一種智能家居網關系統(tǒng)的設計與實現畢業(yè)設計.doc

一種智能家居網關系統(tǒng)的設計與實現 摘要隨著社會經濟的快速發(fā)展,家庭家居要求的檔次也越來越高，而在我們生活必用的家居中則充滿了人性化和智能化。其中在現實生活中物聯網的智能電子產品和技術在智能家居的電子產品當中得到了廣泛認知和應用。通訊技術與計算機網絡之間的相互應用，則給人們的家居生活帶來一種全新感受。智能家居實現了對家庭設備間之間的互通互聯以及全方位的監(jiān)控和控制。 智能家居網關作為智能家居內外連接通信的核心，是進行遠程控制、多媒體通信等的載體，是實現智能家居系統(tǒng)與 internet相連的關鍵設備。本文在分析了現有的家庭網關方案和家庭短距離通信技術的基礎上，提出了利用arm微處理器(s3c2410)和一種基于zigbee技術構建嵌入式智能家居網關的方案。這種方案是根據zigbee技術在低速率、耗能小等無線通信方面的優(yōu)勢，利用chipcon公司的射頻芯片cc2430，實現遠程網絡監(jiān)控和數據采集。通過對智能家居系統(tǒng)的技術要求分析，采用zigbee技術來實現智能家居是一個比較理想的解決方案。 在實際應用當中，根據用戶擺放的電器位置的不同來分布，設計一個比較理想的家居網關系統(tǒng)，實現控制器對zigbee通信模塊進行相應配置并無線接收zigbee終端節(jié)點的數據。 關鍵詞： zigbee；嵌入式；s3c2410；智能家居；網關； abstract abstractwith the rapid development of social economy, the family home furnishing requirements are increasingly high grades,but the home furnishing where we live is full of humanization and intelligent.in the real life of iot intelligent electronic products and technologies in the electronic products of intelligent home furnishing has been widely recognition and application.the use of each other between communication technology and computer network, to the peoples home furnishing life brings a new feel.smart home realized the interconnection between family between the equipment and a full range of monitoring and control.as the core of smart home gateway connecting communication smart home inside and outside, is the carrier of remote control,multimedia communication, is the key equipment for realizing smart home system connected with internet.based on the analysis of the scheme of existing home gateway and home for short distance communication technology, proposes the use of arm microprocessor (s3c2410) and an embedded smart home gateway technology scheme based on zigbee.this scheme is based on the zigbee technology in the low rate, low consumption of wireless communication advantages,using the chipcon rf chip cc2430, the realization of remote network monitoring and data collection. through the smart home system requirements analysis, to realize the smart home is a relatively ideal solution by using zigbee technology.in practical application, according to the user display appliance in different position to distribution, design a more ideal smart home gateway system,realize the controller to carry out the corresponding configuration and wireless receiving terminal zigbee node to the zigbee communication module data.keywords: zigbee; embedded system; s3c2410; smart home; gateway; 目錄第一章 緒論61.1 課題研究背景及意義61.2智能家居的簡介61.3國內外現狀及發(fā)展趨勢61.3.1國外發(fā)展現狀61.3.2國內發(fā)展現狀71.4智能家居網關發(fā)展趨勢81.5本論文的主要工作和章節(jié)安排9第2章 嵌入式及zigbee技術92.1嵌入式系統(tǒng)概述102.1.1嵌入式系統(tǒng)定義102.1.2物聯網嵌入式系統(tǒng)102.1.3嵌入式系統(tǒng)的特點102.2幾種短距離無線通訊技術概況112.2.1 zigbee技術12第3章 本系統(tǒng)的總體設計方案173.1本系統(tǒng)解決方案173.2 整個系統(tǒng)數據流程圖設計方案17第4章 智能家居系統(tǒng)的硬件設計214.1系統(tǒng)硬件框圖簡介21v4.2器件選型和單元電路設計214.2.1嵌入式微處理器211.微處理器的選擇212.s3c2410的簡介214.2.2電源模塊224.2.3 nand flash存儲系統(tǒng)234.2.4 sdram設計244.2.5串口電路254.2.6晶振及復位電路254.2.7 cc2430協(xié)調器26第5章 智能家居系統(tǒng)的軟件設計與調試285.1本課題的軟件框架設計285.2 zigbee節(jié)點軟件設計295.2.1軟件開發(fā)環(huán)境295.2.2 zigbee軟件設計295.2.3主要程序代碼32第6章 實驗結論與展望34致謝35參考文獻36vi 第一章 緒論1.1 課題研究背景及意義當人類發(fā)明蒸汽機的時候，則預示著人類進入了新工業(yè)時代，而網絡的出現無疑將信息化深深地刻印在人類文明豐富多彩的畫卷上。隨著電子信息技術，控制技術的日益提高，社會信息化進程正在步步加快。人們在工作、生活、學習和交流的方面日益密切，在改變人們的生活習慣的同時，它也對我們的傳統(tǒng)住宅帶來新的挑戰(zhàn)?？纯粗車苋菀椎陌l(fā)現，我們對家居的理解不再僅僅是一個簡單的物理空間，更為關注的是一個安全，舒適，美觀和方便的生活環(huán)境?，F在人們日益膨脹的需求使得家居智能化已成為一種新趨勢。近年來，隨著我國房地產的火爆局面，給國內的一些智能化帶來了發(fā)展的機遇。眾所周知，中國人口基數大，城市住房建設相對多的選擇在更密集的住宅區(qū)，許多房地產開發(fā)商基于小區(qū)智能化的角度，也出現了目前一統(tǒng)天下，無所不包的“智能化住宅”模式?！爸悄芑≌笔且粋€系統(tǒng)的功能，這個系統(tǒng)的各個功能可都以單獨的使用。許多子系統(tǒng)的功能還需要有足夠的協(xié)調能力。這些住戶在能夠使用的智能系統(tǒng)僅僅是一小部分。而致力于家庭智能化系統(tǒng)的開發(fā)的，這就是所謂的智能家居。1.2智能家居的簡介智能家居與普通家居比起來的話更好，智能家居不但擁有了傳統(tǒng)家居的居住功能，而且還是個具備舒適安全、品味高和氣氛溫馨的家庭生活空間。原來的結構是比較古板，而現在是變成可以移動智能的工具，擁有各方面的信息交換的功能，保證能在外面可以和家庭信息進行流暢的交流，提高家庭生活的方式，幫助人們能夠更好的、合理的安排時間，提高生活的舒適性，也可以為各種能源減少不必要的費用。智能家居還能夠自動管理和控制家電設備，對家庭環(huán)境的安全進行監(jiān)控報警，并且能夠為住戶提供高效便利、安全舒適的學習生活及工作的環(huán)境。家居智能化系統(tǒng)將家庭中各種與信息相關的通信設備、家用電器以及家庭保安裝置通過有線或無線的方式連接起來，并進行集中或者異地的管理、監(jiān)控，保持家庭住宅環(huán)境的協(xié)調、舒適。1.3國內外現狀及發(fā)展趨勢1.3.1國外發(fā)展現狀 自從世界上第一智能大廈1984在美國出現，發(fā)達的美國，加拿大，歐洲，澳大利亞和南洋經濟的國家已經提出了多種智能家居方案。智能家居的廣泛應用于美國，德國，新加坡，日本和其他國家。智能家居系統(tǒng)包括三個復制功能，新加坡模型的安全報警，視頻對講功能，監(jiān)控中心的功能，家電控制功能，有線電視接入，家庭信息留言功能，智能家居控制面板，智能布線箱，寬帶互聯網接入和系統(tǒng)軟件配置等。幾年前，一些經濟發(fā)達的國家，提出了“智能住宅”的概念，住宅智能化是領先的智能家居，智能家居是智能住宅的核心。以什么樣的標準可以被稱為智能家庭？智能家居和智能大廈的概念和定義為還沒有達成共識。電氣設計標準的第一個適用于家庭住宅的1988美國電子工業(yè)協(xié)會，即“家庭自動化系統(tǒng)和通信標準”也被稱為家庭總線系統(tǒng)標準（hbs）；中國也已開始從1997年初制定的“小康住宅電氣設計（標準）指南（草案）中的“指南“在小康住宅電氣設計規(guī)定應滿足下列要求：一個高水平的安全、舒適的環(huán)境，便利的交通，綜合信息服務，家庭智能化系統(tǒng)。目前市場上出現更多的智能家居控制系統(tǒng)主要包括：（1） x-10（美國），該系統(tǒng)是電力線作為網絡平臺的使用，集中控制方式的實現。這套系統(tǒng)的功能更加強大，和其他家居控制系統(tǒng)如abb，c_bus上升更容易接受，使用也比較簡單。因為實現同樣的功能，x-10家居控制系統(tǒng)是220v電源線x-10信號傳輸使用傳輸從發(fā)射機到接收機，從而實現智能化控制，使系統(tǒng)不需要額外的布線，這一優(yōu)勢也是大多數這樣的系統(tǒng)，因為其他系統(tǒng)基本需要低線布在墻上或地面，開槽，鉆井，施工難度大，成本高，建設周期長。但由于國內缺乏市場條件和價格昂貴，該系統(tǒng)在國內應用的罕見。（2）eib系統(tǒng)（德國），系統(tǒng)采用了嵌入式總線和中央控制的方式實現控制功能。但由于其復雜的工程的實際要求，且價格較高，所以一直無法打開國內市場。（3）8x（新加坡），該系統(tǒng)采用預處理總線與集中控制方式的實現。本實用新型具有使用產品的優(yōu)勢，系統(tǒng)的擴展，該系統(tǒng)是更成熟，更適合中國國情的。但是，由于系統(tǒng)結構的靈活性，以及產品的價格是很難滿足要求，因此目前在中國已較少應用。1.3.2國內發(fā)展現狀 智能家居在中國與國外相比起步較晚，尚未形成一定的國家標準。但是我國住宅智能化正在由智能大廈走向智能住宅小區(qū)，以后會慢慢地走進各個家庭。我國將住宅小區(qū)智能化定義為：利用4c（即計算機、通訊與網絡、自控、ic卡）技術，通過有效的傳輸網絡，將多元信息服務與管理、物業(yè)管理與安防、住宅智能化系統(tǒng)集成，為住宅小區(qū)的服務與管理提供高技術的智能化手段，以期實現快捷高效的超值服務與管理，提供安全舒適的家居環(huán)境14?，F代社會的家庭正在慢慢地走智能化的道路，這種家庭智能化能給用戶帶來很多的方便，它可以讓你在外出的時候很好的控制家庭內部的設備，它已經作為一種理想的目標被廣大群眾所追求。國家也在多個工程項目實施方案中將它列入國家的重點發(fā)展方向。因此國家還成立了家庭信息網絡技術委員會，信息網絡技術體系已經作為國家重點專業(yè)項目來培養(yǎng)。據悉，國家將投資15億來大力的鼓勵該項目的實施。北京預計有30000戶用戶將率先實施該項目。到2010年，我過已經有70%的家庭都擁有了internet設備。此外，更有50%以上的用戶擁有多臺設備。國家建筑部提出了要求：到2010年，各大小城市要60%的住宅都能實現家庭智能化。由于智能家居系統(tǒng)能夠給人們帶來方便，高效的生活方式，智能家居系統(tǒng)已經和網絡一樣成為以后生活必不可少的部分。但是由于很多開發(fā)商和媒體的大肆宣傳，消費者們對智能化家居存在認識上的誤區(qū)。據調查，在美國，有38%的家庭希望擁有家庭網絡。但是很少有人需要帶有電子郵件功能的冰箱，熱水器等。所以，用戶應該根據自己的實際需求來選擇，而不是盲目的追求。 產品開發(fā)的功能模塊，基于國外智能家居標準的日益成熟，我們國家在軟硬件，開發(fā)機制等方面也漸漸地向設備智能家居化發(fā)展。此外，為了解決當前智能產品實用性差，使用復雜昂貴的缺陷，我國的技術創(chuàng)新也逐漸向國際先進水平靠攏，讓我們真正的享受舒服溫馨的的家庭生活，這是值得期待的未來。1.4智能家居網關發(fā)展趨勢智能家居網關是智能家居的終端部件作為智能家居內外連接通信的“大腦”，它主要是負責公網和家庭內部之間的交互，能很好的實現外部網絡和家庭內部網信息的互相交換。智能家居系統(tǒng)是為適應當今社會家庭風格而慢慢轉變成一種多變化，多形式化的網絡系統(tǒng)。同時智能家居網關還和其他的四個部位相互連接，交互信息，能把他們的信息統(tǒng)一起來進行管理。而且智能家居得網關還可以很好的接入到外部的網絡，使使用它的人即使出門在外的同時能對家庭內部各個網絡進行方便、安全的管理?，F在有許多廠家為了在市場上搶得先機，都推出了自己的家庭網關標準。下面是比較主要的幾種：（1）首先介紹的是開放式服務網關組織，它誕生于1999年，好多國內的知名供應商都在里面。目的就是建立一個開放式的服務規(guī)范，向家庭設備提供所需要的業(yè)務，從而制定了家庭外部網絡對家庭設備所需的服務標準。（2）互聯網家庭聯盟；誕生于21世紀初期，主要的成員包括現在知名的松下，惠普微軟等公司。這個聯盟主要是來解決一些家電怎么連接到家庭網絡中的問題。（3）echonet協(xié)會；該協(xié)會誕生于1997年，它是一個國際組織。主要的目的是制定一套完整的家庭網絡體系，并把他們應用到家庭醫(yī)療保健等服務上。同時還有好多的國家都相繼提出了不同的智能家居方案，例如，包括早期的新加坡模型的智能家居系統(tǒng)：安全報警，三表抄送，監(jiān)測，控制，家居智能布線箱，寬帶上網等。具有智能家居目前更優(yōu)越的切削復雜的配置系統(tǒng)。例如，在網上買東西，遠程報警，緊急情況和其他新功能是基于現代社會的發(fā)展，人們越來越高的要求而設計的發(fā)展。1.5本論文的主要工作和章節(jié)安排本課題提出了一種基于zigbee技術和gprs無線通信的智能家居技術結合起來的技術，建立了一個無線智能家居系統(tǒng)，把現代通信技術和計算機技術結合在一起，不僅避免了一些在現場布線所帶來的不必要的問題，還能及時，準確，全面地反映電設備的用戶使用，這樣也彌補了那些比較傳統(tǒng)接線方式的缺點。由于基于gprs技術的數據傳輸終端系統(tǒng)的設計，用戶可以使用標準的tcp / ip通信模式并利用互聯網格局和用戶計算機和手機直接進行數據交換，不必在乎的是如何傳輸數據的。所以，有很多類似的有線通信系統(tǒng)都可以用本課題所研究的模式所替代，而且系統(tǒng)還可以應用到更廣的范圍內。所以本論文結構安排如下:第1章:緒論。主要講解本課題所研究背景和意義，闡述本課題的國內外發(fā)展現狀、研究的目的和意義以及本文所要去完成的主要工作。第2章：zigbee技術介紹。通過和其他短距離通信方式對比詳細的介紹了zigbee技術的特點以及zigbee協(xié)議棧結構和原理，簡單介紹了zigbee應用在物聯網優(yōu)勢所在。第3章: 智能家居總體設計方案。本章主要制作了智能家居的總體設計流程圖，并簡要介紹了該系統(tǒng)各部分主要功能和作用。第4章: 智能家居系統(tǒng)的硬件設計。主要完成了智能家庭網關的設立，設計智能家居的無線傳輸模塊，選擇數據在采集端端無線收發(fā)芯片及其外圍所需電路的設計數據，對zigbee節(jié)點、zigbee終端采集節(jié)點和其相應的接口電路的硬件電路的詳細設計和介紹。第5章: 智能家居的軟件設計與調試。建立智能家居arm的網關平臺，完成了數據采集端的軟件設計(包括zigbee協(xié)調器、路由器和終端節(jié)點的設計)，對相應的程序進行調試。第6章：實驗結論與展望：通過這次實驗的出理想的結論，從而總結出本課題研究的成果及不足，以及對以后研究的展望和憧憬。 第2章 嵌入式及zigbee技術2.1嵌入式系統(tǒng)概述2.1.1嵌入式系統(tǒng)定義 嵌入式系統(tǒng)是為一種特定的應用而專門設計的計算機系統(tǒng)，又稱之為“嵌入式計算機系統(tǒng)”。嵌入式系統(tǒng)很難給它下一個準確的定義，根據英國電氣工程師協(xié)會的定義，嵌入式系統(tǒng)通常執(zhí)行的是帶有特殊要求的事先定義好的任務，而國內認同的嵌入式系統(tǒng)是與應用緊密結合的，它具有很強的專業(yè)性，必須結合實際系統(tǒng)特定需求進行合理的裁剪利用。嵌入式系統(tǒng)存在生活中的各個地方，如交通管理、工業(yè)控制、家電信息、家庭智能管理系統(tǒng)、電子商務、環(huán)境工程與自然等。2.1.2物聯網嵌入式系統(tǒng) 隨著醫(yī)療電子、智能家居、物流管理和電力控制等方面的不斷風靡，嵌入式系統(tǒng)利用自身積累的底蘊經驗，重視和把握這個機會，想辦法在已經成熟的平臺和產品基礎上與應用傳感單元的結合，擴展物聯和感知的支持能力，發(fā)掘某種領域物聯網應用。作為物聯網重要技術組成的嵌入式系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)的視角有助于深刻地、全面地理解物聯網的本質。物聯網不僅僅提供了傳感器的連接，其本身也具有智能處理的能力，能夠對物體實施智能控制，這就是我們嵌入式系統(tǒng)所能做到的。誠然，物聯網將傳感器和智能處理相結合，利用云計算、模式識別等各種智能技術，擴充其應用領域。從傳感器獲得的海量信息中分析、加工和處理出有意義的數據15，以適應不同用戶的不同需求，發(fā)現新的應用領域和應用模式。2.1.3嵌入式系統(tǒng)的特點 嵌入式系統(tǒng)在開發(fā)和設計方面都得根據具體的應用任務的，雖然說不同的應用所對應的嵌入式系統(tǒng)差距很大，但它的基本要素都是一樣的，由于現在的人們對產品成本、功耗、可靠性等要求逐漸提高，嵌入式系統(tǒng)慢慢的通過計算機走進了人們的視線，被人熟知。從定義中我們總結了幾個嵌入式系統(tǒng)的重要特征：（1）內核比較小。目前的嵌入式系統(tǒng)的核心通常是一個只有幾k或幾十k的內核，所以它一般用在小型的電子設備中，資源也相對的比較有限。它和windows的內核簡直沒有可比性。（2）專用性強。嵌入式系統(tǒng)的個性化較強，它通常針對一項特殊的任務。嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產品、面向應用的，所以它必須與具體的應用結合在一起才能發(fā)揮它的最大優(yōu)勢。（3）系統(tǒng)簡單。嵌入式系統(tǒng)一般在軟件方面沒有什么明顯的區(qū)分，不需要對它的設計太過于復雜，從而還減少了成本。（4）高實時性。嵌入式軟件基本上都是固態(tài)存儲，來提高速度；同時也要求有高可靠性和高質量的軟件代碼。（5）嵌入式系統(tǒng)是與應用結合在一起的，更新換代也是同時進行的。所以嵌入式系統(tǒng)還是有比較長的生命周期的。（6）嵌入式系統(tǒng)由于自身限制沒有開發(fā)能力，用戶在它被設計完成后也不能對程序進行修改，所以嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要開發(fā)工具和環(huán)境。2.2幾種短距離無線通訊技術概況短距離無線通信系統(tǒng)的工作范圍一般從幾厘米到幾百米，大多數都工作在高頻段，無線發(fā)射功率一般比較小。迄今為止，已經得到廣泛應用的短距離無線通信技術主要有以下幾種： 藍牙技術（bluetooth technology）：藍牙技術在1994年問世，在被大家所關注一些近距離的無線連接的技術中，它則是一個語音通信與無線數據開放性的全球典范，并且它以其低成本短距離的無線連接為基礎，可以為固定或者移動終端的設備帶來一些廉價接入的服務。在1998年的時候，該藍牙技術的協(xié)議則由多家的公司最后達成共識。它傳輸頻段則為全球公眾的通用2.4g赫茲 ism頻段，它傳輸的速率為1mpbs，傳輸的距離則為10米。 本藍牙協(xié)議標準版本則是802.15.1，則由藍牙小組 (sig)負責進行開發(fā) 。最初的標準是藍牙 1.1，而后來已經構建到現在很多的藍牙技術設備中7。 wi-fi技術（wireless fidelity）：它是通過1999版ieee802.11協(xié)議的修改并加以補充。也被稱作為ieee802.11b。和藍牙技術一樣，它也工作在2.4ghz頻段，不同的是，它的數據傳輸率最大可以達到54mbit/s。但在數據傳輸的安全性方面，它比bluetooth技術稍微差一些。不過它的電波覆蓋范圍達到了100m左右，相對于藍牙技術略勝一籌。wi-fi技術最主要的優(yōu)勢在于它不需要現場布線，可以不受到布線條件所帶來的缺點。所以它非常滿足那些移動辦公的用戶，此外由于它的發(fā)射信號功率低于100mw，比手機發(fā)射功率還低，所以選擇wi-fi上網相對也是最安全最健康的。 紅外技術（irda技術）：irda在1993年成立。irda技術是一種利用波長在0.75um到25um之間的近紅外線進行無線通信的技術。目前有sir、fir、ufir等幾個協(xié)議版本，它的通信距離是從5cm1m之間。不過irda技術對于方向性的要求很高，它的核心部件（紅外線led）的使用壽命也是十分有限的。超寬帶（uwb）技術：它是一種不用載波，而采用時間間隔極端的脈沖進行通信的技術，也稱作脈沖無線電、時域或無載波通信。uwb使用的中心頻率為4.1ghz，帶寬為1.4ghz，頻譜范圍有點寬但是發(fā)射功率低。通信速度在250kbit到10mbit之間。超寬帶技術最初是用來雷達開發(fā)的，認為它屬于一種無載波通信技術。和藍牙相比，它的抗干擾能力強，傳輸速率高，最高可達到藍牙的100倍。帶寬極寬，uwb使用的寬帶在1ghz以上，它可以和通信系統(tǒng)同時工作而互不干擾。消耗電能小，uwb不使用載波，只需要發(fā)出瞬間脈沖電波，并且在需要的時候才發(fā)送，所以消耗點能小。zigbee技術：是一種新型的技術，其目標是實現低能耗，低成本短距離的雙喜雙向通信。它的標準是由ieee802.15委員會負責制定的，因而被稱作ieee802.15.4技術標準。它有3種可供選擇的頻段，即2.4ghz、868mhz（歐洲）及915mhz（美國），傳輸速率在10kbps到250kbps，有效的覆蓋范圍為10m75m。每個zigbee網絡設備的數量最多可以達到65536個。zigbee和其他幾種短距離無線通信技術的比較如下圖2-1所示： 表2-1 zigbee和其他幾種短距離無線通信技術的比較 2.2.1 zigbee技術2.2.1.1 zigbee的特點（1）低功耗。在低耗電待機模式狀態(tài)下，2節(jié)5號的干電池就可以支持1個節(jié)點工作長達24個月，甚至更長時間。這是zigbee相比較藍牙和wifi的優(yōu)勢所在。（2）低成本。通過大幅度的簡化協(xié)議，具體點就是不到bluetooth的1/10，極大降低了其對通信控制器的要求，按照預測值來分析，用8051的8位微控制器進行計算，它的全功能主節(jié)點需要32kb代碼，而其子功能節(jié)點少至4kb代碼，而且zigbee免去協(xié)議專利費。它的每一塊芯片價格在2美元左右。（3）低速率。zigbee一般工作在20250kbps速率，分別提供250kbps、40kbps和20kbps的原始數據吞吐率，滿足其低速率傳輸數據的應用要求。（4）短距離。其傳輸范圍一般在10100m間，在增加了發(fā)射功率之后，也可以增加到13km。如果其能通過路由器和節(jié)點間通信接力，傳輸距離將可以達到更遠。（5）短時延。zigbee響應的速度比較快，一般的從睡眠轉入到工作狀態(tài)只需要短短的15ms，節(jié)點連接網絡需要30ms，進一步的節(jié)省了其電能。相比較而言，藍牙則需要310s，wifi則需要3s。（6）比較高的容量。zigbee可以采用3種網絡結構，它由一個主節(jié)點控制著若干個子節(jié)點，最多的一個主節(jié)點甚至可以控制多達254個子節(jié)點；與此同時，主節(jié)點還可以由上一層的網絡節(jié)點管理，最多可形成65000個節(jié)點的大型網絡。（7）免執(zhí)照頻段。其使用工業(yè)科學醫(yī)療頻段，915mhz（美國），2.4ghz（全球），868mhz（歐洲）。2.2.1.2zigbee協(xié)議結構zigbee/ieee802.15.4標準架構是在osi七層模型的最下面兩層：物理層phy和介質訪問控制子層mac，zigbee聯盟在它的基礎上定義了網絡層nwk和應用層apl這兩層。其結構如圖2.1所示。 圖2.1為osi七層模型zigbee標準架構2.2.1.3zigbee協(xié)議的詳解 zigbee的堆棧是建立在ieee802.15.4標準上的。zigbee設備包括了ieee802.15.4的物理層（phy）和控制層（mac），以及zigbee堆棧層：apl、nwk和安全服務提供層。應用層還包括了應用支持子層，應用框架，zigbee的設備對象以及用戶定義的眾多應用對象，圖2.2給出了這些組件之間的關系。 圖2.2 zigbee堆?？蚣?.zigbee網絡層網絡層需要和ieee802.15.4標準的功能要相互兼容，要保證zigbee的介質訪問控制層能平穩(wěn)正常的工作，而且還要為上面的應用層提供合格的接口。 下面是網絡層主要功能：（1）產生網絡層的數據包：網絡層會接受來自應用子層的數據包，此時網絡層就對數據包進行解析，然后再加上適當的網絡層包頭向mac傳輸；（2）網絡拓撲的路由功能：網絡層會提供路由數據包的功能，如果包的目的節(jié)點就是本節(jié)點，則將該數據包發(fā)送到應用子層。反之，則將數據包轉發(fā)給路由表下一節(jié)點16；（3）配置新的器件參數：網絡層可以給網絡配置合適的協(xié)議；（4）建立有效的pan網絡；（5）接入或脫離pan網絡：網絡層可以提供接入或脫離網絡的功能，如果此節(jié)點是協(xié)調器或者路由器的話，還能夠要求它的子節(jié)點從網絡中脫離；分配網絡地址：若本節(jié)點是協(xié)調器或者路由器的話，則接入該節(jié)點的子節(jié)點的網絡地址就由網絡層控制；（6）發(fā)現相鄰節(jié)點：網絡層可以發(fā)現和維護網絡鄰居信息；（7）建立路由線路：網絡層能夠提供路由功能；（8）控制接收：網絡層可以控制著接收器的接收時間。2.zigbee應用層 zigbee的應用層主要包括安全屬性設置和多個業(yè)務數據流的匯聚、設備發(fā)現、業(yè)務發(fā)現等功能。應用層由應用支持子層(aps)、zigbee設備對象（zod）及廠商定義的應用對象。同時在本系統(tǒng)中附加了一層應用層協(xié)議完成數據的通訊和控制的業(yè)務。3.zigbee物理層ieee802.15.4擁有兩個相對的物理層（phy）：2.4ghz 物理層和868/915mhz物理層，兩個物理層存在著區(qū)別，他們的通頻不同。 2.4ghz的物理層運作在2.4ghz工業(yè)、科學、醫(yī)學（ism）頻帶上，它在世界各個地方都可以得到，但是次頻帶在信號上會互相干擾，不能共存。868/915mhz物理層能運作在不同的頻帶上，在歐洲能運行在868mhz頻帶上，在美國能運行在915mhz頻帶上，但和2.4ghz物理層不同的是，該物理層不會受到其他標準的干擾，并且在運行的消耗上也比較低的。phy層還主要負責數據的調制與解調、發(fā)送和接收，向下直接操作物理傳輸介質，向上為mac層提供服務。4.zigbee控制層ieee802.15.4還提供介質接入控制層（mac）：它可以解決在局域網中如果一個信道被多個使用產生競爭時，如何分配好信道的使用權問題。mac幀結構的子層通過兩個服務接入點為高層提供兩種服務：分別是mac的數據服務通過通用接口子層接入和mac管理服務通過管理實體接入。同時還合理定義了同一區(qū)域同時工作的多個802.15.4無線電信號，還可以共享空中通道。它還支持幾種結構，包括星狀拓撲結構、樹狀拓撲結構和網絡拓撲結構，mac層還負責為一個節(jié)點提供舒暢的通信線路，為了避免他和直接鄰居發(fā)生沖突，這樣可以提高通信的效率。5.zigbee網絡拓撲結構 zigbee它支持多種不同的網絡拓撲結構，典型的結構有：星型，樹狀型，網狀型。如圖2-1所示。星型網絡是由一個協(xié)調器周圍連接多個終端節(jié)點而組合成的網絡結構，通過終端點的所有信息都通過協(xié)調器來轉發(fā)。像這樣的網絡結構，協(xié)調器的性能要求非常的重要，正是因為所有的通信信息都得通過協(xié)調器來轉發(fā)，所以系統(tǒng)的延時是不可避免的，而且當單個的節(jié)點在遭到破壞時就會讓整個網絡不能正常運行，甚至會變成癱瘓的狀態(tài)。樹狀型和網狀型在等對等的網絡中，也存在一個pan協(xié)調器，但是它起到的作用主要是發(fā)起網絡個組網，還有就是和星型不同的是，它也不需要轉發(fā)它的所有信息。在這點上還是比星型簡便的。 圖2-1 zigbee網絡拓撲圖 第3章 本系統(tǒng)的總體設計方案3.1本系統(tǒng)解決方案智能家居是以其住宅為載體的，它把許多有關的設備集合在一起，包括：音視頻的技術、安全防范的技術、網絡通信的技術、自動控制的技術、綜合布線的技術，構建了比較豐富的住宅設施和家庭內部管理系統(tǒng)，從而進一步地提高了家居的安全性、藝術性和便利性，更重要的是智能家居還能給用戶帶來一個即環(huán)保又節(jié)能的舒適環(huán)境。根據智能家居的最新定義，再參考zigbee一些獨特的技術特點，從而設計出了該系統(tǒng)。該系統(tǒng)在一些智能家居所必要的系統(tǒng)(家庭安全防護系統(tǒng)、家居照明燈控制系統(tǒng)和智能家居中央控制管理系統(tǒng))的基礎上，再加入家庭環(huán)境的控制系統(tǒng)、背景音樂控制系統(tǒng)、家庭網絡控制系統(tǒng)與家居布線控制系統(tǒng)。所謂的智能家居系統(tǒng)，是指只有完整地安裝了所有家居必備的系統(tǒng)，并且至少選裝了一種及以上的可選系統(tǒng)的家居系統(tǒng)才能稱為智能家居。要想建立一個合理的無線網絡系統(tǒng)，需要一個合適的網絡拓撲結構來作為基礎。一個合適的網絡拓撲結構需要的是速度、成本、特點和實現功能。本文的智能家居設計情況如下：1、傳感器用電池供電，而家庭網關是用電源供電，這樣的話就可以節(jié)約相應傳感器節(jié)點所帶來的不必要的電量損耗。從而延長了電池的使用時間。2、傳感器和節(jié)點是智能家居中的主要接入點。但是在網絡中數據使用量不是很大，大大的簡化了網絡拓撲結構，從而來保證數據能流暢的進行通信。3、而控制網絡中，它所涉及的范圍不是很大，設計的時候在室內達到30多米的距離都可以滿足需要。所以在智能家居中還是采取了星狀拓撲架構最適宜，因為該結構成本又低，而且比較容易去實現，還不涉及相關路由尋址等功能。 3.2 整個系統(tǒng)數據流程圖設計方案 本系統(tǒng)的設計是由家庭內部控制設備和遠程控制設備組成。其中家庭內部控制設備主要有能訪問internet的計算機、家庭網關監(jiān)控中心和家用電器控制器及管理系統(tǒng)。遠程計算機和智能手機組成了遠程控制設備。具體的系統(tǒng)組成如圖3-1所示。圖3-1 整個系統(tǒng)數據流程圖現在具體分步驟介紹整個系統(tǒng)：1.外部網絡基于以下因素考慮，本文把計算機作為智能家居的系統(tǒng)的主要外部網絡:（1）現在基本上家家戶戶都能使用到計算機，這給了智能家居系統(tǒng)提供了良好的基礎;（2）計算機能進行數據信息與控制信息，這方面則具備了更好的優(yōu)勢;（3）用計算機和智能手機組成外部的網絡，聯網pc機和智能手機作為遠程的終端工 具。2.家庭網關該課題設計的家庭網關則是由家庭網絡系統(tǒng)和本地pc機的控制中心兩部分所組成的，二者之間的連接是通過串口通信來實現的。網絡的接口卡將本地的pc機和互聯網相互連接，從而連接到了遠程的終端。本課題采用的是無線龍公司的cslrf-3-pk開發(fā)系統(tǒng)，它是硬件平臺設計出的基于zigbee無線技術家庭網絡系統(tǒng)，由于無線龍公司的cslrf-3-pk硬件資源是有限的，所以無法提供不了互聯網的網絡接口，進而不能訪問互聯網。因此，為了避免此類事件發(fā)生，本設計中的網關采用的是本地pc機與控制的中心共同構成的。這個設計中使得本地的pc機可以隨意地訪問互聯網上的任意資源，從而很好的解決了家庭網絡系統(tǒng)無法訪問互聯網的問題。3.家庭網絡系統(tǒng)以前的智能家居的系統(tǒng)一直存在著布線這一問題，所以本設計采用的是zigbee無線技術，它組建了家庭網絡，從而解決了傳統(tǒng)布線的問題。該zigbee無線家庭網絡主要3個設備是：路由節(jié)點、系統(tǒng)終端節(jié)點、控制中心?，F在逐個分析他們的主要功能和作用。（1）控制中心主要是負責網絡的組建，如果路由節(jié)點或者終端節(jié)點發(fā)來入網申請，控制中心就會響應他們發(fā)來的申請；（2）路由節(jié)點主要增加了家庭網絡在家庭內部覆蓋的范圍，終端節(jié)點或者控制中心的數據都是通過路由節(jié)點轉發(fā)的；同時還采集環(huán)境所帶來的參數數據并循環(huán)性的將數據傳輸到家庭網關的終端節(jié)點來監(jiān)視各個設備的電壓并且執(zhí)行家庭網關發(fā)來的控制命令等?，F在假設家庭內有五個房間，分別是臥室1，臥室2，客房，廚房和衛(wèi)生間，并且在每個房間內都裝有zigbee終端節(jié)點來模擬家庭里的設備：終端節(jié)點可以先通過路由節(jié)點過度，然后再通過控制中心通信，也可以直接和控制中心進行通信。家庭網絡子系統(tǒng)像個樹簇一樣，所以，我們就采用樹簇型來作為家庭網絡的拓撲結構。zigbee家庭的網絡連接子系統(tǒng)如圖3-2所示: 圖3-2 zigbee的家庭網絡子系統(tǒng)示意圖4.監(jiān)控子系統(tǒng)一些用戶可以在遠程的pc機上監(jiān)控家庭網絡子系統(tǒng)里面的各個設備，但是除了上面所說的條件外還不夠，還要借助于對應的軟件來實現，即為監(jiān)控子系統(tǒng)。所謂的監(jiān)控子系統(tǒng)則是運行在本地pc機上本地所監(jiān)控的程序與運行在遠程的pc機上遠程所監(jiān)控的程序兩個所構成的。不僅本地的監(jiān)控程序通過本地pc機的串口模塊進行接收和處理來自控制中心所發(fā)送數據，然后利用了計算機的網絡發(fā)送給了遠程的監(jiān)控程序;而且本地所監(jiān)控的程序利用計算機的網絡接收和處理遠程監(jiān)控的程序發(fā)送數據，最后其利用串口模塊再發(fā)送給控制中心。 第4章 智能家居系統(tǒng)的硬件設計4.1系統(tǒng)硬件框圖簡介本章主要的目的是介紹一下系統(tǒng)的硬件電路設計原理，系統(tǒng)主要用到arm的微處理器（s3c2410），下面給出系統(tǒng)設計的原理圖與一些電路圖。智能家居網關系統(tǒng)采用了高性能，低功耗的嵌入式處理器s3c2410，同時還運用了linux操作系統(tǒng)。首先需要在此操作系統(tǒng)中建立一個嵌入式的web服務器，一種用戶能用網絡瀏覽器實行遠程的訪問服務器。而s3c2410本來就是一個帶有mmu（存儲管理單元）的微型處理器，標準linux的操作系統(tǒng)能在上面實施，從而減少了好多其軟件的開發(fā)時間。家庭的局域網內部設計采用的是zigbee技術，所以硬件的部分工作自然而然地設計的是無線收發(fā)信息，而且采用的則是先進的cc2430為芯片的無線的單片機。接下來簡單地介紹一下硬件系統(tǒng)器件選擇、系統(tǒng)整體結構和硬件各個接口電路設計等。圖4-1 系統(tǒng)硬件原理圖4.2器件選型和單元電路設計4.2.1嵌入式微處理器1.微處理器的選擇arm系列的微處理器在速度、集成性能、功耗等方面都要有優(yōu)勢。由于帶有嵌入式操作系統(tǒng)，所以那些較復雜的應用程序很容易被實現。在綜合了成本、功耗、性能等多方面的優(yōu)勢，我們最終選擇了韓國三星（samsung）公司推出的32位微處理器s3c2410。2.s3c2410的簡介 s3c2410處理器是三星（samsung）公司的基于一款arm920t處理器內核的嵌入式微處理器，它是一種32位微控制器。該處理器帶有獨立的指令cache和數據cache，mmu，還支持tft的lcd控制器，nand閃存控制器，3路uart，4路dma，4路帶pwm的timer ，i/o口，rtc，8路10位adc，touch screen接口，iic-bus 接口，iis-bus 接口，2個usb主機，1個usb設備，sd主機和mmc接口，2路spi。主要功能及其特點：（1）s3c2410為芯片則集成大量功能的單元。它內部的電壓1.8v，存儲器的電壓則為3.3v，外部電壓i/o為3.3v，16kb的數據cache，16kb的指令cache，mmu（存儲管理單元）。它還有內置外部存儲器，典型的有芯片的選擇邏輯和sdram的控制。支持tft的lcd控制器。 4種帶外部的請求線dma。 3種通用異步的串行端口，2個通道的spi 一個多主i2c總線，一個i2s總線的控制器。 sd的主接口的版本與多媒體卡的協(xié)議的版本兼容。 2種usb的接口。 117個通用i/o。 56個中斷源。 24個外部中斷。8通道10位adc。 時鐘帶有日歷功能。 內置pll的芯片。 設計用于通用的嵌入式的系統(tǒng)與手持的設備。 16/32位risc的體系結構，而使用了arm920t的cpu內核的強大的指令集。帶有mmu先進體系的結構支持了linux、epoc 32和win ce。（2）系統(tǒng)管理。它在小端和大端都得到支持,還有充分的地址空間：它的每一種bank為128mb（全部為1gb），每一種bank都可以編程為8位、16位、32位的數據總線。從 bank0到bank6則是系統(tǒng)固定的起始地址。 最后一個bank7則可以編程為bank的起始地址與大小。加在一起共8種存儲器的bank。 前6種存儲器的bank可用于sram、rom。 兩種存儲器的bank可用在sdram、sram與rom（同步的隨機的存儲器）。它還支持等待信號，從而可以擴展總線的周期。當sdram出現掉電時支持自動刷新。 也支持了不同類型的rom用在啟動。4.2.2電源模塊s3c2410在運作時所需要的電壓為1.8v，i/o端口和外部設備需要的電壓則為3.3v 。vddi/vddiarm引腳是供應s3c2410內核；vddalive引腳是功能復位和端口狀態(tài)寄存器電壓。m12引腳rtcvdd是rtc模塊的1.8v電壓，用電池供電保證系統(tǒng)的掉電后保持實時時鐘。vddop引腳是i/o端口3.3v電壓；vddmop引腳是存儲器i/o端口電壓；還有一系列vss引腳需要接到電源地上。3.3v電壓從5v用ams1117-3.3轉換得到如圖4-2所示；1.8v從3.3v通過mic5207-1.8轉換得到如圖4-3所示。 圖4-2 5v轉3.3v 圖4-3 3.3v轉1.8v4.2.3 nand flash存儲系統(tǒng)該flash的存儲器則是一個可以在掉電之后而其信息不丟失的一種存儲器，而它具有大容量、速度快、低功耗、可以整片或者分扇區(qū)在其系統(tǒng)的編程等特點。目前為止已經慢慢取代了它的半導體的存儲元件，成為了嵌入式的系統(tǒng)之中主要的程序與數據的載體。嵌入式的系統(tǒng)之中則往往用的flash則主要是nand與nor兩種的類型。nor的特點就是可以在芯片的內部執(zhí)行程序，而不需要把它的一些代碼讀到了系統(tǒng)的ram之中。此外nor傳輸效率還是比較高的，它的容量在14mb的時候就具有了比較高成本效益，相對于較低寫入與擦除的速度則可能影響其的性能表現，所以說選擇nor的性價比還是很高的。nand的結構就能提供了比較高密度單元，而且擦除與寫入得速度明顯比較nor快。nor的器件在擦除的時候則是以6428kb速度進行的，實現一次擦除/寫入操作時間是15s；則nand的器件在擦除的時候則是按照832kb速度進行的，實現一次擦除/寫入的時間最多只不過4ms。k9f1208和s3c2410硬件連接圖如圖4-2所示。k9f1208的cle和ale端分別則連接到s3c2410的cle和ale端；8位i/o與s3c2410的低其8位數據的總線（data0到data7）進行相連；/ce、/re與/we則分別與其s3c2410的nfce、nfre和nfwe相對應，r/b與rnb相連接。 圖4-2 s3c2410與flash的連接電路 4.2.4 sdram設計在嵌入式的操作系統(tǒng)啟動之后，sdram能把它的操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)的內核、一些數據與用戶堆棧等都存到它的內存中。而本設計中sdram則選用的是k4s561632c-tc75為芯片。 k4s561632c-tc75為芯片存儲容量則為16m*16位，數據的寬度則為16位，最為常見的封裝為54腳tsop，工作電壓為3.3伏，頻率則為133兆赫茲，支持了自動刷新與自刷新。下面來介紹一下其連接圖的具體配置，把兩片sdram作為一個整體連接到bank6位置，即將s3c2410的ngcs6接到了兩個k4s561632c-tc75/cs上，因此起始的地址則為：0x03000000。sdram的低位和高位的clk端則分別對應連接到了s3c2410的sclk2和sclk1端；另外的ba0和ba1接s3c2410地址的總線addr24和addr25；其芯片的a0腳并沒有接在處理器的addr0地址線上，這是因為在處理器的存儲空間中，字節(jié)是表示存儲容量的唯一單位，而當sdram為32位的時候，它的每一個存儲單元都包含4字節(jié)。sdram的ba腳用于選中內部存儲器的塊區(qū)，其實就是sdram地址的最高位，因此該引腳要接到s3c2410的a25-a24上。 4.2.5串口電路本系統(tǒng)使用了s3c2410的3種串行接口，本文的家庭網關