智能家居系统设计

近年来人们对生活环境智能、舒适、平安要求越来越高，并伴随着计算机技术、通信技术的开展，智能家居便应运而生。然而随着智能家居的开展，所需要环境监测数据变越来越多，这就需要一种安装便捷，实用并且价格适宜产品出现。有线传感器系统需要大量的布线，安装费用高的同时维护也很不方便，并且在一些建筑物中无法布线。随着物联网的开展，zigbee渐渐走入人们的视野。Zigbee低功耗、低本钱、低速率的短距离的优点。Zigbee组成的无线传感器网络具有维护本钱低、组网灵活、部署方便的特点，仿佛是为了无线智能家具而生的。将zigbee技术与智能家具结合有很好的应用前景。基于此本文选择了zigbee无线通信技术来组件无线智能家具网络。关键词：环境监测、智能楼宇、ABSTRACTInrecentyears,pepolemoreandmorelikealivingenvironmentmoresmart,comfortable,safetyandaccompaniedbythedevelopmentofcomputertechnology,communicationtechnology,intelligenthomehavecomeintobeing.Withthedevelopmentoftheintelligenthome,however,therequiredenvironmentalmonitoringdatabecomemoreandmore,whichrequiresaneasytoinstall,practical,andthepriceisrightproduct.Wiredsensorsystemrequiresalotofwiring,installationcosts,whilemaintenanceisalsoveryconvenient,andinsomebuildingscannotbewiring.WiththedevelopmentofInternetofThings,thezigbeegettingintopeople'svision.Zigbeeislowpower,lowcost,low-rateshort-range.Zigbeewirelesssensornetworkshavetomaintainalowcost,flexiblenetworking,andeasilydeployable,asifborntowirelesssmartfurniture.Zigbeetechnologyandintelligentfurniturecombinedwithagoodapplicationprospect.ThispaperchosetheZigBeewirelesscommunicationtechnologytowirelessnetworkbasedonIntelligentfurniture.Keywords：environmentalmonitoring,intelligentbuildings,wirelesssensornetworks,ZigBee,目录TOC\o"1-2"\u第一章绪论1第一节课题研究背景1第二节无线智能家居的优点1第二章zigbee技术介绍2第一节zigbee及其特点2第二节拓扑结构2第三节zigbee协议分析3第三章硬件设计6第一节系统总体设计方案6第二节节点硬件电路设计6第三节环境检测模块9第四章系统软件设计13第一节ZigBee无线软件开发平台13第二节协调器节点软件设计16第三节网络节点程序设计17第四节温度传感器程序设计18第五节光敏窗帘传感器软件设计19第六节灯光控制节点软件设计19结束语20谢辞20参考文献21第一章绪论第一节课题研究背景随着物联网概念的提出及相关技术的开展，随着人们对生活的更加舒适、平安、便利、环保得要求提高，智能家居系统成为物联网应用的一个具体领域便成为必然开展趋势。利用物联网技术，可以实现在住宅集成智能建筑、网络通信、环境监测、家电灯光的家庭自动化系统。物联网需要的各种信息技术和手段，结合数字化社区和互联网可以发挥最好的功能就是生命系。在国内的智能家居物联网的概念尚未提出之前，已经将近十年，但智能家居行业的开展是非常曲折，规模仍然是有限的。从传统的家庭不同，智能家居是住宅平台，综合布线技术，网络通信技术，平安技术，自动控制技术，音频和视频技术，和相关设施的家居生活一体化，建立高效的住宅设施的日常事务家庭管理系统，提高家庭平安，方便，舒适，美观，环保节能的居住环境。第二节无线智能家居的优点新一代的无线智能家居网络，将以无需布线和使用相对自由，建立起人们对无线家居设备的全新体验和享受。它组网灵活，本钱低廉，消除了开槽、穿墙等繁琐的工作程序，总体费用低；移动性强、扩张性强，可摆脱“线”的限制，在设定的覆盖范围内，用户可轻松接入到家居设备网络系统。无线家居智能家居主要具有以下几点优势特征：〔1〕维护简单；由于没有复杂的布线，使智能家居的系统维护变得非常简单，无需破坏墙面等设施就可以轻松进行维护。〔2〕无线自动组网；它能实现无线短距离通信传输，感知信息通过自组织联网实现信息传输。自动组网、自主修复的能力。和上一代采用315M射频技术的智能家居系统相比，Zigbee可以实现自动组网，免去主控机和外围设备之间的手动对码的麻烦，大大简化了智能家居系统的调试，是智能家居系统真正实现智能化。(3)实现双向通讯功能；Zigbee网络具有双向通讯的功能，使安防报警等需要方向通讯的模块可以通过无线接入到智能家居系统，彻底摆脱布线的烦恼。(4)性价比高；无线家居移动灵活、扩张性强，还具有低本钱，低功耗的特点，符合“低碳生活”的绿色家居概念。第二章zigbee技术介绍第一节zigbee及其特点紫蜂(ZigBee)技术，新一代的无线传感器网络将采用802．15．4(Zig．Bee)协议。ZigBee是一种供廉价的固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、本钱和功耗的低速率无线连接技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入在各种设备中，同时支持地理定位功能。Zigbee技术的特点主要有：(1)低速率(2)低时延(3)低功耗、实现简单(4)低本钱、易安装(5)网络容量高第二节拓扑结构ZigBee标准定义了三种类型的设备：ZigBee协调器是启动和配置网络的一种设备。协调器可以保持间接寻址用的绑定表格，支持关联，同时还能设计信任中心和执行其它活动。协调器负责网络正常工作以及保持同网络其它设备的通信。ZigBee路由器是一种支持关联的设备，能够将消息转发到其它设备。ZigBee网格或树型网络可以有多个ZigBee路由器。ZigBee星型网络不支持ZigBee路由器。ZigBee终端设备可以执行它的相关功能，并使用ZigBee网络到达其它需要与其通信的设备，它的存储器容量要求最少，其可以实验ZigBee低功耗设计。上述的三种设备根据功能完整性可分为全功能(FFD)和半功能(RFD)设备。其中全功能设备可作为协调器、路由器和终端设备，而半功能设备只能用于终端设备。一个全功能设备可与多个RFD设备或多个其它FFD设备通信，而一个半功能设备只能与一个FFD通信。图2-2网络拓扑图第三节zigbee协议分析ZigBee根底是，它是IEEE无线个人区域网(PersonalAreaNetwork，PAN)工作组的一项标准，被称作IEEE802.15.4(ZigBee)技术标准。ZigBee不只是的名字，IEEE802.15.4定义了最低两层：物理层和MAC层，位于最低层，且与硬件相关；ZigBee联盟在此根底上定义了网络层(NWK)和应用层(APL)，建立在PHY和MAC层之上，并且完全与硬件无关。图2-3ZigBee协议栈框架图一、物理层协议标准物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，还提供物理层管理服和物理层数据效劳。物理层数据效劳从无线物理信道上收发数据。图2-4物理层协议图二、MAC层协议标准类似于物理层，MAC层也提供了管理效劳和数据效劳。MAC层的结构如图2-5所示。图2-5MAC层协议图三、网络层网络层提供数据和管理两种效劳。网络层有自己的参数和常量所有的常量都以nwkc开头，所有的参数都以nwk开头并存储在网络层信息库中。应用层可以通过NLME-GET和NLME-SET原语分别对网络层参数进行读写操作。图2-6网络层图四、应用层协议标准应用层是ZigBee协议栈的最高层，由三局部组成：应用程序支持(APS)子层、ZigBee设备对象(ZDO)和应用层架构，如图2.2所示。APS为网络层和应用层提供接口，如下列图2-7所示，和其他各层类似，APS也支持数据和管理两种效劳类型。图2-7应用层协议图第三章硬件设计第一节系统总体设计方案本设计采用无线传感器网络采用星型拓扑网络，主要由协调器和假设干个终端节点组成，具体组成网络如下列图3-1所示。图3-1无线传感器网络组网方式第二节节点硬件电路设计一、节点芯片CC2530CC2530是理想ZigBee专业应用。支持新RemoTI的ZigBeeRF4CE，这是业界首款符合ZigBeeRF4CE兼容的协议栈，和更大内存大小将允许芯片无线下载，支持系统编程。此外CC2530结合了一个完全集成的，高性能的RF收发器与一个8051微处理器，8kB的RAM，32/64/128/256KB闪存，以及其他强大的支持功能和外设。图3-2CC2530引脚图二、复位电路设计为了使系统正常工作，得到可靠的数据加上复位电路是十分有必要的。本设计采用按键复位电路将单片机复位，如下图。图3-3复位电路图三、电源供电方案设计节点主板正常直流工作电压为3.3V。创新RF101节点主板本身有三种供电方式提供3.3V的直流电压，分别为：USB供电；可电池通过MC1700转换位3.3V工作电压供电；仿真器直接提供3.3V工作电压供电三种电源方案。1、电池供电电路，如图3-4所示。图3-4电池供电电路2、仿真器供电电路，如图3-5所示。图3-5仿真器供电电路3、USB供电电路，如图3-6所示。图3-6USB供电电路四、CC2530芯片USB转串口电路的作用是将PC机的USB口通过转换做串口使用，目的是为了方便用户使用串口调试工具快速开发自己的应用系统，该电路采用了CP2102完成转换工作，如图3-7所示。3-7USB转串口电路图五、节点显示器设计OLED液晶模块采用的是SSD1306液晶模块，该液晶模块不需要驱动芯片便可以工作。3-8液晶控制电路图第三节环境检测模块智能家居系统中分布着众多的传感器数据采集模块，如温度、湿度、光线强度等传感器节点。这些传感器节点负责监视周围一定范围内的环境，接收信号，并进行数据处理和通信。我们将传感器节点模块设计成2局部电路，CC2530收发模块和传感器监测模块，它们之间以排针的形式插连在一起。这样可以便于调试和开发系统。图3-9环境监测图一、温度传感器模块本设计的温度传感器模块选用TI公司的TMP75，一款低功耗数字输出温度传感器。适用于环境、通信、计算机、消费类、工业以及仪表应用等多个领域的温度测量,TMP75的连接原理图如图。3-10TMP75的连接原理图二、光敏传感器模块3-11光敏传感器原理图三、人体红外监测模块系统中需用了型号为RE200B的红外传感器和红外热释电处理芯片BIS0001。RE200B由3～10V电压供电，内置热释电双敏感红外元件，当元件接收红外光时在每个元件两极发生光电效应而积累电荷。BISS0001是由运算放大器、电压比拟器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。它与RE200B及少量元件就可构成被动式热释电红外开关。图3-12热释电人体红外传感64器图3-13人体红外监测模块原理图四、电器控制模块1、灯光控制模块室内灯光开关的得控制是通过继电器与CC2530的P1.0口相连。当光敏传感器检测到室内光线低于预设值时，会通过CC2530发出信号，将灯光控制开关翻开。反之那么关闭灯光开关。灯具是否翻开是由光敏电阻与其串联的10kΩ的可调电阻来检测的。将光敏电阻一端接地，可调电阻一端接高电平，当灯光翻开是光敏电阻值会发生变化，通过CC2530中的A/D转换器将其采样到芯片内，可以检测灯光是否翻开。2、空调控制模块空调的控制模块选用了双向可控硅电路。MOC3O63光电双向可控硅驱动器可用直流低电压、小电流来控制交流高电压、大电流。由于采用了光电隔离,并且能用TTL电平驱动,它很容易与微处理器接口,进行各种自动控制设备的实时控制。MOC3O63的应用如下列图所示，1管脚接P1.0，2管脚接P1.1口，初始状态均设为高电平，砷化镓红外发光二极管未导通，不可发出红外光触发光控双向可控硅。当控制中心发出信号时，P1.1使得2管脚置低电平，红外发光二极管导通，光控双向可控硅导通，交流侧电源开关导通闭合。R1为限流电阻，R2是双向可控硅的门极电阻，R3是触发功率双向可控硅的限流电阻,另外39Ω电阻和0.01μF电容组成浪涌吸收电路,防止浪涌电压损坏双向可控硅。3、窗帘控制模块窗帘控制电路亦可采用双向可控硅电路，控制窗帘的拉开，关闭。如上图3-14所示电路。图3-14连线电路图第四章系统软件设计软件设计是zigbee技术在智能家居应用中的中重要组成局部。整个系统的软件开发是建立在TI公司Z-Stcak的根底上进行的。介绍了IAREmbeddedWorkbench集成的编译器，以及PS下载仿真器。协调器软件设计和终端节点软件设计，以及传感器节点软件设计。第一节ZigBee无线软件开发平台一、Z-StackZ-Stack装载在一个基于IAR开发环境的工程里。强大的IAREmbeddedWorkbench除了提供编译下载功能外，还可以结合编程器进行单步跟踪调试和监测片上存放器、Flash数据等。Z-Stack根据IEEE802.15.4和ZigBee标准分为以下几层：API，HAL，MAC,NWK，OSAL，Security，Service，ZDO。使用IAR翻开工程文件SampleApp.eww后，即可查看到整个协议栈从HAL层到APP层的文件夹分布。该协议栈可以实现复杂的网络链接，在协调器节点中实现对路由表和绑定表的非易失性存储，因此网络具有一定的记忆功能。Z-Stack采用分层结构，硬件抽象层〔HAL〕提供各种硬件模块的驱动，包括定时器Timer，通用I/O口GPIO，通用异步收发传输器UART，模数转换ADC的应用程序接口API，提供各种效劳的扩展集。操作系统抽象层OSAL实现了一个易用的操作系统平台，通过时间片轮转函数实现任务调度，提供多任务处理机制。用户可以调用OSAL提供的相关API进行多任务编程，将自己的应用程序作为一个独立的任务来实现。4-1EW集成开发环境图Z-Stack采用操作系统的思想来构建，采用事件轮循机制，当各层初始化之后，系统进入低功耗模式，当事件发生时，唤醒系统，开始进入中断处理事件，结束后继续进入低功耗模式。如果同时有几个事件发生，判断优先级，逐次处理事件。这种软件构架可以极大地降级系统的功耗。4-2系统初始化图二、OSAL当顺利完成上述初始化时，执行osal_start_system()函数开始运行OSAL系统。该任务调度函数按照优先级检测各个任务是否就绪。如果存在就绪的任务那么调用tasksArr[]中相对应的任务处理函数去处理该事件，直到执行完所有就绪的任务。如果任务列表中没有就绪的任务，那么可以使处理器进入睡眠状态实现低功耗。osal_start_system()一旦执行，那么不再返回Main()函数。OSAL是协议栈的核心，Z-stack的任何一个子系统都作为OSAL的一个任务，因此在开发应用层的时候，必须通过创立OSAL任务来运行应用程序。通过osalInitTasks()函数创立OSAL任务，其中TaskID为每个任务的唯一标识号。任何OSAL任务必须分为两步：一是进行任务初始化；二是处理任务事件。三、IAREmbeddedWorkbenchIAREmbeddedWorkbench集成的编译器主要产品特征：•高效PROMable代码•完全标准C兼容•内建对应芯片的程序速度和大小优化器•目标特性扩充•便捷的中断处理和模拟•瓶颈性能分析•高效浮点支持4-3IAREmbeddedWorkbench集成的编译器图四、PS仿真器PS仿真器具有以下特点：〔1〕USB接口，使开发与计算机连接更加简单快捷。〔2〕高速代码下载，仿真器提供高达129KBit/s的下载速度，把程序下载到模块只需要几秒就完成。〔3〕在线下载、调试、仿真。〔4〕硬件断点调试，类似JTAG的硬件断点调试，可实现单步、变量(存放器)观察等全部C51源代码水平的在线调试DEBUG功能。〔5〕支持IAR的C51编译/调试图形IDE开发平台。第二节协调器节点软件设计协调器是ZigBee网络的第一个开始的设备，或者是一个的启动或建立网络的设备。协调器是下通各个终端传感器节点，上通过串口和上位机通信。协调器节点建立一个网络后，在一定时间内允许终端节点纷纷和协调器节点绑定，协调器节点获得各个终端节点的短地址，并建立地址表存储各个终端节点的网络地址，通过调用不同地址来控制各个终端节点并采集和接收传感器的数据。4-4协调器节点软件设计图第三节网络节点程序设计传感器节点负责监视一定范围内的环境，接收信号，并进行数据处理和通信。其软件局部主要包括监测模块数据采集程序和网络通信程序。节点的网络通信功能比拟简单，下列图4-5为设备节点程序流程。4-5网络节点软件设计图本系统的终端节点都是静态节点，位置固定，因此可以将某个节点采集到的数据与该节点位置一一对应起来，方便楼宇管理系统调控环境。Zigbee网络设备有两种网络地址：一个是64位的IEEE地址，另一个是16位的短地址。64位长地址是全球唯一的地址，并且终身分配给设备；短地址是当设备参加Zigbee网络时被协调器分配的。通过TI公司提供的SmartRFFlashProgrammer软件修网络设备的IEEE末三位地址，可得到IEEE地址与单个传感器的对应关系。第四节温度传感器程序设计本设计采用TMP75温度传感器，具有读取温度值方便的特点，只需根据时序图对应写入控制命令即可。4-6温度采集流程图第五节光敏窗帘传感器软件设计窗帘可以调节室内光线和温度的作用，本设计中窗帘分为几种控制方式。方式一:窗帘的开启关闭由窗户旁边的光敏传感器测得的光强度来控制，当光线强度较暗时，进入黑夜状态，窗帘自动关闭；当光强度超过上限值时进入天