基于藍(lán)牙的智能家居網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

1、百度文庫好好學(xué)習(xí).天天向上目錄第1章緒論課題研究背景智能家居的發(fā)展?fàn)顩r國內(nèi)智能家居發(fā)展?fàn)顩r國外智能家居發(fā)展?fàn)顩r未來智能家居發(fā)展趨勢研究的目的和意義課題研究的內(nèi)容第二章智能家居控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案智能家居網(wǎng)絡(luò)的主要功能智能家居網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)221家居控制器的總體設(shè)計框圖2.2.2家居控制器硬件設(shè)計2.2.3家居控制器軟件設(shè)計第三章硬件平臺設(shè)計硬件模塊介紹藍(lán)牙系統(tǒng)前端構(gòu)成藍(lán)牙系統(tǒng)終端構(gòu)成第四章軟件平臺的搭建藍(lán)牙系統(tǒng)的無線通信數(shù)據(jù)幀格式系統(tǒng)軟件設(shè)計4.2.1單片機端軟件設(shè)計4.2.2 PC機端軟件設(shè)訃4.2.3系統(tǒng)收發(fā)數(shù)據(jù)流程第五章系統(tǒng)測試與分析結(jié)論參考文獻-1百度文庫好好學(xué)習(xí).天天向上第一章緒論課題研究

2、背景智能家居是以住宅為平臺兼?zhèn)浣ㄖ?、網(wǎng)絡(luò)通訊、信息家電設(shè)備自動化，集系 統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理為一體的舒適、高效、安全、便利、環(huán)保的家居環(huán)境。目前在國內(nèi)家庭信息網(wǎng)絡(luò)和智能家居網(wǎng)絡(luò)的研究和實施中，存在的兒個關(guān)鍵 問題：智能家居的發(fā)展?fàn)顩r1.2.1國外智能家居的發(fā)展?fàn)顩r1.2.2國內(nèi)智能家居的發(fā)展?fàn)顩r123智能家居的未來發(fā)展趨勢課題研究的目的和意義課題研究的內(nèi)容課題研究的主要內(nèi)容具體如下（1）智能家居控制器硬件的設(shè)計爲(wèi)首先根據(jù)對智能家居控制器的具體要求 例如功耗、成本、體積等，為其選擇性價比比較高的CPU,然后分別對其各個 動能模塊進行硬件電路的設(shè)計與調(diào)試。（2）智能家居控制器的軟件的設(shè)計。對現(xiàn)在的

3、嵌入式操作系統(tǒng)進行研究和分析，為智能家居控制器選定一個操作系統(tǒng)。完成嵌入式軟件開發(fā)平臺的搭建。 開發(fā)實際的應(yīng)用軟件和圖形界面。(3) 家庭控制網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)。在研究藍(lán)牙協(xié)議的基礎(chǔ)上，完成控制器與其他 設(shè)備的基于藍(lán)牙模塊的通信。調(diào)試病實現(xiàn)藍(lán)牙的點對點、點對多通信，最賤模 擬的家庭內(nèi)部控制子網(wǎng)。第二章.智能家居控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案智能家居網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的主要功能智能家居王所要是實現(xiàn)的主要功能有：對非智能家電的控制對現(xiàn)有家用電 器和其他設(shè)備的控制、調(diào)節(jié)和檢測，比如燈光、安防報警器、微波爐、洗衣機、 自動門以及各種手動的開關(guān)和遙控器等。智能家居網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)2.2.1家居控制系統(tǒng)總體設(shè)訃框圖5圖1.家居控制系統(tǒng)總體設(shè)

4、計框圖藍(lán)牙系統(tǒng)在實現(xiàn)的時候，一般分成兩部分實現(xiàn)，一是硬件部分，它包括藍(lán)牙 協(xié)議棧的下三個層次，即無線收發(fā)、基礎(chǔ)和鏈路客理層(LMP):二是軟件部分， 它包括藍(lán)牙協(xié)議棧的上層，即L2CAP、RFCOMM、SDP和TCS以及一些藍(lán)牙技術(shù) 應(yīng)用。山于每一個藍(lán)牙設(shè)備都擁有一個全球唯一的地址碼，因此可以利用該地 址碼方便的實現(xiàn)家居內(nèi)電器設(shè)備的控制。2. 2. 2藍(lán)牙系統(tǒng)的硬件設(shè)計天線口前，雖然家用電器并沒有具有藍(lán)牙功能，但一般采用的控制方式，所以 在研究家居遠(yuǎn)程控制時，利用簡單的微處理器控制系統(tǒng)代替家用電器設(shè)備，通 過來實現(xiàn)與藍(lán)牙模塊之間的通信，從而模擬實現(xiàn)家用電器設(shè)備的藍(lán)牙接入功能。 系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖

5、2所示，藍(lán)牙模塊采用R0K101007,微處理器采用。藍(lán)牙芯片>PC機串口圖二藍(lán)牙模塊的系統(tǒng)設(shè)計框圖2. 2. 3藍(lán)牙系統(tǒng)的軟件設(shè)訃在設(shè)訃時，定義電器設(shè)備為從設(shè)備；與PC機相連的模塊為主設(shè)備。處理器、 PC機與R0K101007之間通過HCI (主機控制接口)來實現(xiàn)對其硬件的訪問和控 制。具體的工作過程如下：當(dāng)處理器和主機控制器通信時，HCI層以上的協(xié)議在處理器上運行，而HCI 層以下的協(xié)議山藍(lán)牙主機控制器硬件來實現(xiàn)，它們通過HCI傳輸層進行通信。 山微處理器充當(dāng)主機的角色，其主機軟件工作在HCI之上，通過串口與HCI進 行交互，調(diào)用HCI命令，處理HCI事件和數(shù)據(jù)分組。處理器和主機控制

6、器中都 有HCI,它們具有相同的接口標(biāo)準(zhǔn)。主機控制器中的HCI解釋來自處理器的信 息并將信息發(fā)向相應(yīng)的硬件模塊單元，同時還將模塊中的信息(包括數(shù)據(jù)和硬件 /固件信息)根據(jù)需要向上轉(zhuǎn)發(fā)給處理器，從而完成藍(lán)牙無線通信功能第三章.硬件平臺的設(shè)計硬件模塊介紹3.1.1愛立信ROK101007藍(lán)牙模塊介紹愛立信ROK 101 008是愛立信(Ericsson)公司出品的適用于短距離通信的無 線基帶模塊，它集成度高、功耗小、完全兼容藍(lán)牙1. 0B協(xié)議規(guī)范，可嵌入到 任何需要藍(lán)牙功能的設(shè)備中。它同時支持?jǐn)?shù)據(jù)和語音的傳輸，輸出功率滿足 Class2的要求。它提供有UART、PCM接口，可方便地實現(xiàn)與主機之間的

7、通信。 它在UART接口上的最高傳輸速率為460Kb / s,缺省波特率是57. 6Kb/s,可 支持的波特率為 300、600, 900, 1200、2400, 4800, 9600、19200, 384001 57600, 115200、230400, 460800bit / s,并有一個 128 字節(jié)的 FIFO 隊列 111。ROK 101008的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4.2所示。處于模塊底層的是無線層(Radio) 和基帶)g：(Baseband),以硬件的形式存在；處于模塊中上層的，是鏈路管理器(LM) 和HCI,以固件的形式存在。百度文庫好好學(xué)習(xí).天天向上圖.愛立信ROK 101 008

8、藍(lán)牙模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖ROK 101008山基帶控制器(Baseband)快閃式存儲器(Flash Memory)、無線電收發(fā)器(PBA 31301/2)、電壓調(diào)節(jié)器(Voltage Regulation). 13MHz 晶振 (13MHzCrystal)共5部分組成【12J,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖4. 3所示。 基帶控$1J-器(Baseband)：是一個以ARM7 一 Thumb為基礎(chǔ)的的芯片，通過 接口控制無線電收發(fā)器的運行。ROK 101 008的基帶控制器提供UART和PCM 兩種接口。 快閃式存儲器r(Flash Memory)：閃存和基帶控制器同時使用。 無線電收發(fā)器(PBA 31301

9、 / 2)： PBA313 01/2是短距離微波無線電收發(fā)器 其天線濾波器、RX和TX不平衡變壓器都集成在電路中，可作為嵌入式結(jié)構(gòu)應(yīng) 用。 電壓調(diào)節(jié)器：(Voltage Regulation)： Vcc典型值是3. 3V,產(chǎn)生兩個可調(diào)電 壓。 13MHz晶振(13MHz Crystal)：晶振提供頻率為13MHz的內(nèi)置時鐘。3.1.2 單片機C8051F120簡介微控制器(MCu)是藍(lán)牙應(yīng)用系統(tǒng)的核心，它的選擇將直接影響到系統(tǒng)的性能。 C8051F120是Cygnal公司的一種與8051兼容的高速SOC單片機，它具有高速 CIP. 51內(nèi)核、靈活的I/O交義開關(guān)、先進的時鐘系統(tǒng)、JTAG系統(tǒng)調(diào)

10、試接口以 及多源復(fù)位系統(tǒng)。它性能卓越，內(nèi)核釆用流水線結(jié)構(gòu)，速度可達100MIPS,比 普通的51快40倍，而且在資源豐富、體積小、功耗低、集成度高且調(diào)試方便。 下面列出了它的一些主要特性：高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP. 51內(nèi)核；真正8位500ksps的ADC,帶PGA和8通道模擬多路開關(guān)； 2周期的16X 16的乘法和累加引擎； 8448(8K+256)字節(jié)的片內(nèi) RAM；可尋址64K字節(jié)地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口；硬件實現(xiàn)的SPI、SMBus / 12C和兩個UART串行接El101； 5個通用的16位定時器；具有6個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)器/定時器陣列； FLASH存儲器

11、具有在系統(tǒng)中重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并 允許現(xiàn)場更新固件；片內(nèi)JTAG調(diào)試電路允許非侵入式(不占用片內(nèi)資源)、全速、在系統(tǒng)測試；可在工業(yè)溫度范NI(. 45"C +85o c)N用2. 7V3. 6V的電壓工作。C8051F120 為 100 腳 TQFP 封裝。系統(tǒng)藍(lán)牙終端構(gòu)成 本課題采用單片機C805F120通過UART連接愛立信R0K101 008藍(lán)牙模塊。簡單 的連接示意圖如圖所示，圖中的、分別標(biāo)出了連接中需要注意的3個 地方。Vcc 1 1Vcc Vcc Jo ON單片機藍(lán)牙模塊C8051F120ROK 101 008/RXDTXDRTS4CTSTXDRXDC

12、TS»RTS圖單片機C8051F120通過UART連接藍(lán)牙模塊示意圖系統(tǒng)藍(lán)牙前端構(gòu)成圖前端系統(tǒng)通過RS232將藍(lán)牙模塊與PC連接。這里只需要MAX232電平轉(zhuǎn)換 簡單連接即可，其硬件原理如圖所示PCTXD RXDRS232TXD RXD藍(lán)牙RS232RXD TXD電平轉(zhuǎn)換RXD TXD模塊圖.前端硬件構(gòu)成圖第四章.通信系統(tǒng)軟件模塊藍(lán)牙系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)通信幀格式為了避免同頻干擾的問題，系統(tǒng)釆用時分TDMA (Time Division Multiple Access)復(fù)用技術(shù)，把系統(tǒng)主機與任意一臺從機之間的通信采用時分的方式分開, 主機通過掃描的方式與各從機進行點對點通信。(1)無線通信

13、數(shù)據(jù)幀格式無線 通信協(xié)議的首要任務(wù)就是能夠識別噪聲和有效數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)的通信方式主要是 藍(lán)牙模塊之間的無線通信和主機與PC機之間的簾行通信格式。圖2所示的是系 統(tǒng)的無線通信數(shù)據(jù)格式。其中圖(a)是主機發(fā)送命令時的數(shù)據(jù)幀格式。通常連 接傳感器的從機處于“待命”狀態(tài)，當(dāng)接收到引導(dǎo)字時，各從機都準(zhǔn)備分析地 址信息，若接收的地址信息與本機地址相符，則執(zhí)行命令字，否則繼續(xù)待命。在系統(tǒng)調(diào)試中發(fā)現(xiàn)OxFF后跟0XAA在噪聲中出現(xiàn)的概率很小，所以，我們在傳 輸協(xié)議的數(shù)據(jù)包前加“OxFF+OxAA”的引導(dǎo)字。接收協(xié)議約定只接收以O(shè)xFF 后跟OxAA開始的數(shù)據(jù)包。|引導(dǎo)7從機地址:命令7校驗|結(jié)束位(a)上位及發(fā)

14、送令令引導(dǎo)刃k機地址傲齣位數(shù)據(jù)低位|校臉結(jié)麵(b) U收三艮數(shù)攥引導(dǎo)字從機地址告畀數(shù)更校驗1結(jié)束位(C)接收告#敏據(jù)儀接數(shù)柄I2bitsP隔土BC標(biāo)土K/ft2byics(d)藍(lán)牙HC1 CAL數(shù)據(jù)包格式鏈接數(shù)柄12bits保留位性度2bytcs數(shù)據(jù)(e) £tHCI SCO數(shù)據(jù)包格式圖系統(tǒng)無線通信幀格式系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)的軟件設(shè)計分為單片機端軟件設(shè)計和PC端軟件設(shè)計兩大塊。4.2.1單片機端軟件設(shè)計單片機端軟件采用嵌入式C語言的編程，開發(fā)環(huán)境為Keil,主要工作有兩 部分，分別是藍(lán)牙基本數(shù)據(jù)傳輸模塊的實現(xiàn)和藍(lán)牙文件傳輸模塊的實現(xiàn)。(1)藍(lán)牙基本數(shù)據(jù)傳輸模塊的實現(xiàn)此部分軟件包括初始化、

15、藍(lán)牙交互、處理數(shù)據(jù)三個部分。初始化包括系統(tǒng)初 始化和藍(lán)牙初始化。系統(tǒng)初始化包括系統(tǒng)時鐘初始化、管腳分配、串口初始化、 定時器初始化等，藍(lán)牙初始化是通過UART給藍(lán)牙模塊發(fā)送一系列初始化指令, 藍(lán)牙模塊返回事件，交互完成一系列的復(fù)位、鑒權(quán)、讀地址等初始化操作。藍(lán) 牙交互就是初始化完成后，若本地藍(lán)牙作從設(shè)備，則等待遠(yuǎn)端藍(lán)牙設(shè)備的建鏈 請求，如果接受請求，則繼續(xù)等待建鏈成功，獲得一個連接句柄，從而即可進 行數(shù)據(jù)交換；若本地藍(lán)牙作主設(shè)備，則進行一系列主動查詢、建鏈、發(fā)送數(shù)據(jù)、 斷鏈等操作。處理數(shù)據(jù)就是將有效數(shù)據(jù)提取出來顯示在液晶上或轉(zhuǎn)存到相應(yīng)位 置等一系列后續(xù)操作。需要注意的是，在程序的主循環(huán)中，需要

16、實時判斷吊口接收緩沖區(qū) 是否有數(shù)據(jù)，有數(shù)據(jù)則調(diào)用HCI狀態(tài)機進行處理。程序流程如圖所示。圖從機數(shù)據(jù)處理程序流程422 PC端軟件設(shè)計PC端釆用面向?qū)ο蟮腃+編程，在VC抖60開發(fā)平臺下實現(xiàn)了基于藍(lán) 牙HCI層通信的基本數(shù)據(jù)傳輸和文件傳輸?shù)目刂瞥绦?。PC端操作系統(tǒng)為XP, 采用的藍(lán)牙設(shè)備為藍(lán)牙USB適配器，適配器內(nèi)嵌藍(lán)牙芯片為CSR(Cambridge SiliconRadio)公司的BlueCore 04o藍(lán)牙USB適配器和PC之間通過USB接口進 行連接和通信，因而數(shù)據(jù)的傳輸利用的是藍(lán)牙HCI USB傳輸層。H0打開藍(lán)牙設(shè)備開后臺線円 實時徐測HCI爭件和數(shù)宓關(guān)閉藍(lán)牙設(shè)備圖PC端數(shù)據(jù)傳輸軟件

17、流程圖423數(shù)據(jù)收發(fā)流程數(shù)據(jù)在傳送之前需要進行相應(yīng)處理。需要將主要數(shù)據(jù)分割成一定格式的數(shù) 據(jù)，并增加諸如糾錯等一些額外的信息（開銷比特），這個過程叫打包。解包是將 有效的數(shù)據(jù)從噪聲和隨機數(shù)據(jù)中區(qū)別出來的過程。解包程序的好壞直接影響到 系統(tǒng)識別有效數(shù)據(jù)的能力。解包程序應(yīng)能有效地辨別正確數(shù)據(jù)，降低誤碼率， 提高系統(tǒng)通信速率。數(shù)據(jù)發(fā)送、接收程序流程圖如圖6所示1開始') *返回圖數(shù)據(jù)收發(fā)流程圖第五章系統(tǒng)測試與分析在藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，PC端和單片機端可分別作為主或從設(shè)備。在此處,將PC作為主設(shè)備發(fā)起查詢，單片機端作為從設(shè)備，PC向單片機發(fā)送控制指令。-15BITS mncriae IHRUW

18、MUK7anjoofiMKSUtt： 30 80 3T 14 OK M雄漳：|15SNCit*：文伶名(D:utjCftAfid)： Tell fOesQt.UiO圖藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)PC端界面程序的操作按照打開藍(lán)牙設(shè)備、初始化藍(lán)牙、查詢附近藍(lán)牙、建立連接、 發(fā)送數(shù)據(jù)/文件、斷開連接、關(guān)閉藍(lán)牙的順序進行，由操作區(qū)的按鈕觸發(fā)實現(xiàn)。 藍(lán)牙初始化完成后，在信息區(qū)會顯示本地藍(lán)牙地址，查詢完成之后，在信息區(qū)會顯 示查詢到的遠(yuǎn)端藍(lán)牙地址，然后就可以發(fā)起建立連接。在建立連接指令中可通過 參數(shù)設(shè)置不同的ACL分組類型，例如DM1、DM3等。不同的ACL分組類型對應(yīng) 不同的時隙，可得到不同的傳輸速率和最大傳輸距離閻。連接建立成功后信息區(qū) “藍(lán)牙狀態(tài)”會顯示連接已建立，方可發(fā)送數(shù)據(jù)和文件。在數(shù)據(jù)的收發(fā)過程中，在信 息區(qū)還會顯示發(fā)送計數(shù)、接收計數(shù)以及當(dāng)前可發(fā)送的ACL包數(shù)口。在進行文件傳送時，首先要點擊“請求發(fā)送文件”按鈕，獲得單片機端返 回允許信息后，再進行加載文件、發(fā)送文件信息、發(fā)送文件數(shù)據(jù)等一系列操作。 文件發(fā)送完之后或要中斷文件發(fā)送時要點擊“發(fā)送文件結(jié)束”按鈕，通知單片機 端文件傳送結(jié)束°單片機端的程序運行界面如圖所示。圖單片機端程序界面實驗臺加電后，進入藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸實驗?zāi)K，選擇主/從角色為從設(shè)備， 然后按下初始化本地藍(lán)牙按鍵。藍(lán)牙初始化完成后實驗臺顯示本地藍(lán)牙地