智能家居数据采集与控制系统设计(格式模板-要求文档在15页以上).doc

智能家居数据采集与控制系统设计自动化专业学生：谭明指导教师：蔡明山、伍宗富（湖南文理学院 电气与信息工程学院，湖南 常德 415000）摘 要：智能家居数据采集与控制系统设计采用单片机作为处理器，通过端口扩展及模数转换器的运用，为信号的采集提供统一的电平接口和模拟接口，摆脱了一般传感器的接入需要建立对应通信协议的限制，提高了系统的可扩展性。系统还结合无线技术的应用，构建了一个一对多的无线局域网，由主模块对各子模块进行统一的数据采集与控制，方便了系统的安装及扩展。同时，采用GPRS无线通讯技术，由主模块对GPRS模块进行控制，使系统与网络相连接，通过网络控制界面实现系统的远程监控。在网络服务器中可以借用其巨大的数据处理功能实现系统的智能化，也能方便的进行系统的调整及升级。系统统一对各传感器数据进行采集，利用无线通信传输的实时性和可靠性，结合系统的远程控制和系统智能控制的功能，可真正实现智能家居安全、节能、智能、舒适、高效的人性化生活环境，并且无线技术的应用使智能家居的应用领域和发展前景更加广阔。关键词：智能家居；数据采集；无线传输；远程控制Abstract : The design adopts single-chip computer as processor, through the port extension and adc for the use of digital signal collection, provide a unified level interface and analog interface. It resisting the general sensor access needed to establish corresponding communication protocol restriction, also improved the extensibility of the system. The system Constructs a couple more wireless LAN use technology of Wireless, The child module is control by main controller for data acquisition and control，which is convenient for the systems installation and extension. This system use the wireless communication technology base on GPRS. The GPRS module is control by main controller and it realized connections of the system, network and remote monitoring through the Network control interface. In the network server, we can achieve systems intelligent by using its powerful data processing function, also it is convenient to adjustment and upgrading for the system. The system reality achieved intelligent household safety, energy saving, intelligent, comfortable, efficient human living environment by combining with the systems function of remote control and intelligent control.Besides the using of the technology of Wireless make the application fields and developing outlook of intelligent household more broder. Key words : Smart；Home；Network；Communication0 引言智能家居数据采集与控制系统的研究重点在于数据采集与数据传送方案的研究，当前的研究成果大多侧重于智能控制系统的研究，如采用DSP、FPGA、ARM等强大处理器来实现系统的智能化。其价格昂贵，且灵活性差，难于被大众接受，难于普及。本系统采用了单片机做处理器提供统一的电平、模拟数据接入口进行数据采集，并通过无线家庭局域网及GPRS网络连接技术将系统与网络服务器连接起来，从而实现系统网络监控。1 系统结构设计智能家居数据采集与控制系统中选用单片机作为处理器，由单片机（下位机）对经过AD转换后的模拟信号及电平信号进行周期性的采集、处理后通过无线局域网进行发送，处理后的数据及控制状态通过LCD进行显示，同时执行控制命令并判断执行声光报警；采用无线通讯模块建立一对多的无线局域网，实现各设备状态数据和控制数据的无线网络传送；通过单片机（上位机）对无线模块进行控制，发送和接收无线局域网中的数据并将对应控制信息发送到无线局域网中，同时将设备处理后的数据通过GPRS模块发送到Internet网络；系统在网络服务器中进行数据的智能处理实现智能化，并通过控制界面进行网络实时监控。系统结构框图如图1所示。51单片机（下位机）GPRS通讯模块Internet网络网络控制界面无线通讯模块无线通讯模块无线通讯模块51单片机（下位机）传感器采集数据设备状态控制端口51单片机（下位机）传感器采集数据设备状态控制端口 GPRS/GSM网络显示及报警显示及报警 图1 系统结构框图2 系统硬件设计2.1 数据采集电路数据采集电路为各传感器提供统一的8路电平接口及8路模拟接口。由于处理器（下位机）采用的是51单片机，其引脚有限，所以借用了D8255AC来进行引脚的扩充。为了减轻软件的复杂程度，直接采用单片机引脚为各个芯片提供控制信号，而P0口作为数据端口与D8255AC的数据端口相连，与其进行数据通讯。D8255AC的PA端口与ADC0809数据端口相连接，对8路模拟数据进行采集；PB口作为电平控制信号及模拟控制信号的输出端口，对各相应控制设备进行控制； PC口作为8路电平信号数据采集端口，对电平信号进行采集，采集的数据由下位机进行统一处理。数据采集电路图如图2所示。图2 数据采集电路图在本设计中选用了STC89C54RD+型号的单片机来作为下位机，利用了其内部自带的1280Byte的数据寄存器，从而避免了需要在外围扩展数据寄存器，使得系统更加简单可靠也更经济。同时还利用了单片机内部自带的1024Byte的EEPROM，对采集数据及控制信息进行保护，防止系统突然掉电而导致数据丢失。数据采集模块除了采集数据及控制功能外还能通过LCD（12864）将经过处理后的模拟数据、电平数据及控制状态信息显示出来，方便用户进行查阅。同时，此模块也提供了安全分析及报警功能。当某一模拟数据大于或小于所设定的标准值或某一电平数据发生变化时，进行报警或执行相应报警操作。2.2 数据传送电路在本系统中，数据的传输采用了无线通信技术来实现多个下位机与上位机之间进行采集数据及控制命令的相互传输。设计中选用了CC1100无线模块，通过单片机对其进行控制实现无线模块间的握手连接和通信，建立一个一对多的智能家居无线局域网，从而实现多个下位机与上位机直接的数据传送。单片机与CC1100连接电路如图3所示。图3 单片机与CC1100连接电路CC1100通过4线SPI兼容接口(SI、S0、SCLK和CSn)配置，这个接口同时用作写和缓存数据。SPI接口是一种同步串行通信接口，CSn是芯片选择管脚，当该管脚为低电平时，SPI接口可以通信，反之不能通信。SI和SO为数字传输管脚，分别用于数据输入和数据输出。SCLK为同步时钟，在时钟的上升沿或下降沿数字数据被写入或读出。在读或是写寄存器，首先要在SI管脚写入寄存器地址(Address)字节。地址字节有8位，最高位为读写位，后7位为地址位。当执行写寄存器操作时，读写位为0，当执行读寄存器操作时，读写位为1。无论是读操作还是写操作，在地址字节被写入时，CC1100 S0脚上输出一个芯片状态字节，状态字节包含关键状态信号，对MCU是有用的。CC1100的TXFIF0(发射先进先出堆栈)和RXFIF0(接收先进先出堆栈)也可以用同样的读写方式进行访问，只是使用与配置寄存器不同的地址段加以区别。另外，CC1100的指令也是通过SPI接口传送，CC1100有14个内部指令。这些指令用来关闭晶体振荡器，开启传输模式，状态转换和电磁波激活等。通过SI写入特定的字节使CC1100执行不同的命令，CC1100共有20个引脚，可通过4线SPI兼容接口配置(包括数据线SI、S0、时钟线SCLK、使能线CSn)。其中CSn可以连接到一个IO口来模拟时序，而其他三个脚则接到主MCU的SPI接口。通过重复使用SPI接口上的SI、SCLK和CSn，可使通信的主要状态执行一个简单的三脚控制，即休眠、空闲、RX和TX。CC1100有两个专用的配置引脚和一个共享引脚，能用于输出对控制软件有用的内部状态信息，并能用来对MCU产生中断，其引脚名为GDO0和GDO1。共享引脚为SPI接口上的S0脚。GDOl/SO的默认设置为3状态输出。通过选择任意其他的控制选项可使GDO1/SO脚成为一般引脚。当CSn为低时，此引脚的功能如一般SO脚；而在同步和异步连续模式下，处于传输模式时，GDO0脚被用作连续TX数据输入脚。在图3中，SI、SCLK、S0和CSn 引脚分别于单片机的P1.0，P1.1，P1.2，P1.5脚直接相连，实现单片机对CC1100的控制，从而建立无线通讯网络实现数据传送。2.3 GPRS接口转换电路根据GPRS无线通信适用于突发数据处理、容易控制、灵活、方便等特点，选用了SIM300 GPRS无线通信模块将系统与Web网络连接起来，进行数据通信，从而实现系统的网络控制。系统通过上位机的串口，使用光耦进行隔离，并运用MAX232进行电平转换后接入RS232端口与GPRS模块连接起来，通过发送各种AT指令来实现网络的连接及数据的发送与接收。单片机与GPRS模块串口连接电路如图4所示。图4 单片机与GPRS模块串口连接电路3 系统软件设计系统软件软件主要对数据采集、数据传输及网络连接来进行控制设计。上位机及下位机各功能实现的程序，相关程序流程图如图5和图6所示。NEEPROM数据读取数据端口初始化显示系统默认值显示读取数据开始握手信号？控制数据接收发送回应信号Y扫描读取端口数据执行控制操作等待数据接收发送端口数据EEPROM数据存储CC1100初始化图5 下位机程序流程图YNCC1100初始化系统初始化SIM300初始化发送握手信号开始数据整理等待信号回应发送控制数据向SIM300写数据读取SIM300数据采集数据接收延时30s循环n次？等待接收下位机采集数据图6 上位机程序流程图3.1 xx源程序源程序仿真波形3.2 xx源程序源程序仿真波形.4 实验调试4.1 整体电路CPLD控制电路4.2 整体软件模型与调试结果5 结束语智能家居的发展方向是做到实用、易用、人性化，真正提高人们的生活品质。本论文设计的系统从最基本的电信号出发，摆脱了一般的传感器必须与处理器建立相关通信协议的缺点，直接通过处理器以周期性扫描的方法进行数据采集及处理，从而减轻了系统的工作量，也使得传感器更易接入和扩展。同时，无线通讯技术的使用，使得系统更易扩展更易安装，也更加实用，是未来家居智能控制的发展路线。家居智能数据通过GPRS无线通讯与网络服务器相连接，可以在服务器中实现一定的处理从而使得系统更加智能化。同时，可以建立一个网络控制界面，用户通过上网注册、登陆此界面可以对家居各控制设备状态进行实时监控。由于系统直接提供给各传感器统一的数据采集端口，所以对传感器的使用具有一定的限制；家庭无线局域网的建立对数据的相互传送也有很多的干扰，从而使系统的不稳定性也增加了。在本次设计中由于SIM300 GPRS模块与网络服务器的连接与仿真中须给将仿真计算机提供公网IP地址或须将其设定为DMZ主机，所以此系统不能很好的进行仿真及调试。同时，由于时间有限，网络服务器数据智能化处理及网络控制界面没有进行设计，本系统还存在一定的缺陷须以后进一步的学习、研究和改进。参考文献1 饶文碧，周剑波，张露 .智能家居远程控制系统的设计D.软件导刊，2008，02期2 刘振永，高恒志嵌入式系统在远程监控中的应用J.武汉理工大学学报.2008-04-0393 周文安，付秀花，王志辉 et al，无线通信原理与应用（第二版）M.电子工业出版社，2006,484 张一斌，余建坤. 单片机原理课程设计M.中南大学出版社，2009.9,27485 Jin Cheng ,Tho