外文文献翻译电气1301-201309438-刘隽颜外文翻译

兰州交通大学毕业设计（英文翻译）基于ZIGBEE和GPRS的无线智能家居系统设计杨复兴，刘川源，培中彩，堂志勇北京邮电大学自动化学院，北京：1008762北京大学自动化科学与电气工程学院，北京：100191摘要：智能家居是无线传感器网络的重要应用。本文介绍了基于Zigbee和GPRS的远程无线采集和控制系统。该系统是星形网络，包括环境监控传感器，智能家电，终端采集控制节点，家庭网关和数据显示平台。该系统成本低，功耗低，部署灵活，覆盖面非常大。整个系统不仅可以获取环境数据并进行显示，而且可以远程查询和控制，实验显示出良好的远程报警和控制能力。控制系统包括手动控制模式和自动控制模式。本文介绍了系统的组成和结构，还对硬件和软件的设计进行了说明。 在设计过程中，能源效率得到了关注。关键词：无线网络；Zigbee；GPRS；智能家居系统1 介绍智能家居系统也称为智能家庭网络，是一种多元化的结构网络，具有现代家庭生活方式。智能家居控制系统可以总结为控制网络。各种智能家电在网络中相互连接。互连是数据通信的基础。智能控制是家庭自动化和家庭智能的基础。Zigbee是一种新的短距离低速无线传感器技术，它是标签技术和蓝牙无线技术之间的交叉。以前被称为HmeRF Lite或FireFly无线技术，主要用于短距离无线连接。它拥有有自己的标准。Zigbee基于IEEE8.2.15.4，它是IEEE无线网络工作组的标准，被称为IEEE8.2.15.4技术标准。随着现代无线通信技术和自动控制技术的发展，特别是Zigbee技术的发展，我们有了一种获取和处理信息的新途径。智能家居系统在这种情况下出现。通过对无线传感器网络的分析，建立了基于Zigbee和GPRS的智能家居系统。本文的组织结构如下：第2节给出了整体系统架构，实践方案。硬件和软件设计分别在第3节和第4节中介绍。在设计过程中，我们将重点关注节能。第5节总结了结果。2系统架构2.1网络拓扑无线传感器网络配置分为“对等”和“主 - 从”。“对等”模式是任何两个节点和连接之间的通信。所有无线节点和接入节点都以“主从”模式连接。接入节点承担无线管理和有线网络连接工作。主从模式是理想的低功耗网络配置。Zigbee设备可分为全功能设备（FFD）和功能减少功能设备（RFD）。FFD设备可以作为Zigbee协调器或路由器工作，但RFD设备只能是Zigbee终端设备。Zigbee网络拓扑变化不大，主要有三种：星形网络，集群树网络和网状网络。星网适合小规模，低复杂性和易连接系统。智能家居系统简单，功耗低。考虑到网络的成本和可靠性，星网是最佳选择。 星形网络拓扑如图1所示。图1 星形网络拓扑2.2系统组成一些环境监测传感器和智能家电通过有线或无线方式连接到终端采集和控制节点。 终端采集和控制节点通过无线方式向网关发送数据。同时，网关通过传输网络向移动基站发送数据。传输网络是负责网关节点协调的本地化网络。 所以我们在这个系统中使用GPRS网络。与其他选项相比，GPRS技术具有更多的安全性和多功能性。基站是连接到互联网的计算机，并将传感器数据发送到数据处理中心。它还具有数据库的本地副本，以缓存最新的传感器数据。用户可以通过PC，手机或网页访问数据中心并发送订单。图2显示了系统组成。图2 系统组成图不同类型的环境监测传感器节点和智能家电是系统的底层。几个传感器通过简单的程序组成功能模块，如气体泄漏检测模块，火情检测模块和盗窃监控模块。同样的传感器也可以用于不同的目的。智能家电是具有空调，电视，灯具等RF模块的一般家用电器。它通过打开和关闭继电器来提供控制功能。终端采集和控制节点具有数据处理和通信能力。我们可以简单地处理数据收集，特别是数据融合。这个处理过程可以大大减少数据流量和能耗。与单传感器相比，传感器网络可以根据用户需求改变检测目标和测试内容。每个感测区域具有收集传感器节点数据的网关。所有网关都连接到上层传输网络。传输网络具有较强的计算能力和存储容量。该网络保证网关节点与基站之间的通信带宽和可靠性。传感器网络和互联网通过基站连接。互联网连接的基站必须具有足够的带宽和链路可靠性，以避免数据丢失。最后，将数据传输到中央数据库并存储。中央数据库提供远程数据服务。用户可以从任何终端访问中央数据库，然后可以查看数据并发送控制命令。3硬件设计3.1终端节点终端节点是无线传感器网络的核心，也是所有信息的来源。他们需要收集，管理，存储和整合本地信息。一般来说，终端节点是微型嵌入式系统。他们的数据处理能力相当差，存储容量有限。电源模块由电池供电。终端节点的框图如图3所示。图3 传感器节点框图 终端节点主要使用电池。然而，电池电量非常有限，普通电池的存储能量为2.2-2.5Ah。 因此，硬件和软件的设计需要首先考虑能源效率。无线传感器网络的总能耗是：总能耗=感知力+处理能力+发送总能量消费+接收总能量消费表1列出了通用操作中的能耗。表1 共同作业的能源消耗Sensor node operationPower consumption nAhTransmit a packet20.000Receive a packet8.000listening channel 1ms1.250A simulated sample1.080A digital sampling0.347Readthe ADC sampling data0.011Read the flash data1.111Flash programming83.333大多数能量由控制器和RF前端消耗。芯片选择和设计过程应考虑降低节点的功耗。 在智能家居系统中，当传感器节点由于数据收集频率低时，无需执行当前的收集，因此我们应该使其进入睡眠状态。然后终端节点关闭无线通信模块，数据采集模块，甚至计算模块，以节省能源。传感器节点电路结构如图4所示。图4 传感器节点电路结构在硬件设计中，智能家居系统主要包括四个部分：传感器模块，处理器模块，无线通信模块和能量供应模块。终端节点电路的微控制单元是ARM9芯片STM32F103。该芯片具有基于ARM Cortex-M3内核的32位闪存微控制器，256至512k字节的闪存，高达48k字节的SRAM，三种模式（睡眠，停止和待机模式），并支持SRAM，PSRAM，NOR和NAND 回忆 该芯片专为嵌入式应用而开发，具有快速的中断响应速度，低功耗和高集成度。CC2430是专为IEEE802.15.4和ZigBee应用而专门设计的系统级芯片解决方案。它集成了Zigbee RF前端，微控制器和内存。CC2430包含一个8位8051 MCU，8KB RAM，ADC，128KB闪存和21个可编程I / O引脚。它是一种便宜且低功耗的芯片。在接收模式和发送模式下，电流损耗小于27mA。 CC2430具有从睡眠模式切换到活动模式的能力。根据上述原因，CC2430是最佳选择。电源管理模块的性能与节点的稳定性和能耗直接相关。电源模式分为12V直流电源和3V电池供电。 DC-DC电源模块必须将电压转换为5V，因为某些传感器的电压高于3V。为了进一步降低能耗，无线通信模块每10分钟从睡眠模式唤醒，但主芯片需要电源。在系统中，主芯片和无线通信模块分别需要电源。终端节点电源如图5所示。图5 终端节点的电源3.2网关的设计与实现网关是远程传输设备。Zigbee低速无线传感器网络和高速互联网通过网关相互连接。 在Zigbee网络上，网关是网络协调器，可以集成测量数据。微处理后，GPRS模块将数据发送给远程移动基站。同时，网关从远程数据中心接收指令，并向每个终端节点发送指令。网关电路的微控制单元也是STM32F103芯片。网关的Zigbee模块也是CC2430芯片。网关电路结构如图6所示。图6 网关电路结构GPRS通信模块使用SIM900发送数据（GPRS模式）和短消息（GSM模式）。 SIM900和MCU通过SPI相互连接。SIM900A是工作频段EGSM900MHZ和DCS1800MHZ的2频GPRS模块。其尺寸仅为24mm 24mm 3mm，睡眠模式下的最低电流消耗仅为1.0mA。 同时支持SIM卡和标准8线串行接口。图7显示了SIM900A的功能框图，并介绍了主要功能部分。图7 SIM900A的功能框图4 软件设计基于IEEE802.15.4协议的MAC层基础编译的系统软件与Zigbee制造商提供的公共开发平台相比，具有代码简单，扩展性强的优点。在编程中采用睡眠/唤醒工作模式和时间同步算法，保持低功耗，从而延长系统的使用寿命。4.1网关工作流程首先必须完成系统初始化，包括系统时钟初始化，接收缓冲池初始化，微处理器IO的初始化，串行初始化和RF无线传输初始化。RF无线传输初始化包括硬件抽象初始化，收发信息配置，收发状态初始化，频带选择，输出功率，网络ID和数据传输速率。最后，我们执行启用CRC校验。然后网关进入侦听状态。当终端节点要求加入网络时分配16位分段地址。同时，当终端节点从休眠状态唤醒时，网关收集数据。将数据传输到PC管理系统软件进行数据显示和处理，或通过串行端口传输到ARM处理器。之后，通过GPRS模块将数据传输到主机。网关流程图如图8所示。图8 网关流程图4.2网关工作流程 首先，我们必须像网关一样完成系统初始化。无线模块状态转换后，终端节点发送广播报文，搜索网络并收听应答报文。如果终端节点接收到响应包，则设置网络短地址，接收时间和唤醒参数，并进入睡眠定时器唤醒模块。终端节点遵循睡眠模式 - 唤醒模式 - 工作模式 - 休眠模式序列。终端节点的流程图如图9所示。图9 终端节点流程图5 结论 该系统的创新是：实时记录家庭环境条件和设备状态的传感