智能家居无线系统.doc

查看文章 开题报告：智能家居中无线控制模块的设计与实现 2007-04-08 21:00课题简介智能家居是以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。智能家居可以定义为一个过程或者一个系统。利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术、将与家居生活有关的各种子系统，有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间；还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。 智能家居网络是指在家庭内部通过一定的传输介质将各种电气设备和电气子系统连接起来，采用统一的通讯协议，对内实现资源共享，对外通过网关与外部网互连进行信息交换的局域网。无线通讯的智能家居网络，将家庭内部的各种设备通过无线通讯技术连接起来。随着无线通讯技术的迅猛发展，无线通讯技术更稳定，更廉价，将无线通讯技术用到智能家居网络成为现实。无线短程协议更是推出不久就以其低功耗、低价格、低复杂度引起了业界的广泛关注。智能无线家居是以家居为平台，兼备建筑、自动化、智能化于一体的高效、舒适、安全、便利的家居环境。在智能家居系统中，将无线网络技术应用于家庭网络已成为势不可挡的趋势。这不仅仅是因为无线网络可以提供更大的灵活性、流动性，省去花在综合布线上的费用和精力，而且因为它能更符合家庭网络的通讯特点。而对于大多数家居网络来说，配置和路由是一件麻烦的事，特别是家居网络有移动的特性，所以，无线家居网络的使用成了学术界和业界的研究热点，也将成为一个颇有潜力的产业。随着无线网络技术的进一步发展，必将大大促进家庭网络智能化的进程。智能电器控制系统，通俗的讲就是对电器进行智能控制与管理的系统，传统的电器都是以个体形式存在，没有系统的管理与控制，而智能电器控制系统，就像一张无形的网络，把所有能控制的电器以一定的结构有机的组合起来，形成了一个整体，通过这个管理系统，用户可以实现对家电的集中无线遥控、定时开关控制及远程控制，以及实现电器的场景控制与管理，从而达到智能电器系统的节能、环保、舒适、方便的功能。设计思想该设计制作的基于AVR的无线智能家居网络能实现异地控制、集中控制等功能，由于家居设备安装的随机性，基于AVR的无线智能家居网络解决了各种类型家居联网的“即插即用”问题，使生活更加舒适、便利和安全。该制作具有自动搜网、组网简单、网络稳定、兼容性强及成本低廉等特点，因其无需布线、功能灵活，扩展容易而被人们广泛接受和应用，非常有推广价值。加之如今无线家居网络成为市场的热点，各大厂商也在不断的开发出适合智能家居的产品，具有很大的应用前景和市场价值。家居无线网络用一个灯泡控制节点。基于AVR单片机设计的主控节点，用于监控灯泡节点的当前状态。无线通讯部分实现自配置、自愈合的网络特点，做到网络拓扑无需事先指定，智能家居节点可以根据安装情况自行形成网络。设计及实现方法 由无线通讯的基本原理可以看出，无线的数据采集和传输主要包括以下几个过程，从带处理器的传感器或计算机终端发送二进制信号到无线调制解调器；无线电台之间建立连接并传输数据；从另外一端的电台接受二进制数据；将数据传输到计算机。因此，要建立无线设备之间的通讯必须在两端进行编程。从计算机终端到无线电台的数据传输是通过计算机的串行口进行的，通过对串行口进行编程就可以实现向电台发送数据。硬件组成主要由电源部分、显示部分、输入部分、无线通讯部分以及存贮部分等组成。1、PCB布局和去耦设计印刷电路的设计直接关系到射频性能，为乐获得较好的RF性能，PCB设计至少需要两层板来实现，PCB使用1.6mm厚的FR24双面板，分元件层和底层，PCB分成射频电路和控制电路两个部分来布置。本设计采用PCB天线，在天线的下面没有接地面。射频部分的电源与数字电路部分的电源分离。PCB的底层有一个连续的接地层，射频电路的元件层要紧靠在一起，尽可能减少分布参数的影响。元件面的接地层保证元件充分的接地，大量的通孔连接元件层的接地层到底层的接地层。在天线的下面没有接地层。射频电路的电源使用高性能的射频电容去耦，去耦电容尽可能地靠近连接的底层。注意不能将数字信号或控制信号引入到PLL回路元件上。为了减少分布参数的影响，在PCB应该避免长的电源走线，所有元件地线，VDD连接线，VDD去耦电容必须经过很好的滤波，并且与数字电路供电分离，在离电源脚VDD尽可能的地方用高性能的电容去耦，最好是一个小电容和一个大电容相并联。PCB顶层和底层最好敷铜接地，把这两层用较多的过孔紧密相连，所有开关信号和控制信号都不能经过PLL环路滤波器元件和VCO电感附近。电路用protel dxp印刷板制作软件，设计出系统所需的电路图、PCB图、制作出相应的电路板。编写AVR单片机固件程序及必要的上位机程序，实现万用表、频率计、逻辑分析仪功能。2、无线通讯部分由AVR单片机和无线通讯模块组成。无线通讯模块由CC2420及部分外围电路组成。单片机可通过SPI总线对无线通讯模块进行操作可以实现Mesh网络。无线通讯模块原理图如图所示。 图1无线通讯模块原理图AVR作为主监控节点通过串口与无线部分进行通讯，无线通讯部分通过对串口的命令解析将相应的网络命令和数据发送到对应的网络节点。可以通过定义OTAFrameIn 和OTAFrameOut来接收和发送消息帧，实现无线通信。在实际的操作过程中还需要考虑到通信的具体方式，是采用直接发送方式还是通过绑定建立关系的间接通信方式。在无线Mesh网络中采用直接通信方式，即让无线Mesh网络中的节点通过IEEE Address（绝对地址）来实现相互通信。但是，直接地址不能直接用来作为参数实现直接通信，需要通过IEEE Address调用网络API函数查询出相应的网络段地址，最终实现网络节点的相互通信。因为此节点的作用是监控整个网络，所以可以定义此部分的无线通讯模块为网络协调器，用它来监控整个无线网络。此部分软件需要解析来自串口的协议帧，做到“上传下达”。将网络中发送过来的数据上传到AVR模块，由AVR进行统一的处理，AVR将处理的结果命令发送到串口，再由网络协调器对串口的数据进行解析，将控制命令字发送到网络中的灯光节点。3、 网络终端节点设计网络终端节点用灯光节点.灯光节点的目标控制对象采用LED小灯，通过端口输出驱动，外加电阻限流。显示任务满足OLED的显示功能。在设计中，考虑到引脚的分配，采用地址线和控制线的方式来实现OLED的显示。4、 串口任务人们需要主控节点提供人机界面，来了解和控制整个智能家居网络。由于需要随时监听串口，在串口一有数据包发来时立即提供相