本科毕业论文---智能家居系统设计.docx

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1、本科毕业论文-智能家居系统设计 目录 第1章绪论 (1) 1.1 目的及意义 (1) 1.2 国内外现状 (1) 1.3 本文研究内容 (2) 第2章蓝牙简介 (3) 2.1 蓝牙技术 (3) 2.2 蓝牙协议简介 (6) 第3章系统总体方案设计 (10) 3.1 智能家居系统的组成 (10) 3.2 智能家居系统的工作原理 (10) 第4章系统硬件设计 (12) 4.1 蓝牙网关的硬件组成 (12) 4.2 蓝牙通信模块 (12) 4.3 DSP芯片 (13) 4.4 蓝牙模块通信接口设计 (15) 4.5 电源电路设计 (16) 4.6 复位电路与时钟电路设计 (17) 4.7 DSP存储

2、器扩展 (19) 4.8 键盘、显示器接口电路设计 (21) 4.9 振铃检测电路设计 (21) 4.10 自动摘挂机电路设计 (22) 4.11 DTMF信号收发模块电路设计 (22) 4.12 以太网接口设计 (23) 第5章系统软件设计 (26) 5.1 DSP系统工作流程与程序思想 (26) 5.2 蓝牙软件设计 (28) 总结 (30) 谢辞 (31) 参考文献 (32) 附录A 英文资料原文 (33) 附录B 英文资料翻译 (39) 附录C 部分程序 (44) 华东交通大学毕业设计论文 第1章绪论 1.1 目的及意义 就当前家居现状而言，真正意义上实现了家居智能化的很少，换言之，家

3、庭中基本上很少有真正意义上的网关设备存在。存在当前家庭中的主要是大量的传统家电设备，各种设备接口不一，管理混乱。家庭内部网络的物理层接口主要以有线居多。网络互连方而，家居系统基本上是与外界相隔离且互不联系。 基于上述情况，论文研究的目的是实现一个低成本、高效率、简捷便利智能的家庭网关，基于此网关实现一个智能家居系统，以解决当前家庭中存在的大量传统家电设备和信息家电的互连，使之成一个系统实现集中控制和管理，同时网关提供一个对外接口实现对外部电话网或Internet的接入完成异地的访问和控制。 在硬件上，网关内嵌了以太网控制器芯片和蓝牙模块芯片，前者用于实现对以太网的直接接入，后者解决了家庭内部无

4、线技术组网问题。 蓝牙技术作为新兴的通信技术，其在家庭网络中应用是其一个重要方向，也是实现家居系统无线方式一种最有潜力的技术之一。 1.2 国内外现状 随着信息社会的发展，网络和信息家电已越来越多地出现在人们的生活之中。如何去建立一个高效率、低成本的智能家居系统已成为当今世界的一个热点问题。近年来，国际上许多大公司提出了相应的解决方案，但迄今为止，这一领域的国际标准尚未成熟，各国正努力研制适合于本国国情的智能家居系统。 国内的一些大公司也在积极地参与到智能家居系统的开发中来，例如海尔的“Haier in home”等。国外在探索现代化智能家居系统及其核心技术的过程中，已逐渐形成了一些相关的标准

5、，分别受许多大公司的支持，其中较有影响力的是OSGI(Open Services Gateway Initiative)的SpecificationReleasel.0和EIA/TIA相关标准。智能家居系统已由开始时以PC 为控制中心逐渐转向以嵌入式家庭网关为核心的嵌入式系统领域。而智能家居系统物理层的接口标准和数据传输协议则是大部分国内外学术机构和厂商关注的问题。嵌入式技术是近几年发展起来的一项新兴概念和技术，是指设备通过嵌入式模块而非PC系统直接接入Internet，以Internet为介质实现信息交互的过程，通常又称为非PC Internet接入。嵌入式Internet在家庭中应用也是其

6、一个重要的方而，如信息家电、家庭网关(嵌入式设备实现)均是嵌入式Internet的一种应用产物。 标准化接口和通讯协议(协议问题，即诸多家电和网络能够彼此相容)等方面，不同的技术标准还难以统一，为智能家居的迅速普及留下了很大的障碍。当然，智能家居系统的提出和实现不仅会带来普通居民用户家庭生活方式上的变革，而且将波及工业控制等许多与Internet相关的嵌入式应用领域。而以智能家居为最基本构成单元的一个有序化网络体系结构的诞生则会为Internet注入新的生机和活力。家居系统发展趋势必然是在该领域实 范文铸：基于蓝牙技术家庭智能系统设计 现标准的统一，同时随着芯片价格的下降，家居系统的技术选择上

7、可能性增多，更多有潜力的技术将被应用到家居系统环境中。 1.3 本文研究内容 本文主要研究了以下内容： （1）介绍了蓝牙技术及其应用，包括蓝牙技术的概述，蓝牙技术的应用模式、及蓝牙的协议体系； （2）对家庭网络的关键技术智能家庭网关进行了研究，详细地给出了该网关的硬件原理图及软件的实现思想； （3）提出了基于蓝牙网关的智能家居系统构建，探讨了该家居系统的工作环境和控制方式； （4）对论文研究工作进行了总结，提出了该课题今后的研究方向。 华东交通大学毕业设计论文 第2章蓝牙简介 蓝牙的英文名称是Bluetooth，是1998年5月由爱立信、英特尔、诺基亚、东芝、IBM 等5家公司联合制定的短距离

8、无线通信技术标准，其目的是实现最高数据传输为1Mb/s(有效数据传输为721kb/s)、最大传输距离为10m的无线通信。 蓝牙（Bluetooth）是一个开放性的、短距离无线通信技术标准，也是目前国际上最新的一种公开的无线通信技术规范。它可以在较小的范围内，通过无线连接的方式、安全、低成本、低功耗的网络互联，使得近距离内各种通信设备能够实现无缝资源共享，也可以实现在各种数字设备之间的语音和数据通信。由于蓝牙技术可以方便地嵌入到单一的CMOS芯片中，因此，特别选用于小型的移动通信设备，使设备去掉了连接电缆的不便，通过无线建立通信。 2.1 蓝牙技术 2.1.1 蓝牙的关键技术 蓝牙的关键技术有R

9、F技术、调频技术、纠错技术、微微网及安全性等。 （1）RF技术 RF技术使用接收机和发射机，它们分别调谐在一个给定频段的无线电波上进行发射或接收。发射机功率和接收机灵敏度决定了它们之间的通信距离。RF技术中使用的无线电波通常（在一定的限制条件下）可以穿透多种物体（虽然在很多情况下，无线电波也可以衍射过物体）。由于RF技术具有的这种特性，因此在发射机和接收机之间不必存在一条“可视通路”。这样很利于在家庭中应用。 RF技术使用调频产生一定频谱宽度的无线电波，对信息进行编码，接收机通过调整到相应的频率窃听这样的无线电波。由于可以使用的射频空间非常有限，所以大多数国家都对射频空间的使用进行了规划，这包

10、括划分频段、在发射功率受到一定限制的条件下采用发放许可证制度。而蓝牙采用2.4GHz 国际通用频带，不存在申请许可证的麻烦。 （2）跳频技术 蓝牙工作的频段是全球通用的2.4GHz ISM频段。该频段对所有无线电系统都开放，因此，蓝牙在使用过程中经常会遇到不可预测的干扰源，例如手机、无绳电话、微波炉等。这使得蓝牙系统的传送错误率远远高于实际应用水平，为此，采用跳频技术是避免干扰的一项有效措施。所谓跳频技术，就是将整个频带分成若干跳频信道（Hop Channel）。在一次连接中，蓝牙芯片所控制的收发器按照一定的码序列，不断地从一个信道跳转到另一个信道；而接收方也是按照相同的跳转规律进行通信。这实

11、际上属于一种硬件加密手段，除非第三方掌握了接收双方的切换信道干什么，否则，从理论上外界无法完整获得信息的，而干扰源也是不可能按同样的规律进行干扰的。跳频的瞬时带宽很窄，但通过扩展频谱技术，可以使这个窄带宽被成倍地扩展成宽频带，使被干扰的可能性变得很小，由此就可以 范文铸：基于蓝牙技术家庭智能系统设计 保证传送的完整性和系统的稳定性。蓝牙的无线收发器以2.4GHz为中心频率，以伪随机方式，在总计79个频率上进行跳转，每个频率信道的带宽为1MHz。 （3）纠错技术 在蓝牙技术中使用了三种纠错方案：1/3比例前向纠错码（1/3FEC）、2/3比例前向纠错码（2/3FEC）和用于数据的自动请求重发（A

12、RQ）方式。 1/3比例前向纠错码是一种较简单的纠错码方式，属于重复码，实现时对每位信息重复三次。2/3比例前向纠错码是一种（15，10）精简的汉明码表示方法，用于部分分组。 使用ARQ方式，在一个时隙中传送的数据必须在下一个时隙得到确认（或超时）信息。只有数据在接收端通过了报头错误检测和循环冗余检测，被认为无错后，才向发送端反回确认信息；否则，返回一个错误信息。这样可以提高数据传输的准确率，也是间接的提升传输速率。 （4）微微网 蓝牙支持点对点和点对多点的通信，其最基本的网络组成是微微网。微微网是通过蓝牙技术连接起来的一种微型网络，由一个主设备（Master）和若干个从设备（Slave）组成

13、，且从设备最多为7台。主设备负责通信协议的动作，而从设备则受控于主设备。一个微微网可以是2台相连的设备，也可以是8台连在一起的设备，所有设备单元均采用同一跳频序列。主从设备的拓扑结构如图1-1所示。 图1-1 （a）点对点（b）点对多点（c）多个微微网组成的分布网 蓝牙给每个微微网都提供了特定的跳转模式，因此，它允许大量的微微网同时存在。同一区域内，多个微微网互联形成了分布网。不同的微微网信道有不同的主单元，因而存在不同的跳转模式。家庭中每8个家电设备就可以组成一个微微网，如果还有多的话就可组成分布网。其实，主设备和从设备也是相对而言的，在一个微微网中，哪个设备处于激活状态，那它就是主设备，其

14、余就是从设备。 （5）安全性 蓝牙技术的无线传输特性使它非常容易受到攻击，因此，安全机制在蓝牙技术中显得尤为重要。虽然蓝牙系统所采用的跳频技术已经提供了一定的安全保障，但蓝牙技术仍然 华东交通大学毕业设计论文 需要在应用层和链路层上提供安全措施。该措施将用于对等环境，即蓝牙系统每个单元中设备的匹配和加密规则都将以同样的方法实现。在链路层，蓝牙使用四个参数来保证系统的安全性：每个用户唯一的48位地址、用户的128位验证密钥、用户的8128位加密密钥、设备产生的一个128位随机数RAND。 蓝牙的底层安全是通过基带和链路管理中的鉴权、匹配和加密完成的。 鉴权基于“竞争-应答”算法，是蓝牙系统中的关

15、键部分，它允许用户为个人的蓝牙设备建立一个信任域。校验器发送一个LMP-au-rand PDU分组给请求者，该PDU（协议数据单元）分组含有一个随机数。请求者根据获取的分组计算出应答值，然后将应发回给校验器，验证应答值是否正确。 2.1.2 蓝牙的应用模式 蓝牙技术的出现有力地推动通信、计算机和信息家电的结合，以及移动通信网、互联网、家庭或企业的局域网之间的结合。 当前蓝牙的应用主要包括替代电缆、无线联网和无线上网三个方面，随着未来蓝牙的不断发展，蓝牙的应用不再仅仅局限于给现有产品追加功能，还可以扩展到信息家电、汽车、航空、家电、医疗、交通等各行各业。 （1）替代电缆 现在计算机越来越普及，它

16、们之间信息传递传统上必然要通过电缆，有时会很不方便。而利用蓝牙技术，则可轻易地将电脑配件（鼠标、键盘、耳机、手柄等）及输入输出设备（打印机、扫描仪、Modem、U盘等）以无线方式接入电脑主机，免去接线的麻烦。（2）无线联网 无线网络与有线网络相比，具有无可比拟的优势，主要体现在应用场合的可移动性和组网的低成本方面。 利用蓝牙构成无线网络，就是将个人周边的信息电器（如笔记本电脑、手机、PDA等）以无线方式连接起来，形成一种围绕个人领域的网络-个人区域网（Personal Area Networ k，PAN），实现资源共享。 （3）无线上网 蓝牙技术使得“随时、随地、随意”上网的梦想成为现实。这种

17、被称为“三随”的因特网网桥是蓝牙推荐的应用模式之一。然而利用蓝牙设备传送远程信息至少可以利用三种不同的方式：一是直接接入移动通信网，此时蓝牙设备等同于移动电话；二是就近无线接入因特网，再通过IP电话的形式进行语音传送；三是接入固定市话网。显然第一种最经济，其余两种需要附近有无线接入点。 蓝牙本身无需基站，但是如果所需连接的设备超过7个，且传输的距离超过了蓝牙规定的10m或100m（加了功放，射程更远），就有必要建立一个蓝牙基站作为中枢，这样的基站叫做蓝牙接入点（AP）。屏蔽蓝牙等无线接入服务的设施通常被称为“热点（Hot Spot）”。有蓝牙功能的手机或PDA就可以通过离它们最近的接入点接入因

18、特网或固定市话网，享受上网服务。 蓝牙（Bluetooth）协议标准是由蓝牙特别兴趣小组（Bluetooth SIG）发布的，1999年 范文铸：基于蓝牙技术家庭智能系统设计 发布了Bluetooth 1.0版，2022年2月发布了Bluetooth1.1版。目前SIG成员已经发展到3000家左右。蓝牙协议规定的无线通信标准，基于免申请的2.4GHz的ISM频段，采用GFSK 跳频技术和时分双工（TDD）技术，通信距离为10米左右，Bluetooth 1.0版标准规定的数据传输速率为1Mbps。主要适用于各种短距离的无线设备互连应用场合。可以提供点到点或点到多点的无线连接。 通过以上三个方面，

19、可以使得家电设备以无线的方式实现互联上网，真正实现了随时随地地控制家电。 2.2 蓝牙协议简介 蓝牙特殊利益集团(SIG)开发的蓝牙规范1.0，允许开发人员开发基于具有可互操作的无线模块和数据通信协议的交互式服务和应用。蓝牙协议规范的目标是允许遵循规范的应用能够进行相互间操作。类同以太网协议，为了实现互操作，在远程设备上的对应应用程序必须以同一协议栈运行。不同的运行在不同的协议栈。但是，每一协议栈都使用同一公共的蓝牙数据链路和物理层。 2.2.1 蓝牙协议体系 蓝牙协议规范所阐述的协议栈模式如图3-1所示。 图3-1 蓝牙协议栈结构图 蓝牙协议主要有以下协议： 核心协议：基带控制协议（Base

20、band）、链路管理协议（LMP）、逻辑链路控制应用协议（L2CAP）、服务发现协议（SDP）； 华东交通大学毕业设计论文 电缆替代协议：RFCOMM； 电话传送控制协议：TCS二进制、AT命令集； 可选协议：PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP、vCard、vCal、IrMC、WAE。 在协议中，规定了为基带控制器、LMP、硬件状态及控制寄存器提供命令接口的主机控制器接口（HCI）。在不同的应用模式下，HCI所处的位置不同。它可以位于L2CAP的下面，也可以在L2CAP之上。 2.2.2 蓝牙核心协议 蓝牙核心协议有基带协议、链路管理协议、逻辑链路控制与适配协议及服务发现协议。（1

21、）基带协议 基带层决定和展示了蓝牙的空中接口。它定义了设备间相互查找的过程以及建立连接的方式。基带层为设备定义了主从角色。基带还定义了如何形成通信设备所使用的调频序列以及几个设备共享空中接口的有关规定，这些规定以时分双工（Time Division DuPlex，TDD）为基础，采用了基于分组的轮询方式。同时，它还进一步定义了同步和异步业务共享空中接口的方式。 （2）链路管理协议（LMP） 每个设备中的链路管理器通过链路管理协议（Link Manager Protocol，LMP）与蓝牙空中接口协商能够得到的性能。这些性能包括为支持数据业务所需的服务等级而分配的带宽，以及为支持音频业务而获得的

22、周期性预留带宽。LMP负责蓝牙设备之间连接的建立。蓝牙设备在传输数据时，LMP将对数据包的大小进行协商和控制。LMP还管理功率的消耗并且控制蓝牙设备的状态。LMP的最后一个功能是产生认证和加密所需的密匙。 （3）逻辑链路控制与适配协议（L2CAP） 来自数据应用的业务首先将被传递到逻辑链路控制和适配协议（Logical Link Control and Adaptation Protocol，L2CAP）层。L2CAP层为应用和更高层的协议屏蔽了下层传输协议的细节。这样，高层就不必了解发生在无线和基带层的频率调变，也不需要知道在蓝牙空中接口上传输的特殊分组格式。L2CAP支持协议的多路复用，允

23、许多种协议和应用共享空中接口。它还能将高层使用的大分组拆分为小分组，并在接收设备中完成对这些分组的相应组装过程。此外，L2CAP层中还支持群组功能，在L2CAP层中还要交换QOS方面的信息。 （4）服务发现协议（SDP） 服务在蓝牙技术框架中起到至关重要的作用，它是所有用户模式的基础。在变化频繁的蓝牙无线通信网络中，任何两个或是多个设备可能会突然开始在蓝牙的链路上通信，如果要利用这些设备彼此提供的服务，需要一个更灵活的方法来查找这些服务的位置。一旦建立起一个通信信道，某个设备通信的下一步应该是找出该设备可以使用的服务。这正是提出蓝牙服务发现协议的原因。 SDP定义了一种标准的方法，以使某些蓝牙

24、设备可以发现和学习其他设备提供的服务。蓝牙服务发现协议专门设计用于蓝牙无线通信的环境中，能以高效和最优的方式实现其功能。 范文铸：基于蓝牙技术家庭智能系统设计 2.2.3 蓝牙嵌入式应用模式 蓝牙嵌入式应用模式仅仅以RFCOMM协议为基础，作为串口的电缆替代应用，无形中限制了蓝牙设备的应用范围，降低了蓝牙设备的应用价值。目前计算机与外部设备的接口种类繁多，比较常见的有RS-232、RS-485、Parallel Port、CAN总线、SPI总线、I2C总线等。如果要使蓝牙设备在各种场合发挥作用，必须使蓝牙设备具备适合这些应用场合的多种接口功能。使用DSP数字信号处理器作为嵌入式控制器，不仅实现

25、蓝牙物理设备的初始化、蓝牙高层协议，而且利用其接口灵活的特点，可以方便地对蓝牙电缆替代协议进行有效扩展。具体应用模式如图3-2所示。 图3-2 嵌入式蓝牙应用模式 2.2.4 主机控制器接口 无线、基带和链路管理器可以封装在一起，形成一个蓝牙模块。而把这个模块附着在一个主机设备上，例如家电上，该设备就能具有蓝牙无线通信的功能。为了使不同开发商的蓝牙模块可以互通，在主机和模块之间需要一个通用接口，以便可以访问模块中协议栈的下层协议。这个接口就是主机控制器接口（Host Controller Interface，HCI）。开发HCI 层的唯一目的是为了实现主机设备和蓝牙模块之间的互操作。HCI提供了一个访问蓝牙硬件的标准接口。通过HCI层，包括应用在内的高层协议可以访问基带层、链路管理器层和其他的硬件寄存器。同时，HCI还有控制和事件注册器。本系统的家庭中央控制器在设计时蓝牙主机和主机控制器之间采用的是HCI-UART接口模式。 将这种模块附着在家中的家电和报警传感器上，它们就都可成为蓝牙设备。示意图如图3-3所示。 华东交通大学毕业设计论文 图3-3 嵌入DSP的蓝牙设备示意图