android@home家庭通讯网关的设计毕业论文.doc

I android home 家庭通讯网关的设家庭通讯网关的设 计毕业论文计毕业论文 目录 摘 要 I Abstract II 1 绪论 1 1 1 课题背景 1 1 2 家庭通讯网关的发展现状 2 1 2 1 家庭网关的研究现状 2 1 2 2 联网技术的研究现状 2 1 2 3 android 的发展 3 2 系统功能分析 5 2 1 需求分析 5 2 2 实现原理 6 3 硬件电路的设计 8 3 1 单片机电路的设计 8 3 1 1 单片机的选型 8 3 2 android 接口的设计 10 3 2 1 蓝牙接口的设计 10 3 2 2 单片机通讯 11 3 3 终端设备无线通讯设计 12 3 3 1 315Mhz 无线接收端的设计 12 3 3 2 433Mhz 无线发射端的设计 14 3 3 2 PT2262 和 PT2272 通讯电阻匹配问题 16 3 4 稳压电路的设计 17 4 软件部分的设计 18 4 1 android 客户端和网关蓝牙通信协议 18 4 1 1 帧定义 18 4 1 2 同步字 19 4 1 3 帧类型 19 4 1 4 通信流程 19 4 2 软件流程图 20 5 实验和调试 24 5 1 PCB 设计 24 5 2 433Mhz 无线发射实验 25 5 3 315Mhz 无线接收实验 27 5 4 蓝牙通讯实验 29 6 总结 30 s 参考文献 31 致谢 32 附录 电路原理图 33 附录 PCB 34 附录 程序清单 35 android home 家庭通讯网关的设计 1 1 绪论 在信息社会中 计算机 手机及其他无线设备越来越多的走进普通百姓的 工作和生活 随着信息网络化的不断进展 家庭智能化的趋势越来越明显 目 前 全球智能家居领域市场是 500 亿美元左右 而我国每年有近 100 亿美元的 市场 舒适 安全 方便和高效率的居家生活将是人们永恒的追求 家庭智能 化将是大势所趋 传统上 家庭设备都是互相独立的 各自工作 随着社会的 发展 人们对家庭设备的使用也趋于理想化 总希望尽可能的方便自己 为此 如何将家庭内的家用电器设备 安防设备等可以根据用户的要求 更加协调地 工作以及如何发挥最大的作用 是家庭智能化的一个重要研究方向 也是未来 智能家居的一个重要标准 1 1 课题背景 智能家居是将家庭中各种与信息相关的通讯设备 家用电器和家庭安防装 置通过家庭内部网络连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或异地的监控与 管理 并保持这些家庭设施与住宅环境的协调 这些功能都是通过家庭通讯网关 来实现的 可见家庭通讯网关是智能家居的核心 在智能家居中占有重要地位 而 如何设计一个高性能 高可靠性的家庭通讯网关是解决智能家居系统的关键所 在 家庭通讯网关的设计是智能家居系统的设计一个重要组成部分 它是连接家 庭网络与外界网络的桥梁 是家庭内外信息交流的枢纽 在家庭内部建立统一的 数据处理中心 对家庭内部数据进行管理 对外连接运营商网络 它的主要功 能是支持家庭内部设备与互联网 电信网络之间的通信工作 同时 随着电子技术在现实生活中的广泛应用 人们越来越感受到电子产 品为生活所带来的各种便利 例如手机 平板电脑的发展 更是给人们的生活 带来了许多全新的体验 尤其是 android 系统的引入 2011 年 11 月的数据显示 android 占据全球智能手机操作系统市场 52 5 的份额 越来越多的人在使用携 带 android 操作系统的电子设备 可以将 android 电子设备引入到智能家居的家庭通讯网关 只需通过 android 电子设备上的客户端即可对家庭内部的家用电气设备 安防 温湿度等进行统 一集中的监控和管理 让用户感受到信息时代的便捷和家庭智能化对生活品质 的提高 是一个十分有前景的研究课题 嘉兴学院本科生毕业设计 1 2 家庭通讯网关的发展现状 1 2 1 家庭网关的研究现状 2007 年后国内家庭网关的发展和现场应用开始加速 典型的代表就是华为 中兴等公司推出的可商用的家庭网关产品 但是他们的网关都是建立在路由器 的基础上 没有实现真正的智能家居服务 仍旧局限于电话业务 宽带业务 2009 年 烽火通信公司采用的 HG230 型家庭网关组网 上行通过 FTTH 接入 提供语音 数据 家庭娱乐 安防等业务的综合接入 家庭网关作为家 庭网络的核心 在家庭内部与其他智能设备组成家庭内部网络 通过宽带接入 的方式连接 Internet NGN 等网络 并通过业务平台向家庭用户提供家庭网络业 务 烽火通信 HG 系列家庭网关产品 可以连接 PON xDSL LAN WiFi 等 多种宽带接入网络 提供语音 数据 视频等 Multi Play 多媒体通信 娱乐 安防等家庭服务 经过了电信集团组织的多次大型测试验证 性能良好 但是 其复杂的网络设置 没有一个很友好简单的操作界面 显得过于繁琐 2010 年 10 月份 波创科技成功推出第四代 zigbee 系列数字家庭智能网关 产品 代表着行业中的领先技术 通过 TCP IP 网络协议 使有线 无线网络控 制的方式使社区局域网与互联网的完美融合 实现对小区和用户的智能管理和 控制 可以实现的功能主要是楼宇可视对讲功能 访客留言留影 小区物业管 理 安防报警等功能 但是 所采用的操作平台大多是 linux 系统或者 wince 系 统 相对来说不是很稳定 相对于国内的家庭网关 国外的家庭网关 技术已经取得了突破性的发展 可访问网关的操作平台是多样化平台 比如说 IOS 手机可以访问 WINCE 也 可以访问或者说是诺基亚 Symbian 系统也可以访问 它的跨系统访问能力比较 强 换而言之通用性比较强 再次是兼容性 国外家庭网关的兼容性比较强 一般都是集成多媒体处理的网关 它可以兼容多达 100 多家的智能家居厂家 即便是同行也可以兼容 但是昂贵的价格 使得外国的产品很难进入国内市场 1 2 2 联网技术的研究现状 在家庭的内部 联网技术可以根据传输介质的不同 主要分为有线技术和 无线技术两大类 第一类为有线技术 主要为以太网 Ethernet 连接和电力线路 PLC 连 接 以太网最早由 Xerox 施乐 公司创建 于 1980 年 DEC Intel 和 Xerox 三 家公司联合开发的局域网标准 以太网是当前局域网采用最为广泛的通信协议 标准 广泛被应用于家庭网中 电力线路通信是利用 12M 到 28M 频带范围传 android home 家庭通讯网关的设计 3 输信号的 在发送时 利用 OFDM 调制技术将用户数据进行调制技术将用户数 据进行调制 然后在电力线上进行传输 在接收端 先经过滤波器将调制信号 滤出 再经过解调 就可得到原通信信号 电力载波通信最大的优势是不需要 重新布线 即实现四网合一 终端用户只需要插入电源插头即可以实现互联网 接入 观看电视节目 通话等等 第二类为无线技术 近几年 无线接入技术发展迅速 主要介绍以下几种 1 无线局域网 WLAN 又称 WiFi WiFi 是一种可以将个人计算机 手 持设备 如 PDA 手机 等终端通过无线方式事项互相连接的技术 优点是灵 活性和移动性 安装便捷 易于规划和调整 可扩展性强 缺点是成本高 功 耗大 覆盖范围小 从理论上来说容易被监听 2 蓝牙技术 蓝牙 Bluethooth 以低成本的短距离无线通信 一般 10m 内 为基础 为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接 利用 蓝牙 技术 不但能够有效地简化移动终端设备之间的通信 更能简化设备与因特网 Internet 之间的通信 从而使数据传输变得更加高效迅速 为无线通信拓宽道路 相比 与其它工作在相同频段的系统 蓝牙跳频更快 数据包更短 这使蓝牙比其它 系统都更稳定 3 Zigbee 是 IEEE 802 15 4 协议的代名词 根据这个协议规定的技术是 一种短距离 低功耗的无线通信技术 优点是价格便宜 技术先进 能够适用 于自动控制和远程控制领域 缺点是价格相对昂贵 其次是协议栈带宽的开销 量对信道带宽要求比较高 而这反过来会影响通讯距离和环境适应性 应用不 够广泛 1 2 3 android 的发展 android 是谷歌公司 2007 年 11 月 5 日推出的基础 linux 平台的开源手机操 作系统 凭借其良好的用户体验 低廉的成本和较高的开放性吸引着越来越多 的终端厂商采用 2011 年 11 月数据 android 占据全球智能手机操作系统市场 52 5 的份额 中国市场占有率为 58 终端厂商方面 企业纷纷开始从单纯出售手机向终端 服务 应用的业务模 式转型 操作系统作为承载应用的平台 对于智能手机终端厂商的重要性不言 而喻 在 android 问世之前 智能手机大多使用 WM 平台 不仅成本较高 而 且系统封闭应用体验较差 而 android 系统除了低廉的成本和良好的用户体验 外 因采用了开源的平台 给予了终端厂商和开发者更大的灵活性 开发者在 程序的开发移植上更为方便且不需要考虑厂商端内容审核等问题 终端厂商则 可以按需深度定制系统开发本地化应用环境 用户可选择的应用资源将会进一 步丰富 嘉兴学院本科生毕业设计 而从用户的角度考虑 android 良好发展前景主要源于优秀的用户体验和高 性价比这两个方面 为此 将 android 引入到智能家居的控制系统中 具有巨大的前景 本文的章节安排如下 第一章主要介绍家庭通讯网关的发展现状 包括家庭网关的研究现状 联 网技术和 android 的发展 第二章主要是本次设计的家庭通讯网关的总体概述 第三章主要是介绍硬件设计 包括蓝牙接口 发射端和接收端的设计 第四章主要是软件部分的设计 主要是单片机程序的设计 第五章和第六章主要是实验和总结 android home 家庭通讯网关的设计 5 2 系统功能分析 2 1 需求分析 现阶段家庭内部的许多的电气设备或者系统都是单独存在的 比如灯光系 统 安防系统等等 如何将这些独立的设备或者系统整合到一起 利用一个独 立的控制端对上述的设备和系统进行管理 为此 本次设计的目的是设计一个家庭通讯网关 可以通过电子设备上运 行的 android 客户端实现数据交互 经过网关 将控制信号发送给底层设备 对 家庭内部的电气设备进行集中控制 同时 又可以将底层设备的一些信息反馈 给终端设备 本次设计的家庭通讯网关的工作示意图见 图 1 1 其中 左边 部分为客户端 右边部分为家庭网关以及家庭内部的智能家居系统 图 2 1 家庭通讯网关工作示意图 因此 本次设计所需求包括以下几个方面 1 蓝牙接口的设计 采用蓝牙模块 提供客户端对家庭通讯网关的访问接 口 2 利用 PT2272 解码芯片以及无线接收模块 通过无线将安防设备 在这 次的设计中主要是门磁 接入到网关 3 利用 PT2262 编码芯片以及无线发射模块 通过无线对电器设备 在本 次的设计中主要是灯光系统 进行控制 4 稳压电路的设计 根据系统的要求设计合理的电源 嘉兴学院本科生毕业设计 2 2 实现原理 本次设计的网关支持上层设备 android 客户端 的访问和对底层设备的监 控和控制 android 客户端的访问主要是通过蓝牙接口 利用客户端自带的蓝牙设备 通过与本次设计的蓝牙接口通信 实现数据的交互 在客户端上 用户可以对 连入网关的各种设备进行监控和控制 主要是 1 获取底层监控设备的状态 一旦出现警报 能够在客户端上及时查询 2 对底层设备的控制 对接入网 关的电器设备进行远程控制 底层设备的监控和控制 在这个部分的设计上主要采用两种频段的无线 在控制上采用 433Mhz 的无线 在监控上采用 315Mhz 的无线 这样可以避免 相互的干扰 实现控制和监控的独立 1 控制 对蓝牙接收到来自客户端的数据 经网关处理 改变 PT2262 的 引脚电平 使 PT2262 将 8 位地址引脚和 4 位数据引脚的电平编码后输出 经 PT2262 编码后的信号通过 433M 无线发射模块调制后发送出去 2 监控 网关上 315M 无线接收模块将接收的信号传输给 PT2272 经 PT2272 解码后触发报警信号 并且及时通过网关的蓝牙反馈到客户端 其中 整个设计中最关键的是 PT2262 PT2272 无线通讯的实现 PT2262 每 次发射时至少发射 4 组码字 每组字码之间有同步码隔开 一个码字包括同步 码 地址位和数据位 波形振荡频率 f 2 1000 16 Rosc khz 其中 Rosc 为振荡 电阻 关于振荡电阻匹配的问题在后文阐述 为了能够表示地址码和数据码 我们采用不同的脉冲宽度来实现 具体见 表 2 1 表 2 1 电平表示方法 01F 悬空 两个窄脉冲两个宽脉冲一个窄脉冲和一个宽脉冲 图 2 2 超再生接收模块数据接收波形 android home 家庭通讯网关的设计 7 上面是我们从接收模块信号输出引脚上截获的一段波形 可以明显看到 图上半部分是一组一组的编码 每组编码之间利用同步码隔开 因此如果采用 单片机软解码时 只需在程序中判断出同步码 然后对后面的编码进行脉冲宽 度的识别即可 图的下半部分代表一组编码 一个编码由 12 位 地址码加数据 码 比如 8 位地址码加 4 位数据码 组成 利用 PT2262 编码 在每次发射时至少发射 4 组编码 PT2272 只有在连续 两次检测到相同的地址码 数据码 才能解码成功 VT 端置高 并且驱动相应 的数据端为高电平 嘉兴学院本科生毕业设计 3 硬件电路的设计 为了实现 android 系统的信息转接功能 对于接入网关的方式上我们主要采 用的是无线技术和蓝牙技术 无线主要用于对底层设备的控制 蓝牙主要用于 与 android 终端设备相连接 这样设计免去安装时重新布线的麻烦 同时 增加 了连入网关的设备数量 便于扩展网络 根据要求 本次设计整体方案如下图 图 3 1 所示 图 3 1 android home 家庭通讯网关 为此 本次设计的硬件电路按照功能上主要可以分为单片机电路的设计 android 接口设计 终端设备无线通讯设计和稳压电路的设计 3 1 单片机电路的设计 3 1 1 单片机的选型 作为本次设计的最主要部分之一就是单片机的选择 保证该通讯网关的可 靠工作 必须选择合适的单片机作为控制器 此外 功耗和抗干扰性也是我们 需要考虑的一个问题 单片机能随时进入低功耗状态 经过考虑 放弃了经常 使用的 STC89C52 单片机 选择了功能更加强大的 STC12C5A60s2 下图为本 单片机的引脚图 android home 家庭通讯网关的设计 9 图 3 2 STC12C5A60S2 引脚图 本次设计所选用的单片机 STC12C5A60S2 指令代码完全兼容传统 8051 此 外 还有具有一下的优点 1 是单时钟 机器周期的单片机 速度比普通的快 8 12 倍 工作频率范围 在 0 35Mhz 相当于普通 8051 单片机的 0 420Mhz 这样的速度 足以满足我 们本次设计的要求 2 用户应用程序空间达到 60K 字节 片上集成 1280 字节 RAM 足够本 次设计 3 自带 8 路 10 位精度的 ADC 转换速度可以达到 150K s 即每秒钟 25 万次 4 此单片机的超强抗干扰能力也是本次选择的重要依据 为了保证网关的 正常可靠运行 必须要有超强的抗干扰能力 否则 整个网关将瘫痪 甚至是 让整个智能家居系统崩溃 5 内部工作时钟 本次设计为了考虑到系统的稳定性选择了外接一个晶振 进行时钟信号的提供 但是考虑到后期进行改进时可能对体积有严格的要求 所以就选用了这一款有内部工作时钟的单片机 便于以后的改进 单片机最小系统的设计如下 嘉兴学院本科生毕业设计 图 3 3 单片机最小系统 3 2 android 接口的设计 3 2 1 蓝牙接口的设计 蓝牙工作在全球通用的 2 4GHz ISM 即工业 科学 医学 频段 蓝牙的 数据速率为 1Mb s 时分双工传输方案被用来实现全双工传输 使用 IEEE802 15 协议 为了方便和单片机相连接 采用带串口的 HC 06 蓝牙模块 与单片机实现 串行通讯 如何实现串行通讯将在单片机的设计部分中体现 该模块分为主机 和从机 主机能和从机配对通信 从机与从机之间或主机与主机之间不能通信 从机能和电脑 手机等蓝牙配对通信 在本次的设计中采用从机模块 此模块支持蓝牙规范 V2 0 采用 CSR 公司 的蓝牙芯片 BC417143 通讯距离可以达到 10M 更重要的是可直接与单片机 的串口相连接 使用极为方便 HC 07 蓝牙模块具有一下特点 android home 家庭通讯网关的设计 11 1 采用 CSR 主流蓝牙芯片 蓝牙 V2 0 协议标准 2 串口模块工作电压 3 3V 3 波特率为 1200 2400 4800 9600 19200 38400 57600 115200 用户可设置 从机 默认波特率 9600 N 8 1 配对密码 1234 4 工作电流 配对中 20 30MA 配对后 8MA 5 休眠电流 无休眠 6 此模块支持 AT 命令 需要注意的是此蓝牙模块的工作电压为 3 3V 为此 在电源的考虑上为次 蓝牙模块提供可靠的工作电源 保证正常通讯的前提 在硬件上的连接也比较 简单 只需将蓝牙的 TX 和 RX 连接到单片机的串口 如图 3 1 所示 只需 RXD TXD 和 GND 三根线即可 图 3 3 蓝牙接口设计 3 2 2 单片机通讯 串行通讯对单片机而言意义重大 不但可以实现将单片机的数据传输到计 算机端 而且也能实现计算机对单片机的控制 由于其所需电缆线少 接线简 单 所以在较远距离传输中 得到了广泛的运用 在这次的设计主要是实现蓝 牙接口 波特率就是在串行通信中每秒能够发送的位数 bits second MSC 51 串 行端口在四种工作模式下有不同的波特率计算方法 以工作模式 1 为例来说明 串口通信波特率的选择 在串行端口工作于模式 1 其波特率将由计时 计数器 1 本次设计中采用 该型号单片机自带的波特率发生器 来产生 通常设置定时器工作于模式 2 自动再加模式 在此模式下波特率计算公式为 3 1 SMOD 波特率 1 晶振频率 384 256 TH 1 其中 SMOD 寄存器 PCON 的第 7 位 称为波特率倍增位 TH1 定时器的重载值 在选择波特率的时候需要考虑两点 首先 系统需要的通信速率 这要根 嘉兴学院本科生毕业设计 据系统的运作特点 确定通信的频率范围 然后考虑通信时钟误差 使用同一 晶振频率在选择不同的通信速率时通信时钟误差会有很大差别 为了通信的稳 定 我们应该尽量选择时钟误差最小的频率进行通信 在本次的设计中 为了实现和蓝牙的通信 我们采用的数据格式为 9600 N 8 1 通信速率为 9600 无校验位 8 位数据位 一位停止位 硬 件上的连接上文已给出 单片机串口的初始化程序如下 void UART1 Init 独立波特率发生器初值 1T模式 串行通信初始化 独立波特率发生器 SCON 0 x50 PCON 0 x00 BRT 0 xDC AUXR 0 x17 ES 1 EA 1 OpenUART1 CloseUART2 打开串口1 该型号单片机双串口 到目前为止 网关已经能够和客户端实现数据的交互了 能够在客户端上 对网关进行访问了 但是 如何将底层设备的信号采集上来和控制信号如何传 送出去 这个是下文中的继续阐述 3 3 终端设备无线通讯设计 在本次的设计中 网关需要接收来自安防系统的信号和输出对灯光系统的 控制信号 为此 我们采用两种不同频率的无线 综合各方面的因素考虑 主 要采用短距离无线的方式进行数据传输 由于控制无线收发的芯片种类和数量 比较多 各有优势 无线收发芯片的选择在整个设计中是至关重要的 合理的 选择可以减轻开发的难度 缩短开发的周期 降低成本 更快地将产品推向市 场 在选择无线收发芯片时应需要考虑以下几点因素 功耗 收发功率 接收 灵敏度 芯片所需的外围元件的数量 芯片价格 数据传输是否需要进行曼彻 斯特编码等 因此 在本次的设计中 接收端主要接收 315MHZ 的无线数据 在设计上 采用 PT2272 超再生接收模块方法 发射端主要是发送 433MHZ 的无线数据 在设计上发射端采用 PT2272 超再生发射模块的设计方法 3 3 1 315Mhz 无线接收端的设计 1 315MHZ 超再生接收模块介绍 android home 家庭通讯网关的设计 13 图 3 4 315MHZ 超再生接收模块 DF 接收模块主要采用超再生电路 它工作的电压为 5V 静态电流为 4MA 接收的灵敏度为 105DBM 接收天线一般采用 25 30 厘米的导线 因 为接收模块本身不带解码集成电路 所以它可以配合各种不同的解码电路进行 硬解码 或者使用单片机软解码 在设计使用上灵活方便 2 PT2272 解码芯片 PT2272 是一种 CMOS 工艺制造的低价位低功耗通用编解码芯片 台湾普 城公司生产的 PT2272 最多可有 12 位 A0 A11 三态地址端管脚 高电平 低电平 悬空 最大可提供 531441 地址码 PT2272 引脚图 图 3 4 PT2272 引脚图 表 3 1 PT2272 芯片引脚说明 名称管脚说明 A0 A111 8 10 13地址管脚 可置为 F 悬空 1 0 必须 嘉兴学院本科生毕业设计 与编码芯片 2262 相一致 否则不能解码 D0 D57 8 10 13地址或数据管脚 当作为数据管脚使用时 当地址码与 2262 一致 数据管脚才能输 出与 2262 数据端对应的高电平 不一致 输出低电平 VCC18电源正端 VSS9电源负端 DIN14数据信号输入端 OSC116振荡电阻输入端 OSC215振荡电阻振荡器输出端 与 OSC1 所接 电阻决定振荡频率 VT17解码有效确认端 输出端 常低 解码 有效置为高电平 瞬态 3 硬件上的连接也比较简单 如下图所示 图 3 5 无线接收端电路设计 3 3 2 433Mhz 无线发射端的设计 1 433MHZ 超再生发射模块介绍 433MHZ 无线发射模块主要由 433MHZ 声表谐振器和大功率射频电路组成 属于 ASK 调制发射 可以配合常用的超再生接收电路或超外差接收电路工作 android home 家庭通讯网关的设计 15 具有较高的频率稳定度 外接编码芯片或数据传输口 只有数据发射时才有电 流消耗 平时不耗电 使用非常简单 该无线发射模块的工作电压比较宽 范围在 3 12V 电压变化时 发射频 率基本保持不变 而且和它配对的接收模块能够稳定地接收数据 工作电压为 12V 时该模块具有较好的无线发射效果 发射电流大概在 60 毫安左右 在空旷 地区的传输距离为 700 800 米 发射功率约 500 毫瓦 特点 采用低成本声表谐振器 SAW 稳频 频率稳定度极高 体积小 工 作环境温度在 25 85 度之间变化时 频飘仅为 3PPM 度 图 3 6 无线接收模块 引脚功能 ANT 天线接口 GND 接地 DATA 发射数据输入 VCC 工作电源 DC 3 12V