智能家居系統(tǒng)設計

1、嵌入式智能家庭無線網絡系統(tǒng)設計尚麗麗 劉軍民1（大連理工大學電子信息與電氣工程學部，遼寧 大連116024 ）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絡系統(tǒng)的設計中，給出了智能家 庭無線網絡系統(tǒng)的總體方案和各部分軟硬件的設計，并對紅外學習終端、PD心及通信協(xié)議等關鍵問題進行了研究設計。在室內，用戶通過PD庭控家庭設備執(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 ;智能家庭網絡；嵌入式技術；紅外學習終端；PDA0引言

2、隨著科技的進步和生活水平的日益提高，人們對居住環(huán)境提出了更高要求，家居生活的智能化領域前景可觀。無線網絡可提供最大的靈活性、流動性，省去花在綜合布線上的費用 和精力，成為智能家庭數(shù)字網絡的必然趨勢?，F(xiàn)在家中的大部分用電器都采用紅外遙控通信接口，由于各種紅外接口不統(tǒng)一，成為實現(xiàn)家庭數(shù)字網絡化的一大難題。1智能家庭網絡系統(tǒng)方案智能家庭無線網絡系統(tǒng)是通過終端控制器發(fā)出控制指令，經過無線信號傳輸?shù)綌?shù)據主機處理后，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絡系

3、統(tǒng)由基于UC/OS II的 ARM 中控主機、基于 WindowsCE 的 ARM 弟持 PDA紅外設備終端、通用開關設備終端、GS 獻網系統(tǒng)、RFIDM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。Fig.1 main framework of the System作者簡介：尚麗麗（1986-）,女，山東青島人，大連理工大學電子信息與電氣工程學部碩士研究生，研究方向 無線通信。導師：劉軍民，研究生導師，大連理工大學教授Email : 。用戶刷卡打開 RFID電子鎖時，電子鎖終端通過 ZigBee 網絡將命令傳送到室內中控主機， 中控主機中的解防任務、情景模式任務、環(huán)境

4、任務、設備動作任務便被激活，各家居設備根據先前用戶設定好的情景模式進入相應工作狀態(tài)。作為家庭網絡中的控制中心部分，中控主機擔任著內外異構網絡的協(xié)議解釋、轉換、分發(fā)和監(jiān)視、控制各節(jié)點的工作。并且通過ZigBee 網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，可通過PDZW 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GS獻網使整個系統(tǒng)接入到移動網絡，對家居系統(tǒng)設備進行監(jiān)控和操作。紅外設備中轉終端作為一個特殊的設備終端控制器專門對如電視、空調、DV噂紅外設備進行控制。2單元模塊硬

5、件組成及其工作原理2.1RFID射頻電子鎖RFID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 TKM 其兼容卡 的操作。RFID電子鎖電路中，MODE1 高電平選為波特率 9600, MODE3 高電平選為串口輸出， MODE4高電平選為主動模式，其中TX125的“ TXLJ 與 MSP430勺 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 MS

6、P430勺普通 IO 口 P1.2連接，用于讀取 TX125 的工作狀態(tài)；MSP 430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，TX12殂它管腳默認空載。RFID電子鎖電路如圖 2:+5W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

7、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脈沖寬度調制）PPM（脈沖位置調制）和 FSK（移頻鍵控）方式，其中前兩種方式是主要的。PWM0”和“1”的寬度不同?！?”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，進而進行存儲。PPM以脈沖信號的位置表示“ 0”和“1”。從有脈沖信號到沒有脈沖信號為“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，對解調后

8、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)據進行存儲。1_0_0_IT11001(a)(b)0101001(c)圖3紅外編碼方式Fig.3 method of infrared coding紅外終端采用MSP430F14有CC2430故為主處理芯片實現(xiàn)功能運算與通信，適應于 1.8-3.6V。MSP430F14M有超低耗電特性，能為ZigBee應用提供良好的支持，芯片定時器具有捕獲模式， 可以通過該功能實現(xiàn)

9、各種測量，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：圖5設備終端部分電路圖Fig.5 part circuit of terminal而且該紅外設備終端便是利用了芯片的4:圖4紅外學習終端硬件模塊圖Fig.4 Hardware module of infrared studying 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，經一系列的放大、限幅、濾波、 比較處理后，還原為發(fā)射端調制前的信號。為了提高接

10、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內部定時器產生 38KHZ 載波，通過內部軟件算法調制，直接由 P1.0輸出調制波驅動紅外發(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莫塊、ZigBee 模塊、控制驅動模塊、存儲模塊，狀態(tài)指示燈和安裝設置按鈕組成。其中，控制驅動模塊電路如圖5 (2),此處為防止系統(tǒng)起電后，CPK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 驅動，選用 PN哩三

11、極管驅動電磁繼電器實現(xiàn)對燈等一系列普通開關設備的驅動控制。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寸大量的模式處理與人機交互有相當高的要求，故采用ARM斯案，由于 ARM 的芯片焊接與多層板等問題在少量生產時難度大，成本又高，故以廣州友善之臂計算機有限公司的ARM 敏心板 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 MMCARM920系列中的 S3C244儕日64雄存 SDRAM,128M Nand Flash 和 2M勺 Nor Flash 等 組成， 最高主頻可達 532MHz支持 WINDOW

12、S CELINUX， 本系統(tǒng)中的 PD疽在此硬體上加載的 W indowsCE6.0操作系統(tǒng)，以 VS2005為開發(fā)軟件平臺，自行設計的PD阪好界面。PD涎過 ZigBee 莫塊與整個系統(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ARM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 GS通信任務、Zigbee 系統(tǒng)通信任務、報警輸出與 LCDB 線狀態(tài)輸 出任務、按鍵掃描任務和系統(tǒng)總任務。其中 GS 蜓信任務主管中控主機和 GS 碾塊的通信，以 及遠程短信

13、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GS膜塊連接。ZigBee系統(tǒng)通信任務實現(xiàn)中控主機和Zigbee協(xié)調器模塊的通信，處理系統(tǒng)的各種通信數(shù)據以及協(xié)助 Zigbee協(xié)調器轉發(fā)數(shù)據，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 GS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&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)總任務設定各個任務優(yōu)先級，協(xié)調各任務的有序工作。預留另一個串口與個人電腦PCM連接，用于做參數(shù)設置及系統(tǒng)升級擴展。

14、2.5 GSM聯(lián)網系統(tǒng)西門子工業(yè) GS 膜塊 TC35,是一款雙頻 900/1800MHZW 度集成的 GS碾塊，性能穩(wěn)定可靠， 支持數(shù)據、語音、短消息和傳真用。中控機的串口 1與此 GS 碾塊進行對接，通過 AT令控制發(fā)送和接收相應數(shù)據。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 LM257研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、網絡容量大、抗干擾性能好、可靠、安全、網絡自動修復的 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

15、通常可持續(xù)兩年以上的時間。 協(xié)調器一直處于監(jiān)聽狀態(tài)，一個新添加的終端會被網絡自動發(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、樹狀及網狀 3 種網絡架構，通過 ZigBee 技術組網，把家中的電器設備都聯(lián)入網內，通過網關連接到Internet 、手機終端等外部網絡。本系統(tǒng)設計為星狀網絡架構。PD點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（分另 U 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，分別是中轉終端分配地址模式（標識符0X33）、編碼學習模式（標

16、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）；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

17、”電視為“ 1 ”，DVN “2”，燈為“3”。由于同一種設備在一個房間內可 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。開關4靜音耳電視臺 105電視臺 2 06燈開 01 .燈關一4圖6系統(tǒng)應用層相關協(xié)議Fig.6 System

18、 protocol of APP圖 6 （c）表示 PDA旨令協(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，其幀的具體內容與圖6 （b） 一致。幀頭工作方式房間設備終端標識碼標識碼幀尾- w*T-寸- -F- - v - - y- -rJ-、-2byte1byte1byte1byte1byte2bytes2bytes(a)0X40 , 0X550X 310X 310X 310X 310X 300X 330X0A0X 0D0X40, 0X550X 310X 31 0X 31 0X

19、 31 0X 30 0X 33 0X0A 0X 0D廣電視一電視-1- YDVD-f I電視二客廳主臥書房報警一 7場景8*(c)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。24C02中的存儲順序如圖 7

20、(b),所有的狀態(tài)碼只有開和標識碼通過 P1 口控制設備的開關。也就是說一個普通這 8個開關設備的房間號碼、設備類型、終端號用戶可4系統(tǒng)軟件架構設計4.1中控主機軟件設計流程圖 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普通開關設備終端碼元在存儲器關兩種，進行地址分配時初始化為關。設備終端可以控制 8 個普通開關設備。以自己任意設定。房間設備終

21、端L_T1T2T3_ J 1_一J1 _ _T1T2T3 Byte 1終端地址_Byte 10紅外編碼人Byte1500標識碼2bytes(b)圖7終端數(shù)據存儲序列Fig.7 terminal data Storage sequence30bytes 30bytes 30bytes1byte 1byte 1byte2bytes2bytes其更新，“GS 施信任務”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 PD部令處理任務” 處理，“設備狀態(tài)檢測任務”用來接收和感知各個 終端設

22、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圖9紅外終端子機軟件流程Fig.9 Software design process of infrared terminal如圖 9,紅外設備終端上電后先進行硬件初始化，接著初始化ZigBee 協(xié)議棧，進入主循環(huán)后讀取 ZigBee 網絡數(shù)據，判斷工作狀態(tài)，分為正常工作、紅外編碼學習、分配地址任務等。 分別進入相應工作流程，當終端被閑置 30秒后，終端自動進入休眠模式。由 CPU身的時間 中斷和 Zigbee 中斷兩種方式可喚醒子系統(tǒng)休眠。4.3 PDA軟件設計

23、構架圖10上位機PDA欠件界面舉例Fig.10 Software design of PDAPD收好界面設計采用 VS200咖 Windows CE 6.0的 SDKS 行前期開發(fā)。操控界面以房間、 設備、設備控制界面為方案主線，其中在啟動界面即房間界面下拉框中設有模式選擇，即前面提到的分配地址模式、編碼學習模式、正常工作模式。其設備界面主要分為紅外設備、照 明系統(tǒng)、環(huán)境檢測、安防系統(tǒng)、系統(tǒng)配置等五大部分。設備界面的下一個界面是設備各自對應的控制界面。圖 10中的第一個界面是房間界面，第二個界面是設備界面，第三個界面是電視機的控制界面。5結論通過對系統(tǒng)軟、硬件的綜合調試表明：該智能家庭無線網絡

24、系統(tǒng)具有良好的工作穩(wěn)定性和監(jiān)控的準確性、實時性，網絡節(jié)點體積小，安裝、布置簡單方便，在低功耗和低成本方面 具有很強的優(yōu)勢。用戶可以方便地將新買到的紅外設備以及普通開關設備添加到網絡中，室內室外操作、監(jiān)控方便，符合經濟、實用、安全、舒適”的原則，結構清晰，具有較好的擴展性能。致謝感謝劉軍民導師在本課題的選題及理論研究過程中給予的親切關懷和悉心指導，他嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神和精益求精的工作作風深深激勵著我。在此，謹向劉老師致以最誠摯的謝意。參考文獻1李成大，張京等.基于 ZigBee 無線通信技術的智能家居系統(tǒng)J.電訊技術，2007:47-63.2蔣鵬，黃賢英.嵌入式智能代理技術的應用研究J.微計算機信息，2005, 02:123-124.3胡建榮.巧用 C51實現(xiàn)紅外編碼的調制與解調J.電子報,2009, 03:第 015 版.4凌志斌，鄧超平，鄭益慧.紅外遙控技術及其解碼方案J.微處理機，2003, 12.The design of wireless network embedded system for Intelligent HomeSHANG Li-li,LIU Jun-min(Dalian University of Technology, School of Ele