硕士论文 基于LPC2138和蓝牙技术的智能家居系统的设计.docx

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硕士论文基于LPC2138和蓝牙技术的智能家居系统的设计

硕士论文

题目：

基于LPC2138和蓝牙技术的智能家居

系统的设计

学科、专业

：

物理电子学

研究方向

：

信号检测与处理

摘要

随着电子技术和计算机技术的进步，智能家居逐步进入人们的生活中。

然而通过调研发现，目前市场上的产品还都存在这样或那样的不足，例如功能不全、成本较高、安装维护不便等，使智能家居产品没有得到很好的推广。

为此，设计了基于LPC2138和蓝牙技术的智能家居系统。

系统采用LPC2138作为中心控制芯片。

LPC2138是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的ARM7TDMI-STMCPU的微控制器,支持32/16位代码，有很强的处理能力。

其具有多达47个GPIO和9个外部中断，使系统可实现多种功能。

系统应用蓝牙模块来组建家庭内部通信网络。

蓝牙技术是一项公开的近距离无线连接的技术规范，工作在2.4GHz的ISM（工业、科学、医学）频段上,具有开放性、低功耗等特点，传输距离一般为0.1m～10m，功率放大后可达100m。

蓝牙模块在系统中的应用，解决了智能家居系统应用时需重新布线的烦恼。

但是，蓝牙工作的ISM频段是全球的公共频段（大多数国家规定该频段为2400～2483.5MHz,并划分为79个信道,每个信道带宽为1MHz），在使用其中某个频段时，也就难免出现相互之间的干扰。

为此,系统采用跳频和前向纠错方案以确保链路的稳定性。

在进行系统的硬件电路设计时，为了提高系统电路的通用性，从而将系统分为不同的模块。

中心控制模块，负责信息汇总处理和系统总体控制功能；家庭安全防范模块，监控并采集家庭环境信息，并通过系统中心控制模块与安全设备连接可实现安全联动功能；家用电器控制模块，通过控制开关和红外遥控来实现控制家用电器的功能；紧急呼叫模块，实现紧急呼救功能；家庭内部通信模块，即为蓝牙模块，嵌入在系统中心控制模块、家庭安全防范模块、家用电器控制模块和紧急呼叫模块上，实现系统中心控制模块和家庭安全防范模块、家用电器控制模块、紧急呼叫模块间的通信；家庭对外通信模块，可实现自动报警和远程控制的功能。

由于系统电路的模块化设计和无线通信技术的应用，从而使得系统便于安装、维护。

在进行软件设计时，遵循模块化的设计思想，既考虑了各模块功能的实现，又兼顾了程序总体的协调性。

系统软件主要由一个中心控制程序和六个子程序构成。

各个子程序基本上与硬件模块相对应。

在ARM公司推出的ADS1.2集成开发环境下，利用C语言进行系统的程序设计。

论文首次将ARM单片机和蓝牙技术应用于智能家居系统中；蓝牙技术的无线连接解决了家庭布线的烦恼；系统的硬件和软件都采用了模块化设计，使得系统具有很强的可移植性。

系统的各部分硬件电路均经过联机检测实验，性能良好。

系统具有成本较低，性能完善，可靠性高，易于安装、维护、扩充升级等特点，便于推广和应用。

关键词：

智能家居；LPC2138；蓝牙技术；模块化设计

Abstract

Withthedevelopmentofthetechnologyinelectronicandcommunication,thesmarthomesystemiscomingintopeople’slife.Buttheproductsonthemarketstillhavesomedeficienciesatpresent,forexample,incompletefunction,highcost,discommodioustoinstallandsafeguardandsoon.Sothesmarthomesystemproductisn’tpopularizedverywell.Therefore,thesmarthomesystembasedonLPC2138andbluetoothtechnologyhasbeendesigned.

LPC2138whichPhilipCorporationpromotesisusedforthemastercontrolchipinthesmarthomesystem.Itisamicro-controllerwhichbasedona32/16bitARM7TDMI-STMCPUsupportedReal-TimeEmulationandEmbeddedTrack.Itsupported32/16bitcodeandcansupplystrongprocessfunction.Becauseofforty-sevenGPIOandnineexternalinterruptinLPC2138,thesmarthomesystemcansupplymanykindsoffunction.

Bluetoothtechnologyisusedfororganizingthecommunicationnetworkinthehouse.Itisonekindofpublicshortdistancewirelessconnectiontechnologymanual.Itworksinthe2.4GHzISM（Industry,Science,Medicine）frequencybandandhasmanycharacteristics,forexample,openness,lowpowerconsumption.Itstrans-missiondistanceispopularlyfrom0.1mto10m,itcanreach100mifamplifyingitspower.Theapplicationofbluetoothmoduleinthesmarthomesystem，solvethetroublethatthesystemwouldn’tneedwiringinhouseagainwhenbeingemployed.ButtheISMfrequencybandwhichbluetoothworksinisonekindofglobalpublicfrequencyband（defined2400to2483.5MHzbymostcountriesintheworldanditisplottedouttoseventy-ninechannelsandthebandwidthis1MHz）.Itisinevitabletocomeacrossmutualinterferencewhenitisworkingatoneofchannels.TheprojectofFrequencyHoppingandForwardErrorCorrectionisusedforinsuringstabilityofthelink.

Whilecarryingonhardwarecircuitdesignofthesmarthomesystem,inordertoimprovethecommonalityofthecircuit,thesystemisplottedoutdifferentmodules.Themastercontrolmoduleassumestheinformationcollecting,informationprocessingandthemajorcontrolofthesystem;Thehousesafetyandprotectionmodulemonitorsandcollectstheenvironmentalinformationofthesystem,italsocanrealizethesafetyteamworkifitconnectsthesafetyequipmentbythemastercontrolmodule;Thehouseholdappliancescontrolmodulecancontrolthehouseholdappliancesbycontrolswitchpointsandinfraredremote-control;Theemergencycallmoduleithasthefunctionofcallingforhelpperemptorily;Thehouseinsidecommunicationmoduleisthebluetoothmoduleandrealizesthereciprocalcommunicationaboutthemastercontrolmoduleandthehouseholdappliancescontrolmodule,theemergencycallmodule,thehouseinsidecommunicationmodule,thehousesafetyandprotectionmodulebyembeddedinthem;Thehouseexternalcommunicationmodule,itcanrealizethefunctionofautoalarmandlong-rangecontrol.Thebuildingblockdesignofthesystemcircuitandtheapplicationofwirelesscommunicationmakethesmarthomesystembeingeasytoinstallandsafeguard.

Whilecarryingonsoftwaredesignofthesystem,followthebuildingblockdesignphilosophy.Itnotonlyconsiderstherealizationofthefunctionofeachmodule,butalsothinksoverthetotalcompatibilityoftheprocedure.Thesoftwareincludesonemasterprogramandsixsubprograms.Eachsubprogramiscorrespondingtothehardwaremodule.UndertheADS1.2integrateddevelopmentenvironmentwhichARMCorporationpromotes,exploitssoftwareofthesystemusingtheClanguage.

ARMprocessorandbluetootharethefirsttimeusedintheconstructionofthesmarthomesysteminthispaper;Becauseofthewirelesslinkofthebluetooth,thereisnotroubleinhousewiring;Becauseboththehardwareandsoftwareofthesystemapplythebuildingblockdesign,sothesystemhasbetterportability.Eachpartofthehardwarecircuitisreliableperformancebyonlinedetecting.

Thesmarthomesystemislowcost,perfectperformance,highreliability,easytoinstall,safeguardandupgrade.So,itisexpedienttopopularizeandapply.

Keywords:

smarthome;LPC2138;bluetooth;buildingblockdesign

摘要2

Abstract3

第一章绪论1

1.1智能家居的发展现状1

1.2智能家居系统的结构及功能2

1.3本文的主要工作和技术路线2

1.3.1主要工作2

1.3.2技术路线3

1.4本文的创新点3

本章小结4

第二章应用技术介绍4

2.1LPC2138单片机4

2.1.1LPC2138单片机简介4

2.1.2LPC2138单片机的特性4

2.1.3LPC2138结构图和引脚排列5

2.2蓝牙技术6

2.2.2跳频技术7

2.2.3纠错技术7

2.2.4微微网（Piconet）7

本章小结9

第三章系统硬件设计11

3.1系统的总体结构11

3.2系统硬件电路设计11

3.2.2家庭安全防范模块13

3.2.3家用电器控制模块14

3.2.4家庭内部通信模块15

3.2.5家庭对外通信模块17

第四章系统软件设计25

4.1系统的软件结构25

4.2各模块软件设计25

4.2.1安防模块25

4.2.2家电控制模块26

4.2.3家庭内部通信模块28

4.2.4家庭对外通信模块30

第五章系统测试及应用前景34

5.1系统测试及结论34

5.2系统中需要改进的地方34

5.3系统的发展趋势34

5.3.1ZigBee技术介绍35

5.4系统的应用前景36

参考文献37

致谢40

第一章绪论

智能家居是在传统住宅的基础上,利用现代计算机技术、现代通信技术、自动控制技术来实现家庭内部各种信息的采集、处理、传输和显示,实现对家庭内部各种电器设备和安全防护设备的自动化、智能化监控,从而使人们的家居生活更加安全、舒适、便利。

1.1智能家居的发展现状

智能家居从上世纪八十年代兴起于日本和欧美，九十年代末引入中国。

目前，美国有7000万家庭依靠智能化家庭网络设备生活[1]。

近年来，以美国微软公司及摩托罗拉公司等为首的一批国际知名企业也先后进入智能家庭网络的研究及开发领域，分别开发了“梦幻之家”、“家庭主任”、“居所之门”等家庭智能设备。

3COM公司研发出家用无线网关等网络产品，并与Microsoft联手开发通用式即插即用的家庭网络系统。

该系统方便地连接家电与网络，可以高速传输文字、语音、视听等资讯。

这套产品也适合小型办公室[2]。

Intel推出了Anypoint家庭网络系统可以通过电话线或无线方式将PC机与住户家中的各种设备连接起来，该公司还准备在适当的时候推出家用网关等网络设备。

日本松下电器等一批大公司联手推出了无线连接和电力线连接并用的Echone系统，该系统支持即插即用，且能兼容不同厂家的家庭电器设备。

近年来随着自动化技术、智能技术的不断更新，国际上出现了很多功能比较齐全的智能家居产品，例如ELAN、LifeWare、HomeLogic和mControl等产品，引领了国际智能家居产品的潮流[3]。

国内厂商也在进行智能化家庭网络产品的研发和生产，一些大型IT企业利用自身在资金与技术等方面的优势，在低端产品市场上己占据了相当重要的地位。

清华同方在智能化家庭网络领域与建设部智能建筑化专家委员会共同设立了智能住宅开放实验室，还取得了著名综合布线厂商西蒙、百通全线产品在中国的总代理资格。

北京德达创先科技集团先后开发了LDMS-2000，智能家居控制器、HomeNet网络化综合管理系统，并开通中国智能建筑服务网提供智能化建筑的在线咨询与在线技术支持，该网站已成为国内建筑智能化领域的权威网站。

目前在国内从事智能化家庭网络产品的企业中还有近几年从事安防产品转移过来的一些中小企业，一些传统家电业的巨头如海尔、创维、TCL、科龙、海信也开始进入智能化家庭网络产品市场。

在近几年，各电子产品制造商、各电信产品生产及运营商，在合作基础上提出了三种符合中国国情的智能家居协议标准，包括以中国电信为首的中国通信标准化协会的CCSA标准协议、以联想为首的国内闪联信息设备资源共享协同服务的IGRS标准协议和以海尔为首的e家佳的ITop-Home标准协议[4]。

虽然国内各大厂商开始进入智能家居产品的研制和开发，但目前市场上的产品还都存在这样或那样的不足，例如功能不全、成本较高、安装维护不便等，使智能家居产品没有得到很好的推广。

因此，国内市场迫切需研制一种功能完善、安装维护方便并且价格合理的智能家居系统。

1.2智能家居系统的结构及功能

目前国内市场上的智能家居系统依据其体系结构为特征进行划分，可以分为以下四种类型[5-9]：

（1）拼凑型控制系统；

（2）主机式集中控制系统；

（3）遥控型系统；

（4）现场总线控制系统。

智能家居系统主要有以下几种功能：

（1）智能家庭安防：

实现家庭的防火、防盗和防煤气泄漏。

在无线连接状态下，对防盗报警器、烟雾探测器、有害气体检测装置等进行数据采集以及可自动查询各传感器的工作状态。

一旦出现警情，则由智能监控系统通过电话网向主人报警或通过互联网向监控中心报警。

（2）智能家庭仪表：

通过蓝牙设备和计算机实现对水表、电表和煤气表的远程抄表。

（3）智能家电：

通过互联网、电话线接口，实现信息交换和远程控制。

包括对重要家用电器、主要电源插座等实行远程监测和控制。

（4）场景组合控制功能：

主要是通过对灯光、电器和安防的不同状态的设定，设计成几种特定的模式，如回家、外出、娱乐等，供用户选择。

（5）紧急呼救：

家中突发紧急事件时，可按动紧急呼救按钮，由系统的自动拨号模块拨出预先设置的号码求救（例如：

家中老人突然发病可拨出预先设定的号码120或者别的求助号码）。

另外还有部分智能家居产品具有智能门禁、可视对讲、现场监控等功能。

1.3本文的主要工作和技术路线

1.3.1主要工作

本文主要做了以下几个方面的工作：

（1）将ARM单片机引入到智能家居系统中，提高了系统的控制功能，为完善系统的功能打下基础，并简要介绍了菲利普公司的ARM单片机LPC2138。

（2）将蓝牙技术引入到智能家居系统中，研究如何实现系统的模块化设计，从而探索使智能家居产品便于安装维护的办法。

并简要介绍了蓝牙技术及在硬件设计中用到的蓝牙芯片。

（3）给出了系统的总体结构框图，并对系统各模块的硬件电路进行了详细的分析和说明。

（4）对系统的软件设计进行了介绍，并给出了部分程序的流程图。

（5）对系统调试的结果进行分析，对论文进行了总结，并提出了未来需要进一步研究开发的方向。

1.3.2技术路线

在大量查阅国内外有关参考文献的基础上，详细了解了智能家居系统的发展历史、当前国际上智能家居产品应用的技术及其发展趋势。

参观调研了一些电子商场，实际考察了目前市场上智能家居产品及其功能特性，了解了适应国内市场产品的要求，从而确立了技术上循序渐进的开发步骤：

（1）根据实际情况对具体的功能模块提出各自的实现方法。

（2）在做好系统总体规划的基础上，分别设计系统的各部分电路，先应用EWB、protel99se等相关软件进行仿真，然后在实验箱上进行测试。

（3）设计系统的程序。

根据总体规划，分块实现的原则进行编程，然后利用开发板和实验电路进行联机测试，最后进行程序的整合。

（4）软硬件测试完成后，利用Protel99SE软件画出系统的原理图和PCB图，并做出系统的电路板，结合程序进行系统的综合调试。

1.4本文的创新点

（1）将ARM单片机引入到智能家居系统中，从而使系统的功能比较完善，硬件电路非常简洁，提高了系统的可靠性和性价比。

（2）将蓝牙技术引入到智能家居系统中，用无线传输代替有线传输，且易于实现系统的模块化设计，使系统结构更加简单，安装维护更容易。

（3）首次提出将ARM单片机和蓝牙技术结合起来，应用到智能家居系统中，使得系统扩展功能方便，安装灵活，节约能源。

本章小结

本章主要介绍了智能家居的概念、基本功能和国外的发展现状以及国内在智能家居领域的研究状况和现状。

并简要介绍了本文的主要工作和系统的技术路线，最后对本文的创新点做了一个小结。

第二章应用技术介绍

2.1LPC2138单片机

2.1.1LPC2138单片机的特性

LPC2138[10]是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32/16位ARM7TDMI-STMCPU的微控制器，带有512KB的嵌入的高速Flash存储器，128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。

它对代码规模有严格控制的应用，使其可用16位的Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能损失却很小。

其较小的封装、极低的功耗以及2个32位定时器、2个10位8路ADC、1个10位DAC、PWM通道和47个GPIO以及多达9个边沿或电平触发的外部中断使LPC2138可理想地用于小型系统中，如访问控制、POS机、通信网关、协议转换器、软modem、声音辨别和低端成像等。

LPC2138具有如下特性[10]：

①小型LQFP64封装的16/32位ARM7TDMI-S微控制器，32KB片内静态RAM。

片内Boot装载软件实现在系统/在应用中编程（ISP/IAP。

扇区擦除或整片擦除的时间为400ms，1ms可编程256字节。

EmbeddedICE®RT和嵌入式跟踪接口可实时调试（利用片内RealMonitor软件）和高速跟踪执行代码。

④实时时钟具有独立的电源和时钟源，在节电模式下极大地降低了功耗。

⑤具有两个低功耗模式：

空闲和掉电，也可通过个别使能/禁止外部功能和降低外部时钟来优化功耗，也能通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。

⑥向量中断控制器。

可配置优先级和向量地址。

⑦通过片内PLL可实现最大为60MHz的CPU操作频率，PLL的稳定时间为100微秒，片内晶振频率范围：

1~30MHz。

⑧单个电源供电，含有上电复位（POR）和掉电检测（BOD）电路；CPU操作电压范围：

3.0~3.6V（3.3V+/－10%），I/O口可承受5V的最大电压。

2.1.2LPC2138结构图和引脚排列

LPC2138的结构如图2.1所示[10]。

LPC2138的LQFP64封装的引脚排列如图2.2所示[10]。

2.1.3LPC2138的应用领域

自从推出LPC2138以来，已经在很多方面获得了成功的应用。

典型的应用有：

工业控制；

医疗系统；

访问控制；④POS