智能家居设计方案

1、智能家居设计方案1系统需求本家居系统包括主控制中心、电器终端、门磁控制终端、监控终端四个主要部分。系统应实现以下功能:安防:安防采用门磁控制,当用户离家时打开门磁监控器,进行实时监控,当有闯入时,门磁控制器向控制中心报警,控制中心打开摄像头进行录像,同时通过短信通知用户,最终的处理方式交由用户决定。监控:用户通过互联网,可以登录到家庭的控制中心,查看家庭内部情况,可以通过远程指令打开摄像头。电器控制:用户可以通过手机短信,或者通过Web登录到控制中心来对电器执行开关控制。通信方式:系统应尽可能的采用无线的通信方式,以避免有线布线带来的麻烦。2总体结构设计智能家居系统远程监控系统的核心部分是一个

2、嵌入式Web 服务器,系统集有线与无线两种通信方式于一体,用户可以通过手机或PC机登录家中的嵌入式Web服务器,通过用户名和密码验证之后,便可以查看或控制家用电器、灯光、窗帘、门禁、安防等基础设施;用户可以通过远程登录的方式设定系统所需要的参数;系统具有可扩展接口,如无线蓝牙接口、GPRS接口、以太网接口,SPI接口。系统总体设计如图1所示: 图1 系统总体设计图3硬件设计3.1家居控制中心硬件总体设计控制中心处理器采用基于ARM的s3c2410处理器,开发板所包含的接口及相关情况介绍如下:CPU:采用SAMSUNG S3C2410 ARM920t CPU, 集成有串口,SD卡控制器,USB

3、Host USB device控制器,LCD控制器, Nand Flash控制器等存储器:1. 64M SDRAM3. 64M Nand Flash 用于存放应用程序4. 32M Intel StrataFlash 32M(默认不焊接5. SD卡一个VGA(直接连接普通PC显示器、一个TFT输出接口(可以选购3.5寸的夏普LCD。CS8900以太网控制器IDE接口,直接连接硬盘一个USB 主机接口一个USB 设备接口(可以切换成第二主机,需要更改驱动一个总线扩展接口(包含16位数据,12位地址,两个片选,可以通过CPLD控制。2个串口输出一个MIC输入接口一个LINE音频输入接口。一个耳机输出

4、接口。2个CPU可控LED等。AD转换输入接口SPI和IIC接口JTAG调试接口CPLD编程接口扩展GPRS和CDMA专用接口(包含3.3V电平的串口,SPI口,IO引脚,电源等 图2 控制中心硬件结构图3.2 GPRS模块GPRS扩展模块采用的GPRS模块型号为SIM3000,是SIMCOM GSM/GPRS双频模块,主要为语音传输、短消息和数据业务提供无线接口。SIM300集成电路和GSM的基带处理器,适合于开发一些GSM/GPRS的无线应用产品,如移动电话,无线MODEM卡,无线POS机,无线抄表系统以及无线数据传输业务,应用范围十分广泛。它功能强大、使用方便、性能稳定、具有良好的技术服

5、务支持,性价比高,向用户提供了标准的AT命令接口和丰富的AT指令集。模块通过GPRS专用接口(串口和开发板相连。该模块为采购板子时的可选外围扩展,厂商可提供相应的开发技术支持。3.3 ZigBee模块在家居控制中心,选用CC2420作为家庭内部ZigBee通信协调器;家居、安防终端采用CC2430与之相连。考虑到家庭内部节点有限,网络规模基本固定,内部无线网络采用星型拓扑,以CC2420为中心协调器,与各家居分支节点进行通信。CC2420通过4线制SPI接口与处理器相连,进行数据的传输。通过SPI总线可以设置其到不同的工作模式,读写缓冲区,读入状态寄存器。其中,SI和SO分别负责数据的输入和输

6、出,CSn负责SPI接口使能,SCLK负责时钟信号。另外,还需使用FiFO和FIFOP状态引脚来访问FIFO。通过CCA引脚查看通道是否清空,通过SFD引脚提供时间信息。图3为其连接图。(考虑到我们项目采用的是现成的开发板,无法重新布线,所以如下图上面的四个引脚需使用飞线与开发板连接CC2420S3C2410 图3 CC2420和S3C2410电路连接图3.4 视频监控根据我们目前查阅的一些参考方案,视频基本都是采用有线的方式来进行传输。目前市面上的一些简单的视频摄像头都是采用USB进行连接的,或者其他有线方式进行连接,暂时还未能给出比较合适无线传输方案。因此我们考虑先采用USB接口的摄像头与

7、控制中心相连。本设计选用的摄像头的驱动芯片为市场上较为流行的ZC301芯片,该芯片通过USB接口与主机相连接,可以传输连续的视频流,也可以传输单帧的静态图像。ZC301目前应用较广泛,本设计采用的摄像头即为基于ZC301芯片的ANC奥尼5888。3.5 安防终端硬件设计家居远程监控的一个重要作用就是遇到险情;时能够及时通知用户或小区管理中心,所以在家居控制器上需要连接门磁、窗磁、温度、湿度、烟感及煤气泄漏等传感器,通过这些传感器来监控家中的状态。这些传感器的信号大多用于报警功能的开关,所以将这一类的信号称为开关量信号。本系统采用红外传感器。感应模块GH-718的红外传感器探测的红外信号,就通过

8、OUT信号输出端传到CC2430模块后,经Zigbee传输到S3C2410处理器处理,处理完成后GPRS模块通过GPRS网络将报警信息发送给用户手机。模块信号各引脚如图4所示。其中2号引脚OUT 信号输出端 :人进入其感应范围则输出高电平3.3V , 人离开感应范围则自动延时关闭高电平,输出低电平0V 。OUT 输出端与CC2430 的6号引脚数字I/O 接口P1-2相连,CC2430接收到高电平后通过ZIGBEE 传输到S3C2410处理器,触发报警短信发送。GH-718工作电压:DC5V-20V(可订做范围DC3V-DC24V;静态功耗:<50微安,特别适合干电池供电,通过1、2 引

9、脚与干电池正负极接通LH 图4 红外传感器3.6 家电继电控制CC2430是一个弱电器件,它工作在4V 以下。驱动电流在mA 级以下。而要把它用于一些大功率场合,比如家电(空调等,显然是不行的,所以,就要有一个环节来衔接,这个环节就是所谓的"功率驱动"。继电器驱动就是一个典型的、简单的功率驱动环节。家电继电控制电路如下图所示:VCC 管图5 家电继电控制电路如图5所示CC2430的P1_0引脚接家电继电控制电路,该引脚具有20mA 的驱动能力。三极管起到一个水龙头的作用,当P1_0输出低电平的时,水龙头打开即通电,高电平则不通电,从而实现家电的开关控制。4 软件设计4.1

10、通信协议 各字段含义介绍如下:帧头:标志数据帧的开始。设定为固定值。上行:0xef,下行:0xdf。节点ID:节点在ZigBee网络中的16位唯一标志。传感器节点入网之前,使用全球唯一的IEEE 64位扩展地址标志自己,入网后采用家庭网关分配的16位网内节点号标志自己,减少通信数据量。帧长度:从命令字到帧尾之间的字节长度。命令字:标志数据帧的类型。不同类型的数据帧采用不同的命令字来标志。校验:从帧头到数据段按字节异或,以保证数据的完整性。帧尾:标志数据帧的结束。设定为固定值。上行:0x7e,下行:0x7d;ZigBee网络中数据包分上行和下行,所谓上行就是各终端节点向控制中心发送的数据包,下行

11、是控制中心想终端节点发送的数据包。数据段:主要是存储具体的控制命令,以及查询的数据。上行信息包括:入网请求,数据上报,拆除请求,工作模式转换,电量状态,接收确认。命令字分别为:0xa1、0xa2、0xa3、0xa4、0xa5、0xa6。下行信息包括:设备发现,设备拆除,设备查询,设备控制,设备重启,初始化广播,接收确认。命令字分别为:0x1a、0x2a、0x3a、0x4a、0x5a、0x6a4.2 SPI驱动已找到相应的驱动源码。4.3 控制中心软件主模块控制中心控制软件分为四大模块,分别是:Web服务器、GPRS控制模块、ZigBee控制模块、控制主模块。主模块需要处理的信息主要有三个来源,

12、它们分别是:ZigBee网络终端节点、GPRS模块、Web的请求。来自ZigBee网络的信息又包括两种,第一种为数据信息,该数据可以为终端节点周期性向控制中心发送的数据,也可以为GPRS或Web请求的数据。如果为周期性的数据则需要判断数据是否正常,如果有异常需要向用户报警;如果为GPRS或Web请求的数据需要返回各自模块。第二种为管理信息,例如有新的节点需要加入到ZigBee网络,主模块需要进行相应的处理然后向节点返回确认。主模块收到来自GPRS模块,或者Web的请求后需要调用相应的中断处理程序来进行处理,然后返回等待请求数据的到来。软件流程图如下图。 图6 控制中心软件流程4.4 节点应用程

13、序终端的CC2430主要完成三大功能:网络通信、数据采集、设备控制。应用程序加电后应该做的第一件事就是寻找可接入网络,然后循环等待中断。应用程序应处理的中断源主要有两个,一个是来自控制中心的管理信息(因为ZigBee网络是星型拓扑,因此只接收来自控制中心的信息,主要是进行数据查询或者设备控制,应用程序调用相应的中断程序;另一个是来自底层硬件,例如安防传感器探测到异常向CC2430发出中断请求。 图7 终端应用软件流程4.5 GPRS模块软件在智能家居控制系统中,用户发送短信到GPRS模块,GPRS模块接收到短信根据相应的协议进行解析,然后向主控中心模块发送解析出的命令,再由主控中心向家居终端发

14、送数据。具体的解析协议格式要根据GPRS模块的AT命令集来确定。软件流程如图8所示。 图8 GPRS模块工作流程4.5 Web服务器本嵌入式系统的WEB服务器采用的是boa服务器,boa服务器是一种单任务的HTTP 服务器,它与常规的WEB服务器不同,boa不对每个进入服务器的连接开辟进程,更不为处理多路复用而开辟进程,boa仅仅对正在进行的HTTP连接复用,而且也只为独立用户网关接口CGG工开辟进程。通过Internet控制家具系统工作原理图如下: 客户端WEB服务器端设备端图9远程PC端通过ADSL有线网络接入S3C2410处理器RJ45接口,通过WEB服务器可以方便查询、控制家电设备的工作状态。为了适用于嵌入式系统并且能完成相应网络功能的协议,嵌入式的TCP/IP协议栈对协议进行了精简,本系统的TCP/IP协议栈中包含了如下协议:应用层:Http协议;传输层: TCP协议;网络层:IP、ICMP协议;数据链路层:ARP协议。服务器的工作流程如图所示: 图10 web服务器工作流程图本系统传输的数据是用HTML(Hypertext Markup Language,超文本标记语言编制的网页,由浏览器解释并显示在窗口中。HTML网页可以分为静态和动态两种。静态页面访问实现时,服