智慧家居系统组网关键技术研究与设计第4章Word文档下载推荐.docx

1、如何在兼顾系统性能的情况下选择一款性价比高、性能合适的处理器显得十分重要。考虑到功能需求、成本、体积、功耗与可靠性等要求选用嵌入式处理器作为智慧网关的处理器。综合考虑功能、成本、开发难度与实际需要，智慧网关选用SAMSUNG公司的S3C6410作为核心处理器。S3C6410是基于ARM11架构的16/32位高性能、低功耗的RSIC通用处理器，包含16KB的指令数据Cache和16KB的指令数据TCM（Tightly Coupled Memories，紧耦合内存），当ARM Core电压为1.1V的时候，可以运行到533MHz，在1.2V的时候可以运行到667MHz38。芯片内部集成了很多强大的

2、硬件加速器，包括音频处理、2D加速、运动视频处理、显示处理和缩放，其集成的MFC（Multi-Format video Codec，多格式媒体编解码器）支持MPEG4/H.263/H.264编解码和VC1的解码，此外还支持实时的视频会议以及NTSC（National Television Standards Committee，美国国家电视系统委员会）和PAL（Phase Alteration Line，逐行倒相）制式的TV输出。嵌入式核心处理模块是基于S3C6410处理器的核心板，智慧网关硬件采用“核心板+底板”的结构进行设计，核心板采用飞凌的OK6410核心板，OK6410核心板部分资源如

3、下：1. 配置型号为K9GAG08U0D的2G Bytes NAND FLASH，该存储器主要用于存放内核代码、文件系统、应用程序和数据资料；2. 配置两片型号为K4X1G163PE的256M Bytes Mobile DDR，DDR数据传输总线频率可达266MHz，用于数据的快速存取。4.2.2 以太网、串口等接口模块1. 以太网模块智慧网关使用高集成度、高性价比的以太网芯片DM9000AE，它可自适应10M/100M以太网，内置16KB的SRAM，可以挂载在8/16bit两种数据收发模式下，可以通过以太网接口实现智慧网关入网，下载系统镜像，挂载NFS网络文件系统等功能。以太网模块电路原理图

4、如图4.3所示。DM9000AE的中断信号使用S3C6410处理器的“EINT7”中断，EECS引脚处于悬空状态，故DM9000AE工作在16位模式，以太网接口使用内置变压器的RJ45座子。图4.3 以太网模块电路2. 串口模块智慧网关设计了6路串口，包括3个5线RS232电平串口和3个3线TTL电平串口，通过串口实现智慧网关和语音识别模块、ZigBee协调器等模块的连接，其中UART0默认为调试接口，串口接口模块电路如图4.4所示，通过MAX202E芯片实现RS232电平与TTL电平之间的转换，MAX202E是一款低功耗、高数据速率、增强型ESD（Electro Static Dischar

5、ge，静电释放）保护的电平转换芯片，内部包括两个发送器和两个接收器，采用专有的低电压发送输出级。图4.4 串口模块接口电路3. CAN总线模块CAN总线模块由CAN控制器和CAN收发器构成，被认为是几种最有前途的现场总线之一，选用MCP2515作CAN控制器，MCP2551作CAN收发器。MCP2515采用SPI方式进行数据通信，最高可达10Mbps的通信速率，该芯片最大的作用是简化了CAN总线电路设计的复杂度和降低了成本。MCP2551具有可容错属性，它为CAN控制器提供差分收发能力，符合ISO-11898标准，工作速率最高达1Mb/s。CAN总线模块电路如图4.5所示，MCP2515的中断

6、引脚与S3C6410处理器的中断引脚EINT16相连。图4.5 CAN总线模块电路4. RS485总线模块RS485是EIA（Electronic Industries Association，美国电子工业协会）制定的利用平衡双绞线作传输线的串行总线通讯标准，它是针对RS232的一种升级接口标准，最大传输距离可达1.2km，最多可连接32个驱动器和收发器，最大传输速率可达2.5Mb/s39。MAX485是一款用于RS485通信的半双工通信芯片，它具有低功耗、限摆率、性价比高的特性，实现将TTL电平转换为RS485电平，其电路原理图如图4.6所示；RXD3和TXD3分别为接收器的输出和驱动器的输

7、入端，GPK5用来控制MAX485的接收或发送；引脚A和B分别为接收和发送的差分信号端，当A引脚的电平高于B引脚时，表示发送的数据为1；当A引脚的电平低于B引脚时，表示发送的数据为0。图4.6 RS485总线模块电路5. WiFi、3G接口模块WiFi模块和3G模块都使用USB接口和智慧网关相连，USB接口电路如图4.7所示。WiFi模块使用360随身WiFi 2代，通过USB接口与智慧网关连接。它具有功耗低、散热好、稳定性好等特点，支持20MHz/40MHz频宽，成倍提升性能；支持软AP模式，符合IEEE 802.11N协议，同时兼容IEEE 802.11G和IEEE 802.11B标准；能

8、够自动侦测网络及变换传输速率，支持64/128/152位WEP数据加密和强大的WPA/WPA2/TKIP/AES安全机制，支持Multiple BSSID。 3G模块选用USB接口的3G模块中兴AD3812，支持的网络：WCDMA/HSDPA/HSUPA: 850/1900/2100（MHz），GSM/GPRS/EDGE: 850/900/1800/1900（MHz），下载速度最高可达7.2Mbps，上传速度可达2Mbps。支持语音通话，上网状态下接听来电，收发短信功能，支持AT命令，接口为Mini-PCI-Expresscard/34具备流量统计功能。图4.7 WiFi模块接口电路4.3 Z

9、igBee无线模块硬件设计ZigBee无线感知网的实现方案主要有三种：1. 分离双芯片方案：第一种是MCU和RF分离的双芯片方案，ZigBee协议栈运行在MCU上，RF芯片用于无线通信信号的调制解调；2. 单芯片方案：第二种是在一块芯片上集成RF和MCU的单芯片方案，ZigBee协议栈直接运行在单个芯片上；3. 适配双芯片方案：第三种是MCU和ZigBee协处理器配合的双芯片方案，ZigBee协议栈运行于ZigBee协处理器之上，MCU上运行应用程序。上述三种方案各有特点，可根据具体需要进行选择。第一种方案灵活性高，但由于中间连接线的存在，在复杂的应用环境下会产生一些问题；第二种方案占用空间最

10、小且开发容易，兼容性与芯片之间数据传输可靠性比较强；第三种方案灵活性高且能缩短产品上市时间。单芯片方案为目前主要发展趋势，国内外主流ZigBee芯片如表4.1所示。表4.1 主流ZigBee芯片对比芯片型号JN518CC2530MC13192EM260LINK-23X厂家JennicTI（Chipcon）FreescalEMBERATMEL工作频率（Hz）2.42.485G可用频段（个）16无线速率（Kbit/s）2502502000发射功率（dBm）2.54.53.63接收灵敏度（dBm）-97-92-101最大发射电流（mA）153537.521最大接收电流（mA）18244241.520

11、休眠电流（uA）0.210.28综合考虑功耗、成本、开发难易度等因素，最终选择TI公司的ZigBee芯片CC2530。ZigBee无线模块的硬件设计以“核心板+功能底板”的形式进行，ZigBee核心板包括CC2530最小系统、天线，并引出所有IO口通过接插件与功能底板连接；功能底板包括基本的电源模块、JTAG调试接口、串口、常用的按键、LED灯和各种传感器模块的引出座子等功能模块。这样的设计既方便调试测试，又为以后的产业化打好了基础。4.3.1 ZigBee核心板电路设计CC2530作为真正意义上的单芯片ZigBee解决方案，其RF模块完全符合IEEE802.15.4/ZigBee协议，支持C

12、RC硬件校验，内嵌AES（Advanced Encryption Standard，高级加密协议）模块。在单个芯片上集成了ZigBee射频前端、MCU和内存，8KB RAM，具有四个不同版本闪存32/64/128/256，可根据具体应用需求进行选择40。其MCU为增强型的8051内核，使用标准的8051指令集，具有8倍于标准8051内核的性能。如图4.8所示为ZigBee核心板电路原理图，由图可知仅需晶振、天线等少量的外围器件CC2530就能正常工作，图中J1、J2、J3为三路2.0mm排针母座，通过他们实现与功能底板的连接，天线设计有板载PCB（Printed Circuit Board，印

13、制电路板）天线和SMA天线，通过P1（0欧电阻）进行选择。图4.8 ZigBee核心板电路4.3.2 ZigBee功能底板电路设计ZigBee功能底板配合ZigBee核心板使用，方便进行调试和研发。功能底板构成如图4.9所示。电源模块提供5V或3.3V电源，5V电源通过电源座子或者USB接口接入，3.3V电源通过HT7533-1稳压芯片提供，并预留电池引脚方便电池供电；10针JTAG口用于调试和程序下载；USB转串口模块采用性能价格适中的PL2303HX USB转串口桥接芯片实现；按键引出自P04、P05、P06、P07、RESET引脚，其中RESET用于模块复位，其它按键用于各种控制功能的实

14、现；LED指示灯包括电源指示灯、P14网络状态指示灯和引出自P10、P11、P12、P13引脚的红、黄、绿、蓝四色指示灯。功能底板和传感模块之间通过接插的方式连接，对相应的IO口通过排针或者排母进行了引出，包括：红外收发、温湿度传感、光敏、LED灯控制、继电器、烟雾传感、蜂鸣器、红外热释电等各种传感接口和TTL等其它备用IO口。图4.9 ZigBee功能底板硬件框图4.4 WiFi视频监控节点硬件设计WiFi视频监控基于无线WiFi技术，WiFi视频监控节点处于整个视频监控系统的最前端，由WiFi模块与USB摄像头模块构成，WiFi视频监控节点的硬件框图如图4.10所示。WiFi芯片选用雷凌公

15、司的片上WiFi芯片，RT5350是一款单芯片视频监控芯片，在一块芯片上集成了WiFi功能和CPU功能，具有质量好、尺寸小、性价比高的特点。支持802.11N、150Mbps无线局域网速率，具备HOST USB接口，支持CDMA、UART、I2S、SPI、I2C及PCM等接口，还整合了基频、802.11N媒介访问控制、360MHz MIPS 24K CPU、前端模块、2.4 GHz射频以及5端口的10/100 M以太网交换器。图4.10 WiFi视频监控节点硬件框图WiFi视频监控节点实物图如图4.11所示，该模块外置接口丰富，有网口、串口、USB接口，采用了8M Flash和32M的SDRA

16、M，提供了足够的存储空间，USB摄像头通过USB接口连接至WiFi底板。图4.11 WiFi视频监控节点实物图4.5 智慧家居传感控制模块硬件设计传感控制模块是智慧家居系统中不可或缺的组成部分，它们是环境参数的采集者、各种控制管理功能的执行者。家庭内部传感器种类繁多、控制方式不一，很难一一列举，本文主要介绍其中的温湿度传感模块、光敏传感模块、继电器模块、烟雾传感模块和热释红外模块，其中LED灯光模块可以直接用ZigBee功能底板上的LED灯模拟，这里不再赘述。4.5.1 温湿度传感模块电路设计温湿度传感模块用于采集家庭室内外的温湿度，温湿度数据直接影响到住户的舒适度及健康。因此，温湿度传感模块

17、的设计是智慧家居系统设计的重要组成部分，温湿度传感器采用单总线数字温湿度传感器DHT11，单总线即只有一根数据线，系统中的数据交换，控制都由这根线完成。DHT11使用专用的数字采集技术和温湿度传感技术，由一个电阻式感湿元件和一个NTC（Negative Temperature Coefficient，负温度系数）测温元件构成，具备输出校准、可靠性高、稳定性好、性价比高、功耗低的特点41。其电路原理图如图4.12所示。图4.12 温湿度传感模块电路DHT11采用4针单排引脚封装，起作用的是1、2、4脚，3脚为空脚，1脚VCC采用3.3V供电，2脚数据脚接至CC2530的P06脚，3脚接地，通过P

18、1座子实现与ZigBee功能底板的连接。4.5.2 光敏传感模块电路设计光敏传感模块采用光敏电阻GL5516作光强信号采集，光敏电阻的原理是：基于内光电效应，在黑暗的环境中光敏电阻的阻值很高，随着光照的增强其阻值变小。图4.13 光敏传感模块电路光敏传感模块的电路原理图如图4.13所示，P5516接至CC2530上的P01引脚，NPN三极管SS8050LT1和LED灯D12组合成一个简单的灯光控制电路，通过P8座子连接至ZigBee功能底板。在黑暗的情况下R36阻值很大，当外界光强时，R36的阻值变小，P5516处的电压值变小，三极管SS8050LT1截止；当外界光减弱至某刻时，R36的阻值变

19、大，P5516处的电压值变大，此时SS8050LT1饱和导通，LED灯D12被点亮。4.5.3 继电器模块电路设计ZigBee无线感知网中的各种开关控制都是由继电器实现，比如灯的开和关、智能插座的开关、各种电器的开关等，继电器采用超小型功率继电器JQC-3FF005-1HS。图4.14 继电器模块电路继电器模块电路如图4.14所示，NPN三极管SS8050LT1的基极接至CC2530上的P06引脚，通过P06脚电平的高低控制SS8050LT1的截止与导通，其中LED D10用于通电指示，模块通过P6座子实现与ZigBee功能底板的连接。4.5.4 烟雾传感模块电路设计烟雾传感器用于对烟雾和可燃

20、气体的探测，以实现火灾防范和环境控制等应用。使用MQ-2作为烟雾传感器，可用于液化气、甲烷、丙烷、丁烷、酒精、氢气、烟雾等各种可燃气体的检测，它的灵敏度高、响应回复速度快、探测范围广、稳定性好、使用寿命长。MQ-2属于二氧化锡半导体气敏材料，当处于200300C时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加42。当与烟雾接触时，会引起表而电导率的变化。利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息，烟雾浓度越大，电导率越大输出电阻越低。图4.15 烟雾传感模块电路MQ-2烟雾传感模块电路如图4.15所示，MQ-2的2、5引脚为加热引脚，选取2脚接5V正电源

21、；1、3引脚与4、6引脚这两对引脚是信号引脚，1、3引脚接5V正电源4、6引脚做信号输出；二极管D13用作烟雾阀值指示，模块通过P11座子实现与ZigBee功能底板的连接。4.5.5 热释红外模块电路设计热释红外模块采用基于红外线技术的HC-SR501，HC-SR501的热释电红外传感器是LHI778，具有灵敏度高、可靠性好、超低工作电压的特点，在热辐射能量发生改变时，会产生电荷变化，这个效应被用来探测红外辐射的变化，可用于防盗探测、自动灯光控制等应用。当其感应范围内有人进入时，该传感器感应到红外光谱的变化，会将输出引脚的电平拉高，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。可设置光敏控制

22、方式，白天或光线暗时不起作用。可以设置两种触发方式：不可重复触发方式，即感应输出高电平后，延时时间段一结束，输出将自动从高电平变成低电平；可重复触发方式，即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平范围活动 43。模块接口电路如图4.16所示，引出了5V电源脚、接地脚和感应脚，通过P10座子连接至ZigBee功能底板。图4.16 热释红外模块电路4.6 智慧终端节点硬件设计上述的“ZigBee无线模块+传感控制模块”即可构成一个单功能的采集控制节点，复合型的智慧终端节点本文以智慧开关为例，智慧开关不仅具备开关控制功

23、能，同时能检测各种环境参数，进行视频监控。智慧开关硬件构成如图4.17所示，智慧开关硬件由WiFi视频监控模块、ZigBee节点和传感控制模块组成，其中摄像头和WiFi模块构成WiFi视频监控模块；传感控制模块除了上节所列温湿度传感模块、光敏传感模块、继电器模块、烟雾传感模块、热释红外模块之外还有红外感应模块、一氧化碳浓度传感模块，它们一起构成开关底板；WiFi模块和ZigBee节点之间通过串口进行通信。图4.17 智慧开关硬件构成WiFi视频监控节点4.4小节已经有过描述，开关底板是ZigBee节点和传感控制模块的组合，这里不再赘述，开关底板实物如图4.18所示。图4.18 开关底板实物图4.7 本章小结本章详细地分析并设计了智慧家居系统的硬件部分，给出了硬件电路总体设计方案，分别对智慧网关、ZigBee无线模块、智慧家居传感控制模块和智慧开关的硬件设计进行了介绍。