無線智能家居系統(tǒng)設計

嵌入式智能家居系統(tǒng)設計摘 要：本文將嵌入式技術和ZigBee無線通信技術應用到智能家庭無線網(wǎng)絡系統(tǒng)的設計中，給出了智能家庭無線網(wǎng)絡系統(tǒng)的總體方案和各部分軟硬件的設計，并對紅外學習終端、PDA以及通信協(xié)議等關鍵問題進行了研究設計。在室內(nèi)，用戶通過PDA遙控家庭設備執(zhí)行相應操作,同時可把狀態(tài)信息反饋給用戶手持終端PDA，在遠程也可以通過GSM短信技術實現(xiàn)對家庭設備的管理和監(jiān)控。整個系統(tǒng)符合開放性、實用性、普及化、簡潔易用、模塊化的設計原則。關鍵詞：ZigBee；智能家庭網(wǎng)絡；嵌入式技術；紅外學習終端；PDAAbstract: The embedded technology and ZigBee wireless communication technology were applied to Intelligent Home.The overall program for Intelligent Home Network was given and the software and hardware of all parts were designed. It also designed the key pionts of the termination for studying IR code, PDA and communication protocol. In house, the users can control household equipments with PDA to realize some specific operation. Status and alarm information can also be delivered to PDA. The family can also monitor and manage with GSM technology in the remote. This text is accord with the design principles of openness,utility,universalness,concise and modularization.Key words: ZigBee; Intelligent Home Network; embedded technology; termination for studying IR code; PDA 0 引言 21世紀是信息時代，各種電信新技術推動了人類文明的進步。正是因為通信技術、計算機技術、網(wǎng)絡技術、控制技術的迅猛發(fā)展與提高，促使了家庭實現(xiàn)了生活現(xiàn)代化，居住環(huán)境舒適化、安全化。這些高科技已經(jīng)影響到人們生活的方方面面，改變了人們生活習慣，提高了人們生活質(zhì)量，家居智能化也正是在這種形勢下應運而生的。智能家居控制系統(tǒng)的主要功能包括通信、設備自動控制、安全防范三個方面。 隨著新技術和自動化的發(fā)展，傳感器的使用數(shù)量越來越大，功能也越來越強，各種傳感器都已經(jīng)標準化、模塊化這給智能家居控制系統(tǒng)的設計提供極大方便。1 智能家庭網(wǎng)絡系統(tǒng)方案中控主機紅外設備終端通用開關設備終端通用開關設備終端通用開關設備終端GSM移動網(wǎng)絡PDA綜合監(jiān)控終端紅外設備環(huán)境設置照明系統(tǒng)安防系統(tǒng)紅外RFID電子鎖ZigbeeZigbeeZigbeeZigbeeZigbeeZigbee智能家庭無線網(wǎng)絡系統(tǒng)是通過終端控制器發(fā)出控制指令，經(jīng)過無線信號傳輸?shù)綌?shù)據(jù)主機處理后，再由不同指令控制家居中不同的設備。每臺電器（控制對象）都有一個唯一的地址編碼，同時每一個動作（如開、關、播放等）也有一個唯一的編碼。遠程也可以監(jiān)控、操作家中電器。文中提出的智能家庭無線網(wǎng)絡系統(tǒng)由基于UC/OS II的ARM7中控主機、基于Wind- ows CE的ARM9手持PDA、紅外設備終端、通用開關設備終端、GSM聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、RFID射頻電子鎖、ZigBee無線通信模塊等部分組成。系統(tǒng)主體構架如圖1所示。圖1 系統(tǒng)主體構架Fig.1 main framework of the System用戶刷卡打開RFID電子鎖時，電子鎖終端通過ZigBee網(wǎng)絡將命令傳送到室內(nèi)中控主機，中控主機中的解防任務、情景模式任務、環(huán)境任務、設備動作任務便被激活，各家居設備根據(jù)先前用戶設定好的情景模式進入相應工作狀態(tài)。作為家庭網(wǎng)絡中的控制中心部分，中控主機擔任著內(nèi)外異構網(wǎng)絡的協(xié)議解釋、轉(zhuǎn)換、分發(fā)和監(jiān)視、控制各節(jié)點的工作。并且通過ZigBee網(wǎng)絡將各命令傳達給目的ZigBee終端節(jié)點，相應的節(jié)點再把命令下達給目標設備，完成命令執(zhí)行功能。用戶在室內(nèi)，可通過PDA和嵌入式智能家居信息化綜合管理軟件平臺進行模式與參數(shù)設置，并對各家居設備進行在線監(jiān)控。在遠程，通過GSM聯(lián)網(wǎng)使整個系統(tǒng)接入到移動網(wǎng)絡，對家居系統(tǒng)設備進行監(jiān)控和操作。紅外設備中轉(zhuǎn)終端作為一個特殊的設備終端控制器專門對如電視、空調(diào)、DVD等紅外設備進行控制。2 單元模塊硬件組成及其工作原理2.1 RFID射頻電子鎖RFID射頻電子鎖的核心芯片采用同欣智能科技的TX125系列非接觸IC控制芯片。該芯片的射頻讀卡采用125kHz射頻，讀卡距離為50150mm，完全支持對EM、TEMIC、TK及其兼容卡的操作。RFID電子鎖電路中，MODE1接高電平選為波特率9600，MODE3接高電平選為串口輸出，MODE4接高電平選為主動模式，其中TX125的“TXD”與MSP430的P3.7連接，P3.7的工作模式設置為串口1的接收狀態(tài)，打開串口1的接收中斷，使RFID的讀卡實時性達到最高；TX1,TX2連接感應天線，“STATUS”與MSP430的普通IO口P1.2連接，用于讀取TX125的工作狀態(tài)；MSP430的普通IO口P1.3設置為輸出狀態(tài)，通過繼電器控制電子鎖的動作電機，用以完成開門和鎖門等工作，TX125其它管腳默認空載。RFID電子鎖電路如圖2：圖2 RFID電子鎖電路Fig.2 circuit of electric lock2.2 紅外設備終端及通用開關設備終端由于各廠商的紅外設備之間沒有統(tǒng)一的接口標準，即使屬于同一種紅外設備，其對應功能的紅外編碼也不一定相同。故針對每一個廠商紅外設備的紅外編碼，如果其對外是公開的，可以直接網(wǎng)絡下載到設備終端，但是大多數(shù)廠家的紅外編碼是不對外開放的，所以采取對其遙控器進行紅外學習解碼的方案。常見的紅外遙控編碼包括三種方式：PWM（脈沖寬度調(diào)制），PPM（脈沖位置調(diào)制）和FSK（移頻鍵控）方式,其中前兩種方式是主要的。PWM：“0”和“1”的寬度不同。“1”的脈沖信號寬度寬，“0”的脈沖信號寬度窄，脈沖信號之間的空信號寬度是一樣的，如圖3(a)。針對此編碼方式，對解調(diào)后的信號進行脈沖寬度定時器捕捉，從而解碼出二進制數(shù)據(jù)，進而進行存儲。PPM：以脈沖信號的位置表示“0”和“1”。從有脈沖信號到?jīng)]有脈沖信號為“0”，從無脈沖信號到有脈沖信號為“1”。其有脈沖信號和無脈沖信號的時間相同，也就是每位的時間是固定的，如圖3(b).針對此編碼方式，對解調(diào)后的信號進行時域分段，在每一個周期的中心時段采集脈沖的上升沿或下降沿模式進而判斷其位是1還是0，進而解碼出二進制數(shù)據(jù)進行存儲。FSK：和模擬信號的頻移鍵控方式一樣，如圖3(c)。針對此編碼方式，采用數(shù)字低通濾波方法解碼出二進制數(shù)據(jù)進行存儲。01011001 0 1 0 1 0 0 1 (b)(a) (c)圖3紅外編碼方式Fig.3 method of infrared coding紅外終端采用MSP430F147與CC2430做為主處理芯片實現(xiàn)功能運算與通信，其電源電壓都適應于1.8-3.6V。MSP430F147具有超低耗電特性，能為ZigBee應用提供良好的支持，而且該芯片定時器具有捕獲模式，可以通過該功能實現(xiàn)各種測量，紅外設備終端便是利用了芯片的這個特性進行解碼存儲，紅外學習終端硬件組成模塊框圖如圖4：Flash存儲器Zigbee模塊CPU模塊MSP430供電模塊紅外發(fā)射模塊紅外接收模塊圖4紅外學習終端硬件模塊圖Fig.4 Hardware module of infrared studying terminal紅外學習終端用來讀取紅外遙控器輸出的紅外信號，進行解碼學習，處理過的數(shù)據(jù)按固定格式存儲，紅外接收采用光信號輸入、電信號輸出于一體的紅外接收頭，其三個管腳為：（2）普通開關終端控制驅(qū)動Common switch terminal control driver（1）紅外通信部分電路圖circuit of infrared communication圖5設備終端部分電路圖Fig.5 part circuit of terminal信號輸出端，供電端和接地端。紅外接收頭監(jiān)測到紅外信號，經(jīng)一系列的放大、限幅、濾波、比較處理后，還原為發(fā)射端調(diào)制前的信號。為了提高接收靈敏度，輸出信號的高低電平與原先的信號是反相的。采用MSP430的P1.0口控制PNP三極管，進而驅(qū)動紅外發(fā)射LED，實現(xiàn)紅外發(fā)送功能。其中R2為330歐，限制LED的最大電流，起保護作用。由CPU內(nèi)部定時器產(chǎn)生38KHZ載波，通過內(nèi)部軟件算法調(diào)制，直接由P1.0輸出調(diào)制波驅(qū)動紅外發(fā)射管進行發(fā)送，如圖5（1）。對于通用開關設備終端，主要由CPU模塊、ZigBee模塊、控制驅(qū)動模塊、存儲模塊，狀態(tài)指示燈和安裝設置按鈕組成。其中，控制驅(qū)動模塊電路如圖5（2），此處為防止系統(tǒng)起電后，CPU運行前IO管腳的瞬間高電平對輸出系統(tǒng)造成沖擊，故設計為低電平驅(qū)動，選用PNP型三極管驅(qū)動電磁繼電器實現(xiàn)對燈等一系列普通開關設備的驅(qū)動控制。狀態(tài)指示燈主要有兩個，紅燈在分配地址時亮，綠燈在正常工作時亮。2.3 可移動式PDAPDA對大量的模式處理與人機交互有相當高的要求，故采用ARM9方案，由于ARM9的芯片焊接與多層板等問題在少量生產(chǎn)時難度大，成本又高，故以廣州友善之臂計算機有限公司的ARM9核心板micro2440為主硬件體，配以3.5寸的觸摸液晶屏等進行二次開發(fā)，核心板由三星支持MMC的ARM920T系列中的S3C2440和64M內(nèi)存SDRAM,128M Nand Flash 和2M的Nor Flash等組成，最高主頻可達532MHz，支持WINDOWS CE和LINUX,本系統(tǒng)中的PDA是在此硬體上加載的Windows CE 6.0操作系統(tǒng)，以VS2005為開發(fā)軟件平臺，自行設計的PDA友好界面。PDA通過ZigBee模塊與整個系統(tǒng)實現(xiàn)無線連接。2.4 中控主機作為系統(tǒng)的核心主機，控制管理整個通信系統(tǒng)。其由ARM7核心處理器LPC2106，并輔以通用按鍵、液晶顯示、Zigbee模塊組成。本系統(tǒng)對中控主機嵌入的UC/OSII操作系統(tǒng)主要設計了5個實時任務，分別為GSM通信任務、Zigbee系統(tǒng)通信任務、報警輸出與LCD在線狀態(tài)輸出任務、按鍵掃描任務和系統(tǒng)總?cè)蝿?。其中GSM通信任務主管中控主機和GSM模塊的通信，以及遠程短信的收發(fā)、電話報警、遠程手機系統(tǒng)監(jiān)控處理等，主機通過串口與GSM模塊連接。ZigBee系統(tǒng)通信任務實現(xiàn)中控主機和Zigbee協(xié)調(diào)器模塊的通信，處理系統(tǒng)的各種通信數(shù)據(jù)以及協(xié)助Zigbee協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，當獲取到系統(tǒng)的異常情況，由報警輸出任務啟動中控主機的蜂鳴器進行報警，并由GSM通信任務發(fā)出報警信號到手機。主機通過SPI接口與Zigbee模塊連接，各種系統(tǒng)切換狀態(tài)皆可通過LCD在線顯示出來。按鍵掃描任務通過中控主機可對整個系統(tǒng)進行開關機、模式切換、添加刪除設備等操作。系統(tǒng)總?cè)蝿赵O定各個任務優(yōu)先級，協(xié)調(diào)各任務的有序工作。預留另一個串口與個人電腦PC機連接，用于做參數(shù)設置及系統(tǒng)升級擴展。2.5 GSM聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)西門子工業(yè)GSM模塊TC35，是一款雙頻900/1800MHZ高度集成的GSM模塊，性能穩(wěn)定可靠，支持數(shù)據(jù)、語音、短消息和傳真用。中控機的串口1與此GSM模塊進行對接，通過AT命令控制發(fā)送和接收相應數(shù)據(jù)。但其電流消耗在最高峰時可達2A，故對其電源板有較高的要求，用LM2576開關芯片對其進行供電。3 系統(tǒng)應用層協(xié)議的設計與其它的無線通信技術相比，Zigbee是一種短距離、低速率、低成本、低功耗的小區(qū)域的無線通信方式，具有時延短、網(wǎng)絡容量大、抗干擾性能好、可靠、安全、網(wǎng)絡自動修復的特點。特別是Zigbee的低功耗特點給終端的設計帶來極大的方便，采用電池供電通?？沙掷m(xù)兩年以上的時間。協(xié)調(diào)器一直處于監(jiān)聽狀態(tài)，一個新添加的終端會被網(wǎng)絡自動發(fā)現(xiàn)，隨時建立無線通信鏈路，這可以方便添加新的設備。Zigbee具備支持星狀、樹狀及網(wǎng)狀3種網(wǎng)絡架構，通過ZigBee技術組網(wǎng)，把家中的電器設備都聯(lián)入網(wǎng)內(nèi)，通過網(wǎng)關連接到Internet、手機終端等外部網(wǎng)絡。本系統(tǒng)設計為星狀網(wǎng)絡架構。PDA與各終端設備進行通信時，其協(xié)議格式作了如下定義：一幀10個字節(jié)，第一個和第二個字節(jié)定義為幀頭，設定為固定值0X40，0X55(分別對應字符“”，“U”)；第三個字節(jié)定義為工作方式，共三種工作方式，分別是中轉(zhuǎn)終端分配地址模式（標識符0X33）、編碼學習模式（標識符0X32）、正常工作模式（標識符0X31）；第四個字節(jié)定義為房間號；第五個字節(jié)定義為設備類型（如電視、空調(diào)）；第六個字節(jié)定義為終端號（為解決一種設備類型在同一個房間安裝兩個或兩個以上所產(chǎn)生的設備沖突問題）；第七、八個字節(jié)定義為標識碼，又稱作功能碼。標識碼分別映射為紅外設備的各個功能，例如電視機的開機關機換臺操作等等。標識碼與各功能的映射協(xié)議表在整個系統(tǒng)中統(tǒng)一，在紅外設備終端中這一映射關系得以復原為紅外編碼。第九、十個字節(jié)幀尾，固定碼0XOA，0XOD，是換行符和回車符的ASCII碼。首先將各個房間、設備、終端、設備的各標識碼進行編號，例如客廳為“1”，主臥為“2”，書房為“3”電視為“1”，DVD為“2”，燈為“3”。由于同一種設備在一個房間內(nèi)可能有多個，因而特定義終端“1”，“2”,“3”加以區(qū)別。對于標識碼的定義可以將普通開關設備的開定義為“1”，關定義為“2”，其它的紅外設備的各個功能依次排序為“3”，“4”，“5”，其中“1”對應十六進制OX31，“2”對應十六進制OX32。圖6（a）表示協(xié)議通用格式，圖6（b）為一特例，可表示為在正常工作方式下，要實現(xiàn)客廳中電視1開關功能，PDA向其紅外學習終端發(fā)送的協(xié)議碼。（b）幀頭工作方式房間設備終端標識碼標識碼2byte1byte1byte1byte1byte2bytes0X40，0X550X 310X 310X 310X 300X 33（a）0X 31幀尾0X0A0X 0D2bytes客廳主臥書房03（c）1電視DVD燈空調(diào)環(huán)境蒸煮報警場景23456781電視一電視二21開關靜音電視臺1電視臺2燈一燈二21燈開燈關020106050423圖6系統(tǒng)應用層相關協(xié)議Fig.6 System protocol of APP圖6（c）表示PDA指令協(xié)議定義過程的簡單表述。圖中開始為客廳，并列有其它的房間，例如主臥、書房等。所以要完成客廳電視1的開關，需要發(fā)送編碼11103，然后加上幀頭“U”,加上幀尾即可，其幀的具體內(nèi)容與圖6（b）一致。紅外設備終端碼元在存儲器24C02中的存儲順序如圖7（a）所示，前3個字節(jié)空間存儲終端地址，從第10個字節(jié)開始，每30個字節(jié)存儲一個特定功能的紅外編碼，從1500個字節(jié)開始，每2個字節(jié)存儲一個標識碼，圖中T1代表第一次學習后存儲的紅外編碼，所以需要在按下PDA的某功能按鍵后，將其標識碼進行存儲，然后將遙控器相應功能按鍵的紅外編碼進行學習存儲，在正常工作時便可通過標識碼找到相應的紅外編碼，實現(xiàn)遙控紅外設備功能。設備終端T1T2T3房間T1T2T31byte1byte1byte30bytes30bytes30bytes2bytes2bytes2bytes終端地址紅外編碼標識碼Byte 1Byte 10Byte1500設備終端房間1byte1byte1byte終端地址Byte 12bytes組標識狀態(tài)設備終端房間1byte1byte1byte終端地址Byte 112bytes組標識狀態(tài)P1.0P1.1（a）（b）普通開關設備終端碼元在存儲器24C02中的存儲順序如圖7（b），所有的狀態(tài)碼只有開和關兩種，進行地址分配時初始化為關。標識碼通過P1口控制設備的開關。也就是說一個普通設備終端可以控制8個普通開關設備。這8個開關設備的房間號碼、設備類型、終端號用戶可以自己任意設定。圖7終端數(shù)據(jù)存儲序列Fig.7 terminal data Storage sequence4 系統(tǒng)軟件架構設計4.1 中控主機軟件設計流程上電啟動硬件初始化操作系統(tǒng)初始化任務創(chuàng)建啟動操作系統(tǒng)設備服務任務模式服務任務環(huán)境監(jiān)測任務GSM通信任務鍵盤與PDA命令處理任務設備狀態(tài)檢測任務錯誤處理任務圖8中控主機軟件設計流程Fig.8 Software design process of center control computer系統(tǒng)上電后，分別經(jīng)過硬件初始化、操作系統(tǒng)初始化、任務初始化等過程后便啟動UC/OSII操作系統(tǒng)，交由內(nèi)核運行各個模塊任務，其中“設備服務任務”管理各個設備的動作及其更新，“GSM通信任務”主要管理遠程無線報警及查詢與設置等命令處理，“模式服務任務”主要管理整個系統(tǒng)的工作模式與風格，“環(huán)境檢測”主要管理各傳感器輸入設備，人機交互命令主要交由“鍵盤與PDA命令處理任務”處理，“設備狀態(tài)檢測任務”用來接收和感知各個終端設備的狀態(tài)反饋，用以保證系統(tǒng)設備動作的正確性。系統(tǒng)的各種異常交由“錯誤處理任務”進行處理。如圖8所示：4.2紅外設備終端子機軟件流程主函數(shù)開始時鐘，硬件初始化，zigbee入網(wǎng)初始化解析命令讀取字段解壓縮處理紅外發(fā)送準備休眠處理與壓縮存儲準備存儲對碼學習初始化本地學習置學習標志flag休眠中斷休眠是否否是正常工作紅外編碼學習設備添加是否學習完畢30秒閑置工作狀態(tài)分配地址任務圖9紅外終端子機軟件流程Fig.9 S