智能家居系统总体专项方案设计.docx

智能家居系统总体设计方案
一 . 引言
  智能家居以家居住宅为平台，综合传感器网络、信息计算融合、自动控制等技术，将和家
庭生活相关多种应用元素有机地结合在一起，经过综合管理，让家庭生活更舒适、安全、有效、便利和环境保护。
本文从项目需求和系统功效出发，对智能家居系统进行了分析设计。介绍了系统总体结
构、工作步骤，并对系统进行了功效分拆，进而介绍了各功效子系统基础设计情况。
本系统以建筑结构复杂独体别墅为设计目标，可广泛应用于一般家居住宅环境。

二.需求分析
2.1概述
伴随社会经济发展，科技水平及信息化程度不停提升和对生活品质不停追求，人
们对家庭生活方法革新要求日益强烈。
智能家居系统应用对家庭生活方法带来深远影响，
它能提供舒适安全、环境保护节能、含有高度人性化生活空间；提供智能化家居设备控制方法；
提供全方位信息交换功效；优化大家生活方法，帮助大家有效地安排时间；增强家庭生活
安全性。

家居环境建筑设计和装修装饰千差万别，不影响建筑格局前提下，大家要求智能家庭系统安装简单方便，易于维护，可靠性高。智能家居其功效需求关键表现在完善安全保障、舒适居住环境和便利生活条件及方便安装操作上。智能家居利用传感器网络技术，结合互联网及移动通信网络，依据需求经过自组织形式将
家庭内部多种设备组成网络，实现人和家居友好融合。其基础功效包含安全防范、环境自
动控制、家电控制、视频监控、讯息交互服务等。
安全防范功效能够实时监控非法侵入、浸水、火灾、燃气泄露、紧急呼救等事件发生。
依据光强、温湿度等环境条件改变，智能家居系统能够对诸如空调、照明电器等控制从而
实现家居环境自动控制。利用视频图像监控功效，业主能够实时查看家庭现场情况。经过和
电信运行商合作，经过方便快捷方法实现用户和家庭讯息互动。
2.2 系统功效需求

⑴实现安全防范功效，对非法侵入、浸水、火灾、燃气泄露等紧急情况实现报警；
⑵对光强、温湿度等家居环境条件进行检测；
⑶对家庭现场情况进行图像采集并进行计算处理；
⑷各检测、传输设备采取无线方法组成网络进行信息传输；
⑸经过互联网或移动通信网络将检测信息及图片传送至用户；
⑹含有数据当地存放功效，设防、撤防功效；
⑺美观隐蔽、操作简便、易于安装维护。 
三.系统总体设计方案
系统由检测设备、传输设备、网关设备组成，检测设备、传输设备和网关设备组成簇树结构无线传感器网络。系统整体结构以下图所表示
3.1 检测设备
检测设备包含温湿度、光强、烟雾、燃气、红外、浸水等传感器检测节点，用以实现安防
及环境条件。检测设备以房间为单位组成星形网络，依据实际房间需要决定网络节点数量。组成网络图以下图所表示

3.2 传输设备
  传输设备包含中继节点、路由节点和接收节点（SINK）。中继节点负责以房间为单位星形网络建立及维护，将其收来其下各节点上报数据转发至路由节点，同时未来自路由节点配置及控制信息转发至每一个节点。该设备关键目标是对无线信号中继传输，以确保系统可靠运行。依据现场实际情况，节点可充当中继器。 路由节点负责以楼层为单位簇树网络建立及维护，同时负担楼层之间多跳簇树网络路由功效，以实现数据由节点经过无线网络转发至接收节点。接收节点是网关设备中一个关键组成部分，做为整个系统协调设备，负责整个网络建立和维护。其功效是实时、可靠接收来自系统中各节点发送无线数据，同时依据需要对节点发送网关设备查询控制数据。中继节点和路由节点组成多跳簇树网络以下图所表示。
3.3 网关设备
  网关设备连接着多个相互独立网络，作为智能家居系统关键组成部分，管理整个无线监测网络完整路由表，接收来自传感器网络节点数据，并对数据进行校正、融合等处理，然后经过操作终端、GPRS或以太网等传送给业主；同时对于业主所发指令给对应处理及实现一定自动控制功效等。网关实现图像采集处理，并有显示、输入及数据当地保留等功效。网关设备在系统中位置以下图所表示。

四 系统工作步骤
家庭中依据需要布设一定规模检测设备和传输设备，检测设备和传输设备组成无线网络。当有非法侵入、浸水、火灾、燃气泄露等紧急情况发生时，检测设备将检测结果经过传输设备发送给网关设备，网关设备对检测结果进行处理后发送短信至业主。业主接到短信后可发短信至网关设备，控制网关报警短信发送和摄像头图像采集。业主需要传输现场情况图片时，网关设备将抓拍图片发送彩信至业主。业主可发送短信至网关设备查询检测设备工作情况和检测信息。系统数据步骤以下图所表示。

1：检测设备检测紧急情况发生；
2：检测设备将检测结果发送至传输设备；
3：传输设备将检测结果发送至网关设备；
4：网关设备对检测结果进行处理；
5、6：网关设备、短信中心将检测结果发送至业主；
7、8：业主发送短信经过短信中心至网关设备；
9：网关设备对短息内容进行处理，依据业主需要对检测设备和摄像头进行操作；
10、11：业主需要现场图片，网关设备将抓拍图片经过短信中心发送至业主；
12：业主需要对检测设备进行控制，控制指令经过传输设备发送至检测设备；
13：业主短信操作，如继续获知家居信息，反复7～12步骤；
14：依据业主指令，检测设备停止报警或继续检测报警，如继续，反复1～13步骤。
五 系统总体设计指标
1. 实现检测信息种类：非法侵入、浸水、火灾、燃气泄露、光强、温湿度、图像采集； 2. 系统工作温度范围：-10~60℃；
3. 安全防范检测节点检测事件成功率100％；误报率<1％； 4. 无线频段：433MHz频段；
5. 发射功率：可编程控制输出功率，最大功率可达+10dBm； 6. 无线网络传输速率：1.2～100Kbps可调。
六 检测设备设计方案
6.1 设计指标
1. 检测信息种类：非法侵入、浸水、火灾、燃气泄露、光强、温湿度；
2. 工作温度范围：-10~60℃；
3. 供电方法：浸水和燃气节点交流220V，红外、火灾、光强、温湿度节点直流9V，容量800mAH；
4. 无线频段：433MHz频段
5. 发射功率：可编程控制输出功率，最大功率可达+10dBm； 6. 无线网络传输速率：1.2～100Kbps可调；
7. 天线：陶瓷全向天线，0.5dBi增益，驻波比2；
8. 结构美观，体积小，易于布设。
6.2 硬件设计
硬件平台控制关键为TI企业16位超低功耗微控制器MSP430F149，含有64KByte片上Flash存放器和2KByte片上RAM；采取优异3级流水线RISC架构，实现单时钟指令实施周期；处理器包含2个串行同时异步可配置接口控制器、时钟模块、看门狗、A/D等片上外设；采取3.3V低电压系统，可工作于5种低功耗模式，确保整个系统高效率低功耗运转。
射频模块采取TI企业低功耗单芯片射频芯片CC1100，含有-110dBm高接收灵敏度和最高+10dBm发射功率，使用ISM频段，频点为433MHz， 254个频率间隔200KHz可选信道数，可程控8个发射功率和最高500kbps射频数据传输速率。
依据需要，射频模块可设计功放步骤，提升发送功率。
选择MAX604作为电压转换芯片，其关键技术指标为：输入电压：2.7～11.5V、输出电压：3.3V、最大输出电流：500mA。检测设备为电池供电时，不需要其它转换电路。当设备供电为交流220V时，电源模块采取JMA-2.5W作为交直流变换电路。
依据检测目标不一样选择不一样传感器完成检测节点信息采集功效。传感器输出分数字和模拟两类，模拟信号需经过模拟处理单元进行滤波、放大、隔直、比较等处理后送控制关键。
依据项目需求，确定传感器型号为： 1. 温湿度传感器SHT11 2. 光强传感器TSL2560 3. 烟雾传感器NIS-09C 4. 可燃气体传感器TP-1.1A 5. 红外传感器RE200B 6. 浸水传感器YW515 硬件平台结构框图以下所表示。

6.3 软件设计
检测设备软件需实现：
1. 对传感器采集数据进行分析处理；
2. 和传输设备组成星形网络；
3. 将检测数据发送至传输设备；
4. 接收并处理传输设备发送查询控制数据；
5. 协调整个检测设备系统运行；
6. 控制检测设备功耗。
检测设备软件工作步骤以下图所表示。

检测设备加入网络过程是：设备首先监听公共频点，找到中继节点ID，然后切换到簇内频点，开始超帧调度，发送入网请求。
6.4 结构设计
依据家庭安装布设要求，遵照美观、隐蔽、微型标准，采取公模塑料外壳，依据具体需求进行再设计加工。
6.5 产品化设计
6.5.1 EMC设计
考虑电磁兼容性设计，遵照EMC标准，借鉴经验设计，并对设备进行EMC及EMI测试，依据国家标准对设备进行改善。
6.5.2 可生产性设计
电路板设计时考虑焊接、测试步骤，做到标识清楚整齐，焊接、调试方便；设计测试点，板上提供测试信息，方便设备测试；软件设计及下载调试遵照简单快捷易上手标准。
6.5.3 可靠性设计
采取降额设计。依据设计目标选择了高质量、高可靠性元器件。采取较高精度等级及可靠性高分立元件、采取工业级集成芯片。器件选择符合工作环境要求。硬件设计考虑EMC设计。
软件设计从编码可读性、正确性、可移植性、可测试性、模块化和标准化等步骤考虑提升软件可维护性和可靠性。
七 传输设备设计方案
7.1 设计指标
1. 工作温度范围：-20~85℃；
2. 供电方法：交流220V；
3. 无线频段：433MHz频段
4. 发射功率：可编程控制输出功率，最大功率可达+25dBm；
5. 无线网络传输速率：1.2～100Kbps可调；
6. 天线：鞭状全向天线，2dBi增益，驻波比<1.5；
7. 结构美观，体积小，易于布设。
7.2 硬件设计
传输设备分为中继节点、路由节点、SINK节点三类。中继节点和路由节点采取相同硬件设计，路由节点由交流220V供电，中继节点有交流220V和直流9V两种供电方法可选。SINK节点作为网关设备一部分进行设计，本章所提传输设备指中继节点和路由节点。
硬件平台MCU采取MSP430F149，射频芯片采取CC1100，射频传输模块设计功放电路，功放采取SKY65004。电压转换采取JMA-2.5W和MAX604。硬件平台结构框图以下所表示。

7.3 软件设计
传输设备软件需实现： 1. 簇树网路建立和维护； 2. 稳定可靠对数据进行传输； 3. 协调整点本身系统运行。 中继节点软件工作步骤以下图所表示。

中继节点加入网络过程是：设备首先监听公共频点，找到路由节点ID，然后切换到簇内频点，开始超帧调度，发送入网请求。
路由节点软件工作步骤以下图所表示。路由节点上电初始化后立即进入超帧调度运行阶段并在每个超帧开始时广播发送Beacon帧。

传输设备路由策略采取表驱动和按需路由，有SINK节点提议HELLO Frame，路由节点收到HELLO frame建立到Sink节点路由表，选择到信号质量最好路由节点作为到SINK下一跳路由。路由表需要定时更新。

7.4 结构设计
依据家庭安装布设要求，遵照美观、隐蔽、微型标准，采取公模塑料外壳，充电器形式。
7.5 产品化设计
7.5.1 EMC设计
考虑电磁兼容性设计，遵照EMC标准，借鉴经验设计，并对设备进行EMC及EMI测试，依据国家标准对设备进行改善。考虑到交流220V供电对无线射频传输影响，加强对硬件设计各个步骤控制。
7.5.2 可生产性设计
电路板设计时考虑焊接、测试步骤，做到标识清楚整齐，焊接、调试方便；设计测试点，板上提供测试信息，方便设备测试；软件设计及下载调试遵照简单快捷易上手标准。
7.5.3 可靠性设计
采取降额设计。依据设计目标选择了高质量、高可靠性元器件。采取较高精度等级及可靠性高分立元件、采取工业级集成芯片。器件选择符合工作环境要求。硬件设计考虑EMC设计。
软件设计从编码可读性、正确性、可移植性、可测试性、模块化和标准化等步骤考虑提升软件可维护性和可靠性。
八 网关设备设计方案
8.1 设计指标
1. 工作温度范围：-20~85℃；
2. 供电方法：直流5V；
3. 无线频段：433MHz频段
4. 发射功率：可编程控制输出功率，最大功率可达+25dBm
5. 无线网络传输速率：1.2～100Kbps可调；
6. 天线：鞭状全向天线，3dBi增益，驻波比<1.5；
7. 接口支持：SD卡座，USB主机，USB设备，RS232，RJ45。
8.2 硬件设计
硬件平台控制关键选择三星S3C2440A。采取ARM920T内核，主频400MHZ，最高可达533 MHZ。支持NAND FLASH、NORFLASH，SDRAM，支持STN/TFT LCD、触摸屏控制器，4通道DMA、3通道UART、2通道SPI、IIC总线，IIS/AC97音频控制器，SD/MMC控制器，2通道USB HOST、1通道USB DEVICE，4通道PWM、8通道A/D转换、RTC，CMOS摄像头，多功效IO及多个电源管理。
射频传输射频芯片采取CC1100，射频传输模块设计功放电路，功放采取SKY65004。
gprs彩信模块采取IWOW企业TR800。TR800支持四频 (GSM850 / EGSM 900 / DCS 1800 / PCS 1900) 。内嵌协议：TCP/IP、 WAP、 MMS 和 Push-To-Talk 。内含3M bytes内存可应用于用户应用程序。提供包含2个UART和1个SPI总线，提供1路数字及2路模拟音频接口。
摄像头选择omnivisionov9650，130万像素，YUV/RGB输出格式。
电源模块采取国家半导体企业LM2576,和LM1084实现，LM2576为开关型降压集成电路，最大输出电流3A；最高输入电压40V；输出电压：3.3V、5V、12V、15V和ADJ（可调）等可选。LM1084为低压差调压器，最高输入电压29V，输出电压3.3V、5V、12V和ADJ。
SDRAM选择两片Hynix企业HY57V561620。FLASH选择三星K9F1G08U0B，为64MNAND型FLASH。
SD卡及USB主机提供当地存放功效。USB设备及RS232进行调试测试用及同PC连接。 RJ45提供网关接入互联网功效。 网关平台结构框图以下图所表示。

8.3 软件设计
网关设备软件需实现：
1. 整个网络拓扑维护和管理；
2. 检测设备检测信息搜集；
3. 对检测、传输设备控制和查询；
4. 摄像头控制和图像采集；
5. 当地存放及布防、撤防功效；
6. 和业主移动终端信息交互；
7. 协调整个系统运行；
8. 其它扩展功效。
8.4 结构设计
遵照美观、小型标准，采取公模外壳，依据具体需求进行再设计加工。
8.5 产品化设计
8.5.1 EMC设计
考虑电磁兼容性设计，遵照EMC标准，借鉴经验设计，并对设备进行EMC及EMI测试，依据国家标准对设备进行改善。考虑到交流220V供电对无线射频传输影响，加强对硬件设计各个步骤控制。
8.5.2 可生产性设计
电路板设计时考虑焊接、测试步骤，做到标识清楚整齐，焊接、调试方便；设计测试点，板上提供测试信息，方便设备测试；软件设计及下载调试遵照简单快捷易上手标准。
8.5.3 可靠性设计
采取降额设计。依据设计目标选择了高质量、高可靠性元器件。采取较高精度等级及可靠性高分立元件、采取工业级集成芯片。器件选择符合工作环境要求。硬件设计考虑EMC设计。对设备进行长久大量可靠性测试。
软件设计从编码可读性、正确性、可移植性、可测试性、模块化和标准化等步骤考虑提升软件可维护性和可靠性。