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智能家居信息监控网络系统设计论文
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摘要
目前我国智能家居产业总体上存在3个方面的问题：
一是由于智能家居产业国家还没有统一的行业标准，相互间的产品不具兼容性；第二，产品实用性差，操作复杂，与市场需求脱节；第三，产品价格居高不下。
结合课题内容，针对目前国内智能家居产业存在的问题，其监控网络系统应该具有结构简单、成本低廉、操作简单、稳定性好、抗干扰能力强、主机与子机之间联系紧密简洁等优点。
本论文将针对这些方面进行设计。
信息监控网络系统采用星形拓扑结构。
中央控制器为中心节点，它采用CGI技术通过Web服务器连接到Internet，并通过由单片机和NRF905构成的无线传输模块与各个功能子系统进行点对点数据传输。
用户可以上网访问中央控制器，从而对其下达命令，来了解和控制家中各个家电的工作状态。
各个子功能系统完成用户命令以后，会返回执行结果给中央控制器，由中央控制器将执行结果上传至Internet给用户。
根据功能需求设计出的智能家居信息监控网络系统，解决了目前国内智能家居产业实用性差、操作复杂、成本高的问题。
关键词：
无线通信；CGI技术；NRF905；通信协议；AT89C51单片机
ABSTACT
Smarthomeindustry,ourcountrytherearethreegeneralaspects:
First,smarthomeindustryasaunifiedstatehasnotindustrystandardamongnon-compatibilityofproducts;second,poorproductavailability,operationalcomplexity,andthedemandofthemarket;Third,highprices.Combinationofsubjectcontentforthecurrentdomesticintelligencehomethereisanindustry'sproblems,themonitoringnetworkshouldhaveasimplestructure,lowcost,simpleoperation,goodstability,anti-jammingcapabilityJiang,linksbetweenthehostandZimachinesimpleDengYoudianclose.Thispaperwilladdresstheseaspectsofdesign.
InformationandControlSystemofusingstartopology.Centralcontrollerforthecentralnode,itusesCGItechnologythroughtheWebservertoconnecttotheInternet,andthroughamicrocontrollerandawirelesstransmissionmoduleNRF905constituteeachfunctionalsubsystemwithpointtopointdatatransmission.Internetuserscanaccessthecentralcontrollertoitsorders,tounderstandandcontrolhomeappliancesworkinallstates.Completionofeachsub-functionsystemaftertheusercommand,theimplementationoftheresultswillbereturnedtothecentralcontroller,theresultwillbeimplementedbythecentralcontrolleruploadedtotheInternettotheuser.
Accordingtothefunctionaldemanddesigninformationoutofintelligenthomemonitoringnetworksystem,solvestheintelligenthomeChanyepracticaldifference,complexoperation,andhighcostproblems.
Keywords:
wirelesscommunications;CGItechnology;NRF905;communicationprotocol;AT89C51microcontroller
第一章绪论
1.1研究背景及意义
由于中国的居住模式和文化与发达国家有很大的区别，所以智能家居在中国的发展也体现出其独具的特色。
中国人口众多，城市住宅建设也多选择密集型的住宅小区方式，因此很多房地产商会站在整个小区智能化的角度来看待家居的智能化，也就出现了目前一统天下、无所不包的“智能小区”的模式。
而欧美由于独体别墅的居住模式流行，因此住宅多散布城镇周边，没有一个很集中的规模，类似国内的“住宅小区”这样规模的居住区较少，因此，国外的住宅多与市政系统直接相同。
这一点也可解释为什么美国仍盛行ADSL、CableModem等宽带接入方式，而国内光纤以太网到小区、到楼的发展已经如火如荼。
因此欧美的智能家居多独立安装，自成体系，比如美国的X10，欧洲的EIB协议（包括澳洲的C-BUS）等都是以独立的家庭为目标设计的。
而国内习惯上将智能家居当作智能小区的一个子系统来考虑，这种做法在智能家居概念初始引进阶段应该说还是可行的，但随着智能家居的推广与需求的不断深入，人们开始“拷问”智能家居的真正意义与价值时，才发现“人性化“与“个性化”是智能家居的意义所在。
因此，智能家居势将从现在的“千家一面”的一统模式中独立出来，成为一个可完全由业主自行选配的个性张扬空间。
1.1.1国内智能家居系统的功能状况
智能家居系统可以有多种分类形式，依据其体系结构为特征进行划分，比较常见。
目前国内市场上多数存在以下几类不同结构形式的系统类型：
1．拼凑型（功能间无关联的孤立）控制系统：
各个功能子系统独立设计、自主工作。
例如安防系统、灯光系统。
各子系统相互之间互不相连，不能交换数据；
2．主机式集中控制系统：
在住宅内安装一台“智能控制中心”，它可以是一台普通计算机、嵌入式或者单片计算机系统。
一般采用星形拓扑结构，从控制中心引出多种控制与数据线，连接到住宅中所有需要实施控制或者获取数据的监控节点，现场设备与中央控制单元，使用标准模拟信号（4～20mA、0～5V等）传输现场信息。
每个监控节点不安排任何数据处理能力，只是单纯地完成对继电开关控制（例如控制灯光或电源），或者采集无源的数据（例如门磁开关信号）。
系统的逻辑关系固定在主控制器上，有的可以通过软件修改。
添加新设备需修改主控制器。
3．分级集中控制系统：
是前一类型的扩展，同样也采用在住宅内安装一台“智能控制中心”，星形拓扑结构。
如果现场采集量较大，通常在中央控制单元和现场设备之间加入现场级的控制单元（PLC，单片机等），现场控制单元与中央控制单元之间使用RS-232。
以上三类系统的显著缺点是：
各子系统不能相互协调，统一控制，网络的潜能与优势未能开发。
这是将原有各独立系统简单堆砌在一起的方式，严格意义上讲，不符合智能家居系统的含义。
仍然属于相对独立的智能家居系统。
目前我国智能家居产业总体上存在3个方面的问题：
一是由于智能家居产业国家还没有统一的行业标准，很多中小企业各自为政，相互间的产品不具兼容性；第二，由于技术人员没有做深入的市场调查，开发出的产品虽然技术上具有先进性，但实用性差，操作复杂，与市场需求脱节；第三，由于技术上需要投入大量研发资金，一些中小企业没有能力持续创新，更难形成规模生产，造成产品价格居高不下。
1.1.2研究意义
结合课题内容，本论文主要研究智能家居信息监控网络系统的设计与实现。
针对目前国内智能家居产业存在的问题，其监控网络系统应该具有结构简单、成本低廉、操作简单、稳定性好、抗干扰能力强、主机与子机之间联系紧密简洁等优点。
本论文将对目前智能家居信息监控网络系统的不足，提出方案并进行设计调试，以改进不足，并为以后的研究打下基础。
1.2设计思路及优势
智能家居包括中央控制器、室内防火防盗监控器、室内煤气检测报警器等系统，用户欲通过Internet了解或者控制各个系统，可以将命令发给中央控制器，由中央控制器根据用户命令对各个功能系统进行操控。
所以，采用星形拓扑结构构建智能家居信息监控网络系统，中央控制器是整个智能家居的中央节点，各个功能系统为各个站点。
用户与中央控制器通过Internet通信，中央控制器与其它功能系统通过无线数据传输模块进行点对点通行。
星形拓扑结构因为采用中央控制器集权方式，所以控制简单，故障诊断和隔离容易，便于维修和维护。
各个站点与中央节点的数据传输各不相关，一个站点发生故障也不会影响其它站点的工作。
用户通过Internet或者PSTN访问中央控制器，可以使用户随时随地了解和控制家中各个家电的工作状况。
由此，解决了目前市场上大多产品实用性差、操作复杂、成本高等问题。
1.3论文的主要内容和组织结构
智能家居信息监控系统的构建，需要构成无线数据传输模块，以及将中央控制器连接到Internet，用户可以通过网络实时的了解和控制家中各个家电的工作。
设计的主要内容为：
1．利用单片机和无线收发芯片构成无线数据传输模块。
2．利用Web服务器将中央控制器连接到Internet。
3．编写通信协议，使系统可以根据用户命令完成相应工作。
本论文从第二章开始结构如下：
第二章介绍信息监控网络系统的总体设计方案，包括需求分析，以及满足功能需求所设计的总体方案和器件的选取。
第三章介绍系统硬件的设计，包括构建无线数据传输模块的硬件电路的连接。
第四章介绍系统软件的设计，包括无线数据传输模块的软件设计和基于单片机的Web服务器软件设计
第五章介绍系统的抗干扰设计方法；第六章对测试与调试过程并获取相应技术指标。
1.4本章小结
本章主要介绍了智能家居在国内外的研究与发展现状，分析了主要存在的问题，并就现有问题针对智能家居信息监控系统的设计提出了新的思路，引出了研究内容和论文结构。
第二章智能家居信息监控网络系统的总体设计方案
2.1智能家居信息监控网络系统的需求分析
智能家居信息监控网络系统是用户通过智能家居中央控制器对各个子功能系统进行控制，并具有数据分析、数据储存的平台。
因此，提出以下功能需求：
1．利用CGI技术将中央控制器通过Web服务器连接到Internet，实现用户上网操控中央控制器。
2．设计无线数据传输模块，实现中央控制器与各个子功能系统的点对点数据传输。
3．编写通信协议，明确用户命令含义。
2.2信息监控网络系统的总体设计方案
系统结构如图2-1。
系统采用星形拓扑结构，中央控制器通过Web服务器与Internet相连，各个子功能系统与中央控制器之间采用点对点无线通信。
用户通过Internet向中央控制器发送命令，中央控制器接受命令，然后通过无线传输模块发送给子功能系统。
子功能系统接收到命令后，根据协议规定来完成相应的操作。
操作结束后，将操作结果返回给中央控制器，由中央控制器显示给用户。
图2-1智能家居信息监控网络系统结构图
例如：
用户想要查看室内电灯亮度，则上网将命令传输给中央控制器。
中央控制器将指令无线传输给室内电灯控制系统。
室内电灯控制系统收到指令，查看功能串口的亮度信息，将亮度数据返回给中央控制器。
中央控制器将返回数据上传到Internet。
2.3构成无线数据传输模块的器件选取
2.3.1单片机的选取
本设计所用单片机为AT89C51单片机。
它的主要性能如下：
●4kBFlash存储器。
●全静态工作：
0HZ~24MHZ。
●三级程序存储器保密。
●1288字节内部RAM。
●32条可编程I/O线。
●2个16位定时器/计数器。
●6个中断源。
●可编程串行通道。
●片内时钟振荡器。
另外，AT89C51单片机采用静态逻辑设计，工作频率可以下降至0HZ，并且有空闲模式和掉电模式两种省电方式。
空闲模式下，CPU停止工作，RAM、定时器/计数器、串行口和终端系统继续工作；掉电模式下，片内振荡器停止工作，从而使时钟被“冻结”，一切功能暂停，只保存片内RAM中的内容，直到下一次硬件复位。
这些功能特性完全可以胜任以其搭建最小系统并控制无线收发芯片的工作，而且价格便宜，使用方便。
2.3.2无线收发芯片的选取
无线数据传输模块采用NRF905芯片，它具有的特点如下：
●具有低功耗ShockBurst工作模式。
●工作电源电压范围低，1.9V~3.6V。
●多通道工作，ETSI/FCC兼容。
●通道切换时间小于650s。
●极少的材料消耗。
●无需外部SAW滤波器。
●输出功率可调至10dBm。
●“传输前监听”的载波检测协议。
●当正确的数据包被接收或发送时，有数据准备就绪信号输出。
●当地址正确输出地址匹配信号时，侦测接收的数据包。
●数据包自动重发功能。
●自动产生CRC和前导码。
所以，用单片机控制NRF905芯片进行数据传输，编程方便、连接简易。
因此，应用NRF905芯片构建无线数据传输模块，有效的改进了目前国内智能家居网络操作复杂、实用性差、各个子系统不能相互协调、可拓展性弱的短处。
2.4本章小结
本章主要对智能家居信息监控网络系统的功能与指标需求进行了分析，并由此引出总体设计框架。
并介绍了重要器件的选取。
第三章信息监控网络系统的硬件设计
第二章根据智能家居信息监控网络系统的功能需求提出了总体设计方案，本章将分别介绍系统各个部分的硬件电路设计。
主要围绕最小系统、无线数据传输模块两部分来展开。
3.1单片机最小系统的搭建
最小系统由时钟系统、测试调试接口、供电系统、存储器系统和复位及复位配置系统五部分构成。
信息监控网络系统使用的最小系统硬件电路图如图3-1。
图3-1最小系统硬件电路图
●时钟系统：
图3-1中的晶振、电容C1与C2组成时钟系统。
外接晶振11.0592MHZ。
波特率公式如公式（3-1）。
（3-1）
其中，SMOD为波特率倍增选择，fosc=11.0592MHZ为主时钟，k为定时器的计数器长度，N为定时器定时常数的初值。
将11.0592MHZ代入上式，得出的系统波特率均为整数，为以后的计算提供方便。
●供电系统：
图3-1中的VCC（5V）、电阻R5和R6组成了供电系统。
AT89C51单片机的电源电压为5V，NRF905芯片的电源电压为3.3V。
所以，用两个电阻串联分压的方式为AT89C51单片机和NFR905芯片分别供电。
图2-1中的电阻R5和R6分别为2K和3K。
这两电阻之间用导线引出后接到NRF905芯片的电源引脚即可。
单片机电源引脚直接接VCC（5V）。
●复位及复位配置系统：
图3-1中的VCC（5V）、按键S7、电容C4和电阻R4组成了复位系统。
其中，C4=10F，R4=10K。
系统复位分为上电复位和按键复位。
上电复位时间计算公式如公式（3-2）：
（3-2）
将电源电压VCC的值、电容C4的值和电阻R4的值代入上式，得出上电复位时间为t=230ms。
●图3-1中的JP为排针，为I/O口外接设备时所用。
AT89C51单片机的P0口、P1口和P2口为外接其他设备预留。
3.2无线数据传输模块的电路连接
3.2.1NRF905芯片概述
NRF905单片无线收发器工作在433/868/915MHZ的ISM频段。
由一个完全集成的频率调制器，一个带解解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体振荡器和一个调节器组成。
ShockBurst工作模式的特点是自动产生前导码和CRC。
可以很容易通过SPI接口进行编程配置。
电流消耗很低，在发射功率为-10dBm时，发射电流为11mA，接收电流为12.5mA。
进入POWERDOWN模式可以很容易实现节电。
NRF905共有32个引脚。
引脚图见图3-2。
主要引脚功能见表3-2。
图3-2NRF905引脚图
NRF905有两种活动模式和两种节电模式，分别为ShockBurstRX、ShockBurstTX、掉电模式和STANDBY模式。
它们由TRX_CE、TX_EN、PWR_UP的设置来设置。
表3-2NRF905主要引脚功能
引脚
名称
功能
说明
1
TRX_CE
数字输入
使能芯片发射或接收
2
PWR_UP
数字输入
芯片上电
6
CD
数字输出
载波检测
7
AM
数字输出
地址匹配
8
DR
数字输出
接收或发射数据完成
10
MISO
SPI接口
SPI输出
11
MOSI
SPI接口
SPI输入
12
SCK
SPI时钟
SPI时钟
13
CSN
SPI使能
SPI使能
32
TX_EN
数字输入
TX_EN=“1”TX模式；TX_EN=“2”RX模式
NRF905的所有配置都通过SPI接口进行，SPI接口由五个寄存器组成，一条SPI指令用来决定执行什么操作。
SPI接口只有在掉电模式和STANDBY模式时是被激活的。
五个寄存器分别为状态寄存器、配置寄存器、发送地址寄存器、发送数据寄存器和接收数据寄存器。
3.2.2基于NRF905传输系统的硬件设计
单片机需要连接主机和子机的信息输出端以及NRF905的各个相关端口。
其主要任务是用来获取外部设备（主机与子机）的信息，并控制NRF905，设置传输数速率、波特率等。
无线数据传输模块结构如图3-2所示。
图3-2无线数据传输模块结构
该系统由外部数据设备和无线数据传输模块组成。
外部设备为PC机或者数据采集等设备。
无线数据传输模块与外部数据设备之间采用RS-232接口。
AT89C51单片机的P00~P01口用于连接RS-232接口。
PC机与单片机用两根线方式进行全双工异步通信。
由于AT89C51单片机的输入输出为TTL电平，PC机配置的是RS-232标准串行接口，二者电气规范不一致，因此，使用ICL3221收发芯片实现串口电平转换。
数据传输速率在板可设置或者通过外部数据设备设置。
在板波特率利用AT89C51单片机的P16和P17两位设置，可设置为9.6kbit/s、19.2kbit/s、38.4kbit/s和115.2kbit/s。
利用外部数据设备设置波特率时，单片机的初始数据传输速率为9.6kbit/s，P16和P17置为00状态。
当单片机收到波特率设置命令后，数据传输速率调整为设定值。
在本设计中，采用在板设置数据传输速率为19.2kbit/s。
3.2.3AT89C51单片机与NRF905接口电路
AT89C51单片机除了对寄存器读写外，还要对NRF905的工作模式切换进行控制。
单片机与NRF905的信号连接图见图3-3。
AT89C51NRF905
图3-3单片机与NRF905信号连接
AT89C51单片机与NRF905之间的双向数据传输用SPI接口。
单片机的P06~P07与P20~P21连接NRF905的SPI接口，P22~P27连接NRF905的控制信号和检测信号，用于控制NRF905的模式切换以及通信过程中必须的信号指示。
单片机的P05连接一个LED指示灯，用来表示通信进行与否。
3.4本章小结
本章主要介绍了智能家居信息监控网络系统中的无线数据传输模块的硬件电路的设计。
其中包含了单片机最小系统的搭建和单片机与NRF905连接的硬件电路的设计。
完成了智能家居信息监控网络系统总体功能实现的硬件基础。
第四章信息监控网络系统的软件设计
为实现智能家居信息监控网络系统方案设计中提到的功能，其软件设计上要完成通信协议的设计、无线传输程序的编写和Web服务器的设计与实现。
本章将分别对以上三点给予介绍。
4.1通信协议和用户操作字的设计
无线数据传输模块设计好后，主机与子机之间就可以完成正常的数据通信了。
对数据包中的数据定义具体含义，就使主机与子机之间的对话有了实质性的内容。
4.1.1地址位和数据位的定义
智能家居课题小组将智能家居的各项功能分成了：
中央控制器、遥控器、IC卡门控制器、插座控制器、室内防火防盗监控器、室内煤气检测报警器、室外LED灯控制器、室内照明灯自动开关控制器和智能家居安全巡检机器人。
其中，中央控制器为主机，其它各个子功能系统为子机。
每个系统都装有无线数据传输模块，可以根据需要自由收发数据包。
现在，对每个系统规定地址，对数据包中的数据内容加以定义。
各个子系统地址设置见表4-1。
表4-1子系统地址设置
序号
系统名称
地址设置
1
中央控制器
00000000H
2
遥控器
00000001H
3
IC卡门控制器
00000010H
4
插座控制器
00000011H
5
室内防火防盗监控器
00000100H
6
室内煤气检测报警器
00000101H
7
室外LED灯控制器
00000110H
8
室内照明灯自动开关控制器
00000111H
9
智能家居安全巡检机器人
00001000H
数据包中数据位内容的定义以及说明如下：
●查询指令：
00000000；查询子功能系统当前状态。
●启动指令：
00000001；开启子功能系统，使其开始工作。
●关闭指令：
00000010；关闭子功能系统，使其停止工作。
●显示启动状态：
00001000；子功能系统返回指令，表示当前子功能系统为启动状态。
●显示关闭状态：
00001001；子功能系统返回指令，表示当前子功能系统为关闭状态。
●启动成功指令：
00001010；子功能系统返回指令，当收到中央控制器的启动指令时，进行启动工作，启动成功后将该指令返回给中央控制器。
●关闭成功指令：
00001011；子功能系统返回指令，当收到中央控制器的关闭指令时，进行启关闭工作，关闭成功后将该指令返回给中央控制器。
●启动失败指令：
00001100；子功能系统返回指令，当收到中央控制器的启动指令时，进行启动工作，如果启动失败，将该指令返回给中央控制器。
●关闭失败指令：
00001101；子功能系统返回指令，当收到中央控制器的关闭指令时，进行关闭工作，如果关闭失败，将该指令返回给中央控制器。
例如：
中央控制器想查询插座控制器是否在运行，则通过无线传输模块向插座控制器发送“0000001100000000”。
假设它是“关闭”的状态它就会返回“0000000000001001”。
如果想启动插座控制器，使其的运行，就发送“0000001100000001”。
插座控制器接收到命令后开始启动，如果启动成功的话，会向中央控制器返回“0000000000001010”。
4.1.2用户操作字定义
由上述制定的协议，用户也需要用规范命令
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