博创杯嵌入式设计大赛作品智能家居系统.docx

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博创杯嵌入式设计大赛作品智能家居系统

2011第七届“博创杯”全国大学生嵌入式设计大赛

作品设计报告

基于Zigbee网络的智能家居系统

TheIntelligentSystemofHomeAppliancesBasedonZigbee

设

计

报

告

参赛编号：

XB-1-2

参赛学校：

西安邮电学院

作者：

学生1袁新超

学生2张友鹏

学生3邓雨虹

指导教师：

王利

是否恩智浦单项：

是

否□

摘要

本次设计使用了指定硬件平台：

NXPLPC1769（Cortex-M3微控制器），以Zigbee无线传感器网络技术为基础，设计了智能家居模拟系统。

本次设计的智能家居模拟系统包括智能门禁系统、自动窗帘、安防系统、可燃气体泄漏监测、居室内外温度检测,通过短信与用户交互，可以实时发现家居隐患以及简单的安防。

此次设计统秉承了无线传感器网络低功耗、低成本、分布式和自组织的优点，其灵活性和可靠性得到了提高，也方便用户进行无线和远程监测控制。

关键词：

NXP1769、Zigbee无线传感器网络、智能家居系统

Abstract

NXPLPC1769（Cortex-M3microcontroller）isusedasthespecifiedhardwareplatforminthedesignoftheintelligentsystemofhomeappliancesbasedonZigbeewirelesssensornetwork.

Thissimulationsysteminclude：

intelligentaccesscontrolsystem,automaticwindowcurtain,homesecuritysystem,flammablegasleakdetection,bedroominsideandoutsidetemperaturedetection,areal-timepotentialsafetyhazardandsecurityriskcanbefoundthroughuserinteractionviatextmessages.Thedesignhasthefollowingadvantagesofwirelesssensornetwork:

lowpowerconsumption,lowcost,distributedandself-organization,itsflexibilityandreliabilityhasbeenimproved,alsomakeuserusewirelessremotemonitorandcontrolmoreconvenient.

Keywords:

NXPLPC1769、Zigbeewirelesssensornetwork、Intelligentsystemofhomeappliances

第1章绪论

1.1NXPLPC1769简介

1.1.1NXPLPC1700系列

LPC1700系列Cortex-M3微控制器用于处理要求高度集成和低功耗的嵌入式应用。

ARMCortex-M3是下一代新生内核，它可提供系统增强型特性，例如现代化调试特性和支持更高级别的块集成。

LPC1700系列Cortex-M3微控制器的操作频率可达100MHz。

ARMCortex-M3CPU具有3级流水线和哈佛结构，带独立的本地指令和数据总线以及用于外设的稍微低性能的第三条总线。

ARMCortex-M3CPU还包含一个支持随机跳转的内部预取指单元。

LPC1700系列Cortex-M3微控制器的外设组件包含高达512KB的Flash存储器、64KB的数据存储器、以太网MAC、USB主机/从机/OTG接口、8通道的通用DMA控制器、4个UART、2条CAN通道、2个SSP控制器、SPI接口、3个I2C接口、2-输入和2-输出的I2S接口、8通道的12位ADC、10位DAC、电机控制PWM、正交编码器接口、4个通用定时器、6-输出的通用PWM、带独立电池供电的超低功耗RTC和多达70个的通用I/O管脚。

1.1.2NXPLPC1769

LPC1769/68/67/66/65/64 是基于 ARMCortex-M3 的微控制器，适用于高集成度和低功耗的嵌入式应用。

ARMCortex-M3 是新一代内核，提供诸如增强调试特性和更高级别模块集成支持等系统增强型特性。

LPC1768/67/66/65/64 工作于高达 100MHz 的 CPU 频率。

ARMCortex-M3CPU 具有 3 级流水线功能，并采用哈佛结构，支持独立本地指令和数据总线以及用于外设的第三条总线。

ARMCortex-M3CPU 还包括一个内部预取单元，支持投机分支操作。

LPC1769微控制器采用512KBFlash、64KBSRAM、USB2.0主机/OTG/设备、CAN2.0B接口、12位ADC、10位DAC、I2C、SPI、UART及各种其他外设。

LPC1769同时还配备了一个10/100以太网控制器，并搭载了一个专用的以太网DMA（直接内存访问）控制器。

目前，来自IAR、Keil、Hitex、CodeRed等众多领先工具供应商的大量开发工具、实时操作系统（RTOS）、中间件、技术支持服务等均对LPC1700系列提供良好支持。

如：

LPCXpresso和mbed（在线快速原型开发工具）。

1.1.3特色和优点

（1）ARMCortex-M3 处理器，工作频率可高达 100MHz（LPC1768/67/66/65/64）或 120MHz（LPC1769）。

包含一个支持 8 个区域的存储器保护单元（MPU）。

（2）RMCortex-M3 内置嵌套向量中断控制器（NVIC）。

（3）高达 512kB 的片上 flash 程序存储器。

增强型 flash闪存加速器可实现零等待状态下的高速 120MHz 工作。

（4）可通过片上引导软件实现在系统编程（ISP）和在应用编程（IAP）。

（5）片上 SRAM 包括：

*带有本地代码/数据总线的 32/16kBSRAM 在 CPU 上，用于高性能 CPU 访问。

*带有独立访问路径的 2/1 个 16kBSRAM 模块以获得更高吞吐量。

这些 SRAM 模块可用于以太

网、USB 和DMA 存储器，及用于通用 CPU 指令和数据存储。

（6）AHB 多层矩阵上的 8 通道通用 DMA 控制器（GPDMA）可与 SSP、I2S 总线、UART、模数和数模转换器外设、计时器匹配信号一同使用，及用于存储器到存储器的传输。

（7）多层 AHB 矩阵互连为每个 AHB 主机提供单独总线。

AHB 主机包括 CPU、通用 DMA 控制器、以太网 MAC 和USB接口。

该互连提供无仲裁延迟的通信。

（8）分开的 APB 总线允许高吞吐量，几乎不会在CPU和DMA之间出现停顿。

（9）仿真跟踪模块支持对指令执行进行无干扰式的高速实时跟踪。

（10）集成 PMU（电源管理单元）自动调整内部稳压器以便在睡眠、深度睡眠、掉电和深度掉电模式下实现功耗最小化。

（11）四种低功耗模式：

睡眠、深度睡眠、掉电和深度掉电。

（12）单个 3.3V 电源（2.4V 至 3.6V）。

（13）四个外部中断输入可设置为边沿/电平触发。

Port0 和 Port2 的所有引脚均可用作边沿触发的中断源。

（14）非屏蔽中断（NMI）输入。

（15）时钟输出功能可反映主振荡器时钟、IRC 时钟、RTC 时钟、CPU 时钟和 USB 时钟。

（16）唤醒中断控制器（WIC）允许 CPU 自动从任何优先级中断中唤醒，这可能出现在当时钟在深度睡眠、掉电和深度掉电模式中停止时。

（17）任何掉电模式下还能工作的中断（包括外部中断、RTC 中断、USB的使用、以太网唤醒中断、CAN 总线的使用、Port0/2 引脚中断和 NMI）可将处理器从掉电模式中唤醒。

（18）掉电检测可分别为中断和强制复位设置不同的阈值。

（19）上电复位（POR）。

（20）晶振工作频率范围 1MHz 至 25MHz。

（21）4MHz 内部 RC 振荡器，精度误差缩减为 1%，可选择用作系统时钟。

（22）PLL 允许 CPU 以最高 CPU 速率工作而无需高频晶体。

可由主振荡器、内部 RC 振荡器或 RTC 振荡器运行。

（23）USBPLL 以增加灵活性。

（24）不同安全级别的代码读保护（CRP）。

（25）器件序列号唯一，便于识别

（26）可提供 100 引脚 LQFP 封装（14mm×14mm×1.4mm）

1.2ZigBee技术简介

1.2.1设计背景

如今，利用无线网络构建智能家居网已经成为势不可挡的发展趋势。

相对于有线网，无线网络不仅接入灵活、操作方便而且符合家庭网络的通讯特点，其应用必将大大促进家庭网络智能化的进程。

目前实现组建智能家居网络的技术括蓝牙、WiFi、以及极具发展潜力的ZigBee。

ZigBee技术是近几年发展起来的一种短距离无线通信技术，应用在控制和监控场合的无线通信方式。

它使用2.4GHz波段，采用跳频和扩频技术。

鉴于ZigBee技术的低成本、低功耗，低速率的特点，其必将是最符合智能家居控制的无线通信方式之一。

1.2.2Zigbee技术概述

ZigBee是近年来提出的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信新技术，主要适用于自动控制和远程控制领域，可以满足对小型廉价设备的无线联网和控制。

ZigBee技术的命名主要来自于人们对蜜蜂采蜜过程的观察，蜜蜂在采蜜过程中，跳着优美的舞蹈，其舞蹈轨迹像“Z”的形状，其蜜蜂自身体积小，所需要的能量少，又能传送所采集的花粉，借此意义Zigbee作为新一代无线通讯技术的命名。

在此之前Zigbee也被称为“HomeRFLite”、“RF-EasyLink”或“fireFly”无线电技术，目前统称为Zigbee。

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，在整个网络范围内，每一个Zigbee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。

与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，Zigbee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。

而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个Zigbee“基站”却不到1000元人民币。

每个Zigbee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。

除此之外，每一个Zigbee网络节点（FFD）还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点（RFD）无线连接。

1.2.3ZigBee技术特点

　ZigBee是一种无线连接,可工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（欧洲流行）和915MHz（美国流行）3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率,它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。

作为一种无线通信技术,ZigBee具有如下特点:

（1）低功耗:

由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee设备非常省电。

据估算,ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。

（2）成本低:

ZigBee模块的初始成本在6美元左右,估计很快就能降到1.5—2.5美元,并且ZigBee协议是免专利费的。

低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。

　　（3）时延短:

通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms,活动设备信道接入的时延为15ms。

因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制（如工业控制场合等）应用。

　　（4）网络容量大:

一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备,一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络,而且网络组成灵活。

　　（5）可靠:

采取了碰撞避免策略,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。

MAC层采用了完全确认的数据传输模式,每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。

如果传输过程中出现问题可以进行重发。

（6）安全:

ZigBee提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证,采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。

几种无线通信的比较如表1所示：

表1几种无线通信的比较

1.2.4CC2430芯片简介

CC2430芯片是Chipcon公司提供的全球首款支持ZigBee协议的SoC解决方案。

它延用了CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器。

CC2430拥有1个8位8051MCU，8KB的RAM，32KB、64KB或128KB的Flash，还包含模拟数字转换器、几个定时器、AES128协处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及21个可编程I/O引脚。

CC2430芯片采用0.18μmCMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA。

CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。

　CC2430芯片的主要特点有：

32MHz单指令周期低功耗的8051微控制器核；集成兼容IEEE802.15.4标准2.4GHz频段的RF无线电收发机；8KB的SRAM，其中4KB可在所有功耗模式下保持数据；兼容RoHS的7×7mmQLP封装；4种可编程功耗模式；可编程的看门狗定时器；上电复位功能；支持硬件调试功能；优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性；在休眠模式时仅0.9μA的流耗，外部中断或RTC能唤醒系统；在待机模式时少于0.6μA的流耗，外部中断能唤醒系统；硬件支持CSMA/CA功能；较宽的电压范围（2.0～3.6V）；数字化的RSSI/LQI支持和强大的DMA功能；具有电池监测和温度感测功能；集成了14位模数转换的ADC；集成AES安全协处理器；带有2个强大的、支持几组协议的USART，以及1个符合IEEE802.15.4规范的MAC计时器，1个常规的16位计时器和2个8位计时器。

第2章系统方案

2.1系统总体方案

基于无线传感器网络的智能家居网络主要是由若干执行机构、若干无线传感器节点、无线协调机构，辅助机构，家居控制中心，组成。

其中,节点分布于客厅、卧室、厨房等需要监测的区域内,执行数据采集、处理和通信工作。

无线执行机构负责向主控报警，窗帘开合和，模式开启电锁开关，等控制功能。

无线协调机构是节点和控制中心的信使，转发两者之间的通信数据。

家居无线控制中心处理来自无线协调机构的信息,并且为互联网的连接提供接口进行远程控制。

此次设计结合智能家庭网络系统的特点，如家庭内部无线网络连接距离较短,分布的节点并不是太多，并且数据的传输量也不是太大。

基于家庭网络的这些特点，以协调器（协调机构）为中心节点组建一个星形家庭网络。

家居系统的控制心，是整个系统的大脑，她支配整个系统的活动。

她可以发命令给协调器，由协调器通过传输转达给终端，协调器和终端之间是无线通信。

终端获得信息后控制外设传感器等器件，这些外设就属于执行机构，他们时刻等待命令，一旦接受立即执行相应操作。

协调器是控制中心和终端的信使，她实现了控制中心和终端的双向无线通信。

终端是系统的前线，它起着数据供给的作用。

她在系统的边缘，她是数据采集终端，算是拥有独立系统的单元，她有独立的微控制器（嵌入8051内核），所以可对控制中心发来的命令，经过分析之后命令执行机构作出相应操作。

终端和协调器是无线双向通信的。

协助机构是系统向用户远程传达信息的，比如语音电话手机。

2.2系统方案的结构

根据总体方案画出了系统的结构图，是按照结构层次划分四层：

控制中心，协调器，终端节点和协助机构。

他们之间的联系如图1所示：

协助机构

图1智能家居系统方案结构

这只是系统方案的大致结构，由于此次设计是智能家居模拟系统，在图中的节点（终端和执行机构）只是取了三组，在实际运用中可以根据需求增加多个节点，使家居系统更完善。

第3章系统功能

3.1系统功能

此次设计的智能家居模拟系统功能包括：

智能门禁系统、自动窗帘、可燃气体泄漏监测、居室内外温度检测和语音电话和短信报警，可以实时发现家居隐患以及家居的安防。

以下是系统功能的详细描述：

智能门禁系统：

当人走到家居门口时，人体红外模块检测有人，人体携带着身份识别标签（预先设置好的ID卡或者钥匙卡）时，标签会发送加密身份信号给门禁Zigbee设备，门禁系统经过分析判断后决定是否开启数字门锁，用户再也不用自己掏钥匙开门了；而为了方便用户出门不用去扭开数字门锁，我们在室内接了一个独立开关，只要用户按下开关，门锁就开了，方便用户出门。

自动窗帘：

当用户选择菜单的开闭窗帘功能时候，窗帘会在打开或者关闭停到合适的位置。

由于用户的窗户窗帘的尺寸可调，所以窗帘开/关的时间由用户在菜单上自行设定。

自动窗帘还可以手动操作，由用户自动调节窗帘的位置。

可燃气体泄漏监测：

在厨房安装可燃气体检测传感器节点，一旦检测到可燃气体浓度超标或者发生火灾，立即报警和短信远程报警通知，保证家居内人员的人身安全。

该节点还包括了一个温湿度传感器，可检测厨房温度和湿度。

语音电话及短信报警

在平时，语音电话是充当普通语音电话，可以拨打和接听电话，里面插上可用的SIM卡既可以了。

当发生火灾或者可燃气体泄漏浓度超标的时候，蜂鸣器开启并且以短信方式发送给用户报警。

发送报警短信的电话号码用户可以设置的。

第4章实现原理

本章节根据系统方案勾勒出了系统的物理框架和介绍了主要的通信协议—Zigbee协议。

这次设计是在物理结构的基础上，分模块实现各种功能，物理结构之间通过指定的通信协议进行相互传达信息。

CC2430是符合IEEE802.15.4标准的片上Zigbee产品，为此次系统的无线通信提供了条件。

4.1系统物理结构

系统部署如图所示，部署图中勾勒出了系统大体物理结构，如图2所示：

图2系统大体物理结构

●节点1,2,3

节点是整个系统网络的边缘，是以CC2430开发板为核心，外接各种传感器，门禁模块（读卡器，数字电控锁，）人体红外模块（安防数据采集）和控制器件等。

节点所用的传感器为温湿度传感器DHT11和可燃气体检测传感器MQ-2,；门禁读卡器读取ID卡识别身份；数字电控锁是基于门禁读卡上的，需要识别用户ID卡信息；人体红外模块通过检测人体释放红外线获得数据，为安防提供数据；其他控制器件如直流减速电机用在窗帘控制。

节点和协调器是通过串口通信的。

●协调器

协调器是控制中心和节点的信使，也是CC2430开发板，它通过无线接收得到各个节点采集到的数据，他们之间的通讯是遵循Zigbee协议的。

协调器和控制中心是通过串口通信的。

●控制中心

控制中心（NXPLPC1769核心板），主要是综合和控制信息，是整个系统的大脑。

控制中心和协调器以及语音电话和短信报警都是通过串口通信。

●GSM模块

语音电话和短信报警是一个GSM模块。

平时，该模块是充当普通的语音电话；当出现可燃气体泄露和非法入侵等家居隐患发生时候，则马上短信报警通知用户。

4.2主要通信协议—Zigbee协议

4.2.1协议框架

ZigBee标准采用分层结构。

每一层为上层提供一系列特殊的服务：

数据实体提供数据传输服务，管理实体则提供所有其他的服务。

所有的服务实体都通过服务接入点（SAP）为上层提供一个接口，每个SAP都支持一定数量的服务原语来实现所需的功能。

ZigBee标准堆栈架构是在OSI七层模型的基础上根据市场和实际需要定义的IEEE802.15.4-2003标准定义了底层：

物理层（PhysicalLayer，PHY）和媒体访问控制层（MediumAccessControlSub-Layer，MAC）。

ZigBee联盟在此基础上定义了网络层（NetworkLayer，NWK），应用层（ApplicationLayer，APL）架构。

其中应用层包括应用支持子层（ApplicationSupportSub-Layer，APS），应用架构（ApplicationFramework，AF）。

Zigbee协议框架如图3所示：

Zigbee或OEM自定义

Zigbee联盟

IEEE组织

图3Zigbee协议框架

4.2.2通信流程

一个基于Zigbee协议的通信流程简图，如图4所示：

图4通信流程

完成一次通信，大概的流程如图4，A设备的应用层提出要求，形成应用层的要求，然后到网络层形成了网络层的帧，然后到MAC层加上MAC层的格式然后到物理层，处理一下形成物理帧，然后收发机就发了。

当B收到了A的内容经过他的物理层去掉物理层的格式化的内容然后再到MAC层进行分析，顺次到达B的应用层，经过了层层剥离最后获得了A的应有层的信息。

相同地，B设备也是以相同的流程给A设备信息，这样就实现了A设备和B设备的双向通信。

第5章硬件框图

本章节是在第4章节提出的物理结构基础上，将各个模块作出了具体的框图，所有的框图组成整个系统的物理框图。

5.1控制中心硬件框图

控制中心硬件框图是由大赛指定的硬件平台NXPLPC1769为核心，向外扩展而成。

同通用I/O连接的有：

液晶屏128*64，4*4矩阵键盘，蜂鸣器报警通知模块；而通过两个RS232串口连接了一个实现语音电话及短信报警功能的GSM模块和协调器模块和一个协调器CC2430模块。

为了能实现语音电话功能，给GSM模块增加了音频输入的麦克风和实现输出的扬声器。

外加给整个模块加上了供电模块和以太网网口。

液晶屏和矩阵键盘配合使用为用户提供信息和功能选择；协调器给核心板传递终端节点采集的信息；蜂鸣器和GSM模块配合实现报警通知。

这些形成系统控制中心硬件框图，如图5所示：

图5系统控制中心硬件框图

5.2协调器模块硬件框图

和控制中心通过RS232串口连接的协调器和其他三个终端节点没有硬件上的直接连接，他们是通过无线星形网络通信的，图6中所示表示他们的通信关系：

图6协调器和终端节点通信框图

5.3数据采集终端硬件框图

5.3.1数据采集终端1硬件框图

终端节点1是一个CC2430模块为核心，通用I/O口接一个采集温湿度数据的传感器DHT11和一个检测可燃气体传感器MQ-2。

整个模块就是采集数据利用无线方式向协调器发送数据。

整个框图如图7