物联网课程设计剖析.doc

物联网课程设计指导书通信教研室目录一、物联网在智能家居中的应用设计11.1、前言11.2、系统功能11.3、系统组成21.4、系统设计3二、智能家居系统设计实验62.1设计实验设备62.2 Zigbee 技术简介62.3 实验内容62.4设计实验步骤72.5实验小结102.6设计代码10三、总结16一、物联网在智能家居中的应用设计1.1、前言随着2009年8 月7日，国务院总理温家宝视察中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心时发表了重要讲话，提出了“在激烈的国际竞争中，迅速建立中国的传感信息中心或感知中国中心”的重要指示；随着感知中国战略的启动及逐步展开，中国物联网产业发展面临巨大机遇。国家“十二五”规划明确提出，物联网将会在智能电网、智能交通、智能物流、金融与服务业、国防军事十大领域重点部署。据有关消息称，其中智能电网总投资预计达2万亿元，居十大领域之首，预计到2015年物联网的产业规模2000亿元。随着社会经济结构、家庭人口结构以及信息技术的的发展变化，人们对家居环境的安全性、舒适性、效率性、透明性提出了更高的要求。同时越来越多的家庭要求家居产品不仅要具备简单的智能，更要求整个系统在功能扩展、外延以及服务方面能够做到简单、方便、轻松、安全。很显然，我们的家居生活需要改变。智能家居就是以住宅为平台，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。智能家居系统可以为您提供家电控制、照明控制、窗帘控制、电话远程控制、室内外遥控、防盗报警、以及可编程定时控制等多种功能和手段，使您的生活更加舒适、便利和安全。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。当前，国家电网公司正在积极推进智能小区建设，很多类似于上文的智能家居方案也正在逐步实践中，相信不久的将来，更多的市民能够享受到这种智能家居带来的方便、舒适、安全和乐趣。1.2、系统功能实现智能化的家居，可以给您的生活带来以下便利：1) 节省费用：不需要时，家中能源消耗设备可以自动关闭，这样可以降低您的生活费用。2) 使用方便：智能化系统提供远程遥控接口，在您外出时，还可以通过手机或上网来调整和控制家电设备。3) 安全性高：套家庭智能化系统在紧急情况时可以防御坏人侵入并及时报警，有效保证您的家居安全。4) 改变生活方式：你可以在家办公，在家炒股、炒汇、做期货以及进行远程会议、在家购物、在家培训等。系统实现的主要功能如下：1) 友好的人机交互图形界面；2) 通过Zigbee模块转红外接收器，实现遥控系统；3) 通过网关与互联网连接，用户可以通过互联网远程访问该系统，实现基于Web的系统控制；4) 采用无线方式控制各家电（包括日光灯，空调，电脑，电视机等）的电源开关或监测家电运行状态；5) 烟雾探测器探测到烟雾时，系统将自动切断家居中的电源，并发出火警提示；6) 煤气探测器探测到煤气时，系统将自动切断家具中的气源，并且发出报警信号；7) 当有人进入家中时，系统将自动报警并拍摄此刻的场景并发给主人；8) 系统的报警类型包括拨打指定的电话号码，发送短信到指定的手机，输出音频信号等。1.3、系统组成物联网智能家居系统由智能家居感知层、公共通信网络层、综合业务平台层、智能家居应用层组成。物联网智能家居的系统架构1、智能家居感知网由各种终端设备、控制设备及智能家居网关组成，其还应支持泛在智能家居服务的业务应用。从家庭控制业务分类，智能家居控制设备涉及家庭环境感知设备、家庭电器设备、多媒体设备、能源监测设备、安防报警设备、家庭医疗设备等。智能家居网关支持家庭内的有线/无线方式以构成家庭网络，包括各类现场总线、以太网、ZigBee、RFID、Bluetooth等；支持公共通信网络接入家庭。其中，有线接入方式可支持2G/3G、LTE等。2、公共通信网络层该层主要具备接入网、核心网和通信服务能力。其中，接入网、核心网为智能家居提供泛在服务延伸至智能家居终端及智能家居控制管理功能集成到综合业务平台的网络通道；通信服务能力主要体现在两个方面：一是通信网络能力（如定位、呈现、短信、彩信等），二是媒体资源、存储资源以及和运营商合作的一些其他资源（如地图）,上述能力与资源均可通过业务平台开放。3、综合业务平台该层以通信运营商的业务平台为核心，为智能家居应用提供泛在服务的支撑和管理，其主要包括综合业务网关、业务管理与运营支撑平台。面向智能家居通信与业务管理，该层总体应具备多种技术能力，如智能家居设备接入与管理、业务应用接入与管理，业务能力开放与管理、业务数据管理、网络安全等。4、智能家居应用层该层可利用业务平台层及其业务开放接口，面向智能家居提供各类具体的智能家居服务，如智能电网、家庭医疗、多媒体娱乐、家庭安防、家庭控制等。1.4、系统设计智能家居系统包含的主要子系统有：家居布线系统、家庭网络系统、智能家居（中央）控制管理系统、家居照明控制系统、家庭安防系统、背景音乐系统、家庭影院与多媒体系统、家庭环境控制系统等八大系统。其中，智能家居（中央）控制管理系统、家居照明控制系统、家庭安防系统是必备系统，家居布线系统、家庭网络系统、背景音乐系统、家庭影院与多媒体系统、家庭环境控制系统为可选系统。家居布线系统对于一个智能住宅需要有一个能支持语音数据、多媒体、家庭自动化、保安等多种应用的布线系统，这个系统也就是智能化住宅布线系统。家庭安防系统家庭安防系统包括如下几个方面的内容：门磁开关、紧急求助、烟雾检测报警、燃气泄露报警、碎玻探测报警、红外微波探测报警等。智能灯控系统设计调光控制(Dimming Control):通过调光模块对灯源的亮度进行平滑调暗、调亮控制；开关控制(Switch Control)：通过开关模块对灯源、窗帘或电源插座进行开、闭控制；场景控制(Scene Control): 通过智能灯控系统对不同回路的负载进行人性化的组合控制,从而实现某种特定功能或环境气氛；感应控制(Sensor Control): 通过人体移动感应器触发人体移动感应信号，经灯控系统启动预设场景；集成控制(Integrated Control): 通过强大的编程平台以及主机处理能力，实现智能照明系统、AV系统、安防系统等智能系统的无缝联动控制。 本地控制(Local Control): 通过安装在特定区域内的智能控制面板，实现对各区域的分散式本地控制人体移动及照度感应设计为进一步达到智能、节能的目的，本方案设计了人体移动感应以及照度感应两种策略。采红外感应+超声波感应技术，实现“人在灯开，人走灯关”的智能控制，从而达到节能目的。同时，还可以利用触发的信号，通过灯控系统启动预设场景，如与安防系统结合，一旦发现有人经过未授权的区域，马上触发报警信号，同时灯光全部亮起，启动报警场景。窗帘控制设计窗帘的开闭可配合外界光照强度、家人生活习惯及各种场景需要，如睡眠模式或影院模式，灯光关闭的同时自动把窗帘合上，也可以由家人根据需要通过移动式触摸屏或控制面板手动调节，夏季当室外日照强烈时，自动合上窗帘，节省空调消耗。背景音乐系统设计采用的是快思聪智能家居技术的背景音乐娱乐系统方案，让您在家中享受您最喜爱的音乐或选择一个房间静静的欣赏音乐。感受数字环绕立体声家庭影院，在私室中独自享受爵士CD带给您的愉悦心情。您可以随心所欲的控制每个房间和整个房子的音乐，不用跑到不同的播放设备前去打开设备，选择CD，选择曲目，调整音量这一切都不需要，您只需放松心情享受您最喜爱的音乐吧！远程Apple iPhone/iTouch控制快思聪MOBILETM利用3G及Edge网络可让您即是外出也能连接到您的家或者办公室里。无论您是在躺在沙滩或是坐在车里面也能直观的界面查看警报状态、调节灯光明暗以及房间的温度。快思聪的MObile ProTM可提供更强大的功能及灵活性让您控制整个房子，包括预设置音频、灯光场景及家庭娱乐系统等。智能家居系统结构图- 16 -二、智能家居系统设计实验2.1设计实验设备硬件： PC 机（一台）ZigBee 基础创新套件（一套）软件： IAR Embedded Workbench 开发工具SmartRF Flash Programmer 软件CITE-LAB 软件2.2 Zigbee 技术简介Zigbee 技术是一种短距离、 低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之， ZigBee 就是一种简便的、 低功耗的近距离无线组网通信技术。 Zigbee 技术作为物联网技术的重要组成部分，是实现智能家居等物联网应用的关键技术之一。了解 ZigBee 基础创新套件以及传感器模块的硬件结构，掌握前面所述的实验例，仔细阅读 IEEE802.15.4 规范、 ZigBee 规范和 CC2530 手册。2.3 实验内容（1）建立 Mesh 网络拓扑结构的网络首先协调器上电后按照指定的信道和 PAN_ID 建立无线网络；然后各个无线传感器模块作为路由器加入这个无线网络，这样一个 Mesh 网络拓扑结构的网络就建立起来了。（2）无线数据传输路由器向协调器发送地址信息、网络信息和数据信息，协调器接收到路由器的信息后，将这些信息解析后传送给 PC， PC 上的软件根据这些信息显示当前网络的拓扑结构图。（3） 模拟家居控制PC 上的软件对各传感器节点上传的传感器数据进行分析和判断，对检测到的传感器数据值结合智能家居的应用场景进行动态的展示。 在实验中，用物联网创新型红外传感器（CITE-S073）模拟红外线门禁系统，用物联网便携型温湿度传感器（CITE-S121）模拟温度感应系统，用物联网创新型超声波传感器（CITE-S063） 模拟风扇感应系统，用 CITE 创新型无线节点（CITE-N01 ） 模块上的光照度传感器模拟室内的光感系统，用 CITE 创新型无线节点（CITE-N01 ） 模块上的按键 4 模拟室内的电视遥控器。(4)、实验程序流程图：2.4设计实验步骤（1）修改 f8wConfig.cfg 文件中的信道和 PANID；（2）启动 IAR， 打开协调器工作区文件 HomeCenter.eww；工程路径： 综合实验ProjectszstackCITE-T-ZA-HomeCITE-Home-CenterCC2530DBHomeCenter.eww；（3）点击 ProjectRebuild All，编译程序并生成可执行文件 HomeCenter.hex；可执行文件路径： 综合实验ProjectszstackCITE-T-ZA-HomeCITE-Home-CenterCC2530DBCoordinatorEB-Pro ExeHomeCenter.hex；（4）启动 IAR，打开路由器工作区文件 HomeN01 .eww；工程路径： 综合实验ProjectszstackCITE-T-ZA-HomeCITE-Home-N01 CC2530DBHomeN01 .eww；（5）点击 ProjectRebuild All，编译程序并生成可执行文件 HomeN01 .hex；可 执 行 文 件 路 径 ： 综 合 实 验 ProjectszstackCITE-T-ZA-HomeCITE-Home-N01 CC2530DBRouterEB-ProExe HomeN01 .hex；（6）启动 IAR，打开路由器工作区文件 HomeUIR.eww；工程路径： 综合实验ProjectszstackCITE-T-ZA-HomeCITE-Home-UIR CC2530DBHomeUIR.eww；（7）点击 ProjectRebuild All，编译程序并生成可执行文件 HomeUIR.hex；可 执 行 文 件 路 径 ： 综 合 实 验 ProjectszstackCITE-T-ZA-HomeCITE-Home-UIRCC2530DBRouterEB-ProExe HomeUIR.hex；（8）启动 IAR，打开路由器工作区文件 HomeGsensor.eww；工程路径： 综合实验ProjectszstackCITE-T-ZA-HomeCITE-Home-GsensorCC2530DB HomeGsensor.eww；（9）点击 ProjectRebuild All，编译程序并生成可执行文件 HomeGsensor.hex；可 执 行 文 件 路 径 ： 综 合 实 验 ProjectszstackCITE-T-ZA-HomeCITE-Home-GsensorCC2530DBRouterEB-ProExe HomeGsensor.hex；（10）启动 IAR，打开路由器工作区文件 HomeTempHumi.eww；工程路径： 综合实验ProjectszstackCITE-T-ZA-HomeCITE-Home-TempHumiCC2530DB HomeTempHumi.eww；（11）点击 ProjectRebuild All，编译程序并生成可执行文件 HomeTempHumi.hex；可 执 行 文 件 路 径 ： 综 合 实 验 ProjectszstackCITE-T-ZA-HomeCITE-Home-TempHumiCC2530DBRouterEB-ProExe HomeTempHumi.hex；（12）启动 SmartRF Flash Programmer 软件， 参考实验一 星状网组网实验（星状）步骤（4）和实验步骤（5）分别将可执行文件下载到 7 个路由器中，并关闭电源。模块与下载可执行文件的对应关系如下表所示：（13）将协调器和计算机通过 A-MINI USB 线连接起来，打开协调器的电源开关，可以看到协调器模块上彩灯 LED1 的红灯亮，建网成功后变蓝色，并在液晶屏上显示 PANID号，表示协调器已建立起一个 Mesh 网络，接收到数据时 LED3 的绿灯闪烁；（14）依次打开7个路由器的电源开关，如果是 CITE 创新型无线节点（CITE-N01 ），则在刚上电时路由器设备上彩灯 LED1 的红灯亮，液晶屏的下边显示 OFF 和 Router，表示当前的网络状态（加入或未加入）和设备类型；加入网络成功后变蓝色，并在液晶屏上显示自己的短地址，液晶屏的下边显示 ON 和 Router，表示路由器节点已经加入网络，发送数据时 LED3 的蓝灯闪烁；(15)在 PC机上双击 CITE-LAB 软件中的 图标，点击“进入实验”，选择“综合实验”中的“智能家居综合实验”， 选择协调器与计算机连接的 MINI USB端口，例如，为 COM3，设置端口波特率为 115200bps，点击确定按钮，点击 开始按钮，从界面上可以看到当前家居结构图如图 E2- 2 所示；此时按下“家居场景”按钮，切换到家居结构示意图。通过使用不同传感器模块模拟家居中的不同设备， 根据传感器采集的数据， 在家居结构图中可以看到智能家居的应用场景的动态展示；在实验中用物联网创新型红外传感器（CITE-S073）模拟红外线门禁系统， 当用手挡住红外线传感器时， 图 E2- 2 中的门会自动打开，表明有人要进入房间。 用物联网便携型温湿度传感器（CITE-S121 ）模拟温度感应系统， 当用嘴对着温湿度传感器吹气时， 将室内温度升高， 图 E2- 2 中空调会自动打开，向室内吹冷气，自动调节室内温度。 用物联网创新型超声波传感器（CITE-S063）模拟风扇自动控制系统， 当超声波传感器测出的距离大于 0 小于0.5 米时图 E2- 2 中风扇转速较慢，当距离在大于 0.5 米小于 1 米时风扇转速较快，其它情况下风扇停止转动，实验时可以用手或书本等放在超声波传感器的正上方，改变测量距离。用 CITE 创新型无线节点（ CITE-N01 ）模块上的光照度传感器模拟室内的光感系统， 当用手挡住光照度传感器时， 图 E2- 2 中室内环境亮度变暗。 用 CITE 创新型无线节点（ CITE-N01 ）模块上的按键 4 模拟室内的电视遥控器， 按下按键 4 可以控制图 E2- 2 中电视的开与关。 图 E2- 4 为打开电视机的画面，可以看到电视正在播放篮球赛的画面；2.5实验小结在本实验中，我们利用 Zigbee 无线通信技术实现了传感器数据的采集和动态演示。并结合智能家居这一应用场景给大家展示了 Zigbee 无线通信技术的实际应用，希望大家对Zigbee 技术的应用有一定程度的了解。2.6设计代码协调器/* fn HomeCenter_MessageMSGCB* brief Data message processor callback. This function processes* any incoming data - probably from other devices. So, based* on cluster ID, perform the intended action.* param none* return none/*void HomeCenter_MessageMSGCB( afIncomingMSGPacket_t *pkt )uint8 comdata60;switch ( pkt-clusterId )case HomeCenter_CLUSTERID:switch (pkt-cmd.Data0)case KEYVALUE:comdata0=0x7e;comdata1=0x7e;comdata2=0x06;comdata3=0x02; /directioncomdata4=0x1f; /frame contrl short add :osal_memcpy(void*)&comdata5,(void*)&pkt-srcAddr.addr.shortAddr,2);comdata7=pkt-cmd.Data1;comdata8=XorPrc(&comdata2,comdata2+1);HalUARTWrite ( HAL_UART_PORT_0, comdata,9); /comm with PC GUIbreak;case SENADDR:comdata0=0x7e;comdata1=0x7e;comdata2=3+11+pkt-cmd.Data11*11;comdata3=0x02;comdata4=0x1C;osal_memcpy(void*)&comdata5,(void*)&pkt-cmd.Data1,11+pkt-cmd.Data11*11);comdata5+(11+pkt-cmd.Data11*11)=XorPrc(&comdata2,comdata2+1);HalUARTWrite ( HAL_UART_PORT_0, comdata,comdata2+3);break;case SENDATA:comdata0=0x7e;comdata1=0x7e;comdata2=7+pkt-cmd.DataLength-2;comdata3=0x02;comdata4=0x14;comdata5=pkt-srcAddr.addr.shortAddr&0x00FF;comdata6=(pkt-srcAddr.addr.shortAddr&0xFF00)8;if(pkt-cmd.Data1=3)comdata7=0x02; else if(pkt-cmd.Data1=1)comdata7=0x02;elsecomdata7=0x01;comdata8=pkt-cmd.Data1;osal_memcpy(void*)&comdata9,(void*)&pkt-cmd.Data2,pkt-cmd.DataLength-2);comdatacomdata2+2=XorPrc(&comdata2,comdata2+1);HalUARTWrite ( HAL_UART_PORT_0, comdata, 8+pkt-cmd.DataLength );break;default:break;break;default:break;路由器（ 1 ） HomeN01 参考程序：/* fn HomeN01_ProcessEvent* brief HomeN01 Application Task event processor. This function* is called to process all events for the task. Events* include timers, messages and any other user defined events.* param task_id - The OSAL assigned task ID.* param events - events to process. This is a bit map and can* contain more than one event.* return none/*UINT16 HomeN01_ProcessEvent( byte task_id, UINT16 events )if ( events & SPI_POLL_EVT ) /RF发送SPI事件处理switch (SpiRecBuf1)case SENSOR_EVENT:sensbuf0=SENDATA;switch (SpiRecBuf3)case PHOTO_SENSOR:/读取光敏值sensbuf1=PHTO_SENSOR_ID;osal_memcpy(void *)&sensbuf2,(void *)&SpiRecBuf4,2);break;case G_SENSOR:/读取加速度的值sensbuf4=G_SENSOR_ID;osal_memcpy(void *)&sensbuf5,(void *)&SpiRecBuf4,6);break;default:break;break;case KEY_EVENT:keyinf0 = 0x0F;/传送按键值keyinf1 = SpiRecBuf3;Home_SendSensorMessage(keyinf,sizeof(keyinf);switch (SpiRecBuf3)case KEY_1:OnBoard_SendKeys(HAL_KEY_SW_1,0);break;case KEY_2:OnBoard_SendKeys(HAL_KEY_SW_2,0);break;case KEY_3:OnBoard_SendKeys(HAL_KEY_SW_3,0);break;case KEY_4: OnBoard_SendKeys(HAL_KEY_SW_4,0);break;case KEY_5:OnBoard_SendKeys(HAL_KEY_SW_5,0);break;default:break;break;default:break;return (events SPI_POLL_EVT);（ 2） HomeGsensor参考程序：/* fn SendSensordata* brief Read and send the Gsensor data* param none* return none/*void Send_Gsensor_data(void )Read_Gsensor_data();sensbuf0 = SENDATA;sensbuf1 = G_SENSOR_ID;sensbuf2 = g_xdata&0x00FF; /x轴加速度sensbuf3 = (g_xdata&0xFF00)8;sensbuf4 = g_ydata&0x00FF; /y轴加速度sensbuf5 =(g_ydata&0xFF00)8;sensbuf6 = g_zdata&0x00FF; /z轴加速度sensbuf7 = (g_zdata&0xFF00)8;HomeGsensor_SendSensorMessage(sensbuf,8);（3） 温湿度模块HomeTempHumi参考程序：/* fn SendSensordata* brief Read and send the STH11 data* param none* return none/*void Send_STH11_data(void )uint8 CRCTMEFlag = 0;/温度校验uint8 CRCSTHFlag = 0;/湿度校验uint16 temp1 = 0; /温度转换结果uint16 temp2 = 0; /湿度转换结果uint16 data1 = 0; /温度计算结果uint16 data2 = 0; /湿度计算结果temp1=ReadSHTData(SHT_TEMP_START);/温度测试data1=(uint16)(Convert(temp1,SHT_TEMP_START)*100);if(STH11Data3 = yb_crc(STH11Data,3)CRCSTHFlag = 1;temp2=ReadSHTData(SHT_RH_START);data2=(uint16)(Convert(temp2,SHT_RH_START)*100);if(STH11Data3 = yb_crc(STH11Data,3)CRCTMEFlag = 1;if(CRCSTHFlag&CRCTMEFlag) /如果温湿度校验都成功就组包发送数据sensbuf0=SENDATA;sensbuf1=TEMP_SENSOR_ID; /STH11 温度值sensbuf2=data1&0x00FF;sensbuf3=(data1&0xFF00)8;sensbuf4=HUMI