智慧家居系统组网关键技术研究与设计第4章Word文档下载推荐.docx
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如何在兼顾系统性能的情况下选择一款性价比高、性能合适的处理器显得十分重要。
考虑到功能需求、成本、体积、功耗与可靠性等要求选用嵌入式处理器作为智慧网关的处理器。
综合考虑功能、成本、开发难度与实际需要，智慧网关选用SAMSUNG公司的S3C6410作为核心处理器。
S3C6410是基于ARM11架构的16/32位高性能、低功耗的RSIC通用处理器，包含16KB的指令数据Cache和16KB的指令数据TCM（TightlyCoupledMemories，紧耦合内存），当ARMCore电压为1.1V的时候，可以运行到533MHz，在1.2V的时候可以运行到667MHz[38]。
芯片内部集成了很多强大的硬件加速器，包括音频处理、2D加速、运动视频处理、显示处理和缩放，其集成的MFC（Multi-FormatvideoCodec，多格式媒体编解码器）支持MPEG4/H.263/H.264编解码和VC1的解码，此外还支持实时的视频会议以及NTSC（NationalTelevisionStandardsCommittee，美国国家电视系统委员会）和PAL（PhaseAlterationLine，逐行倒相）制式的TV输出。
嵌入式核心处理模块是基于S3C6410处理器的核心板，智慧网关硬件采用“核心板+底板”的结构进行设计，核心板采用飞凌的OK6410核心板，OK6410核心板部分资源如下：
1.配置型号为K9GAG08U0D的2GBytesNANDFLASH，该存储器主要用于存放内核代码、文件系统、应用程序和数据资料；
2.配置两片型号为K4X1G163PE的256MBytesMobileDDR，DDR数据传输总线频率可达266MHz，用于数据的快速存取。
4.2.2以太网、串口等接口模块
1.以太网模块
智慧网关使用高集成度、高性价比的以太网芯片DM9000AE，它可自适应10M/100M以太网，内置16KB的SRAM，可以挂载在8/16bit两种数据收发模式下，可以通过以太网接口实现智慧网关入网，下载系统镜像，挂载NFS网络文件系统等功能。
以太网模块电路原理图如图4.3所示。
DM9000AE的中断信号使用S3C6410处理器的“EINT7”中断，EECS引脚处于悬空状态，故DM9000AE工作在16位模式，以太网接口使用内置变压器的RJ45座子。
图4.3以太网模块电路
2.串口模块
智慧网关设计了6路串口，包括3个5线RS232电平串口和3个3线TTL电平串口，通过串口实现智慧网关和语音识别模块、ZigBee协调器等模块的连接，其中UART0默认为调试接口，串口接口模块电路如图4.4所示，通过MAX202E芯片实现RS232电平与TTL电平之间的转换，MAX202E是一款低功耗、高数据速率、增强型ESD（ElectroStaticDischarge，静电释放）保护的电平转换芯片，内部包括两个发送器和两个接收器，采用专有的低电压发送输出级。
图4.4串口模块接口电路
3.CAN总线模块
CAN总线模块由CAN控制器和CAN收发器构成，被认为是几种最有前途的现场总线之一，选用MCP2515作CAN控制器，MCP2551作CAN收发器。
MCP2515采用SPI方式进行数据通信，最高可达10Mbps的通信速率，该芯片最大的作用是简化了CAN总线电路设计的复杂度和降低了成本。
MCP2551具有可容错属性，它为CAN控制器提供差分收发能力，符合ISO-11898标准，工作速率最高达1Mb/s。
CAN总线模块电路如图4.5所示，MCP2515的中断引脚与S3C6410处理器的中断引脚EINT16相连。
图4.5CAN总线模块电路
4.RS485总线模块
RS485是EIA（ElectronicIndustriesAssociation，美国电子工业协会）制定的利用平衡双绞线作传输线的串行总线通讯标准，它是针对RS232的一种升级接口标准，最大传输距离可达1.2km，最多可连接32个驱动器和收发器，最大传输速率可达2.5Mb/s[39]。
MAX485是一款用于RS485通信的半双工通信芯片，它具有低功耗、限摆率、性价比高的特性，实现将TTL电平转换为RS485电平，其电路原理图如图4.6所示；
RXD3和TXD3分别为接收器的输出和驱动器的输入端，GPK5用来控制MAX485的接收或发送；
引脚A和B分别为接收和发送的差分信号端，当A引脚的电平高于B引脚时，表示发送的数据为1；
当A引脚的电平低于B引脚时，表示发送的数据为0。
图4.6RS485总线模块电路
5.WiFi、3G接口模块
WiFi模块和3G模块都使用USB接口和智慧网关相连，USB接口电路如图4.7所示。
WiFi模块使用360随身WiFi2代，通过USB接口与智慧网关连接。
它具有功耗低、散热好、稳定性好等特点，支持20MHz/40MHz频宽，成倍提升性能；
支持软AP模式，符合IEEE802.11N协议，同时兼容IEEE802.11G和IEEE802.11B标准；
能够自动侦测网络及变换传输速率，支持64/128/152位WEP数据加密和强大的WPA/WPA2/TKIP/AES安全机制，支持MultipleBSSID。
3G模块选用USB接口的3G模块中兴AD3812，支持的网络：
WCDMA/HSDPA/HSUPA:
850/1900/2100（MHz），GSM/GPRS/EDGE:
850/900/1800/1900（MHz），下载速度最高可达7.2Mbps，上传速度可达2Mbps。
支持语音通话，上网状态下接听来电，收发短信功能，支持AT命令，接口为Mini-PCI-Expresscard/34具备流量统计功能。
图4.7WiFi模块接口电路
4.3ZigBee无线模块硬件设计
ZigBee无线感知网的实现方案主要有三种：
1.分离双芯片方案：
第一种是MCU和RF分离的双芯片方案，ZigBee协议栈运行在MCU上，RF芯片用于无线通信信号的调制解调；
2.单芯片方案：
第二种是在一块芯片上集成RF和MCU的单芯片方案，ZigBee协议栈直接运行在单个芯片上；
3.适配双芯片方案：
第三种是MCU和ZigBee协处理器配合的双芯片方案，ZigBee协议栈运行于ZigBee协处理器之上，MCU上运行应用程序。
上述三种方案各有特点，可根据具体需要进行选择。
第一种方案灵活性高，但由于中间连接线的存在，在复杂的应用环境下会产生一些问题；
第二种方案占用空间最小且开发容易，兼容性与芯片之间数据传输可靠性比较强；
第三种方案灵活性高且能缩短产品上市时间。
单芯片方案为目前主要发展趋势，国内外主流ZigBee芯片如表4.1所示。
表4.1主流ZigBee芯片对比
芯片型号
JN518
CC2530
MC13192
EM260
LINK-23X
厂家
Jennic
TI（Chipcon）
Freescal
EMBER
ATMEL
工作频率（Hz）
2.4~2.485G
可用频段（个）
16
无线速率（Kbit/s）
250
250~2000
发射功率（dBm）
2.5
4.5
3.6
3
接收灵敏度（dBm）
-97
-92
-101
最大发射电流（mA）
15
35
37.5
21
最大接收电流（mA）
18
24
42
41.5
20
休眠电流（uA）
0.2
1
0.28
综合考虑功耗、成本、开发难易度等因素，最终选择TI公司的ZigBee芯片CC2530。
ZigBee无线模块的硬件设计以“核心板+功能底板”的形式进行，ZigBee核心板包括CC2530最小系统、天线，并引出所有IO口通过接插件与功能底板连接；
功能底板包括基本的电源模块、JTAG调试接口、串口、常用的按键、LED灯和各种传感器模块的引出座子等功能模块。
这样的设计既方便调试测试，又为以后的产业化打好了基础。
4.3.1ZigBee核心板电路设计
CC2530作为真正意义上的单芯片ZigBee解决方案，其RF模块完全符合IEEE802.15.4/ZigBee协议，支持CRC硬件校验，内嵌AES（AdvancedEncryptionStandard，高级加密协议）模块。
在单个芯片上集成了ZigBee射频前端、MCU和内存，8KBRAM，具有四个不同版本闪存32/64/128/256，可根据具体应用需求进行选择[40]。
其MCU为增强型的8051内核，使用标准的8051指令集，具有8倍于标准8051内核的性能。
如图4.8所示为ZigBee核心板电路原理图，由图可知仅需晶振、天线等少量的外围器件CC2530就能正常工作，图中J1、J2、J3为三路2.0mm排针母座，通过他们实现与功能底板的连接，天线设计有板载PCB（PrintedCircuitBoard，印制电路板）天线和SMA天线，通过P1（0欧电阻）进行选择。
图4.8ZigBee核心板电路
4.3.2ZigBee功能底板电路设计
ZigBee功能底板配合ZigBee核心板使用，方便进行调试和研发。
功能底板构成如图4.9所示。
电源模块提供5V或3.3V电源，5V电源通过电源座子或者USB接口接入，3.3V电源通过HT7533-1稳压芯片提供，并预留电池引脚方便电池供电；
10针JTAG口用于调试和程序下载；
USB转串口模块采用性能价格适中的PL2303HXUSB转串口桥接芯片实现；
按键引出自P04、P05、P06、P07、RESET引脚，其中RESET用于模块复位，其它按键用于各种控制功能的实现；
LED指示灯包括电源指示灯、P14网络状态指示灯和引出自P10、P11、P12、P13引脚的红、黄、绿、蓝四色指示灯。
功能底板和传感模块之间通过接插的方式连接，对相应的IO口通过排针或者排母进行了引出，包括：
红外收发、温湿度传感、光敏、LED灯控制、继电器、烟雾传感、蜂鸣器、红外热释电等各种传感接口和TTL等其它备用IO口。
图4.9ZigBee功能底板硬件框图
4.4WiFi视频监控节点硬件设计
WiFi视频监控基于无线WiFi技术，WiFi视频监控节点处于整个视频监控系统的最前端，由WiFi模块与USB摄像头模块构成，WiFi视频监控节点的硬件框图如图4.10所示。
WiFi芯片选用雷凌公司的片上WiFi芯片，RT5350是一款单芯片视频监控芯片，在一块芯片上集成了WiFi功能和CPU功能，具有质量好、尺寸小、性价比高的特点。
支持802.11N、150Mbps无线局域网速率，具备HOSTUSB接口，支持CDMA、UART、I2S、SPI、I2C及PCM等接口，还整合了基频、802.11N媒介访问控制、360MHzMIPS®
24K™CPU、前端模块、2.4GHz射频以及5端口的10/100M以太网交换器。
图4.10WiFi视频监控节点硬件框图
WiFi视频监控节点实物图如图4.11所示，该模块外置接口丰富，有网口、串口、USB接口，采用了8MFlash和32M的SDRAM，提供了足够的存储空间，USB摄像头通过USB接口连接至WiFi底板。
图4.11WiFi视频监控节点实物图
4.5智慧家居传感控制模块硬件设计
传感控制模块是智慧家居系统中不可或缺的组成部分，它们是环境参数的采集者、各种控制管理功能的执行者。
家庭内部传感器种类繁多、控制方式不一，很难一一列举，本文主要介绍其中的温湿度传感模块、光敏传感模块、继电器模块、烟雾传感模块和热释红外模块，其中LED灯光模块可以直接用ZigBee功能底板上的LED灯模拟，这里不再赘述。
4.5.1温湿度传感模块电路设计
温湿度传感模块用于采集家庭室内外的温湿度，温湿度数据直接影响到住户的舒适度及健康。
因此，温湿度传感模块的设计是智慧家居系统设计的重要组成部分，温湿度传感器采用单总线数字温湿度传感器DHT11，单总线即只有一根数据线，系统中的数据交换，控制都由这根线完成。
DHT11使用专用的数字采集技术和温湿度传感技术，由一个电阻式感湿元件和一个NTC（NegativeTemperatureCoefficient，负温度系数）测温元件构成，具备输出校准、可靠性高、稳定性好、性价比高、功耗低的特点[41]。
其电路原理图如图4.12所示。
图4.12温湿度传感模块电路
DHT11采用4针单排引脚封装，起作用的是1、2、4脚，3脚为空脚，1脚VCC采用3.3V供电，2脚数据脚接至CC2530的P06脚，3脚接地，通过P1座子实现与ZigBee功能底板的连接。
4.5.2光敏传感模块电路设计
光敏传感模块采用光敏电阻GL5516作光强信号采集，光敏电阻的原理是：
基于内光电效应，在黑暗的环境中光敏电阻的阻值很高，随着光照的增强其阻值变小。
图4.13光敏传感模块电路
光敏传感模块的电路原理图如图4.13所示，P5516接至CC2530上的P01引脚，NPN三极管SS8050LT1和LED灯D12组合成一个简单的灯光控制电路，通过P8座子连接至ZigBee功能底板。
在黑暗的情况下R36阻值很大，当外界光强时，R36的阻值变小，P5516处的电压值变小，三极管SS8050LT1截止；
当外界光减弱至某刻时，R36的阻值变大，P5516处的电压值变大，此时SS8050LT1饱和导通，LED灯D12被点亮。
4.5.3继电器模块电路设计
ZigBee无线感知网中的各种开关控制都是由继电器实现，比如灯的开和关、智能插座的开关、各种电器的开关等，继电器采用超小型功率继电器JQC-3FF005-1HS。
图4.14继电器模块电路
继电器模块电路如图4.14所示，NPN三极管SS8050LT1的基极接至CC2530上的P06引脚，通过P06脚电平的高低控制SS8050LT1的截止与导通，其中LEDD10用于通电指示，模块通过P6座子实现与ZigBee功能底板的连接。
4.5.4烟雾传感模块电路设计
烟雾传感器用于对烟雾和可燃气体的探测，以实现火灾防范和环境控制等应用。
使用MQ-2作为烟雾传感器，可用于液化气、甲烷、丙烷、丁烷、酒精、氢气、烟雾等各种可燃气体的检测，它的灵敏度高、响应回复速度快、探测范围广、稳定性好、使用寿命长。
MQ-2属于二氧化锡半导体气敏材料，当处于200~300°
C时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加[42]。
当与烟雾接触时，会引起表而电导率的变化。
利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息，烟雾浓度越大，电导率越大输出电阻越低。
图4.15烟雾传感模块电路
MQ-2烟雾传感模块电路如图4.15所示，MQ-2的2、5引脚为加热引脚，选取2脚接5V正电源；
1、3引脚与4、6引脚这两对引脚是信号引脚，1、3引脚接5V正电源4、6引脚做信号输出；
二极管D13用作烟雾阀值指示，模块通过P11座子实现与ZigBee功能底板的连接。
4.5.5热释红外模块电路设计
热释红外模块采用基于红外线技术的HC-SR501，HC-SR501的热释电红外传感器是LHI778，具有灵敏度高、可靠性好、超低工作电压的特点，在热辐射能量发生改变时，会产生电荷变化，这个效应被用来探测红外辐射的变化，可用于防盗探测、自动灯光控制等应用。
当其感应范围内有人进入时，该传感器感应到红外光谱的变化，会将输出引脚的电平拉高，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。
可设置光敏控制方式，白天或光线暗时不起作用。
可以设置两种触发方式：
不可重复触发方式，即感应输出高电平后，延时时间段一结束，输出将自动从高电平变成低电平；
可重复触发方式，即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平范围活动[43]。
模块接口电路如图4.16所示，引出了5V电源脚、接地脚和感应脚，通过P10座子连接至ZigBee功能底板。
图4.16热释红外模块电路
4.6智慧终端节点硬件设计
上述的“ZigBee无线模块+传感控制模块”即可构成一个单功能的采集控制节点，复合型的智慧终端节点本文以智慧开关为例，智慧开关不仅具备开关控制功能，同时能检测各种环境参数，进行视频监控。
智慧开关硬件构成如图4.17所示，智慧开关硬件由WiFi视频监控模块、ZigBee节点和传感控制模块组成，其中摄像头和WiFi模块构成WiFi视频监控模块；
传感控制模块除了上节所列温湿度传感模块、光敏传感模块、继电器模块、烟雾传感模块、热释红外模块之外还有红外感应模块、一氧化碳浓度传感模块，它们一起构成开关底板；
WiFi模块和ZigBee节点之间通过串口进行通信。
图4.17智慧开关硬件构成
WiFi视频监控节点4.4小节已经有过描述，开关底板是ZigBee节点和传感控制模块的组合，这里不再赘述，开关底板实物如图4.18所示。
图4.18开关底板实物图
4.7本章小结
本章详细地分析并设计了智慧家居系统的硬件部分，给出了硬件电路总体设计方案，分别对智慧网关、ZigBee无线模块、智慧家居传感控制模块和智慧开关的硬件设计进行了介绍。
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