智能家具环境下的传感器的设计说明.docx
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智能家具环境下的传感器的设计说明
1.绪论
1.1研究背景
随着人们对居住条件、生活质量、信息获取的需求越来越迫切，社会信息化脚步的进一步加快，家居信息化成为建设社会信息化过程的一个很重要环节。
家庭是社会的细胞，唯有家庭实现了信息化，才可能真正实现社会的信息化。
对智能家居系统的研究及开发是实现家庭信息化得必经之路。
但目前国的研究尚未建立一个完整的理论体系，对智能家居的理解也存在着种种差异;当前国的智能家居产品大都功能贫乏，系统设计不规、扩展性差，对当前的发展形式较难适应，同时智能家居技术在我国处于起步阶段，许多技术标准都未标准化，还有很多工作需要做。
因此加强智能家居应用方面的研究，通过选取合适的技术，设计合理的方案，组建一种符合我国国情的、具有自主知识产权的智能家居系统己成为当前智能家居研究领域中极富挑战的课题。
1.1.1智能家居控制系统的应用需求
随着人们生活水平的提高，智能化需求日益旺盛。
智能控制器作为智能产品的核心器件应该享有更为旷阔的发展空间，未来成长较好。
中国智能控制产品规模与全球智能控制产品规模的增长率走势相接近，但是整体增长速度超过全球增长速度。
全球智能控制产品市场规模，逐年稳步增长。
国智能家居产品多集中在别墅和复式住宅等高端家庭，高端智能化产品在智能家居销售份额中占很大的比重，中低端产品市场普及率较低。
并且各地区间发展不平衡，主要集中于东部沿海发达城市，而中西部城市智能家居市场相对空白。
另外，的智能家居市场的需求量较其他城市需求量大，主要原因就是的经济发展更好一些。
智能家居发展初期始于安防控制，家庭用户主要采用环境监测、煤气探测、温湿度调节、防火报警等功能保障财产安全。
目前，由于城市的安全环境越来越好，人们更注重的则是家居的舒适和便利，而安防的侧重点将会越来越少。
为此环境控制和娱乐服务控制日渐成为更多智能家居市场更大的需求点。
1.1.2智能家居控制系统的研究及应用现状
随着近年来科学技术的迅速发展和普及，我们的工作、生活观念也发生了巨大的改变，现代家庭生活追求的新方向—智能化生活已经悄然走进我们的生活，“智能家居”已成为家庭信息化和智能化必不可少的需求。
智能家居是指在小区部宽带网络己经普及的基础上利用小区部的网络环境搭建的以家庭为单位的控制系统。
首先，在一个家居中建立一个通讯网络，为家庭信息提供必要的通路，在家庭网络的操作系统的控制下，通过相应的硬件和执行机构，实现对所有家庭网络上的家电和设备的控制和监测。
其次，通过一定的媒介，构成与外界的通讯通道，以实现与家庭以外的世界沟通信息，满足远程控制/监测和交换信息的需求。
最后，智能家居的最终实现目的都是为满足人们对安全、舒适、方便和符合绿色环境保护的需求。
智能家居从功能上来说，主要分为家庭安防功能、家庭数据采集功能、家电及家庭电子设备控制、家庭信息管理平台和家庭能源控制功能等五大功能。
现在，世界各国都在跻身于网络信息服务技术的家庭应用，硅谷目前的投资和研发热点就是这方面的应用。
圣保罗风险资本公司、Flatiron合伙公司和松下电子公司已经拨款1.4亿美元，投资于支持智能家居的信息家电公司。
诺基亚、摩托罗拉和至少另外五家制造商正在开发网络。
而惠普、IBM、太阳微系统和索尼等公司正准备推出大量新发明的小玩意儿。
从巴掌大小的扫描仪到赋予这些装置动力的芯片和软件等不一而足。
当前，我国对智能家居的研究刚起步。
1994年，国家科委立项资助重大科技项目“2002年小康型城乡住宅科技产业工程项目”其目标是以科技为先导。
以示住宅小区建设为载体，推进我国住宅产业现代化，构建新一代住宅产业，在该项目中，把智能型住宅技术列为重中之重，开展技术、产品与工程的应用研究。
2000年9月，长虹、海尔、春兰、TCL、小天鹅、上广电、厦新、电子三所、清华同方、中兴通9讯等数家家电巨头和科研院所参加了国家经贸委2000年国家技术创新重点专项计划“家庭信息化网络技术体系研究及产品开发”项目工作会议会议。
此次会议成立了“中国家庭信息网络制标技术委员会”。
该委员会将联合开发家庭信息网络中的共性技术和产品互联规，实现消费类电子、通信和计算机行业间的大围协作。
现在国智能家居系统的研究还处于起步阶段，现有的智能家居系统通常构建在单片机上，只是对一些分散的智能家庭控制子系统的研究，例如三表抄送子系统（电表、水表和天然气表）、门禁子系统、可对讲子系统、医疗求助子系统和控制子系统等。
这些子系统互相独立，不能实现信息共享，使得安装和使用很不方便。
目前，智能家居网络系统还主要以有线形式为主，无线只是作为有线的补充，而且网络传输和处理能力较差。
一个智能家居系统应该将家居的安防系统，家电控制系统，通信系统，网络应用系统等等应用系统进行统一管理，实现互联，系统能够自动处理各种事件，并且用户能够通过或者Internet进行远程管理，从而创造符合人们要求的便捷化。
1.2课题研究目的及意义
1.2.1本课题的研究意义
本文针对人们的需求和市场上现有安防产品的不足，提出了一种“系统控制中心ZigBee无线传感器网络的智能家居安防系统解决方案。
方案采用了现代先进的技术成果，功能完善、性价比高，能够被广大用户所接受，同时克服了现有安防产品的不足。
系统用户可以根据需求来选择不同功能的传感器节点，这样既可以最大化地满足用户的需求，又比较经济实惠。
同时，系统将各种报警探测器集成在家庭部网络中，方便各种报警探测器之间协同工作和集中控制，解决了现有安防产品功能单一的缺陷。
系统采用ZigBee技术构建家庭监控网络，将报警信息集中到系统控制中心，再通过GPRS网络实现报警信息和控制信息的远程传输，大大节省了报警信息远程传输的成本。
ZigBee的高频部分采用了直接序列扩频（DirectSequenceSpreadSpectrum，DSSS）技术保证信号传输，避免了在2.4GHz公用频段的干扰，也解决了现有无线安防产品采用ASK调制技术所造成的同频干扰问题。
ZigBee芯片是超低功耗的无线收发芯片，采用休眠模式，减少电池使用的成本。
系统采用无线传输的通信方式，避免了布线的麻烦，也降低了系统安装的成本。
1.2.2本课题的研究目的
本课题研究的主要目的是深入研究智能家居涉及的相关理论与技术，将计算机技术及嵌入式控制技术等应用于智能家居控制系统中，基于此基础上，设计一个低成本、易维护、可扩展、易配置的家居中央控制平台。
·本设计选用了价格适中、货源稳定的犯位ARM核的嵌入式微处理器53C2410作为硬件控制核心，选用网络功能强大、开源、并且便于维护的嵌入式Linux操作系统作为软件开发平台，在此基础上进行嵌入式开发，设计出一个面向家居系统的专用控制系统。
1.3论文的主要工作和结构
（1）概述了智能家居系统的功能及国外发展现状。
（2）阐述了智能家居系统的构架、家庭网络及智能家居控制平台涉及的相关技术。
（3）详细介绍了智能家居控制平台实现的功能，并提出了智能家居控制平台的设计方案。
（4）详细介绍了智能家居控制平台的硬件选型以及硬件设计。
（5）详细介绍了研究及实现智能家居控制系统所必需建立的软件开发环境，软件开发平台的搭建过程以及软件设计开发所采用的原理和方法。
（6）最后对全文进行了总结，并提出设计中存在的问题和需要改进的方向。
2．ZigBee关键技术介绍
ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。
主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。
2.1IEEE802.15.4简介
随着通信技术的迅速发展，人们提出了在人自身附近几米围之信的需求，这样就出现了个人区域网络（personalareanetwork,PAN）和无线个人区域网络（wirelesspersonalareanetwork,WPAN）的概念。
WPAN网络为近距离围的设备建立无线连接，把几米围的多个设备通过无线方式连接在一起，使它们可以相互通信甚至接入LAN或Internet。
1998年3月，IEEE802.15工作组。
这个工作组致力于WPAN网络的物理层（PHY）和媒体访问层（MAC）的标准化工作，目标是为在个人操作空间（personaloperatingspace,POS）相互通信的无线通信设备提供通信标准。
POS一般是指用户附近10米左右的空间围，在这个围用户可以是固定的，也可以是移动的。
在IEEE802。
15工作组有四个任务组（taskgroup,TG），分别制定适合不同应用的标准。
这些标准在传输速率、功耗和支持的服务等方面存在差异。
下面是四个任务组各自的主要任务：
（1）任务组TG1：
制定IEEE802.15.1标准，又称蓝牙无线个人区域网络标准。
这是一个中等速率、近距离的WPAN网络标准，通常用于手机、PDA等设备的短距离通信。
（2）任务组TG2：
制定IEEE802.15.2标准，研究IEEE802.15.1与IEEE802.11（无线局域网标准，WLAN）的共存问题。
（3）任务组TG3：
制定IEEE802.15.3标准，研究高传输速率无线个人区域网络标准。
该标准主要考虑无线个人区域网络在多媒体方面的应用，追求更高的传输速率与服务品质。
（4）任务组TG4：
制定IEEE802.15.4标准，针对低速无线个人区域网络（low-ratewirelesspersonalareanetwork,LR-WPAN）制定标准。
该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或者家庭围不同设备之音的低速互连提供统一标准。
任务组TG4定义的LR-WPAN网络的特征与传感器网络有很多相似之处，很多研究机构把它作为传感器的通信标准。
LR-WPAN网络是一种结构简单、成本低廉的无线通信网络，它使得在低电能和低吞吐量的应用环境中使用无线连接成为可能。
与WLAN相比，LR-WPAN网络只需很少的基础设施，甚至不需要基础设施。
IEEE802.15.4标准为LR-WPAN网络制定了物理层和MAC子层协议。
IEEE802.15.4标准定义的LR-WPAN网络具有如下特点：
（1）在不同的载波频率下实现了20kbps、40kbps和250kbps三种不同的传输速率；
（2）支持星型和点对点两种网络拓扑结构；
（3）有16位和64位两种地址格式，其中64位地址是全球惟一的扩展地址；
（4）支持冲突避免的载波多路侦听技术（carriersensemultipleaccesswithcollisionavoidance,CSMA-CA）；
（5）支持确认（ACK）机制，保证传输可靠性。
2.2ZigBee协议
无线传感器网络节点要进行相互的数据交流就要有相应的无线网络协议（包括MAC层、路由、网络层、应用层等），传统的无线协议很难适应无线传感器的低花费、低能量、高容错性等的要求，这种情况下，ZigBee协议应运而生。
Zigbee的基础是IEEE802.15.但IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此Zigbee联盟扩展了IEEE，对其网络层协议和API进行了标准化。
Zigbee是一种新兴的短距离、低速率的无线网络技术。
主要用于近距离无线连接。
它有自己的协议标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。
这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。
Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，十分类似现有的移动通信的CDMA网或GSM网，每一个Zigbee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络围，它们之间可以进行相互通信；每个网络节点间的距离可以从标准的75米，到扩展后的几百米，甚至几公里；另外整个Zigbee网络还可以与现有的其它的各种网络连接。
通常，符合如下条件之一的应用，就可以考虑采用Zigbee技术做无线传输：
需要数据采集或监控的网点多；要求传输的数据量不大，而要求设备成本低；要求数据传输可性高，安全性高；设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块；电池供电；地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖；现有移动网络的覆盖盲区；使用现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统；使用GPS效果差，或成本太高的局部区域移动目标的定位应用。
值得注意的是，在已经发布的ZIGBEEV1.0中并没有规定具体的路由协议，具体协议由协议栈实现。
2.3ZigBee网络拓扑结构
从网络结构上看，zigbee网络有星形，树形，网状3种模式，按照网络节点功能划分可分为终端节点（ep）、路由器节点（rp）和协调器节点（cp）3种[2]。
其组织结构如下图示：
zigbee网络拓扑结构
其中，协调器节点负责发起并维护一个无线网络，识别网络中的设备加入网络;路由器节点支撑网络链路结构，完成数据包的转发;终端节点是网络的感知者和执行者，负责数据采集和可执行的网络动作。
这就要求zigbee网络节点需扮演终端感知者、网络支持者、网络协调者3种角色。
从功能上，zigbee节点应由微控制器模块、存储器、无线收发模块、电源模块和其它外设功能模块组成。
其中，包括dma、usart模块、定时器模块、a/d模块在的丰富的外设功能来满足网络对硬件资源的需求，存储器模块完成协议栈的存储与执行，CPU实现数据的运算与处理，MAC定时器用于实现网络同步，使用AEC技术对信息进行加密，无线模块完成收据的收发与信息帧控制。
2.4ZigBee网络的自适应机制
Zigbee2006协议栈的网络层路由协议是基于AdHoc按需矢量路径协议AODV（AdhocOndemandDistanceVector），支持在环境中移动、连接失败和包丢失的环境应用。
AODV路由协议的实现分两部分：
路由发现和路由维护。
具体的AODV路由协议实现可以查看AODV协议原文。
路由发现又分两部分，一部分是源节点发送数据的路由发现，第二部分是中间节点及目标节点的路由发现。
路由维护：
一旦一个节点的下一跳出现故障，一个被认为是失效的，链路上的其他节点就会开始链路修复。
通常是在一个数据包到达这一链路后的下一次，开始一个新的发现过程。
如果重新发现过程不能启动，或者是由于其他原因失败了，就会给这个数据包的发送节点发送一个RERR，这时它再重新发起一个路径发现过程，路径的建立都是自动的。
ZigBee网络路由具有自我修复的功能，如果某一路连接断掉了，路由功能将为失去连接的节点自动找到一个新的路线，这个也是ZigBee的关键特征之一。
当一个路由器收到从一个节点发往另一个节点的数据包，网络层根据以下步骤来转发这个包：
如果目的地是这个路由的邻居（包括是其子节点），这个包将被直接发送到目的地；否则，这个路由器将检查自己的路由表来找到相应的目的地的路由表记录。
如果有一个动态路由表记录，这个包将转发到路由表记录的下一跳地址；如果没有，将执行一个路由发现过程，过程结束后这个包才会被发送。
本设计中创建了数据发送和接收两个任务，对应图6.6和图6.7用来处理路由协议的数据收与发：
当应用层程序要发送数据到其他节点的时候，就调用数据发送任务；数据接收任务功能是处理网络层控制信息和转发数据报文等。
应用层和网络层之间的通讯是通过TrueTime中的信箱创建消息量来实现的。
3传感器节点和网关设计
4智能家居控制子系统中央控制平台总体设计
随着家用电器的不断数字化与智能化，新的家电产品在为人们提供更加强大的功能的同时，也面临着新的挑战，比如，产品的造价高，开发时间长，维护、升级费用昂贵等等。
事实上，单个家电在不断增加功能的同时，也形成了彼此相互隔离的信息孤岛，因而造成了资源浪费，成为信息家电发展中的瓶颈。
为了解决这一个问题，人们通过先进的网络技术，将单个家电通过统一的接口与协议相互连接，并形成独立的功能模块以协同工作，实现资源共享。
学术界对智能家居系统的组成没有定论，综合各种观点，一个完整的智能家居系统除了具有各种功能的信息家电外，还必须包括以下几个模块:
（1）信息处理模块:
为了使相互独立的信息家电可以实现信息共享与协同工作，智能家居系统中必须具有专门的信息处理模块。
它的功能主要是收集家庭中各个家电的工作状态和服务请求，对各种数据进行实时处理，并将结果送入功能驱动模块。
现阶段，无论是基于家庭网关的智能家居系统还是基于家居服务器的智能家居系统，多采用了集中式信息处理模块。
由于家庭网络的拓扑结构比较简单，集中式的信息处理设计实现都较为简单，控制的效率也较高，因而得到了广泛的应用。
但是随着家庭息家电的数量不断增加，采用分布式的控制方式将具有更高的灵活性，这是未来智能家居系统的发展趋势。
（2）通信模块:
如果说信息处理模块是智能家居系统的大脑，那么通信模块就是实现信息传导的神经。
根据家庭组网的特点，通信模块常利用已有的布线或者采用无线传输（如蓝牙、红外）等。
由于不同的信息电器对传输时的带宽要求不同，实际中的通信模块常采用多种方式混合组网。
（3）功能驱动模块:
功能驱动模块是信息流入、流出各个信息电器的接口。
由于各电器生产厂商的产品在功能和实现上都有很大的不同，所以必须通过功能驱动模块将信息处理模块的指令翻译成电器可以执行的电平信号，以及将电器的各种状态信息转换成信息处理模块可以理解的二进制信息。
（4）外界信息接口模块:
该模块可以看成是一个家庭通向外界（如Internet）的网关。
它在家庭部各种电器信息共享的基础上，进一步实现了基于Internet的资源共享，从而更进一步实现了共享的深度和广度，也将是外来智能家居系统的热点。
由于家庭部网络通常不使用TCP/IP协议，所以外界的信息接口模块中最基本的功能就是从TCP/IP协议到各种家庭部网络协议的转换。
根据上述分析，一个具有集中式信息处理模块的智能家居系统的组成可以下图所示：
集中式信息处理模块的智能家居系统的组成图
4.1控制平台功能与结构
智能家居中央控制平台以中央控制器为核心，利用ZigBee无线网络构建家庭网络连接各种家电以及接收各种传感器信号;利用以太网接口接入广域网，实现用户远程控制。
对于大多数家电而言，其本身的计算能力和存储能力都非常有限，依照传统的设计观念，只有通过提高家电本身的硬件能力和软件资源来实现家电的各种网络功能。
这样必然要提高家电的成本，这对家电的发展和普及是相对不利的。
基于以上原因，本设计利用宿主机代理网络家电加入家庭网络，并代理实现其网络功能，从而实现白色家电的网络化。
中央控制平台的基本架构如下图所示：
中央控制平台的基本架构图
它包含如下的组件:
（l）用户室无线家庭网络部分，这部分由ZigBee模块组成，实现了网络家电宿主机和控制平台的无线通信。
（2）中央控制平台与Iniemet通信部分，这部分由中央控制器上的网络芯片和嵌入式Linux操作系统所提供的TCP/IP协议栈以及嵌入式web服务器组成，实现用户对家电设备的远程访问和控制。
（3）中央控制平台上的家居控制系统实现了集中控制家庭中的家电设备。
（4）网络家电宿主机上实现了对家庭中家电设备的代理，家庭设备通过网络家电宿主机加入到家庭网络中。
4.2涉及到的软硬件介绍
在现今的市场上，单片机的生产厂商很多，单片机的类型也很多。
作为主控模块的控制器，在这众多的单片机类型中选择一款合适的型号是很重要的事情。
目前市场上的单片机有:
1.80XX系列:
80XX系列是INTEL公司最早推出且生产量最大的一个系列，其他公司，如PHILIPS和SIEMENS也提供这类产品。
2.PIC系列:
PIC是外部接口控制器（peripheralInterfaceControl）的简称，是AiizonaMirerochipTechnology公司的单片机产品。
3.68HC11系列:
68HC11系列是Motorola公司生产的最受欢迎的单片机系列产品。
4.MSP430系列:
MSP43O系列是TI公司推出的一种超低功耗的单片机。
5.ARM系列:
ARM系列是ARM公司推出的一种32位微处理器。
在本系统中，对于单片机的选型应该遵循的原则或要:
（1）选择的单片机必须有较好的稳定性:
（2）选择的单片机必须具有丰富的片上外围设备，这样可以简化电路设计，也可以使得电路的调试更加容易;
（3）选择的单片机要有方便的调试功能，单片机厂商要提供免费的调试软件，使单片机程序大部分能够在PC机上仿真出来而且准确无误;而且，单片机语言要多样化，既可以使用汇编也可以使用c语言;
（4）选择的单片一机功耗要低，由于设计的通用智能终端长期在现场!
一作，为了避免频繁更换和节约资源，要选择功耗较低的处理器;
美国仪器公司（TI）MSP430生产的系列单片机能很好地满足上述要求，其中尤以MSP430F449单片机最为适合。
其主要特点和功能有：
（l）工作电压低（l.8-3.6V），电流小（280uA/lMHz活动模式），5种低功耗模式，待机模式下电流为1.luA，掉电模式下更能达到0.luA。
（2）有丰富的中断源可任意嵌套，用中断请求将系统从被用状态唤醒仅需6us。
（3）片看门狗及上电复位电路，多种时钟源（xTAL1，xrrAL2或部DOC，FLL+）可供选择。
（4）I/O口多，有双向并行I/O口P1和P2（有终端功能）及P3-P6口，多数有复用功能。
（5）有两个16位定时器AB，均各带3个比较捕获模块，每个模块可独立编程，用于产生定时脉冲，捕获外部事件。
（6）片集成液晶驱动器，驱动能力可达160段。
（7）通用通信模块UART0和UART1，软件可选同步/异步方式。
（8）具有自动循环采集功能8通道12位ADC12，自带采样保持器和可选电压基准，可自动扫描。
（9）JTAG接口或片BOOTROM使程序下载调试极其方便，程序代码由安全熔丝保护。
（10）不须加装存贮器，片自带2K字节及在线可擦除编程32K字节主Flash十256字节信息Flash.片模块包含3个控制寄存器，时序发生器，提供编程及擦除电压的电压发生器及Flash存贮器本身，其中主Flash分为每段512字节的段0~63，信息Flash分为每段128字节的段A、B。
在无线收发模块的软件设计中，无线收发芯片的设置是尤为重要的一步，果芯片的初始化设置没有设置好，将会导致整个无线收发模块停止工作。
初始化设置包括射频输出频率的设置，调制方式的设置，控制寄存器的设置，通讯协议的设置等等。
输出频率和调制方式是初始化设置的基础，·设计一个系统首先要确定系统使用的频率和调制方式。
进而要对通讯协议以及芯片的控制寄存器进行设置。
通讯协议的设置就是两个节点统一收发规则，要以同一种格式收和发，即数据以什么方式传送，传送几位数据，有无起始位和停止位，怎么检查传送是否正确等等。
最后一步就是对控制寄存器的设置，将命令写入芯片，使芯片按照系统的要求工作。
芯片初始化设置软件smartstudio:
smartstudio是Chipcom公司推出的专门为方便设置其公司生产的无线收发芯片的软件，这个软件将会帮助用户设置无线收发芯片中的一些参数，并使它他们的配置达到最优。
smartstudio可以帮助用户设置参数包括接收/发送模式;传输率和数据格式;射频输出功率;频率合成主要参数:
射频输出频率，FSK分频，晶振参考频率;频率合成锁定指示模式等。
芯片选择界面如下图所示：
界面中的选项卡如下图所示：
。
5智能家居控制子系统详细设计
智能家庭控制系统是以HFC、以太网、现场总线、公共网、无线网的传输网络为物理平台，计算机网络技术为技术平台，现场总线为应用操作平台，构成一个完整的集家庭通信、家庭设备自动控制、家庭安全防等功能的控制系统
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