智能家居设计方案.docx
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智能家居设计方案
智能家居设计方案
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智能系统设计的原则：
用户需要操作方便，功能实用，外观美观大方的智能家居系统。
系统要有吸引来宾的外观和功能，能体现用户高人一等的生活品位。
同时要化繁为简、高度人性、注重健康、娱乐生活、保护私密。
1系统需求
本家居系统包括主控制中心、电器终端、门磁控制终端、监控终端四个主要部分。
系统应实现以下功能：
●安防：
安防采用门磁控制，当用户离家时打开门磁监控器，进行实时监控，当有闯入时，门磁控制器向控制中心报警，控制中心打开摄像头进行录像，同时通过短信通知用户，最终的处理方式交由用户决定。
●监控：
用户通过互联网，可以登录到家庭的控制中心，查看家庭内部情况，可以通过远程指令打开摄像头。
●电器控制：
用户可以通过手机短信，或者通过Web登录到控制中心来对电器执行开关控制。
●通信方式：
系统应尽可能的采用无线的通信方式，以避免有线布线带来的麻烦。
2总体结构设计
智能家居系统远程监控系统的核心部分是一个嵌入式Web服务器，系统集有线与无线两种通信方式于一体，用户可以通过手机或PC机登录家中的嵌入式Web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；用户可以通过远程登录的方式设定系统所需要的参数；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系统总体设计图
3硬件设计
3.1家居控制中心硬件总体设计
控制中心处理器采用基于ARM的s3c2410处理器，开发板所包含的接口及相关情况介绍如下：
●CPU：
采用SAMSUNGS3C2410ARM920tCPU,集成有串口，SD卡控制器，USBHostUSBdevice控制器，LCD控制器,NandFlash控制器等
●存储器：
1.64MSDRAM
3.64MNandFlash用于存放应用程序
4.32MIntelStrataFlash32M（默认不焊接）
5.SD卡
●一个VGA（直接连接普通PC显示器）、一个TFT输出接口（可以选购3.5寸的夏普LCD）。
●CS8900以太网控制器
●IDE接口，直接连接硬盘
●一个USB主机接口
●一个USB设备接口（可以切换成第二主机，需要更改驱动）
●一个总线扩展接口（包含16位数据，12位地址，两个片选，可以通过CPLD控制）。
●2个串口输出
●一个MIC输入接口
●一个LINE音频输入接口。
●一个耳机输出接口。
●2个CPU可控LED等。
●AD转换输入接口
●SPI和IIC接口
●JTAG调试接口
●CPLD编程接口
●扩展GPRS和CDMA专用接口（包含3.3V电平的串口，SPI口，IO引脚，电源等）
图2控制中心硬件结构图
3.2GPRS模块
GPRS扩展模块采用的GPRS模块型号为SIM3000，是SIMCOMGSM/GPRS双频模块，主要为语音传输、短消息和数据业务提供无线接口。
SIM300集成电路和GSM的基带处理器，适合于开发一些GSM/GPRS的无线应用产品，如移动电话，无线MODEM卡，无线POS机，无线抄表系统以及无线数据传输业务，应用范围十分广泛。
它功能强大、使用方便、性能稳定、具有良好的技术服务支持，性价比高，向用户提供了标准的AT命令接口和丰富的AT指令集。
模块通过GPRS专用接口（串口）和开发板相连。
该模块为采购板子时的可选外围扩展，厂商可提供相应的开发技术支持。
3.3ZigBee模块
在家居控制中心，选用CC2420作为家庭内部ZigBee通信协调器；家居、安防终端采用CC2430与之相连。
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FIFOP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。
图3为其连接图。
（考虑到我们项目采用的是现成的开发板，无法重新布线，所以如下图上面的四个引脚需使用飞线与开发板连接）
图3CC2420和S3C2410电路连接图
3.4视频监控
根据我们目前查阅的一些参考方案，视频基本都是采用有线的方式来进行传输。
目前市面上的一些简单的视频摄像头都是采用USB进行连接的，或者其他有线方式进行连接，暂时还未能给出比较合适无线传输方案。
因此我们考虑先采用USB接口的摄像头与控制中心相连。
本设计选用的摄像头的驱动芯片为市场上较为流行的ZC301芯片，该芯片通过USB接口与主机相连接，可以传输连续的视频流，也可以传输单帧的静态图像。
ZC301目前应用较广泛，本设计采用的摄像头即为基于ZC301芯片的ANC奥尼5888。
3.5安防终端硬件设计
智能家居终端我们选用CC2430，该芯片兼容IEEE802.15.4标准，其在单芯片上集成了ZigBeeRF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。
家居远程监控的一个重要作用就是遇到险情；时能够及时通知用户或小区管理中心，所以在家居控制器上需要连接门磁、窗磁、温度、湿度、烟感及煤气泄漏等传感器，通过这些传感器来监控家中的状态。
这些传感器的信号大多用于报警功能的开关，所以将这一类的信号称为开关量信号。
本系统采用红外传感器。
感应模块GH-718的红外传感器探测的红外信号，就通过OUT信号输出端传到CC2430模块后，经Zigbee传输到S3C2410处理器处理，处理完成后GPRS模块通过GPRS网络将报警信息发送给用户手机。
模块信号各引脚如图4所示。
其中2号引脚OUT信号输出端：
人进入其感应范围则输出高电平3.3V，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平0V。
OUT输出端与CC2430的6号引脚数字I/O接口P1-2相连，CC2430接收到高电平后通过ZIGBEE传输到S3C2410处理器，触发报警短信发送。
GH-718工作电压：
DC5V-20V（可订做范围DC3V-DC24V）；静态功耗：
<50微安，特别适合干电池供电，通过1、2引脚与干电池正负极接通
图4红外传感器
3.6家电继电控制
CC2430是一个弱电器件，它工作在4V以下。
驱动电流在mA级以下。
而要把它用于一些大功率场合，比如家电（空调等），显然是不行的，所以，就要有一个环节来衔接，这个环节就是所谓的"功率驱动"。
继电器驱动就是一个典型的、简单的功率驱动环节。
家电继电控制电路如下图所示：
图5家电继电控制电路
如图5所示CC2430的P1_0引脚接家电继电控制电路，该引脚具有20mA的驱动能力。
三极管起到一个水龙头的作用，当P1_0输出低电平的时，水龙头打开即通电，高电平则不通电，从而实现家电的开关控制。
4软件设计
4.1通信协议
ZigBee网络的物理层和MAC层的通信协议遵循IEEE802.15.4标准，由于本智能家居系统中ZigBee网络采用简单的星形拓扑结构，网络层也不涉及路由寻址等问题，因此，本文通信协议的设计主要考虑应用层。
数据包格式由下图
1Btye
2Btye
1Btye
1Btye
NBtye
1Btye
1Btye
包头
节点ID
包长度
命令字
数据段
校验
包尾
各字段含义介绍如下：
帧头：
标志数据帧的开始。
设定为固定值。
上行：
0xef，下行：
0xdf。
节点ID：
节点在ZigBee网络中的16位唯一标志。
传感器节点入网之前，使用全球唯一的IEEE64位扩展地址标志自己，入网后采用家庭网关分配的16位网内节点号标志自己，减少通信数据量。
帧长度：
从命令字到帧尾之间的字节长度。
命令字：
标志数据帧的类型。
不同类型的数据帧采用不同的命令字来标志。
校验：
从帧头到数据段按字节异或，以保证数据的完整性。
帧尾：
标志数据帧的结束。
设定为固定值。
上行：
0x7e，下行：
0x7d；
ZigBee网络中数据包分上行和下行，所谓上行就是各终端节点向控制中心发送的数据包，下行是控制中心想终端节点发送的数据包。
数据段：
主要是存储具体的控制命令，以及查询的数据。
上行信息包括：
入网请求，数据上报，拆除请求，工作模式转换，电量状态，接收确认。
命令字分别为：
0xa1、0xa2、0xa3、0xa4、0xa5、0xa6。
下行信息包括：
设备发现，设备拆除，设备查询，设备控制，设备重启，初始化广播，接收确认。
命令字分别为：
0x1a、0x2a、0x3a、0x4a、0x5a、0x6a
4.2SPI驱动
已找到相应的驱动源码。
4.3控制中心软件主模块
控制中心控制软件分为四大模块，分别是：
Web服务器、GPRS控制模块、ZigBee控制模块、控制主模块。
主模块需要处理的信息主要有三个来源，它们分别是：
ZigBee网络终端节点、GPRS模块、Web的请求。
来自ZigBee网络的信息又包括两种，第一种为数据信息，该数据可以为终端节点周期性向控制中心发送的数据，也可以为GPRS或Web请求的数据。
如果为周期性的数据则需要判断数据是否正常，如果有异常需要向用户报警；如果为GPRS或Web请求的数据需要返回各自模块。
第二种为管理信息，例如有新的节点需要加入到ZigBee网络，主模块需要进行相应的处理然后向节点返回确认。
主模块收到来自GPRS模块，或者Web的请求后需要调用相应的中断处理程序来进行处理，然后返回等待请求数据的到来。
软件流程图如下图。
图6控制中心软件流程
4.4节点应用程序
终端的CC2430主要完成三大功能：
网络通信、数据采集、设备控制。
应用程序加电后应该做的第一件事就是寻找可接入网络，然后循环等待中断。
应用程序应处理的中断源主要有两个，一个是来自控制中心的管理信息（因为ZigBee网络是星型拓扑，因此只接收来自控制中心的信息），主要是进行数据查询或者设备控制，应用程序调用相应的中断程序；另一个是来自底层硬件，例如安防传感器探测到异常向CC2430发出中断请求。
图7终端应用软件流程
4.5GPRS模块软件
在智能家居控制系统中，用户发送短信到GPRS模块，GPRS模块接收到短信根据相应的协议进行解析，然后向主控中心模块发送解析出的命令，再由主控中心向家居终端发送数据。
具体的解析协议格式要根据GPRS模块的AT命令集来确定。
软件流程如图8所示。
图8GPRS模块工作流程
4.5Web服务器
本嵌入式系统的WEB服务器采用的是boa服务器，boa服务器是一种单任务的HTTP服务器，它与常规的WEB服务器不同，boa不对每个进入服务器的连接开辟进程，更不为处理多路复用而开辟进程，boa仅仅对正在进行的HTTP连接复用，而且也只为独立用户网关接口CGG工开辟进程。
通过Internet控制家具系统工作原理图如下：
客户端WEB服务器端设备端
图9
远程PC端通过ADSL有线网络接入S3C2410处理器RJ45接口，通过WEB服务器可以方便查询、控制家电设备的工作状态。
为了适用于嵌入式系统并且能完成相应网络功能的协议，嵌入式的TCP/IP协议栈对协议进行了精简，本系统的TCP/IP协议栈中包含了如下协议：
应用层：
Http协议；传输层：
TCP协议；网络层：
IP、ICMP协议；数据链路层：
ARP协议。
服务器的工作流程如图所示：
图10web服务器工作流程图
本系统传输的数据是用HTML（HypertextMarkupLanguage，超文本标记语言）编制的网页，由浏览器解释并显示在窗口中。
HTML网页可以分为静态和动态两种。
静态页面访问实现时，服务器接收到请求后直接把HTML文档发送给客户端浏览器，再由浏览器解释其内容并显示给用户。
动态页面具有可实现动态交互、自动更新等特点，Web服务器会针对用户的输入信息做出相应的响应。
而获得用户输入的信息并返回相应信息实现动态交互，则是由CGI实现的。
CGI程序是通过标准输或环境变量来得到客户端对家电工作状态的控制信息，CGI程序运行后，将结果通过标准输出向服务器输出信息。
系统中对于家电设备工作状态的改变就是通过CGI方式完成的，其工作原理图如下：
图11
设备采购清单
产品型号
数量
单价
备注
S3C2410开发板
1
1000左右
（详情见上）
CC2420
1
50
用于控制中心对内的ZigBee通信
CC2430
1
65
传感器/家居端，集成了MCU及ZigBee通行模块
SIM300c
1
200左右
GPRS通信模块（具体型号需要据所购板子所提供的接口而定）
GH-718
1
5
红外传感器
摄像头
1
50
继电器
1
78.5
总价格
7
1448.5
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