基于ZigBeeARM的电热膜供暖无线智能控制系统开发

毕业设计（论文）开题报告论文题目 基于ZigBee/ARM的电热膜供暖无线智能控制系统开发一、选题背景和意义：电热膜供暖系统，是区别于以散热器、空调、暖气片为代表的点式供暖系统及以发热电缆为代表的线式供暖系统，在面式供暖领域采用现代宇航技术研发的低碳供暖高科技产品。电热膜分为高温、低温电热膜。高温电热膜一般用于电子电器、军事等，如今科技生产的电热膜。低温电热膜是一种通电后能发热的半透明聚酯薄膜，由可导电的特制油墨、金属载流条经加工、热压在绝缘聚酯薄膜间制成。工作时以电热膜为发热体，将热量以辐射的形式送入空间，使人体和物体首先得到温暖，其综合效果优于传统的对流供暖方式。低温辐射电热膜系统由电源、温控器、连接件、绝缘层、电热膜及饰面层构成。电源经导线连通电热膜,将电能转化为热能。由于电热膜为纯电阻电路，故其转换效率高，除一小部分损失（2%），绝大部分（98%）被转化成热能。电热膜发展潜力巨大，符合低碳经济发展趋势。电热膜采暖方式不耗水、不占地、开关自主，节能节材，符合减排低碳的政策导向，发展前景广阔。这是对中惠地热在电热膜、电采暖行业地位的及其权威的肯定，尤其在采暖行业中引起了广泛关注。有专家预言,该技术标准的推出不仅意味着环保经济的电热膜采暖将更快走进千家万户,而且意味着电热膜采暖产业的振兴,意味着采暖行业低碳式发展春天的来临。自从，中华人民共和国建筑工业行业标准低温辐射电热膜发布实施暨标准化示范基地授牌仪式新闻发布会”在北京举行后，并于2011年1月1日开始正式实施，顶级媒体中国之声对正式实施的低温辐射电热膜进行了特别的报道，称其为我国电热膜行业第一个产品性能标准，单位为标准化示范基地。电热膜采暖具有不耗水、节能、节地、省材、环保、任意开关调节、便于分户计量等优点、符合低碳方向。二、课题关键问题及难点： 课题关键问题：1） 电热膜供暖技术原理电热膜制热原理是产品在电场的作用下，发热体中的碳分子团产生“布朗运动”，碳分子之间发生剧烈的摩擦和撞击，产生的热能以远红外辐射和对流的形式对外传递，其电能与热能的转换率高达98%以上。碳分子的作用使系统表面迅速升温。将电热膜暖采暖系统安装在墙（地）面上，热能就会源源不断地均匀传递到房间的每一个角落。电热膜之所以能够对空间起到迅速升温的作用，就在于其100%的电能输入被有效地转换成了超过66%的远红外辐射能和33%的对流热能。2） 电热膜供暖无线智能控制系统的总体设计系统功能技术需求如下：1、工作电压：220V交流，频率：50Hz，功率：6kW/间2、集散控制，主机与各房间的温控器通过无线通讯进行控制3、手机可以遥控开机升温，也可以预设开机/关机时间4、可以设定某几个房间用地热，其他房间临时用，临时控制5、可以设定各房间的优先权6、可以对各房间设定睡眠模式：温度、时间范围7、功率控制：在设定总功率范围内，按照房间优先顺序给各房间加电升温，在优先级高的房间加电升温间隙，给优先级较低的房间升温。8、工作环境温度：-4090，工作环境湿度：90%RH。3） 电热膜供暖无线智能控制系统的硬件设计与开发系统硬件从硬件层面可分为无线温控器（终端节点）和嵌入式监控终端（协调器节点）。一共两部分，需要设计两套硬件设备，也就是需要开发两块电路板。4） 电热膜供暖无线智能控制系统的软件设计与开发系统的软件设计包括温控器监控程序、嵌入式监控终端程序两部分，需要编写两套程序。并且两套程序不仅要有各自独立功能，还要有交互设计，相互协同工作。软硬件设计的难点：由于无线温控器一般在室内使用，需要选择有一定的穿墙能力的无线收发模块；无线温控器电路板需要结合外壳尺寸进行布局设计；无线温控器采用220V交流供电，需要仔细设计的电源管理模块，要求实现和电网的电气隔离并尽量降低温控器功耗。软件设计由于涉及的平台有两个，有嵌入式的平台，还有基于Z-Stack协议栈开发，同时两款软件有需要相互协调，通信。调试和编写都是有一定难度的。同时硬件设计在一定程度上也增加了软件的调试和编写难度。软硬件设计的工作量都很大。注：开题报告可单独装订，但在院（系）范围内，封面和装订格式必须统一。三、文献综述（或调研报告）： 其实本毕业设计的内容是属于智能家居系统的一个具体化而已，是智能家居系统的应用。在有关文献中有很多关于智能家居的定义。如智能家居是把一些先进技术运用到家庭环境中来在诸多方面，如医疗、多媒体娱乐、能源节省等提高家庭生活水平。在智能家居这一领域有诸多重大研究。1975年为电子设备开发的通信标准X10工业标准，但是它是一款较为老套的工业标准，鉴于它对器件的数量有所限定。最近有一项值得我们关注的研究。构建了一个基于java的智能家居系统。一块嵌入式主板在物理上和其他所有的智能仪器相连接，并且和一台PC通过互联网相连接以便提供远程监控服务。运用Java使得其包含了网络安全特性，保障了安全。然而，该系统需要大量的投入，昂贵的有线安装费用，还有个人PC的高额开销。还有基于蓝牙的智能家居系统，它包括一个基础控制器和一些蓝牙从控制器。每一个智能家居器件都物理上和本地的蓝牙从控制器链接在一起。这些器件和他们的控制器相对的用有线去通信。从蓝牙控制器和主控制器的通信则用无线。对于每个器件来说都想要有一个专有的蓝牙模块。但由于蓝牙模块的开销并不小，单个蓝牙模块一般都是被好几个器件所共享的。这一结构减少了线路连接，也正因为无线技术的使用使得安装投入的减少。然而这种结构也没有完全减少成本因为某些部件之间还是运用有线通信。而且太多器件公用一个蓝牙模块会使得事件的处理或者上传有一定的延迟。再介绍一个利用手机去构建的远程控制器的办公家居自动化。该系统和以上系统的区别在于，它只用一个专有的电话线去完成通信而不借助于互联网。该系统可以用任何具备双音多频的手机去接入。该系统有如下三方面的缺点：1)该系统没有用户界面，2）该系统需要用户去记住密码，3）该系统需要用户去记住哪个按钮对应哪个器件。还有一个新的控制网络，运用手势去控制。控制器运用一只手套去获取手势。该系统的问题在于手势的不确定性，有可能把正常的手势动作当成命令输入系统。而且对于用户来说如果需要频繁的手势也是很累的。但是我们也看到了一种新型的智能家居构建系统，实现相对比以上的集中方案都是相对的要简单一些，它是利用ZigBee组建立从网，利用一个协调器去组件和管理各个ZigBee子模块，然后又通过一个嵌入式终端控制器来实现和局域网链接，别再通过一个路由器和互联网链接，达到可以通过无线局域网和可以接入互联网的终端设备控制我们的ZigBee终端设备，比如我们的无线地热膜温控器件。也可以直接在终端设备上通过ZigBee网络控制各个分散的器件。该系统构建起来也相对的容易一些，而且该系统还有一个很好的安保系统，它会对所有接收到的命令进行安全校验，只有通过的安全校验的命令才会被传送到实际的对象上去。以上是在阅读一定的文献后做出的一些概括，以上所述的系统架构大致包括了现如今的智能家居系统的几种架构。本毕业设计的系统也会参照以上的系统来构建，并作出一些适当的改进以适应本课题的应用背景。四、方案（设计方案、或研究方案、研制方案）论证： 本课题的设计任务是制作一套地热膜供暖智能控制系统。通过查阅文献，最终决定通过ZigBee来建立底层控制器网络，然后再通过协调器来和嵌入式终端链接并接入互联网，这样便形成了一个可以从互联网接入并远程监控的系统。对系统还可以从本地局域网接入，也可以通过终端设备直接控制。之所以会选择基于ZigBee的系统是因为该种方式灵活，而且正如文献综述所说，其他的技术相比较而言都不是那么的容易实现或者或多或少的存在一些瑕疵。 1：系统框图电热膜供暖无线智能控制系统结构框图如下图所示，其中现场控制层和系统管理层是本毕业设计需要完成的内容。2：现场控制层硬件架构而现场控制层既是无线温控器。无线温控器实现电热膜本地温度控制功能，包括ZigBee核心系统、温度采集与控制模块、人机接口模块以及电源模块等，结构图如下图所示：3：系统管理层硬件架构系统管理层就是嵌入式终端的软硬件设备。嵌入式监控终端负责各个终端节点的协调与管理，硬件框图如下图所示： 4：软件实现1）温控器监控程序基于Z-Stack协议栈开发，实现温度的本地控制以及和嵌入式监控终端通信功能。首先需要根据被控对象特性，选择适当的温度控制策略或者算法，实现被控温度平稳并能抑制一定范围的扰动；其次需要制定一定的通讯协议，使得温控器节点能够向嵌入式监控终端反馈温度等状态，同时嵌入式监控终端能够对多台温控器实现调度。2）嵌入式监控终端程序基于Linux和Qt/Embedded开发，实现多台温控器的协调调度以及系统管理功能，要和温控器实时通信。首先需要移植Linux操作系统到S3C2440A平台，具体包括Bootloader移植、嵌入式Linux移植、Yaffs文件系统移植。其次需要移植Qt/Embedded库到S3C2440A平台，基于Qt/Embedded库编写人机界面程序，实现系统的并网并向服务器发送数据，能够接收到用户从远程发送来的消息指令，还有能够认证系统用户，保障系统安全性。最后对系统软硬件进行综合调试和改动，完成本课题的要求。五、进度安排：起止日期工作内容备 注2014.12.222015.1.4查阅资料与文献，了解电热膜供暖原理，调研国内外电热膜供暖系统行业发展情况。14-15-2学期1415周2015.1.262015.3.1学习ZigBee基本原理，熟悉CC2530/ZStack开发方法，掌握IAR使用方法。学习嵌入式系统主要原理，掌握基于S3C2440A和Qt/Embedded的开发方法，掌握Qt Creator使用方法。寒假2015.3.22015.3.8根据控制系统功能需求，完成总体方案的设计，撰写开题报告。14-15-3学期1周2015.3.92015.4.5完成系统硬件原理图设计、PCB设计。完成硬件各功能模