硕士论文-基于无线通信的家居控制系统的研制.pdf

重庆大学 硕士学位论文 基于无线通信的家居控制系统的研制 姓名 王华华 申请学位级别 硕士 专业 仪器科学与技术 指导教师 龚卫国 20060401 中文摘要 I 摘要 随着科学技术的发展和人们物质生活水平的不断提高 人们对生活的安全 舒适 方便等方面的要求越来越高 技术的发展推动社会信息化的不断发展 特 别是智能家居 信息家电等概念的出现 使家庭作为社会信息终端的作用日趋显 著 人们对家居控制系统等智能家居产品也充满了期待 论文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 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 提出通过移动通信手段实现家居的对外联系 通过红外通信技术实现家居内 部的互联和传统家电控制的方案 实现了家居控制系统互联和控制的功能 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 针对家庭网络中 用户需要远程控制 查询各种家居信息的功能需求 制 定了即适宜家居控制系统实际需要 又与工业自动化网络中流行的 Modbus 协议相 兼容的家居控制协议 2 在 Linux 系统下 使用 C 语言编写了通过 ETPro 201Ai GPRS MODEM 接 收 发送短信息 SMS 的程序 并按照制定的家居控制协议 实现了手机与家居控 制系统的通信 3 对 MMS 发送的原理 数据包结构进行了深入分析 并参与了相关软件开 发工作 4 分析了家电红外控制的相关协议 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 5 完成了基于 PIC16F877 单片机的红外遥控自学习模块 家电控制模块 家 居状况监控模块及家居安防模块等家居控制系统外围硬件的制作和相关软件的编 写 与基于 EBD2440 开发板的家庭控制器构成完整的家居控制系统 并通过试验 对系统进行了测试 基于无线通信的家居控制系统把人们日常所用的通信工具作为家居控制系统 的移动终端 使人们随时随地可以控制 查询家庭状况 拓展了人们的生活空间 试验结果表明 采用该方案搭建的家居控制系统使用方便 通用性好 控制响应 时间短 能满足人们的日常生活需要 关键词 无线通信 SMS MMS PIC16F877 家居控制系统 英文摘要 III ABSTRACT With the development of technology and advancement of people s living quality people turn to pay more attention on life s security comfort convenience etc The improvements of technology have quickened the coming of information age Especially in the field of intelligent house home as the information terminal has gradually shown its important effect and there s more and more expectation on the products of intelligent house control systems Thispaperincludestheintelligenthome sderivation developmentand achievements nowadays We observe that the tools of mobile communications are commonplaces now and the traditional appliances still play the main role at home So according to our analysis and demonstration on the related technology we proposed the methodofcommunicationbetweenhouseandtheoutsidethroughmobile communication and used the technology of infrared communication to realize the inside appliances communication and appliances control Here we present the overall design of our wireless based intelligent home control systems Parts of the system which have been realized are shown below 1 To meet clients needs of remote control and querying the appliances information we established the home control protocol which is compatible with the Modbus protocol 2 We completed the SMS sending and receiving through ETPro 201Ai GPRS MODEM in language C under Linux and realized the communication between mobile phone and home control system according to the self established house control protocol 3 We got to know the theory of MMS sending and the packet structure and took part in related programming 4 We analyzed appliances infrared control protocol and used the self learning method to realize the remote control of the infrared controlled appliance 5 We completed the self learning house appliance control house monitor and house guard modules and their related programming on the PIC16F877 single processor All of these together with the EBD2440 are integrated to be a whole intelligent home control system and have been tested Using the technology of mobile communication intelligent home control system is able to expand clients activity space and make it easy to control and query house 重庆大学硕士学位论文 IV condition All tests prove this system to be convenient compatible and response quickly I t can meet the needs of clients daily life Key words wireless communication SMS MMS PIC16F877 home control system 1绪论 1 1绪论 随着网络通信技术 计算机技术 电子技术和智能传感技术的发展和人们物 质生活水平的不断提高 人们对生活的安全 舒适 方便和符合绿色环境保护等 方面的要求越来越高 同时技术的发展也促进社会信息化的不断推进 家庭是社 会最基本的要素 家庭信息化既是对社会信息化的支撑 也是社会信息化的必然 要求 上海 深圳等东部沿海城市甚至开始通过地方法规等行政手段逐步推进智 能社区 智能家庭等社会基础元素的信息化进程 家居控制系统作为智能家居系 统的重要组成部分 无疑是其中的重要技术手段和今后社会的基础信息结点 开 发智能家居相关产品不仅能够满足人们生活的需要 对整个社会信息化进程的推 动作用也不可忽略 1 1 概述 自 1984 年世界上第一幢智能建筑在美国出现后 智能家居 逐步走入人们的 视野 美国 加拿大 欧洲 澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出 了各种智能家居方案 并在美国 德国 新加坡 日本等国得到应用 1 20 年后 智能建筑也在我国扎根发芽 并从单一的建筑单元深入到家庭个体 中 智能家居逐步形成 智能 也从 20 多年前简简单单的电话通话 发展到现在 遍及人们生活的每个环节 智能控制灯光 智能控制开关门 智能化冰箱 智能 操作的洗衣机 智能防盗系统 智能调节室温感应等 智能家居 2 或称智能住宅 在英文中常用 Smart Home 同时与智能家居含 义近似的还有家庭自动化 HomeAutomation 电子家庭 Electronic Home E home 数字家园 Digital Family 家庭网络 Home Net Networks for Home 网络家居 Network Home 智能家庭 建筑 Inte1ligent Home Building 在香港 台湾等地区 还有数码家庭 数码家居等称法 什么是智能家居 达到一个什么样的标准才可 以称之为智能家庭 至今尚没有取得一致的认同 尽管名称五花八门 但它们的含义和所要完成的功能大体是相同的 3 首先 它们都要在家居中建立通信网络 为家庭信息提供必要的通路 在家庭网络的操 作系统控制下 通过相应的硬件和执行机构 实现对所有家庭网络上的家电和设 备的控制和监测 其次 它们都要通过一定的媒介 构成与外界的通信通道 以 实现与外部世界的信息沟通 满足远程控制 监测和交换信息的需求 最后 它 们的目的都是为满足人们对安全 舒适 方便和符合绿色环境保护的需求 可以看出 智能家居是一个典型的集计算机 通信和消费在一起的 重庆大学硕士学位论文 2 3C Computer Communication and Consumer 系统 利用先进的计算机技术 网络 通信技术 电子技术和智能传感技术 将与家居生活有关的各种子系统有机结合 在一起 通过统筹管理 让家居生活更加舒适 安全 有效 是整个世界所形成 的巨型网络的末端 把自动控制技术以及计算机网络技术 通信技术引入家居 实现对家用电器设备自动控制和调节的家居控制系统是智能家居中必不可少的基 础组成部分 智能家居的功能分为三个层次 4 首先是实现家庭网络监测与局域网 Internet 的连接与通信 其次是实现远程的控制与浏览 第三是作为家庭媒体中心 实现 音频和视频信息的综合预处理 三个层次内容逐层推进 前者是后者的前提和基 础 显然 家居控制系统所要实现的是智能家居系统第二层次的功能 可以说 家居控制系统是第二层次的智能家居 同时家居控制系统也是智能家居最基础 最实用的组成部分 是智能家居发展的主要方向之一 智能家居或家居控制系统由多种家庭信息终端或家用电器设备组成 要想将 各成体系 互不相连的子系统协调起来 必须有一个兼容性强的家庭控制器和满 足信息传输需要的家庭网络 家庭控制器是系统的心脏 通过它实现系统信息的 采集 信息输入 逻辑处理 信息输出 联动控制等功能 家庭网络是系统的经 脉 其包括两个层面 首先就是家庭信息终端之间的互联问题 也就是使不同家 庭信息终端之间能够互相识别 协同工作 第二个层面是解决家居内外的沟通问 题 使家庭中的信息网络真正成为世界网络的延伸 两者协调工作才能构成一个 完整的集家居通信 家居设备自动控制 家居安全防范等功能的家居控制系统 4 5 1 2 家居控制系统技术现状 1 2 1 家庭网络技术现状 要实现对家居状况的远程监测和对家庭信息终端的互操作 家庭网络的组网 和接入是需要解决的关键问题 7 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 6 国际上对家庭网络的研究起源于 20 世纪 70 年代 主要集中在美国 日本 德国 英国 法国等发达国家 但由于具有不同的目标和市场战略机制 一直没 有形成统一的标准 其中比较重要的有 美国的 X10 CEBus Consumer Electronic Bus 和 LonWorks 日本的 HBS Home Bus System 欧洲的 EIB European Installation Bus 和 EHS EuropeanHome System 1绪论 3 进入 90 年代后 由于多媒体技术 计算机技术和通信技术迅猛发展 笔记本 电脑 PDA 手机等便携设备激增 加之 信息家电 的概念逐渐形成 家庭网络中 信息处理量增大的要求日益迫切 以蓝牙 Bluetooth Home RF IEEE802 11b 等 技术为代表的新兴家庭网络技术 已经成为各国家庭网络研究开发工作的焦点 根据网络中的数据流量和数据延迟时间的要求 家庭网络可分为通信互联网 络和监控互联网络两部分 通信互联网络对数据流量和数据延迟的要求较高 监 控互联网络则对数据流量和数据延迟的要求较低 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 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 Home PNA Home Phoneline NetworkingAlliance 一种是利用计算机外部总线构 建网络 如 RS485 IEEE1394 以及以太网 Lonworks 等网络 第三种是利用电 力线构建的网络 HomePNA Home PNA 是由包括 3Com Agere System AMD AT1 文本 AT CMGLList SMS message from preferred store 列出 SIM 卡中的短消息 PDU text 0 REC UNREAD 未读 1 REC READ 已读 2 STO UNSENT 待发 3 STO SENT 已发 4 ALL 全部的 AT CMGRRead SMS message 读短消息 AT CMGSSend SMS message 发送短消息 5基于无线通信的家居控制系统的实现 51 AT CMGWWrite SMS message to memory 向SIM内存中写入待发的短消息 AT CMSSSend SMS message from storage 从 SIN M 内存中发送短消息 AT CNMINew SMS message indications 显示新收到的短消息 AT CPMSPreferred SMS message storage 选择短消息内存 AT CSCASMS service center address 短消息中心地址 AT CSCBSelect cell broadcast messages 选择蜂窝广播消息 AT CSMPSet SMS text mode parameters 设置短消息文本模式参数 AT CSMSSelect Message Service 选择短消息服务 程序流程 短信息收发程序流程图如图 5 7 所示 开始 设置串口通讯参数 操作结果封装 接收消息 设置短信收发模式 是否有短消息 是否指定号码 提取短信内容 操作处理 发送短信息 删除短信息 是否发送成功 错误记录 存储历史信息 是否符合协议规范 Y Y Y Y Y 发送失败次数 1 发送失败次数 5 N 封装报错信息 错误记录 N N N N 设置服务中心号码 连接测试 图 5 7短信息收发程序流程图 Fig 5 7 SMS sending and receiving flow chart 1 串口参数设置 将 ETPro 201Ai GPRS MODEM 正确连接到 EBD2440 开发板 在串口初始化 程序中 设定串口参数为 速率 9600 奇偶校验位 无 数据位 8 停止位 1 流 重庆大学硕士学位论文 52 量控制 硬件 2 连接测试 向串口发送 AT 返回 OK 表明计算机与 ETPro 201Ai GPRS MODEM 已 连接成功 ETPro 201Ai GPRS MODEM 能够正常工作 这时就可以测试各类 AT 命令 AT CSQ CSQ 28 99 OK 向串口发送 AT CSQ 返回如上所示 99 表明 SIM 卡正常 28 表示信号强 度 一般为 17 31 最好 3 设置服务中心号码 AT CSCA CSCA 8613800230500 145 OK 向串口发送 AT CSCA 返回如上所示 确认短消息服务中心号码存在并且 是真确的 4 设置短信息收发模式 AT CMGF CMGF 0 OK AT CMGF 0 OK 查询并设置 SMS 格式为 PDU 格式 接收刚收到的短信息有两种方法 查询终端方式和使用事件方式 查询方式 是先不处理网络上发来的消息 可以定期使用 AT cmgl 0 指令读取未读取的短 信 如果有就读入 交给上级程序处理 然后将此短消息删除 该方法简单 但 许多时候都在做无用功 效率低下 实际中我们使用事件方式 通过 AT CNMI 指令设置接收到的短信息存储到 SIM 卡 并返回提示信息 如果接收到短信 返回如下所示 其中 1 为短信息序 号 在短信接收时将按照该编号读取信息并进行处理 AT CNMI 1 1 0 0 1 OK CMTI MT 1 5 短信息接收 AT CMGR 1 CMGR 1 27 0891683108200305F0040D91683195045147f60000604040126333000831184D068BC182 OK 5基于无线通信的家居控制系统的实现 53 如上所示 通过 AT CMGR 指令读取短信息 返回信息中 1 代表未读信息 27 为 PDU 串长度 读取短信息后 将根据 PDU 串的组成提取发送号码 发送时 间 信息内容等信息 并进行存储 6 号码判断 判断发送号码是否为家庭成员电话号码 是则处理 否则放弃 家庭成员电 话号码在系统使用时进行设定 本系统允许设定三个家庭成员电话号码 设定查 询界面如图 5 8 所示 图 5 8用户号码设定 查询程序 Fig 5 8 interface of clients number setting and inquiring 7 发送短信息 AT CMGS 21 0891683108200305F011000D91683195045147F600000006C8329BFD0E01 OK 如上所示 通过 AT CMGS 指令发送短信息 输入信息中 21 代表发送 PDU 串的长度 为实际串减去 SMSC 的长度 提示符 后紧接的是 PDU 串 返回 OK 表示成功 8 删除短信息 AT CMGD 1 OK 如上所示 通过 AT CMGD 指令在回复后将接收到的信息删除 1 为短信息 序号 返回 OK 表示成功 在测试中发现 短信作为报警传输通道也有自身的缺陷 由于短信需要在短 信服务中心存储转发 因此实时性较弱 另外 由于短信的传送占用的是控制信 重庆大学硕士学位论文 54 道 因此无线容量有限 在业务量较高时 可能会因为短信服务中心的处理能力 有限及无线信道阻塞而影响信息的及时传送和出现业务失败的情况 5 2 2 彩信发送模块的软件实现 MMS 彩信系统的工作流程 图 5 9 显示了最普通的 MMS 彩信业务服务 即由移动终端 A 向移动终端 B 发送一条 MMS 彩信信息的工作流程 MMS中心 Push Proxy网关 WAP网关 SMS中心 终端A发送MMS信息 终端B借助WAP Get取回彩信内容 MMS中心发送SMS 借助WAP Push通知终端B 终端A 终端B 图 5 9MMS 彩信系统工作流程 Fig 5 9 the work flow of MMS system 整个工作流程为 1 当移动终端 A 向移动终端 B 发送一条 MMS 彩信信息时 信息以 WAPWSP 的协议进行编码 借助 WAP Post 通过移动网络传送到 WAP 网关 2 WAP 网关以 HTTP 协议向 MMSC 进行通信 将信息内容传送给 MMSC 并在 MMSC 中将 MMS 彩信信息的内容转换成 MIME 格式 并存储在信息存储器 中 3 MMSC 进行数据分析 从而得到路由信息 用户终端信息等 通过与用户 数据库中相关信息的比对 判断用户的终端的特性进行不同的处理 4 MMSC 通过 MMS 彩信信息通知提示服务器 借助 WAP PUSH 向接收终端 B 发送 SMS 短信息通知 接收终端 B 可以借助 WAP Get 从 MMSC 下载接收这条 MMS 彩信 5 系统服务器生成计费信息 传送给计费中心 通过以上过程 我们可以明显地看出 WAP 技术在其中扮演了重要的角色 且 MMSC 起到了很重要的作用 作为彩信发送模块的实现工作 只需要完成第一 步中用 WAPWSP 协议对彩信内容的编码工作 并选择正确的 WAP 网关 用 WAP Post 进行发送 我们的工作也主要时围绕这两方面进行 5基于无线通信的家居控制系统的实现 55 MMS 彩信信息结构 目前 MMS 彩信业务运行在 WAP1 2 1 协议基础上 一条 MMS 彩信信息的 推荐大小为 30KB 包括 MMS Header 和 MMS Body 两部分 在 MMS Body 部分 中 包括了 SMIL 表述 其中定义了 MMS 彩信各帧的布局 指定了每帧中需要调 用哪些文字文件 图片文件和声音旋律文件 以及文字 图片 声音旋律的定时 信息等 一个含有两帧内容的 MMS 彩信信息格式如图 5 10 所示 SMIL描述 第一帧的图像文件 第二帧的图像文件 第一帧的文字文件 第二帧的文字文件 第一帧的声音文件 第二帧的声音文件 MMS Header MMS Body 图 5 10含两帧内容的彩信信息格式 Fig 5 10 tow frames MMS data format MMS 彩信业务使用多用途 Internet 邮件扩展 MIME Multipurpose Internet Mail Extensions 协议对 MMS 彩信信息中的各种多媒体文件内容进行打包封装 MIME 描述了一种传输结构型数据的格式 它通过为每种数据文件提供一个内容类型来 实现在数据文件和用于显示和编辑该文件类型的应用程序之间建立联系 MIME 最初在电子邮件系统中使用 现在 MIME 已经成为了 HTTP 协议标准的一个部分 这即可以有效的传输 MMS 彩信信息 同时也确保了 MMS 彩信业务与 E mail 系统 的兼容性 MMS 彩信业务中 MIME 常用的几个参数如下 Content Type 在 MMS 彩信信息的头部和主题部分都需要使用 Content Type 参数 在头部 Content Type 参数中最常用的是 multipart 类型 如 multipart related multipart mixed multipart alternative 等 multipart 类型允许将多种 MIME 对象 即各种图片文件 文本文件 声音旋律文件等 打包封装在一起并一同传输 在主题部分 Content Type 参数定义各个部分的类型 其中对于 SMIL 表述部 分 Content Type application smil charset US ASCII 对于图片部分 Content Type image jpeg 对于文本部分 Content Type text plain start 在 MMS 彩信的信息的头部中推荐使用 start 参数 它指定了 SMIL 表述的 Content ID start 参数也可以省略 但此时 SMIL 表述必须放在 MMS Body 中的第 重庆大学硕士学位论文 56 一部分 其他部分可以随意排列 type 如果在信息的头部中包含 start 参数 则必须包含 type 参数 参数值为 application smil 如果在信息头部中没有使用 start 参数和 type 参数 则 SMIL 表述 必须放在 MMS Body 中的第一部分 boundary boundary 参数用来指定使用哪个字符串作为 MMS 彩信信息中各部分间的分 界标识 Content ID MMS 彩信信息中每一部分都由一个特定的 Content ID 在 SMIL 表述中 可 以使用 Content ID 调用信息中的其他部分 Content Location 用户可以使用 Content Location 参数在 SMIL 表述中调用 MMS 彩信信息中的 其他部分内容 其含义和使用方法与 HTML 类似 一个典型的 MMS 彩信信息的主要内容如下 Content Type multipart related start boundary boundary example type application smil boundary example Content ID Content Type application smil charset US ASCII SMIL 描述 boundary example Content ID Content Location Image0001 jpg Content Type image jpeg boundary example Content ID Content Location Image0002 jpg Content Type image jpeg boundary example Content ID Content Location Text0001 txt Content Type text plain This is a mms example boundary example Content ID Content Location Text0002 txt Content Type text plain This is the second slide boundary example Content ID Content Location Sound0001 amr 5基于无线通信的家居控制系统的实现 57 Content Type audio AMR boundary example Content ID Content Location Sound0002 amr Content Type audio AMR boundary example MMS SMIL 由于在一条 MMS 彩信信息中包含多种类型的文件 因此在 MMS 彩信信息的 发送接收过程中 需要将信息中的 SMIL 表述及其需要调用的图片文件 文本文件 声音旋律文件等进行打包封装处理 同步多媒体整合语言 SMIL Synchronized Multimedia Integration Language 起源于 XML 主要用于描述多媒体表示的定时 将超链接与媒体对象关联以及定义屏幕表示的布局 一条 MMS 彩信信息的 MMS Body 可以分为两部分 MMS SMIL 表述和 MMS 彩信信息的有效载荷 其中 MMS SMIL 表述部分可选 如果没有该部分 则 MMS 彩信信息按照有效载荷中的多媒体文件顺序依次播放 一般情况下 MMS SMIL 表 述部分位于 MMS Body 的首部 MMS SMIL 中常用的一些标签和作用如表 5 2 所示 表 5 2MMS SMIL 中常用标签作用对照表 Table 5 2 function of usual tag in MMS SMIL 标签作用 必要标签 表示 SMIL 文档的开始和结束 必要标签 所包含的各种描述信息不显示在手机 屏幕上 的可选标签 用于描述 MMS 主题 作者等信息 的可选标签 用于设置 MMS 中各 个页面的推荐布局 跟随使用 用于设定所有页面的 背景颜色 大小等相关属性 跟随使用 用于设定各帧的图 片 文字等区域的大小 布局 必要标签 MMS SMIL 表述的主体部分 紧跟使用 用于设定内容重复次数 表示 MMS 中每一帧的具体描述 MMS SMIL 表 述的最主要部分 用来指定每一帧中的图片区域及相关属性 用来指定每一帧中的文字区域及相关属性 用来指定某一帧的声音播放及相关属性 重庆大学硕士学位论文 58 WAPWSP 协议编码规范 实际信息传递过程中 MMS 协议数据单元以 WAPWSP 协议进行编码 借助 WAP Post 通过移动网络传送到 WAP 网关 一个 WSP 消息的实例如图 5 11 所示 一条 WSP 消息由一个 WSP 报头和一个 WSP 内容部分组成 在 WSP 报头中 设置的 Content Type 参数必须是 Application vnd wap mms message 此外在 WSP Header 中还要设置接收号码 发送号码 文件大小等信息 MSP Content WSP Header Content type application vnd wap mms message MMS Header MMS Body 图 5 11WSP 消息 Fig 5 11 WSP message MMS 发送程序工作流程 主程序流程图如图 5 12 所示 初始化摄像头 获取图象 MMS组包 GPRS拨号 发送MMS 发送成功 彩信结束 结束 开 始 Y N 图 5 12MMS 发送程序流程图 Fig 5 12 MMS sending flow chart 5 3 家居控制系统的内部通信 家居控制系统的内部通信的实现是协议应用层的具体实现过程 家居控制系 统内部通信以家庭网络为基础 主要要实现两部分内容 5基于无线通信的家居控制系统的实现 59 对传统家电的控制 对系统中信息终端的访问 5 3 1 传统家电控制 学习型家电控制系统原理 随着人们生活水平的提高 家庭内家用电器的种类越来越多 但家用电器大 多属于带红外遥控功能的传统家电 包括电视机 空调 电风扇 VCD DVD 等 而不同厂家 不同种类的遥控设备与遥控器之间是一一对应的关系 相互之间不 兼容 不干扰 这虽然保证了家用电器之间的独立性 但随着家里遥控器数量的 不断增加 也给用户带来了很多麻烦 学习型家电控制系统通过记录并恢复各种 遥控器控制信息 实现家电控制的通用性 学习型家电控制系统首先对要控制的家电所配套遥控器进行学习 记录每个 按键对应的控制信息 需要控制时 则按照对应的控制信息恢复原来的控制信号 并进行发送 从而实现对多种家电的控制 整个过程分为学习和控制两部分 一般红外控制信号的组成如下所示 引导码控制信息 T1T2 红外遥控编码协议多种多样 不同的红外编码协议控制信息的组成不同 为 了实现通用性 我们忽略控制信息的详细组成 而记录信号高低电平的时间 T1 T2 实现对遥控器按键控制信号的学习并存储在家庭控制器中 信号恢复时 也根据时间信息 恢复为相应的控制信号 从而实现对家用电 器的控制 传统家电控制相关变量的定义 根据系统协议自定义功能码的要求 此部分用到的功能码主要是 41H 红外家 电遥控信息学习 42H 红外家电控制 1 家庭信息终端地址码的组成 根据协议要求 每个家庭信息终端都要有固定的地址编码 传统家电地址码 的组成如下所示 重庆大学硕士学位论文 60 D7D6D5D4D3D2D1D0 ITF 0 AT3AT2AT1AT0AN2AN1AN0 ITF D7 信息终端标志位 除地址码为 00H 当 D7 0 时 表明地址码代表的是传统家电 AT3 AT0 AN2 AN0 有效 即传统家电地址范围为 1 127 当 D7 1 时 表明地址码代表 的是信息终端 AT3 AT0 AN2 AN0 无效 AT3 AT0 D6 D3 家电类别表示位 表明家电的类别 四位可以表示 16 种不同的家电类别 如 0001 表示电视 0010 表示空调等 AN3 AN0 D2 D0 家电次序表示位 表明同种家电的次序 三位可以表示同种 8 台家电 当家里由多台同种电器 时 可以用家电次序表示位表明 结合家电类别表示位 0001000 表明第 1 台电视 0001001 表明第 2 台电视 2 控制功能代码划分 控制功能代码为 8bits 二进制数 用于标示控制对象的具体功能 虽然红外控 制器的面板各式各样 但数字键 开关键是最常用的按键 所以我们把面板上的 功能做简单划分为 数字键 开关键 其他键 便于用户的操作 数字键 开关 键代码固定 所有控制对象都保留此编码 详细功能代码分配如表 5 3 所示 表 5 3数字键 开关键控制功能代码分配 Table 5 2 control function code of number keystoke and switch keystoke 功能控制功能代码 十六进制 000 101 202 303 404 505 606 707 808 数字键 909 开关键 ON OFF0A 其他键对应控制功能码随控制对象的不同而差异 具体在用户学习过程中确 定 功能码范围为 0BH FFH 3 学习过程及数据包组成 5基于无线通信的家居控制系统的实现 61 学习过程主要是存储遥控器的控制信息 是学习型家电控制系统通用性的基 础 学习过程由家庭控制器发起 红外学习模块具体采集红外遥控器的控制信息 工作序列如图 5 13 所示 家庭控制器控制对象 查询 响应 控制信号 红外学习模块 图 5 13学习过程序列图 Fig 5 13 learning procedure chart 查询 响应过程的数据包按照功能码 41H 的有关约定执行 如 查询 08 41 CRC 低 CRC 高 响应 08 41 60 9B 11 E0 13 02 25 02 31 02 25 02 9F CRC 低 CRC 高 发起查询时 用户需要指定学习对象 家庭控制器收到响应数据包后 要对得到的控制信息进行存储 此时 用户 需要按照控制功能代码的划分 用控制功能代码明确控制信息的具体功能 存储 信息包括 从机地址 控制功能代码 控制信息长度和控制信息 如果为上例中 指定功能代码为 1DH 则存储信息为 08 1D 60 9B 11 E0 13 02 25 02 31 02 25 02 9F 从机地址 控制功能代码 控制信息长度 控制信息 4 控制过程及数据包组成 控制过程可以由移动终端发起 实现远程控制 也可以由家庭控制器发起 用于本地控制 序列图如图 5 14 所示 重庆大学硕士学位论文 62 移动终端家庭控制器红外发送模块控制对象 查询1 查询2 响应2 响应1 控制信号 图 5 14家电控制过程序列图 Fig5 14 home appliances control procedure chart 两种控制方式除了应用场合不同 在数据包的数据域也有所不同 同时为了 解决传统家电没有存储自身地址的能力的问题 我们对数据域进行了更详细的划 分 划分后数据域的组成如下 发送数据大小控制功能代码从机地址控制信息长度控制信息 其中灰色部分为可选项目 远程控制时 由移动终端发起的查询 1 查询 1 数据包的数据域部分只包含发 送数据大小和控制代码部分 如要对第一台电视机进行开机操作 RTU 模式下的 例子如 08 42 01 0A CRC 低 CRC 高 家庭控制器接收到查询 1 的数据包后 根据从机地址和控制功能代码查找相 应的控制信息 并组成新的数据包 发起查询 2 RTU 模式下查询 2 的数据包如 下 08 42 63 0A 08 60 9B 11 E0 13 02 25 02 31 02 25 02 9F CRC 低 CRC 高 红外发送模块接收到后 通过差错校验码 发送数据大小和从机地址比对确 认信息的真确性 并根据控制信息恢复控制信号 实现对家电的控制 同时发送 响应 2 数据包 家庭服务器接响应 2 数据包后 再发送响应 1 数据包 实现对家 电的远程控制 5基于无线通信的家居控制系统的实现 63 本地控制时 直接由家庭控制器发起查询 2 5 3 2 家庭控制器与信息终端的通信 家居控制系统数据传输协议的变量定义 家居控制系统数据传输是对 01H 02H 03H 04H 05H 06H 0FH 10H 等功能码的应用 家庭信息终端和家庭控制器的相关信息以变量的形式提供给外 界 变量为 16bits 二进制数 变量按通用性质分为系统变量和自定义变量 变量 按属性分为可读写变量和只读变量 1 系统变量定义 系统变量适用于家庭控制系统中的所有信息终端和家庭控制器 具体定义如 表 5 4 所示 表 5 4系统变量定义表 Table5 4 definition of system parameters 2 系统变量格式说明 a 设备识别号 家庭信息终端设备识别标示 每个设备有唯一的识别号 不 可修改 b 从机地址 用于系统间终端与家庭控制器之间的通信 c 错误类型 d 故障延迟时间 发生错误后 做出响应或发起查询的延长时间 与自身的 地址码成正比 e 最近通信对象 标示最后一次通信的对象 地址变量代号变量名称变量类型单位读写性质 00HDevice code 设备识别号 Int R 01HAddress 从机地址 Int R W 02HError type 错误类别 Int R 03HError daley time 故障延迟时间 IntsR W 04HLast abject 最近通信对象 Int R W 最近通信时间 05HMinute Second 分 秒BCD 码 R W 06HDay Hout 日 时BCD 码 R W 07HYear Month 年 月BCD 码 R W Bit 0 1234567 通信错误数据格式错误超时错误校验错误E2PROM 错误 89101112131415 重庆大学硕士学位论文 64 f 最近通信时间 表示最近一次与外界的通信时间 Minute Second minute 0 59 高字节 second 0 59 低字节 Day Hout day 0 31 高字节 hout 0 23 低字节 Year Month year 0 99 高字节 month 1 12 低字节 3 通信过程描述 移动终端家庭控制器 查询1 查询2 响应2 响应1 红外通信模块家庭信息终端 查询3 响应3 图 5 15 通信过程序列图 Fig5 15 communication procedure chart 4 红外信号检测方法 起始信号 逻辑 0 逻辑 1 字节结束信号 2ms2ms 0 6ms 0 8ms0 4ms 图 5 16红外信号检测方法 Fig5 16 detcecting method of infrared signals 5 3 3 故障处理机制 由于系统中的信息终端有多个 当发生故障时 特别是同时发生掉电等突发 性错误时 多个信息终端一起向家庭控制器发出报警信号 会产生冲突 所以良 5基于无线通信的家居控制系统的实现 65 好的故障处理机制是系统正常运行的重要保障 故障延迟时间 当系统发生错误时 终端根据自己的故障响应时间发起查询 向家庭控制器报告发生的故障 广播响应机制 与故障延迟时间类似 根据设备编号设置延迟时间 避免冲 突 5 4 家居控制系统的实现 5 4 1 家电控制模块的实现 红外学习控制模块在硬件上采用 PIC16F877 单片机作为中心处理芯片 用 HS0038 红外接收头进行红外信息的接收 通过串行通信接口与 EBD2440 开发板 相连 通过学习 记录不同红外遥控器的编码信息 在接收到控制终端发送的控 制信息后 把对应的编码信息恢复出来 从而达到远程控制的目的 其原理如图 5 17 所示 家庭控制器 家电遥控器 家用电器 PIC16F877 MAX232 RC7 RX RC6 TX RB1 GND 38KHz方波产生电路 HS0038 Vcc GND RB0 INT 图 5 17红外学习控制原理框图 Fig 5 17 the theory diagram of infrared learning and controlling 串行通信 红外发送模块与 EBD2440 开发板的通信采用串行通信 串行通信一般采用 RS 232 RS 422 或 RS 485 总线标准接口 本系统采用 RS 232 接口来进行红外 发送模块与 EBD2440 开发板的通信 RS 232 规定的电平和一般微处理器的逻辑电平不一致 必须进行电平转换 本系统采用 MAX232 芯片来实现电平转换 PIC16F877 单片机本身含有通用同步 异步接收发送器 Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter USART PIC16F877 的 USART 模块有两种主 要的工作方式 异步工作方式和同步工作方式 USART 在异步方式下工作的应用 就是串行传输方法 RS232 无论在哪种工作方式下 硬件上主要使用到两个引脚 RC6 TX CK 引脚和 RC7 RX DT 引脚 使用到的寄存器及用途如下 发送状态与控制寄存器 TXSTA 用于串行数据发送时 8 位数据储存 重庆大学硕士学位论文 66 接收状态与控制寄存器 RCSTA 用于串行数据接收时 8 位数据储存 USART 发送寄存器 TXREG 用于发送方式下的设置与状态位 USART 接收寄存器 TCREG 用于接收方式下的设置与状态位 波特率产生寄存器 SPBRG 用于决定 USART 模块的工作时钟 其中 TXSTA 和 RCSTA 各位组成如下 发送状态与控制寄存器 TXSTA bit7bit0 CSRC bit7 时钟源头选择位 TX9 bit6 9 位传输允许位 TXEN bit5 发送允许位 SYNC bit4 USART 方式选择位 BRGH bit2 高波特率选择位 TRMT bit1 发送移位寄存器状态位 TX9D bit0 发送的第 9 位 经常作为奇偶校验位 接收状态与控制寄存器 RCST