基于统一家电协议的智能家居控制终端设计报告.doc
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1、 “博创.恩智浦”杯全国大学生嵌入式物联网设计大赛2012第八届“博创恩智浦”杯全国大学生嵌入式物联网设计大赛作品设计报告基于统一家电协议的智能家居控制终端Intelligent Household Control Terminals Based on Unified Home Appliance Agreement设计报告 目 录摘 要3关键词3Abstract3Key words3第 1章 序论41.1研究背景41.2研究现状与发展趋势4第2章系统方案42.1系统需求42.2 总体结构设计42.3 硬件设计52.4 软件设计 5第3章 功能与指标73.1 主要功能73.2 主要指标7第4
2、章 实现原理74.1 Zigbee原理介绍7第5章硬件框图9第6章软件流程96.1终端软件设计96.2 节点应用程序9第7章系统测试方案107.1系统硬件调试117.2系统软件测试11第 8章测试设备11第 9章测试数据12第10章 结果分析12第11章实现功能12第12章特色12结论12附录14参考文献17 “博创.恩智浦”杯全国大学生嵌入式物联网设计大赛摘 要 随着科学技术的发展,智能化逐渐走进了我们的生活,智能家居颠覆了传统的家居生活理念,并带来了全新的生活方式。智能家居作为家庭信息化的实现方式,已经成为社会信息化发展的重要组成部分,物联网因其巨大的应用前景,将是智能家居产业发展过程中一
3、个比较现实的突破口,对智能家居的产业发展具有重大意义。该系统以博创CUP6410嵌入式实验平台与Zigbee为核心,可以实时监控家居内各模块的运行状态,自动控制且方便操作。该系统从安全和智能化两个方面诠释智能家居的概念,倡导智能管理、健康生活、节能环保的现代居家生活理念,引领物联网智能生活新潮流。该系统包含照明控制、音响控制、风扇控制、水源控制等模块,真实模拟了一个小型家居系统。关键词: 智能家居、嵌入式实验平台AbstractWith the development of science and technology,the intelligent control steps into ou
4、r life,the intelligent household subverts the traditional household life concept and bring us a whole new way of life. The intelligent household has become one important part of social information development as a way of family information realization and content networking will be a more realistic
5、breakthrough in the development of intelligent household industry, having a the great significance in the development of intelligent household industry. The system uses CUP6410 embedded experimental platform and Zigbee as the core and can monitor the operation of each module within the household tim
6、ely, control automatically and operate conveniently.The system interprets the concept of intelligent household from the view of safety and intelligence and advocate the modern life concept of intelligent management, healthy life, energy conservation and environmental protection, leading the new tren
7、d of intelligent life things networking. The system contains lighting control module, Audio control module, fan control module, water source control module and so on,simulates a small home systems truly。 Key words: Intelligent household、Embedded experimental platform第1章 绪 论1.1 研究背景 随着科学技术的日益更新与发展,高科
8、技与信息技术走进了家庭,追求安全、舒适、智能的生活环境空间已经成为人们的需求之一,智能小区的市场火爆,最基本的单元就是智能家居。近些年来,数字技术快速发展,使得计算机和通信相渗透相结合的更加密切;半导体技术的发展特别是高速CPU和存储器的出现,使得信息的收集与处理更加方便;电脑等一些家用设备的诞生使得智能家居控制终端成为可能,同时嵌入式的研究与发展给与信息设备的发展相结合,形成了低成本的运营模式。1.2 研究现状与发展趋势国内的家居智能化的研究还不是很深入,主要方面还处于初级阶段。欧美的家居智能已相对成熟且已在信息家电中得到实际应用。家庭总线技术的一些标准如美国的X-10、CEBus,欧洲的E
9、urope Home System标准已经投入市场,但这些标准大都是与本国的情况制定的。国内至今还没有比较成熟的家庭总线标准,这相对阻碍了智能家居终端的开发与研究。近年来,欧美的一批知名企业先后进入了家居智能化的研究及开发领域,但现有系统在操作方式及使用方面与客户要求还有一定差距,家居内部的各个部分的通信协议不同难以构成完整的家居系统,各种原因延缓了家居市场的发展。国内的一些厂商也在进行家居智能化产品的研究与生产,一些大型IT企业用自身的资金与技术优势已经在低端市场占据相当重要的地位;一些传统的家电巨头也开始进入家居智能化产业市场。这些发展值得我们为之一悦,但是国内的智能家居的研究起步比较晚,
10、整体水平参差不齐,软件功能比较差,升级能力欠缺,难以保证传输的实时性和大数据量的可靠通信。随着智能化平台的发展,利用实时操作系统的智能家居控制终端将成为未来研究的热点。第2章 系统方案2.1 系统需求本家居系统包括主控制中心、家电控制终端、监控报警终端三个主要部分。系统应实现的主要功能: 监控:用户通过计算机,可以登录到家庭的控制中心,查看家庭内部情况,对照明模块、窗户及窗帘、温湿度控制、防火防盗进行控制与处理。电器控制:用户可以通过计算机进行控制,对家电进行智能化管理。通信方式:系统采用Zigbee无线通信方式,避免了有线布线带来的麻烦。2.2 总体结构设计 智能家居系统的核心部分是一个嵌入
11、式的计算机系统,系统主要是Zigbee无线通信模式,用户可以通过手机或PC机登录家中的嵌入式服务器,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;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2.3 硬件设计 本系统采用Zigbee技术进行无线通信,大大减少了布线麻烦、成本高的缺点。计算机作为无线通信控制终端,相当于一个大型数据处理中心。家居子模块包括音响、电灯、风扇、饮水机等模块,子模块分别与Zigbee连接,形成了通信辐射网络。 在家居控制中心,选用CC2420作为家庭内部ZigBe
12、e通信协调器;家居、安防终端采用CC2430与之相连。该芯片兼容IEEE802.15.4标准,其在单芯片上集成了ZigBee RF前端、存储器和微控制器(MCU)。利用cc2430我们可以方便的进行数据采集,及设备控制等操作。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出,CSn负责SPI接口使能,SCLK负责时钟信号。另外,还需使用FiFO和FIF
13、OP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。2.4 软件设计 本系统是用计算机终端控制每一个家居子模块,如电灯、风扇、饮水机、音响等,智能家电控制终端界面如图2所示,照明系统子模块界面如图3所示,音响控制界面如图4所示。图2家电控制终端界面图3照明系统子模块界面图4音响控制界面第3章 功能与指标3.1 主要功能该系统采用Zigbee无线通信技术,以计算机为终端进行数据的处理与家电的控制,用户通过计算机,可以登录到家庭的控制中心,查看家庭内部家电控制情况。家居子模块如电灯、风扇、音响、饮水机等可以分别于Zigbee相连接,作为每一个小分支与终端机进行通
14、信,终端机的Zigbee模块与每一个小分支进行反馈通信,进而实现整个家居网络的控制。电灯模块主要是实现电灯的亮灭,通过终端机的Zigbee与电灯的Zigbee进行通信,从而可以实现对电灯的亮灭控制。电灯的模式主要为一下几种(1)当家中来客人,您只需轻触遥控器上的会客按钮,您的客厅的灯光自动亮起,无须象以往那样逐个开启。(2)起夜模式:夜间入睡,您只需轻触遥控器上的起夜按钮,您的家中事先设定好夜间辅灯将自动亮起,同时将其他灯光关闭,使灯光更富人情味。无须象以往那样逐个进行启闭,方便及至。(3)全开全关: 轻松实现灯和电器的一键全关和所有灯的一键紧急全开功能。 风扇模块主要是实现对其速度的控制与开
15、关,通过终端机的Zigbee与风扇的Zigbee进行通信,其速度数据随时通过Zigbee传送给终端机,开关状态也随时传送给终端机,从而可以实现对风扇的开关控制及其速度的控制。饮水机模块主要是实现对水温的设定与反馈,通过终端机的Zigbee与饮水机的Zigbee进行通信,其温度随时通过Zigbee传送给终端,终端从而进行处理并反馈给饮水机模块,进而可以实现对水温的设定与反馈。音响模块主要是实现对歌曲的调节,包括音量、播放与暂停、上一曲、下一曲、播放模式等的调节,通过终端机的Zigbee与音响的Zigbee进行通信,其播放状态的数据可随时通过Zigbee传送给终端,终端从而进行处理并反馈给音响模块
16、,进而可以实现终端对音响的控制。3.2 主要指标 电灯子模块的主要指标为电灯的亮灭状态;风扇子模块的主要指标为风扇的开关状态及速度数据;饮水机子模块的主要指标为水温数据;音响子模块的主要指标为歌曲的播放状态。第4章 实现原理4.1 Zigbee原理介绍 本系统使用Zigbee模块进行无线通信,Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。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。这一名称来源于蜜蜂的八字舞,由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息,也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是
17、近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备。简而言之,ZigBee就是一种便宜的,低功耗的近距离无线组网通讯技术。ZigBee模块是已经包含了所有外围电路和完整协议栈的能够立即投入使用的产品,已经经过了厂家的优化设计,和老化测试,有一定的质量保证。优秀可靠的zigBee应用“模块”具有在硬件上设计紧凑,体积小,贴片式焊盘设计,可以内置Chip或外置SMA天线,通讯距离从100米到1200米不等,还包含了ADC,DAC,比较器,多个IO,I2C等接口和用户的产品相对接。软件上包含了完整的ZigBee协议栈,并有自己的PC上的配置工具
18、,采用串口和用户产品进行通讯,并可以对模块进行发射功率,信道等网络拓扑参数的配置,使用起来简单快捷。Zigbee自身的技术优势:1功耗。在低耗电待机模式下,2 节5 号干电池可支持1个节点工作624个月,甚至更长。这是Zigbee的突出优势。相比较,蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。2低成本。通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10) ,降低了对通信控制器的要求,按预测分析,以8051的8位微控制器测算,全功能的主节点需要32KB代码,子功能节点少至4KB代码,而且Zigbee免协议专利费。每块芯片的价格大约为2 美元。3 低速率。Zigbee工作在20250 kbps的较低速率,分别提供25
19、0 kbps(2.4GHz)、40kbps (915 MHz)和20kbps(868 MHz) 的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应用需求。4近距离。传输范围一般介于10100 m 之间,在增加RF 发射功率后,亦可增加到13 km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以更远。5短时延。Zigbee 的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需15 ms ,节点连接进入网络只需30 ms ,进一步节省了电能。相比较,蓝牙需要310 s、WiFi 需要3 s。6高容量。Zigbee 可采用星状、片状和网状网络结构,由一个主节点管理若干子节点,最多一个主节点可管
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