实用智能家居系统.docx

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实用智能家居系统

实用智能家居系统

――静态监控系统（ARM7+Camera+ZIGBEE+CDMA）应用

引言

近几年，“智能家居”这一概念逐渐进入普通居民的视野，家庭安全监控作为“智能家居”一个重要组成部分，更是普通居民所普遍关注的问题。

随着社会的发展，生活水平的提高，工作压力也在逐渐增加，这就使得人们不得不在家庭与工作之间奔波，这不但带来了不便，也给家庭安全留下了隐患。

此时，家庭安全监控就显得有必要了，它可以为人们带来方便，解决家庭安全问题，解决人们的后顾之忧。

但专业的监控设备昂贵，普通居民很难消费得起，而静态监控在功能实现上虽然比不上专业监控，但对于普通的家庭用户已经够用，而且成本远比专业要低，适合普通家庭用户使用。

本设计方案从安全管理、远程管理和无线通信管理基础的三方面来构建各系统。

低成本、易使用、扩展强、美观时尚为本系统特点。

关键字：

ARM7，CDMA，Camera，ZigBee，智能家居

目录

1硬件设计4

1.1ARM7系统板4

1.1.1规格介绍4

1.2摄像系统5

1.2.1规格介绍5

1.2.2初始化5

1.2.3大致工作流程6

1.2.1CPLD的功能6

1.2.2单片机的功能7

1.3传感器8

1.3.1规格介绍8

1.3.2红外热释电传感器原理8

1.3.3离子烟雾传感器工作原理8

1.3.4门窗磁式传感器工作原理9

2传输通信9

2.1ZigBee无线传输9

2.1.1规格介绍10

2.1.2ZigBee10

2.1.3ZigBee协议栈10

2.1.4ZigBee无线传输模块11

2.1.5ZigBee硬件设计12

2.2CDMA部分12

2.2.1规格介绍12

2.2.2CDMA功能描述13

2.2.3CDMA硬件设计描述（部分）13

2.2.3.1电源设计13

2.2.3.2响铃及耳麦的设计14

3软件模块14

3.1系统结构图14

3.2基本功能及其框架15

3.2.1通过系统的人机交互介面进行操作15

3.2.2通过服务器以访问网页的形式进行操作16

3.2.3当家中出现异常情况时系统反映流程图16

1硬件设计

1.1ARM7系统板

1.1.1规格介绍

Ø处理器：

STR710F-Z2T6，内含（256+16）KBFlash、64KBSRAM；

ØEMI外扩：

256K×16SRAMIA61LV25616AL；2M×16FlashSST39VF1602；

Ø10M以太网接口（CS8900A）；

ØUSB2.0通信接口（Device）；

Ø1个RS232异步串行接口（UART0，可直对连做RS232通信实验）；

Ø2个TTL异步串行接口（UART1，用于接ZigBee。

UART2，用于接CDMA）；

Ø16×2字符LCD；

Ø5个LED指示灯（一个电源、一个STANDBY、三个通用）；

Ø1个复位按钮（RESET）；

Ø1个唤醒按钮（WAKE-UP）；

Ø5个通用按钮；

Ø20脚JTAG调试接口（高速程序下载、调试，并支持Flash烧写）；

Ø电源接口（+5V/2A）

具体见原理图和PCB图

1.2摄像系统

摄像系统母图

1.2.1规格介绍

Ø视频解码芯片（SAA7111）

ØJPEG压缩芯片（ZR36060）

ØAVR单片机（ATmega16L）

ØCPLD（Lattice:

ISPLSI2064）

ØSRAM（512K*8）

1.2.2初始化

系统上电后，先分别对SAA7111，ZR36060初始化。

对SAA7111的初始化很简单，用AVR单片机的两个IO口作为

总线的串行时钟线SCL和串行数据线SDA，根据I2C总线的时序特性用软件编程模拟

总线接口。

对ZR36060的初始化是通过ZR36060的主控制器接口完成的。

AVR单片机通过ZR36060的两位地址线AADR1:

0]，片选信号

，读写信号

，

以及数据总线DATA[7:

0]直接对ZR36060内部的4个寄存器操作。

将ZR36060的工作模式设置为:

视频同步从模式，8bit代码主模式，16bit视频总线宽度。

SAA7111初始化部分原理图

ZR36060主机接口

1.2.3大致工作流程

当AVR接收到传输图像数据的命令时，通知CPLD，并将ZR36060的CBUSY信号拉高，系统各个部分开始同步运行。

模拟视频信号从SAA7111的AI22口输入，经过AD转换和亮色分离产生YUV4:

2:

2数字信号，并从VPO[15:

0]口输出到ZR36060的视频接口。

同时输入到ZR36060视频接口的还有行同步信号HS，场同步信号VS，奇偶场指示信号RTS0以及系统时钟LLC（27MHz）和象素时钟（13.5MHz）。

ZR36060对YUV信号进行压缩，从代码接口的CODE[7:

0]输出标准的JPEG码流以及CCS，CWE等信号。

这些信号均输入到CPLD中。

CPLD通过CWE脉冲产生SRAM的写地址，将压缩数据存储到SRAM中。

需要传输JPEG图像时，AVR产生一个合适的脉冲CRD，输入到CPLD中，作为AVR从SRAM中读取数据时的地址，同时也作SRAM的读信号。

SRAM中的数据经CPLD送到AVR的IO口，然后由AVR的PA口直接将数据送到ZIGBEE。

当AVR接收到中止数据传输的命令时，通知CPLD，并将ZR36060的CBUSY信号复位，中止SRAM的读写操作。

此时，SAA7111仍处于工作状态，ZR36060处于等待状态（等待CPLD给出START和FRAME信号），整个系统等待下一次命令。

1.2.4CPLD的功能

CPLD子图

ZR36060向SRAM中写数据时的地址发生器

当ZR36060的代码接口向外传输数据的时候（CBUSY=1），代码接口输出JPEG压缩码流CODE[7:

0]，以及CCS，COE，CWR，ACK等信号。

这些信号都输入到CPLD中。

CPLD内部将实现一个计数器功能，其中，CWR作为计数脉冲。

计数值作为SRAM的地址，将CODE[7:

0]的数据顺序存储到SRAM中。

同时，CWR还作为SRAM的写信号。

单片机从SRAM中读数据时的地址发生器

当单片机需要从SRAM中读取数据的时候，单片机的某一个IO口产生一个合适的脉冲信号CRD，CPLD以该信号作为计数脉冲，产生另外一个读数据的地址，将SRAM中的数据顺序读取到单片机中。

同时，CRD还作为SRAM的读信号。

合理分配SRAM的总线控制权

当ZR36060向SRAM中写数据的时候，SRAM的三总线必须交给ZR36060控制；当AVR单片机需要从SRAM中读取数据的时候，SRAM的三总线的控制权必须交由AVR。

在这个过程靠CPLD来实现。

ZR36060工作状态控制

ZR36060有很多种工作状态，在这个系统中必须交替处于三种状态：

睡眠状态，空闲状态，压缩状态。

系统上电后ZR36060要在在睡眠状态锁定缩相环（SLEEP=0），然后SLEEP=1进入空闲状态，在空闲状态完成初始化，然后等待压缩启动信号START，然后扫描FRAME，开始进入压缩状态开始压缩数据。

压缩完一场后END=0，当ZR36060检测到END=0后停止压缩，又处于空闲状态。

1.2.5单片机的功能

Atmega16L子图

系统的初始化

系统的初始化主要时指SAA7111和ZR36060的初始化。

AVR单片机通过SCL，SDA对SAA7111进行初始化；通过ZR36060的主机接口对ZR36060进行初始化；

控制系统的启动

单片机负责接收ZIGBEE发送过来的命令并启动系统开始工作；

发送数据给ZIGBEE

单片机的PA口分时复用。

初始化时作为ZR36060主机接口的数据线，之后作为和ZIGBEE传输数据的通道。

1.3传感器

传感器系统是智能家居的反馈的终端，包括识别人（红外热释电传感器），门窗防盗（门磁传感器），火报警（烟雾温度传感器）。

在本系统中，每个传感器与无线节点相连，传感器的数据由ZigBee无线节点回送。

1.3.1规格介绍

Ø红外热释电传感器

Ø离子烟雾传感器

Ø磁式传感器

1.3.2红外热释电传感器原理

人体有恒定的体温，一般在37℃，所以会发出特定波长为10μm左右的红外线。

被动式红外探头就是靠探测人体发射的10μm左右的红外线而进行工作的。

人体发射的10μm左右的红外线，通过菲涅尔滤光片增强后，聚集到红外感应源上。

红外感应源泉通常采用热释电元件。

这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时将会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后产生报警信号。

上图为双元热释电红外检测元件LHI968的内部电路。

它由两个双元热释电陶瓷，感应红外信号，再经场效应管放大输出。

D端的电阻和S端的电容具有抗电磁干扰能力。

信号从S端引出经前级放大，通过47μF电容后再次放大，与设定门限电压进行比较，获得报警输出信号。

47μF电容能够除直流成分，从而消除了使用环境（阳光、灯光、火源泉等）对探测器的影响，后面再加一延时触发电路以便主人设防与撤防。

现在已有专用集成芯片BISS0001实现以上功能。

为了适应主人进门时撤防的需要，设计一报警延时电路。

延时长度须满足：

当人以1m/s的速度从探测器的正前方移动0.2m，不产生报警；但移动3m应报警，测试速度应能检测0.3～3m/s或更宽的速度范围。

1.3.3离子烟雾传感器工作原理

图3（a）是单电离室的结构图，P1和P2是一对电极，在电极之间放有放射性物质241Am，不断放出a射线，高速运动的a离子撞击极板间的空气分子，将其电离为正离子和负离子，从而使电极之间原来不导电的空气具有了导电性。

如果在极板P和P2之间加上一个电压E，极板间原来杂乱无章的正负离子，在电场的作用下作有规则的运动，从而在极板间形成电离电流，施加的电压越高，则电离电流越大，当电离电流增加到一定值时，将不再增加，此电流称为饱和电流，如图3（b）所示。

为了减少温度、湿度等环境条件变化对电离电流带来的影响，以提高传感器工作的稳定性，将两个电离室串接起来与电源相接，上面的一个为补偿电离室，下面的一个为检测电离室，在结构上检测电离室做成烟雾容易进入的型式，而补偿电离室做成烟雾很难进入、而空气又能慢慢进入的型式。

当有火灾发生时，烟雾进入检测电离室，由于烟离子的阻挡作用，一方面使电离后的正负离子在电场中的运动速度降低，另一方面使a射线的电离能力降低，从而使检测电离室的电离电流减小，这一现象，相当于补偿电离室的等效电阻未变，而检测电离室的等效电阻变大，从而使A点的电位升高。

显然烟雾浓度越大，烟离子的阻挡作用越强，A点电位越高。

这一电压信号经由T1、T2组成的跟随电路，传送给模／数转换电路，实现对烟雾浓度的采样。

采用离子源作为烟敏元件的突出特点是电流消耗极低，只有数百nA，适合在总线系统中使用。

图4中的Rt为自检电阻器，由于离子源等效电阻很高（一般在10MO以上），只要适当选择Rt，就可使Rt上的压降在正常情况下近似为0.对探测器进行自检时，一个逻辑高电压加到Rf上，使传感器输出升高，单片机根据自检前后的模／数转换结果，可判断出模／数转换及传感器两个模块的功能是否正常。

1.3.4门窗磁式传感器工作原理

门窗磁式传感器一般案卷在门内侧的上方。

它由两部分组成：

较小的部件为永磁体，内部有一块永久磁铁，用来产生恒定的磁场；较大的是门窗磁式传感器主体，内部有一个常开型的干簧管。

当永磁体和干簧管靠得很近时（小于5mm），门窗磁式传感器处于工作守候状态；当永磁体离开干簧管一定距离后（大于8mm），门窗磁式传感器立即产生报警信号。

2传输通信

2.1ZigBee无线传输

ZigBee作为传输无线传输协议，在系统中各个模块互联互通采用。

在ARM7主板上，Jennic5121Module作为网络协调器，组建整个星型网络核心，负责节点管理、动态组网与数据传输；对于传感器、摄像机等数据发送设备，作为精简功能节点，只构成无线网络终端，由核心节点负责其网络的加入管理。

2.1.1规格介绍

ØJennicZigBeeModule5121

ØLP2985fixed-outputvoltageregulator

ØTSL2550LightSensor

ØSHT11TemperatureandHumiditySensor

2.1.2ZigBee

ZigBee是一种高可靠的无线数据传输网络，采取了IEEE802。

15。

4强有力的无线物理层所规定的全部，同时增加了逻辑网络、网络安全和应用层。

与以已有的无线传输方式相比：

市场名/标准

GPRS/GSM1xRTT/CDMA

Wi-Fi/802。

11b

Bluetooth/802。

15。

1

ZigBee/802。

15。

4

应用重点

广阔范围声音，数据

Web，Email，图像

电缆替代品

监测控制

系统资源

16MB+

1MB+

250KB+

4KB-32KB

电池寿命（天）

1至7

0.5至5

1至7

100至1，000+

网络容量

1

32

7

255/65，000

带宽（KB/s）

64-128+

11，000+

720

20-250

传输距离（米）

1，000+

1-100

1-10+

1-100+

特点

覆盖面大，质量

速度，灵活性

价格便宜，方便

可靠，低功耗，价格便宜

ZigBee新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，应用于智能家居系统，能有效发挥它低成本、低功耗和丰富而便捷的优点。

在本套系统中，低速率室内无线连接传输部分使用ZigBee技术，ZigBee技术可靠保密性充分满足智能家居的安全与人性化。

以下为各节点的技术概要:

节点名

摄像头

红外传感器

烟雾传感器

门窗传感器

用户触点

结点数（用户需求）

1～10

5～30

1～20

5～20

1～10

工作有效时间（天）

（有线供电）

200+

节点所需速率（Kb/s）

20～50

<5

室内有效距离

1-40

1-100

可行性

满足

非常好

由于家庭构建的特点，以基于ARM7（STR710ZF）中央控制为核心，各反馈采集子系统返回信息，子系统的互联互通要求不高，采用ZigBee一点对多点的树状结构。

2.1.3ZigBee协议栈

完整的ZigBee协议栈由物理层、介质访问控制层、网络层、安全层和高层应用规范组成。

如图所示，ZigBee协议栈的网络层、安全层和应用程序接口等由ZigBee联盟制定。

其中安全层（Security）主要实现密钥管理、存取等功能。

应用程序接口负责向用户提供简单的应用软件接口（API），包括应用子层支持（ApplicationSub-layerSupport，APS）、ZigBee设备对象（ZigBeeDeviceObject，ZDO）等，实现应用层对设备的管理。

2.1.4ZigBee无线传输模块

ZigBee采用Jennic公司的JN5121无线模块，JN5121是低功耗低价格的适应IEEE802。

15。

4协议的无线微控制芯片。

JN5121使用硬件MAC和安全加密加速硬件AES，整合的电源控制设备使该系统极低的电源消耗。

Ø单芯片集合无线收发器和无线传感器网络微控制器

Ø高效低功耗微控制器负责控制和传感器

Ø硬件MAC保证低功耗

Ø用户设备扩展

2.1.5ZigBee硬件设计

Jennic5121原理图

传感器模块

使用集成光感芯片TSL2550D与温感芯片，在每个节点均可返回数据。

同时，传感器芯片可根据市场与用户需求更改添加。

2.2CDMA部分

2.2.1规格介绍

Ø选用AnyDATA公司的CDMA集成模DTGS-800，该模块具有体积小（33mm*53mm*2。

8mm），接口丰富，可直接通过UART接口与CPU通信。

Ø电器参数:

✓供电电压:

DC4。

5V

10%Battery3.4---4。

3V

✓工作电流:

最大时为520mA，空闲时为90mA。

串行波特率:

115200bps

2.2.2CDMA功能描述

CDMA部分主要由CDMAmoduleDTGS-800构成。

具有以下功能：

Ø发送紧急短信至指定手机，通知主人家庭情况。

Ø可接听电话，使主人及时监听家庭中的动静，判断是否有意外发生。

以上功能通过AT指令完成。

CDMA的复位可通过AT指令完成，也可通过设计中的外部引脚实现复位。

2.2.3CDMA硬件设计描述（部分）

2.2.3.1电源设计

1.DTGS-800供电电源

系统供电电压为DC5。

0V，为使电路简单，设计中采用两个二极管串联的方法将供电电压降到合适的范围内供DTGS-800使用。

具体电路原理图如下图:

电流500mA时，两个1N5817的电压降大约为0.8V

电流90mA时，两个1N5817的电压降大约为0.4V

因此DTGS-800的实际供电电压在4.2V与4.6V之间，符合DTGS-800供电要求。

2.UIM卡供电电源

UIM卡供电电压3.0V，选用低压差的电源调整芯片RT9182BCE，输出两路3.0V，RT9182BCE输入选用DTGS-800的供电电压。

利用DTGS-800的UIM卡电源使能输出控制RT9182的SHUTDOWN引脚，以控制UIM卡的电源开断。

电路原理图如下图所示。

2.2.3.2响铃及耳麦的设计

3软件模块

3.1系统结构图

上图为家庭监控系统软件管理系统结构。

对家庭监控系统的管理可以同过连接到ETHERNET上的电脑来实现。

用户可以以网页界面的形式来访问服务器，对监控系统的一切操作都需要通过服务器来实现。

用户向服务器发送对系统的操作的请求，由服务器执行对各个家庭的监控系统进行的设置和管理。

另外可以在用户登陆时进行身份确认，并在访问权限上进行一定的分级设置，实现不同用户使用需求（比如对安保部门和户主需要用不同的访问权限）。

3.2基本功能及其框架

本系统主要面向对象为家庭主人或者是安保部门。

通过对可视化可操作界面，只需要简单的操作就能实现对整个家庭监控系统的管理。

本系统主要实现对系统的查看和设置功能，即查看系统状态和设置系统参数。

3.2.1通过系统的人机交互介面进行操作

通过系统的LCD上的菜单提示进行操作，操作流程大致为：

3.2.2通过服务器以访问网页的形式进行操作

由于系统可以通过网卡接入ETHERNET，而这种系统可以实现一个物管公司对一片居民进行服务，所以以统一服务器进行服务成为可能。

这种操作的流程为：

3.2.3当家中出现异常情况时系统反映流程图

家中出现异常情况时系统反映流程图为：