基于嵌入式智能化家居系统标准设计.doc

摘要计算机、嵌入式系统、通信技术飞速发展促进了家用电器设备网络化和智能化，家庭楼宇自动化技术越来越深入大家生活。在该领域内，国际上几十种主流协议进行着猛烈竞争，智能家居在中国应用研究也已起步。智能家居系统是信息时代带给大家一个高科技产物它包含到对家庭网络内全部智能器具、设备和系统操作和管理，和计算机技术、通信网络技术和自动控制技术应用。它们最终目标全部是为满足大家对安全、舒适、方便和符合绿色环境保护需求。本文以智能家居宽广市场需求为基础，选择家庭智能控制系统为研究对象。在对家庭楼宇自动化协议、嵌入式系统深入研究基础上采取嵌入式系统平台，成功开发了调速调光控制器、真空加压式集便装置、基于HBS协议手持编址器和基于CEBus协议照明控制器。关键字： 嵌入式系统 智能化家居 自动化 目录一概述.41.1序言.41.2智能家居系统关键功效.41.3中国智能家居系统现实状况.41.4设计依据.51.4.1智能家居系统模型.51.4.2 GPRS技术.51.4.3 ZigBee技术.6二系统原理.72.1系统总体设计.72.2系统工作步骤.7三嵌入式系统介绍.93.1嵌入式系统定义.93.2嵌入式系统开发过程.9四硬件总体.94.1 信息处理终端硬件总体.94.2监控终端硬件总体.104.2.1 S3C44B0X关键特征.114.2.2数据处理类监控终端.114.2.3 图像采集监控系统.124.2.4 电机控制监控终端.134.3 智能遥控器硬件总体.13五系统主控制器.14 5.1系统主控制器功效.14 5.2系统主控制器电路.14六软件总体.15 6.1系统软件总体结构.156.2系统软件主步骤图.15七参考文件.16一概述1.1序言智能家居系统是融合了自动化控制系统、计算机网络系统和网络通信技术于一体智能化家居控制系统。智能家居将让用户有更方便手段来管理家庭设备，确保大家生活安全舒适。比如，经过家庭触摸屏、无线遥控器、电话、互联网或语音识别控制家用设备，更能够实施场景操作，使多个设备形成联动；其次，智能家居内多种设备相互间能够通信，不需要用户指挥也能依据不一样状态互动运行，从而让大家享受幸福生活。1.2智能家居系统关键功效智能家居系统经过其关键设备一一家庭智能终端来实现家居网络化功效。具体功效以下：1，网上服务：网上购物、远程教学、远程医疗等。2，自动抄表：无须人工每户查表统计，电表、冷水表、热水表、煤气等等计量表自动传送3可视对讲：住户和访客、访客和物业中心、住户和物业中心均可进行可视或语音对话从而确保了对外来人员进入控制4供电管理：为全部灯具光电电器提供一个有效控制手段，您能够在任何地方，任何时候控制您灯具光电电器比如在全家出外旅行时亦可经过电话遥控您家俱。5照明控制系统：对灯光进行开闭和调光控制可指定任何一个开关控制对象(任何位置一盏或多盏灯)；而且依据不一样情景，做出对应调整。6、远程控制：在任意地方您全部能够经过电话或手机对家庭网络上多种电器设备进行远程遥控。当然还包含日程管理系统、家居安全防范、语音控制功效、INTERNET远程遥控、网络视频监控等功效。1.3中国智能家居系统现实状况中国家庭智能化发展道路含有自己特殊性，中国家庭智能化是由小区(小区)智能化及家庭安全系统逐步发展进化而来。所以，在中国，家庭智能化概念更含有实用性。在智能家居系统中 家庭安全系统被放在首要位置，是智能家居系统不可缺乏和基础组成部分。我们认为，在中国现阶段一个含有实用性智能家居系统应包含三个方面内容：(1)安全防范及报警功效。(2)对灯光、空调等家用电器多元化控制功效。(3)对来自家庭内部和外部多媒体信息获取、分配、存贮等处理功效。1.4设计依据1.4.1智能家居系统模型智能家居系统依据其传感器和实施器不一样性质，能够分为控制域、信息域和管理域三个部分。1 控制域在控制域中，关键由智能传感器和智能控制器组成，传感器用来测量环境参数改变， 并反馈实施器工作状态实施器接收传感器发出状态信息或管理域控制指令并实施。控制域特点是：(1)数据量小，关键有代表实施器开关状态或控制命令逻辑变量和代表环境参数数值变量等。(2)对控制网络可靠性有较高要求，但对网络通信速度(带宽)要求较低。(3)控制域网络节点多，分布广泛，所以对节点安装、调试、组网 操作(使用)方便性和易用性有较高要求。2 信息域在信息域，将包含多种信息家电或网络家电，如数字电视、网络冰箱、网络微波炉、网络洗衣机、数字机顶盒、数字音响、数码相机、PDA、计算机等，可能我们会用机项盒作为多媒体服务器对来自于家庭内部和外部多种图像、视频、音频及其它媒体信息进行采集、存贮、分配、数字化压缩及解压缩处理等，并经过多种终端设备实现人机交互。信息域特点是：(1)数据量大，对网络带宽和实时性要求高。(2)信息起源广泛：有线电视网模拟广播、网络视频服务器 有线电视网数字广播 无线广播、CD VCDDVD等媒体播放器、摄像机、互联网络等。3 管理域智能家居系统管理模型使各个智能家居系统表现出差异性。从控制节点到智能化系统服务器和实现人机交互信息终端中全部软件，组成了家庭智能化管理域。管理域通常应由前端信息采集软件、网络通信软件、各节点控制软件 人机交互界面，和实现智能化控制及管理模型管理软件、通信协议等组成。1.4.2 GPRS技术GPRS (General Packet Radio Service)。即通用无线分组业务，是一个基于GSM系统无线分组交换技术面向用户提供移动分组IP或X25连接。和GSM电路交换数据相比，GPRS在数据业务承载和支持上含有很显著优势：资源共享，频带利用率高，用户只有在进行数据传输时才占有系资源；数据传输率高，GPRS采取分组交换技术，每个用户能同时占用多个无线信道，同一无线信道又可由多个用户共享。理论上，GPRS最高传输率可达1 712kbits；支持X25协议和IP协议，可和现有数据网络进行互通互连；用户永远在线且按流量、时间计费，通信成本低。由此可见，将GPRS技术应用于智能家居系统数据传输是最理想选择。1.4.3 ZigBee技术Zigbee是一组基于IEEE同意经过802.15.4无线标准研制开发相关组网、安全和应用软件方面技术标准，被称作IEEE 802.15.4（Zigbee）技术标准。Zigbee技术是一个结构简单、低功耗、低数据速率、低成本和可靠性高双向无线网络通信技术，关键适合于自动控制、医用设备控制、家庭自动化等领域，能够嵌入多种设备中，同时支持地理定位功效。Zigbee技术优势：l 数据传输速率低：10KB/秒-250KB /秒，专注于低传输应用；l 功耗低：在低功耗待机模式下，两节一般5号电池可使用6-24个月免去了充电或频繁更换电池麻烦。这也是ZigBee支持者所一直引认为豪独特优势。l 成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本；l 网络容量大：网络可容纳65,000个设备；l 时延短：经典搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms；l 网络自组织、自愈能力强，通信可靠；l 数据安全： ZigBee提供了数据完整性检验和健全功效，采取AES-128加密算法（美国新加密算法，是现在最好文本加密算法之一）,各个应用可灵活确定其安全属性；l 有效范围小：有效覆盖范围1075米之间，具体依据实际发射功率大小和多种不一样应用模式而定，基础上能够覆盖一般家庭或办公室环境;l 工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、868MHz（欧洲）和915MHz（美国），均为免执照（无偿）频段。二系统原理2.1系统总体设计智能化家居是一个综合性信息技术平台,将居家生活各个方面联络起来,在信息化、便利性和安全性等方面提供综合服务功效。嵌入式系统智能化家居系统节点组成图1所表示。家居环境信息如温度、湿度,警情信息等经过输入图1嵌入式系统智能化家居系统节点组成端口接入智能住宅控制中心;居室灯光、电器和背景音乐等也接入控制中心实现分组遥控;另外,经过以太网网关终端及小区宽带网络Internet建立连接,以提供居室远程监控等。智能化家居系统由智能家庭总线和总线上挂接多个功效模块(节点)组成。在一个对等型网络上,各节点能够交换数据和相互控制,经过专门开发ECHome Pro软件,能够设定各节点之间逻辑关系和工作模式。在处理智能住宅中设备互连问题时,采取了分布式网络控制系统,该系统能够发挥众多嵌入式智能设备网络化特点,更轻易扩充和维护。因为采取了对等网格、单一总线方法,使得系统布线简练、安装方便。全部终端设备可随时接入总线或脱离总线。作为一套成本敏感消费电子产品,应以提供实用性功效为标准,将其控制在合理价格范围内。2.2系统工作步骤系统开启工作时，信息处理终端对监控终端初始化，信息处理终端出于待机状态，等候指令。同时安装在室内主动监控终端循环检测环境状态。当检测到有异常情况发生时，其将指令发给信息处理终端，信息处理终端控制警笛发出告警声音，并发送对应信息提醒户主或物业管理人员有险情发生并采取防范方法。当终端检测到门磁或红外告警时，将开启图像抓拍器，对用户室内现场进行连续拍照，拍摄到图像终端优异行缓存，再发送给信息处理终端，信息处理终端将图像以文件形式进行备份。用户能够经过GPRS设备或智能遥控器发送对应指令给信息处理终端，用以改变、查询双向监控设备工作状态，同时信息处理终端还反馈状态改动成功是否。用户能够对监控终端发送查询命令对被动监控终端进行数据查询。假如是查询传感器及门磁状态，监控终端对对应传感器状态进行检测，向监控主机返回传感器状态信息；假如是查询水表、电表或煤气表用量命令，监控终端发送数据给信息处理终端，信息处理终端依据“三表”RS-485协议，结构查询命令，发送对应查询命令，将回数据根据系统通信协议打包，经过终端上内置GPRS模块发送到监控主机。信息处理终端还将把对应事件以日志形式统计下来，方便事后对告警信息进行查询；当接收到数据帧是抄表命令返回数据时，主机将把数据写入到系统数据库。同时，在显示界面上弹出一个新窗口，显示户主信息、查询时间、表用量对应费用等信息。同时信息处理终端还可依据采集到环境参数对对应双向监控终端发送指令，对其状态进行调整。信息处理终端还能够经过标准串口和PC机进行连接，经过PC端对应软件，能够掉出日志文件、查表数据等信息，而且设置信息处理终端工作状态和监控终端连接管理、初始化管理，同时还能够设置更改用户信息等。三嵌入式系统介绍 家庭自动化系统出现是以计算机、嵌入式系统和通信技术快速发展为前提，其中嵌入式系统饰演了很关键角色。3.1嵌入式系统定义 嵌入式系统通常被定义为:以应用为中心，软硬件可淘汰，适应应用系统对功效、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求专用计算机系统，它关键包含四个部分:嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统、应用软件系统等。3.2嵌入式系统开发过程 3.2.1概要设计：描述系统怎样实现所述需求，包含软件模块划分、系统软件开发工具选择和关键问题论证等。3.2.2具体设计：具体描述各个模块实现方法和过程，模块间接口等问题，以作为编码人员编码准则。3.2.3编码3.2.4单元调试：编码完成后，对各个模块进行单元调试，以确保模块正常工作。3.2.5集成调试3.2.6集成调试，产品测试，产品公布四硬件总体4.1 信息处理终端硬件总体信息处理终端关键由ARM主控模块,GPRS模块,SDRAM,无线模块,报警输出电路等组成。图3。系统中ARM 控制器关键作用是对报警输入输出I/ O 口和其它部分进行控制,同时实现接收和传输视频数据、以太网通信和GPRS 网络通信等功效,所以要选择含有较多通用I/ O 口和外围资源丰富便于构建外围电路芯片。 选择三星企业S3C2410 作为系统处理器。 FLASH 选择AM29LV160DB 和28F128J 3A ,分别存放bootloader 引导代码和系统源程序。 SDRAM 选择2 片HY57V561620 组成容量为64 MB 高速动态随机存放器。图3 信息处理终端硬件总体4.2监控终端硬件总体监控终端品种繁多，前文所述，监控系统分为三种类型：主动监控系统、被动监控系统、双向监控系统。这三类监控终端硬件结构大致以下图4：图4 监控终端硬件总体CPU选择三星企业基于ARM7TDMl内核$3C440X微处理器，该处理器是三星企业专为PDA和通常应用开发提供高性价比和高性能处理方案。4.2.1 S3C44B0X关键特征1 、 CPU 为 S3C44B0X （指令缓存 8K 字节）； 2 、 Flash 为 2M 字节（用户依据需要能够自己更换为 4M 字节） 3 、 SDRAM 为 16M 字节 4 、 Nand Flash 为 K9F2828U0A （ 16M 字节）或 K9F5608U0A （ 32M 字节）或容量更大 Flash ； 5 、 USB 接口芯片为 PDIUSBD12 ，支持 USB1.1 规范； 6 、以太网接口使用 RTL8019AS 芯片； 7 、 USB HOST 接口（板上没有焊接，需要用户请看补充说明） 8 、 EEPROM 为 24LCXX （ DIP 插座，芯片用户自行配置）； 9 、 LCD 接口支持 4 位和 8 位数据总线液晶模块和触摸屏（经典如 DMF50081 ），不管黑白、四级灰度、 16 级灰度、 256 色液晶均可使用，最大支持 256 色 640 480 STN 液晶模块； 10 、两路标准三线 RS232 接口； 11 、一个标准 PS/2 接口； 12 、标准 20 芯 JTAG 接口； 13 、七路 ADC 输入； 14 、一个 ATA 接口，能够连接 IDE 硬盘，光驱 15 、四个高亮 LED ； 16 、四个轻触小按键； 17 、一个复位开关 18 、一个蜂鸣器； 19 、 RTC 电池一个； 20 、另有 S3C44B0X 160 各个引脚全部经过 2.54 标准连接器引出；系统中FLASH、SDRAM如信息处理终端，不再过多叙述。监控终端因为其传感器功效不一样大致可分为以下几类：数据处理类监控终端，图像采集类监控终端，电机控制类监控终端。不一样功效监控终端采取数据处理模块是不一样，下面分类介绍。4.2.2数据处理类监控终端数据处理类监控终端是指经过对应数据模块对传感器或家用电器发送对应指令监控终端，如对智能开关控制终端。其关键是数据格式和连接方法。依据最外围设备不一样，我们选择不一样传输模块。在该系统中，我们定义统一数据接口标准：RS-485，采取SN75LBC184扩展S3C44B0XUART接口。一些传感器传送是模拟信号，数据传输模块添加D/A转换器，系统中采取AD573。图5 数据处理终端硬件结构4.2.3 图像采集监控系统图像处理模块由图像采集芯片、图像压缩芯片及相关外围电路组成。 系统采取专用采集和压缩芯片组成硬件电路来实现图像处理功效,不采取软件方法来实现,是为了确保安防报警系统实时性,减轻控制器负担,并能取得很好数字压缩图像。图像采集芯片采取TechWell 企业TW9903。TW9903 内部带有软件控制4 选1 信号输入选择器,可选择由composite video sources 和S2videosource 组成不一样种类输入方法,能自动识别输入模拟信号格式,可将解码输出24 bit RGB、8bit 或16 bit YUV 数字信号和VREF、HREF 控制信号及PCL K时钟信号直接输入图像压缩芯片。系统采取了8 位YUV 4 2 2 输出格式,经过BNC 可对13 各摄像头模拟图像信号进行采集,并经过IIC 总线使S3C2410 对TW9903 进行初始化和控制。图像压缩芯片采取WIS Technologies 企业GO7007. GO7007 采取MPEG4 压缩算法进行实时图像压缩, 支持CCIR2601 、RGB Bayer 和8 bitCCIR2656 YUV 4 2 2 输入格式,能够提供面向窄带通信高质量40 KB/ s QCIF 视频和2 MB/ sMPEG4 视频,同时能随Internet 用带宽改变动态调整比特率和镇率,能够输出高质量微软视频格式。 含有视频输入接口、SDRAM 接口、调试接口、和控制器相连USB , HPI 输出接口等。 系统采取8bit YUV 4 2 2 输入格式和HPI 输出接口,采取MT48LC2M32 SDRAM 作为外部缓冲区,使S3C2410 控制器经过HPI 接口将初始化程序和数据传给GO7007 ,并读走压缩后视频数据。图6 图像采集监控系统硬件结构4.2.4 电机控制监控终端电机控制关键是A/D转换，本系统采取TLV5615D/A，因为该芯片输出电压有限，需要外接放大电路实现对电机运行控制。图7 电机控制监控终端硬件结构4.3 智能遥控器硬件总体智能遥控器使用户在家居中对系统各部件进行综合控制设备，因为系统复杂，包含硬件繁多，要求必需有强大功效遥控器来实现。遥控器一样采取ZigBee传输模式，由S3C2410芯片进行管理。配置有全功效键盘和LED显示器。其中使用S3C2410等上文中以提及到IC这里不再过多叙述。图8 智能遥控器硬件总体五系统主控制器5.1 系统主控制器功效智能家居主控制器接收由协调器传输来各类传感器返回状态信息，经过事先由用户设定好各个指标（温度、湿度、光照条件等）阈值进行综合智能判定，采取对应控制方法发出各类家电控制指令。同时经过在Clinux操作系统里架设基于WEBBOA服务器，可实现远程PCHttp访问，主控制器将多种传感器和家电信息经过BOA服务器反馈给远程PC，主控制器也能够经过BOA服务器将远程PC发送各类控制信息传输给协调器。 智能家居主控制器以ARM9内核SamsungS3C2410为关键，外扩网卡、LCD、SDRAM、Flash等模块。软件方面，主控制器软件开发工作包含Clinux移植、底层驱动程序开发、开源BOA服务器配置、嵌入式OS上应用程序开发。5.2 系统主控器电路系统主控器电路图3所表示，即为一单片机最小系统，外加扩展槽和部分功效电路，经过键盘扫描来确定工作模式和完成相关操作。还包含了时间芯片电路和温度检测电路，和和上位机RS-232接口电路。 图9主控器电路本设计采取DS1302是含有细电流充电能力电路，关键特点是采取串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程充电功效，而且能够关闭充电功效。DS18B20是一线式数字温度传感器；温度测量范围为55125；测温分辨率可达0.0625；其工作电源既可在远端引入，也可采取寄生电源方法产生；多个DS18B20能够并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能和很多DS18B20通信，占用微处理器端口较少，可节省大量引线和逻辑电路。以上特点使其很适适用于远距离多点温度检测系统。六软件总体6.1 系统软件总体结构软件设计采取汇编语言实现了一段开启代码(Boot Code),而全部应用程序则采取C语言编程,编译环境为HiwareC。以太网网关终端软件框图图10所表示。图10以太网网关终端软件框图6.2系统软件主步骤图系统各部件步骤不尽相同，不过有共同特点，图12为系统共有特征步骤图。图12 系统主体图七参考文件1万静华.以太网控制器嵌入式设备网络互连.湖南师范大学.12期2冯明发.夏继媛.智能家居控制系统中信息提醒功效设计. 02期3袁幼哲.浅谈智能家居控制系统设计J.甘肃科技.06期4袁秀霞.ZigBee:智能家居布线新选择J.建设科技.07期5冯琳.无线ZigBee 一切全部无线N .中国计算机报.6侯维岩.基于多相多址(MDMA)传输低功耗无线局域网J.自动化仪表.03期