家庭与外界互联的功能，同时对家庭娱乐、生活小区一体化等智能家居 第三层次的功能有一定的前瞻性。按照与用户实际生活的紧密程度，一般智能 家居产品所要实现的主要的功能有【1 4 j ： 1 通过对外的接口，如：通过i n t e r n c t 、电话线、有线电视电缆、市电电 源线、双绞线和无线通信等方式，实现远程控制和信息交换； 2 家庭自动化功能：家庭智能化系统的主体在于家庭自动化，即对家电、 照明等电气设备的控制、调节和监测，如微波炉、洗衣机、灯光、电动窗帘、 温度和湿度控制器、风量调节器、各种手动的开关和遥控等。家庭自动化系统 能够集中或者分布式控制家庭内部照明或家电，用户可以远程控制家庭内部设 备，家居自动化系统是家庭智能化系统的主要发展方向； 3 家居安防功能：人们对于安防系统的要求越来越高，家居安防功能可以 有效的利用技术手段来实现安全防范，主要内容包括防盗、防燃气泄漏、防火 等功能，同时可被远程监控，使得住户可以随时了解家庭内部情况，同时可监 7 武汉理工大学硕士毕业论文 听或者监视家庭内部情况，紧急情况下，可以选择合理的途径报警； 4 沟通黑色家电和其他视频设备之间以及与外部世界之间的信息通道，其 中包括：台式手持计算机、电视，录摄像机、v c d d v d 和数码照相机等，同 时还可以实现对它们的控制和监测。 以上功能中，前三者属于智能家居第一、二层次的要求，第四点则对网络 的性能要求提出了更高的要求，属于智能家居第三层次的要求，基于无线通信 的家居控制系统研制过程中主要侧重于对前三个功能的实现。 所以本系统依照小康住宅小区电气设计导册，设计时采用e i b 集中控制技 术和传统智能家居产品的智能控制技术，并将两种技术进行结合，针对两者的 优缺点进行技术突破和改造，达到和谐统一的集中控制系统( 技术) 。系统与 2 4 ( 3 无线网络的完美结合，在强弱电完全分离的安全、无辐射、性能稳定的系 统技术基础上更加完美的增强了传统无线控制的稳定性能。该系统上主要产品 可根据不同需要，进行不同的组合和功能扩展槽的串接，不需经过重新布线便 能通过简单的多元化升级，以达到功能拓展的目的。与传统的安装方式相比， 可达到一次安装3 0 年受益的效果。 系统全部元件都可以通过一条总线连接，所有元件可以相互交流信息。用 户可以根据实际需要将系统调节到最佳控制状态，从而达到降低运行成本的目 的。而且系统必须具有易安装、易使用、易维护，具有可扩展性和兼容性等特 点。 系统必须实现四大功能控制，手动控制、无线遥控、电脑控制和远程电话 控制。其中包括家庭灯光的智能控制、家用电器的智能控制、安防报警的智能 控制。 2 1 2 设计思想 从网络连接的角度看，家庭网络是指在家庭和社会的信息网络相连之前， 将家庭内部所有的终端设备连接起来而形成的网络。家庭网络技术的最终目标 是使家居环境中的所有电子设备互联，电子设备之间、电子设备与外部环境之 间能够相互通信1 1 5 1 。 根据构成网络的传输媒质物理形态的不同，家庭网络中实现终端互连的方 式有两类：有线网络和无线网络1 1 6 1 。 8 武汉理工大学硕士毕业论文 1 有线网络 有线网络，即信息的传输是通过可见的各种线路传输。目前，有线网络有 三种实现技术：一种是利用电话线作为传输介质构建系统，如家庭电话线连网联 盟( h o m ep n a , h o m ep h o n el i n en e t w o r k i n ga l l i a n c e ) ；- - 种是利用计算机外部总 线构建网络，如r s 4 8 5 ，i e e e l 3 9 4 ，以及以太网、l o n w o r k s 等网络：第三种是利 用电力线构建的网络。 2 无线网络技术 从某种意义上讲，只有实现无线的网络连接，才真正实现家庭中无处不在 的网络。无线网络技术主要有两种，一种是红外无线通信技术，另一种是工作 于i s m ( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i cm e d i c a l ) 频段射频通信技术，包括蓝牙、i e e e8 0 2 1 1 和h o m e r f 等。相比有线网络走线布局困难、电缆价格昂贵，还需要专业人员 进行安装，无线网络价格便宜、方便实用，而且易于安装和组网。无线技术方 案的诸多优点使其成为家庭网络技术的研究热点。 家居控制系统的设计中，需要考虑功能、技术、成本和人性化等各方面因 素，设计中，我们在用户可接收的成本价格范围内，选择了较为成熟可靠的技 术组网，并选择较为成熟的元器件进行硬件设计，来完成所需要的基本功能。 归纳有以下几点： 1 尽量采用成熟的技术，以降低系统成本：尽可能在已有的硬件基础上作 改进，以缩短设计周期。 2 基于数据传输的高效和可靠性设计要求，采用一种能实现数据双向无线 传输的2 4 g 遥控装置，该遥控装置采用2 ，4 g 无线收发技术，使用全球免费开 放的i s m 频段，通过高效g m s k 调制，使信号抗干扰能力强，而且支持数据 的双向传输。 3 由于4 8 5 总线技术成熟，传输距离远，抗干扰性强，并且误码率较低， 故各个电路板之间的连接采用4 8 5 总线连接方式。 4 要求系统具有一定的检错和差错掩盖能力，因此在发送数据之前应该对 其进行编码；当数据传输完成后，通过检验校验和，判断数据是否在传输过程 中产生错误，对于错误的数据采用直接丢弃的方式。 5 由于本系统面向的是中低端用户，所以系统的成本也必须在设计过程中 加以考虑。 9 武汉理工大学硕士毕业论文 2 2 系统总体方案设计 在上述系统分析和设计思想的指导下，可以进行具体设计方案的制定、划 及模块划分。 本家居集中控制系统基本上由命令控制板和电器控制板两大部分组成。电 话远程集中式家用电器控制装置，该电话远程集中式家用电器控制装置包括一 与电话模块连接的电话主机、以及用以控制家用电器的电控箱，还包括一与电 话主机相连的2 4 1 3 第一收发模块，所述2 4 g 第一收发模块将控制信号发送给 被控家用电器其系统框图如图2 - 1 所示。命令控制字通过4 8 5 总线传输到各 个电器控制板，然后电器控制板的主m c u 根据命令控制字的判断，进而控制 连接各路线路的继电器吸合，达到控制各路电器的目的。 2 3 设计流程 图2 - 1 家居控制系统框图 根据以上系统分析的结果，并且在规划好的具体设计方案的基础上，用模 块化的设计思想来贯穿整个设计流程。即是把整个系统划分成命令控制字发送 和接收两个主要部分，对各个模块进行单独设计和调试，再进行各模块之间的 组合调试，最后进行系统指标测试。 1 0 武汉理工大学硕士毕业论文 2 4 本章小结 根据研究内容和具体指标，对系统特点进行了认真的分析，提出了一些具 体的设计思想。在这些设计思想的指导下，规划出了系统的具体设计方案和各 模块的基本功能框图，最后对整个设计流程进行了规划和分析。 u 武汉理工大学硕士毕业论文 第3 章通讯接口设计 3 1 串行通讯接口方式 现场总线为串行通讯协议。在分布式控制系统中主要使用串行通信方式， 相对于并行通信方式它需要的设备更简单( 对于一个全双上通信只要三根线就 可以完成接口1 ，且有大量标准化的技术准则可以遵守，其通信的距离比并行方 式远的多。较为广泛使用的串行通信接口方式主要有r s 一2 3 2 c , r s - 4 8 5 ，r s 一4 2 2 等。 3 1 1r s 2 3 2 c 接口方式 电子工业协会e i a 的r s 一2 3 2 c 是异步串行通信中应用最为广泛的标准接 口。目前，所有的p c 机都采用了r s 2 3 2 c 标准的串行口。这个标准包括了按 位串行传输数据的电气和机械方面的规定，适用于数据终端设备( d t e ) 和数据通 信设备( d c e ) 之间的接v i 。其最大优点是应用广泛和标准完善【1 s l 。 虽然r s 2 3 2 c 接口使用很广泛，而且接口规范标准化，但其在现代网络通 信中已经暴露出明显的缺点： 1 数据传输速度慢，一般传输速度在2 0 k b s 以下，高速的标准也在1 0 0 k b s 以下，这对传输速度要求高的系统是无法满足的。 2 传输距离短，一般设备之间电缆长度为1 5 米，即使有较好的线路器件、 优良的信号质量，传输距离也不会超过6 0 米。 3 接口处各信号间容易产生串扰。 4 多个r s 2 3 2 c 串行口在p c 机要占用多个中断资源。 鉴于以上的缺点，在系统设计时我们没有考虑r s 2 3 2 c 接口设计。 3 1 2r s - 4 2 2 a , r s 4 8 5 接口方式 鉴于r s 2 3 2 c 接口的上述缺点，e i a 制订了一些新的串行接口标准，其中 最成功、应用最广泛的是r s 4 2 2 a 、r s 4 8 5 接1 ：3 标准。这两种接口无论是在传 武汉理工大学硕士毕业论文 输的速度和距离上都超过了r s 一2 3 2 c 接口，被广泛地应用于电子上程领域，特 别是在分布式控制系统中。 r s 4 2 2 a , r s 4 8 5 标准有统一的电气特性：都采用差分接收，差分发送的工 作方式，利用两根信号线来传送信号。如果其中的一条线是逻辑1 状态，则另 一条线就为逻辑0 状态1 1 9 1 。由于这种标准的电压传输回路是双向的，因而大大 地改善了通信性能。这种标准允许的最高传输速度为1 0 m b s ，在此速度下允许 的通信距离为1 2 0 米。如果适当的降低传输速度，它的传输距离可以达1 2 0 0 米。 r s - 4 2 2 a 和r s 4 8 5 都是采用差分电平的信号传输，不同的是r s 4 2 2 a 是 全双工标准，r s - 4 8 5 是半双工标准。 r s 4 8 5 作为通信桥梁目前在许多测控领域中经常用到，虽然它存在着许多 不是之处。比如主扶结构网络上只能有一个主站，其余均为从站，它无法构成 多主结构或冗余结构的系统，对主节点的可靠性要求很高。其数据通信方式为 命令响应型，网络上任一次数据传输都是由主节点发出命令开始，从节点接到 命令后以相应的方式传给主节点。但已经能满足本系统数据传输的所有要求。 所以本系统采用r s 4 8 5 作为通信桥梁。 3 2 系统通讯协议设计 3 2 1 通信方式 监控单元( s u ) 与电控箱( s m ) 的通信为主从方式，监控单元( s u ) 为 上位机，电控箱( s m ) 为下位机。s u 呼叫s m 并下发命令，s m 收到命令后返 回响应信息。s u 在1 0 0 0 m s 内接收不到s m 响应或接收响应信息错误，则认为 本次控制失败( 或通信过程失败) 。 注：s u ( s u p e r v i s i o nu n i t ) 为监控单元( 以下简称上位机，主要指连接电脑 用的控制器和遥控器) ， s m ( s u p e r v i s i o nm o d u l e ) 为监控模块( 以下简称下位机，主要指r s 4 8 5 网 络中的收发器和红外转发器、电控板、主机等) 。 3 2 2 信息类型 信息分两种类型：由s u 发出到s m 的命令信息( 简称命令信息) ；由s m 武汉理工大学硕士毕业论文 返回到s u 的响应信息( 简称响应信息) 。 3 2 3 协议的基本格式 协议的基本格式如表3 - 1 所示： 表3 - 1 ：协议的基本格式 l 序号 1 2 34567 i 字节数 12221 62 1 i 格式 s o ia d r la d r 2 c i df 0c h k s u me o i s o i ：起始位标志( s t a r to fi n f o r m a t i o n ( 下发时为a b h ，回时为 b a h ) ) ，一个字节。 a d r h 无线地址描述( 1 - 2 5 4 ，1 为主收发器，2 5 5 为广播) ，两个字节。 a d r 2 ：有线地址描述( 0 - 2 5 4 ，0 为主机，2 5 5 为广播) ，两个字节。 c i d ：控制标识码( 命令类型描述0 0 - - 1 2 7 其它保留) ，两个字节。 i n f o ：1 、命令信息：控制数据信息c o m m a n di n f o ；2 、应答信息：应 答数据信息d a t a i n f o ；1 6 个字节。 c h k s u m ：校验和码，两个字节。 e o h 结束码( o a h ) ，一个字节。 3 3 协议的数据格式 3 3 1 基本数据格式 在基本格式中的各项除s 0 1 和e o i 是以十六进制解释( s o i = a b h 或b a h ， e o i = 0 a h ) 、十六进制传输外，其余各项都是以十六进制解释，以十六进制a s c 码的方式传输，每个字节用两个a s c i i 码表示，即高四位一个a s c i i 码表示， 低四位用一个a s c i i 码表示。 例：c i d = 4 b h ，传送时顺序发送3 4 h 和4 2 h 两个字节。 武汉理工大学硕士毕业论文 3 3 2a d r l 数据格式 当它为1 时代表只对1 号收发板有效，以下简称第一组，1 为主收发器地址( 必 须存在) ，2 5 5 为广播地址。收发器地址为1 1 2 7 ( 通过拨码开关来实现) 。红 外控制器地址为2 5 4 - 1 2 9 ( 1 2 8 为红外广播地址) ，( 通过拨码开关来实现，算 法为a d r l = 2 5 5 - - r e a da d d r e s s ) 【2 5 1 。 当你( 电脑或遥控器) 不知它的无线路由时可把a d r l 填为f f ( 或为0 1 ， 即第一个收发器) ，那个收发器收到时就把自己的a d r l 补上并转发给有线设 备，当有多个收发器收到时，a d r l 小的拥有优先发送权，收到数据的收发器 从收到数据的那- n 开始计时，只有当r s 4 8 5 总线空闲时间达到a d r i * 1 0 m s 才可以发送数据，当已经有其它收发器发送过同样的报文( 从a d r 2 e o i 相同) 时则取消发送，有线设备收到有效数据后必须在8 m s 内回报文给收发器，收发 器再转发给你( 电脑或遥控器) 。a d r l 等于f f 时只在寻找路由时使用，找到 路由后a d r l 不能为f e 总之请尽量少用f f , p a 减小对系统资源的占用。 3 3 3a d r 2 数据格式 当它为1 时代表只对1 号电控板有效，一个电控箱可以有多块电控板，每块电 控板的地址必须是唯一的( 1 - 2 5 4 ) ，且地址只能从前往后排列。0 0 被主控板占 用( 功能：电话控制和无线网管) 。当地址为2 5 5 时( 广播) ，只有a d r 2 = = i 的板回应该报文。每个r s 4 8 5 设备只有当r s 4 8 5 总线空闲时间达到3 m s 后才可 以发送数据( 必须等3 m s ) 。 3 3 4a 巧u m 数据格式 c h k s u m 的计算是除s 0 1 、a d r l 、e o i 和c h k s u m 外，其他字符按a s c i i 码值累加求和，所得结果模2 5 5 余数( 也就是求和，只要一个b y t e ，溢出不管) 。 3 4s p i 接口的软件设计 p 8 9 l p c 9 3 2 a 1 直接提供一种高速串行通信接口s p i 接口。s p i 是一种 全双工、高速、同步的通信总线，有两种操作模式：主模式和从模式。主模式 支持3 m b i t s 的速率，从模式支持高达2 m b i t s 的速率。还具有传输完成标志 武汉理工大学硕士毕业论文 和写冲突标志保护。s p i 接口的方框图如图所示i 驯1 2 1 1 。 图3 1s p i 方框图 s p i 接口有4 个管脚：s p i c l k , m o