智能家居系統(tǒng)方案分析

1、2014第十屆“博創(chuàng)杯”全國大學生嵌入式物聯(lián)網(wǎng)設計大賽參賽聲明隊伍編號：作品名稱：基于zigbee的智能家居控制系統(tǒng)參賽隊員：丁祖科 柯賢偉 杜金航作為第十屆“博創(chuàng)杯”全國大學生嵌入式物聯(lián)網(wǎng)設計大賽的參賽隊伍負責人，根據(jù)大賽公平、公開、共享精神，我代表參賽隊伍作出如下聲明：1、我們了解大賽相關條款并遵守比賽規(guī)則。2、我們的參賽作品沒有違反有關法律、法規(guī)以及社會的道德規(guī)范。3、我們的參賽作品是原創(chuàng)作品，未曾授權給其他任何機構。4、我們的參賽作品不存在法律糾紛，包括但不限于肖像權、名譽權、隱私權、著作權、商標權等糾紛，否則，我們自愿承擔由此而產(chǎn)生的全部法律責任。5、我們將如實提交參賽作品中涉及的全

2、部源碼及資料，并授權北京博創(chuàng)智聯(lián)科技有限公司擁有使用權。在征得所有人同意后有權將參賽作品及相關資料用于宣傳品、相關出版物、指定及授權媒體發(fā)布、官方網(wǎng)站瀏覽及下載、頒獎晚會、展覽（含巡展）等活動項目。 6、我們認真遵守此聲明內容中的所有內容，如有違反，將自動放棄大賽的評獎資格。參賽高校（蓋章）指導教師（簽字） 2014年4月19日2014第十屆“博創(chuàng)杯”全國大學生嵌入式物聯(lián)網(wǎng)設計大賽作品設計報告智能家居系統(tǒng)Intelligent Home Furnishing system設計報告隊伍編號：參賽學校：中南民族大學作 者：丁祖科 柯賢偉 杜金航 指導教師：王文濤組別：本科組 高職組 專項獎： 恩智

3、浦專項 WINDRIVER 摘 要家居環(huán)境智能化己經(jīng)成為當前的社會主流，面對一些人為的失誤或者不可控的因素所造成的災難性事故，一次次的慘劇也對家居環(huán)境智能化提出了更加具體的要求。同時，隨著人們生活節(jié)奏的加快以及生活壓力的加大，智能家居越來越成為人們追求舒適生活的必要途徑。本文采用Zigbee無線組網(wǎng)技術，結合j avaweb網(wǎng)絡開發(fā)技術設計的智能家居系統(tǒng)具有低成本、低復雜度、可快速部署的特點，完全滿足人們對智能家居系統(tǒng)的基本需求。 本文首先結合國內外智能家居系統(tǒng)的設計經(jīng)驗和中國國情制定出了一套合適的無線智能家居系統(tǒng)解決方案。然后，通過對當前主流的無線組網(wǎng)技術進行了研究對比并最終決定采用Zigb

4、ee技術作為本系統(tǒng)的無線組網(wǎng)技術。本系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡拓撲結構，硬件采用CC2530射頻芯片構成終端設備和中心協(xié)調器，構建智能家居環(huán)境內部網(wǎng)絡;結合SQL數(shù)據(jù)庫和JAVAWEB網(wǎng)絡開發(fā)技術搭建家庭網(wǎng)站。 本文設計的系統(tǒng)可以實現(xiàn)家居環(huán)境內部數(shù)據(jù)傳輸和遠程監(jiān)控，系統(tǒng)本身的低復雜度、易于部署等特點，對智能家居系統(tǒng)的普及具有一定的應用價值。關鍵詞:智能家居系統(tǒng)、Zigbee協(xié)議棧、CC2530、家庭網(wǎng)站AbstractToday, the intelligent household system has become the mainstream of society. Some human error

5、s and uncontrolled factors cause so many disastrous failures, which request to the intelligent household system for some specific requirements. At the same time, because the society pressure becomes more and more serious, the intelligent household system becomes a necessary choice. This paper presen

6、ts a new intelligent household system based on the Zigbee wireless network technology and the java web Network development technology. This intelligent household system is less cost, lower complexity, apt to more rapid deployment, which can meet all the requirements. Firstly, this paper presents a s

7、olution of the intelligent household system, which based on the domestic and foreign experience of designing the intelligent household system. Secondly, based on the comparison of the current mainstream wireless networking technologies this intelligent household system decides to adopt the Zigbee wi

8、reless networking technology. The internal network topology is star topology. The CC2530 RF chip is used to form the device and the coordinator, which is used to form the internal wireless network. Finally the family network station is built the SQL database and the java web Network development tech

9、nology. This intelligent household system achieves the data transmission of the familyinternal network and the remote monitoring. which has the characteristics of lowercomplexity, easy to maintain. This system has great value on the development of theintelligent household system.Key words: Intellige

10、nt Household System, Zigbee stack, CC2530, Family Station目 錄第1章 緒 論隨著電子信息技術和計算機網(wǎng)絡技術的發(fā)展，人們的生活水平大幅度提高，對生活環(huán)境的要求也越來越高，實現(xiàn)家庭信息化、網(wǎng)絡化是當今IT產(chǎn)業(yè)的重要研究對象，隨之而提出了一連串的新概念:家庭自動化，家庭信息化，智能家居等。智能家居是人類住宅的又一場新的革命，它能夠為人類提供更加輕松、有序、高效的現(xiàn)代生活方式，是未來居住模式的必然發(fā)展趨勢。因此，智能家居系統(tǒng)也在逐漸成為一個新興的研究領域。智能家居系統(tǒng)概述 智能家居可以定義為一個過程或者一個系統(tǒng)。利用先進的計算機技術、網(wǎng)絡通訊

11、技術、綜合布線技術、將與家居生活有關的各種子系統(tǒng)，有機地結合在一起，通過統(tǒng)籌管理，讓家居生活更加舒適、安全、有效f21。與普通家居相比，智能家居不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，提供舒適安全、高品位且宜人的家庭生活空間;還由原來的被動靜止結構轉變?yōu)榫哂心軇又腔鄣墓ぞ?，提供全方位的信息交換功能，幫助家庭與外部保持信息交流暢通，優(yōu)化人們的生活方式，幫助人們有效安排時間，增強家居生活的安全性，甚至為各種能源費用節(jié)約資金。國內外智能家居系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀 國際上對智能家庭網(wǎng)絡的研究起于20世紀70年代，主要集中在發(fā)達國家。由于這些研究都是各國獨立進行，并具有不同的目標和市場戰(zhàn)略，因此并沒有形成統(tǒng)一的標準。20世紀80

12、年代初，隨著大量采用電子技術的家用電器面市，開始出現(xiàn)了住宅電子化(HE, Home Electronics)的概念;80年代中期，將家用電器、通訊設備與安保防災設備各自獨立的功能綜合為一體，形成了家居自動化概念(HA, Home Automation)o 80年代末，由于通信與信息技術的發(fā)展，出現(xiàn)了對住宅中各種通信、家電、安保設備通過總線技術進行監(jiān)視、控制與管理的商用系統(tǒng)，這在美國稱為智慧屋(WH, Wise Home)，在歐洲稱為時髦屋(SH, Smart Home)。 近幾年，在各大公司和媒體的強大概念宣傳攻勢下，我國智能家居行業(yè)逐漸形成，可用的、接近現(xiàn)實需求的產(chǎn)品不斷增加，集成商、開發(fā)商

13、以及裝修公司已經(jīng)積累了很多經(jīng)驗。如何建立一個高效率、低成本的智能家居系統(tǒng)己成為當前社會一個熱點問題。而國家政府機構及各大信息家電生產(chǎn)廠商不失時機地開展了中國智能家庭網(wǎng)絡的標準化制定工作，為中國智能家居的發(fā)展提供了一個開放的標準化平臺，指明了智能家居研究領域正確的發(fā)展方向。第2章 系統(tǒng)方案2.1智能家居系統(tǒng)功能需求分析 一個智能家居系統(tǒng)應具備的特征主要包括以下幾方面： 1、全面細致的環(huán)境狀態(tài)監(jiān)控：系統(tǒng)能實時采集室內和室外溫濕度、光照強度、空氣質量等數(shù)據(jù)，讓用戶足不出戶了解室內外環(huán)境狀況。 2、可靠的安防監(jiān)控：安防監(jiān)控應包括門窗防盜、煤氣和火災的預防等功能，這些都對系統(tǒng)可靠性有很高要求。 3、便捷

14、人性的開關控制：實現(xiàn)家居設備的遠程開關控制或定時開關，如窗簾可以實現(xiàn)在床上打開，晚上自動關閉；家中的保險柜鎖只有自己可以使用手持終端打開，其他人均無法打開。 根據(jù)上述需求分析的結果，從系統(tǒng)功能實現(xiàn)的角度，智能家居系統(tǒng)的功能可以概括為以下三個方面：對傳感器節(jié)點環(huán)境狀態(tài)信息的準確讀?。粚Π卜辣O(jiān)控節(jié)點報警信息的及時獲?。粚刂乒?jié)點所連家居設備的開關控制。2.2智能家居系統(tǒng)組成 智能家居系統(tǒng)可選擇的網(wǎng)絡拓撲結構有三種：星型、樹狀和網(wǎng)狀。在本系統(tǒng)中網(wǎng)絡協(xié)調器的通信距離可以覆蓋正常的家庭居住環(huán)境，所有終端節(jié)點均可直接與協(xié)調器通信，終端節(jié)點與傳感器和控制器連接，傳輸環(huán)境數(shù)據(jù)和控制命令，數(shù)據(jù)量都很小，采用星型

15、網(wǎng)絡拓撲結構完全可以滿足系統(tǒng)要求，并且有控制簡單，故障診斷容易，不涉及路由尋址等優(yōu)點。在 ZigBee 網(wǎng)絡中協(xié)調器和路由節(jié)點要求是全功能設備，信息采集和控制節(jié)點則只需是精簡功能設備，它們只能與 ZigBee 網(wǎng)絡協(xié)調器通信，相互之間不能通信。結合上一節(jié)概括的智能家居系統(tǒng)的功能，一個基于 ZigBee 技術的智能家居系統(tǒng)應包括下面幾個部分： 1、網(wǎng)絡協(xié)調器：主要負責建立和管理網(wǎng)絡，接收從終端節(jié)點獲取到的數(shù)據(jù)或向終端節(jié)點發(fā)送控制命令，以及與智能網(wǎng)關或上位機通信獲取網(wǎng)關或上位機發(fā)送來的控制命令或上傳終端節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)。 2、信息采集節(jié)點：網(wǎng)絡終端節(jié)點分為采集節(jié)點和控制節(jié)點兩種，采集節(jié)點負責采集各

16、種傳感器或門磁等裝置的狀態(tài)變化信息。 3、控制節(jié)點：控制節(jié)點通過執(zhí)行接收網(wǎng)絡協(xié)調器發(fā)送來的命令實現(xiàn)對所連接的家居設備的控制。 4、路由節(jié)點：路由節(jié)點負責擴展網(wǎng)絡覆蓋范圍及數(shù)據(jù)轉發(fā)功能，可使更多的設備加入網(wǎng)絡。 5、PC 機：用于擴展系統(tǒng)功能，PC 機可以顯示網(wǎng)絡協(xié)調器接收到的信息或向網(wǎng)絡協(xié)調器發(fā)送控制命令。 6、智能網(wǎng)關：智能網(wǎng)關除實現(xiàn)上位機功能外，還可以接入短信模塊，實現(xiàn) ZigBee網(wǎng)絡與廣域的無線網(wǎng)的融合，用戶可以通過手持終端接收信息或發(fā)送控制命令。本系統(tǒng)需要設計的功能模塊包括 ZigBee 無線通信模塊、溫濕度采集模塊、光照采集模塊、可燃氣體監(jiān)測模塊、空氣質量監(jiān)測模塊、紅外入侵監(jiān)測模塊

17、、窗簾無線控制模塊。2.3智能家居系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構圖在本智能家居系統(tǒng)中，由于終端節(jié)點數(shù)目較多，多個終端節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)可能造成數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。所以應根據(jù)各節(jié)點具體任務的不同設置不同的任務優(yōu)先級，以保證優(yōu)先級高的任務的可靠性。涉及安防監(jiān)控的節(jié)點的優(yōu)先級應該最高，包括紅外入侵監(jiān)測、門磁感應、可燃氣體監(jiān)測等；控制節(jié)點的優(yōu)先級次之，包括窗簾無線控制和電子鎖無線控制；溫濕度采集、光照采集、空氣質量監(jiān)測等環(huán)境狀態(tài)信息采集任務的優(yōu)先級設置為最低。 在本系統(tǒng)中，網(wǎng)絡協(xié)調器通過電源直接供電，信息采集節(jié)點和控制節(jié)點大多采用兩節(jié)干電池供電，所以在設計和使用中應盡量減少使用電池的節(jié)點的工作時間，以延長節(jié)點的使用壽命。第3

18、章 功能與指標3.1實現(xiàn)功能自動報警：包括門禁系統(tǒng)，火災、煤氣報警系統(tǒng)。燈光控制：根據(jù)室內光照強度，自動調節(jié)室內燈光。自動窗簾：根據(jù)室外關照和室內情況，自動控制窗簾開關。自動陽臺：根據(jù)室外溫度、濕度、陽光等情況，自動伸縮陽臺，晴天自動晾曬衣服，下雨自動收衣服。第4章 實現(xiàn)原理功能實現(xiàn) 1.信號接收：智能家居傳感器網(wǎng)絡在家庭環(huán)境中布置傳感器節(jié)點以無線通信方式組織成網(wǎng)絡，傳感器節(jié)點負責監(jiān)視周圍一定范圍內的環(huán)境，接收信號，并進行數(shù)據(jù)處理和通信。它集成傳感器件、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊，并通過自組織的方式構成網(wǎng)絡。借助于傳感器節(jié)點中各類型的傳感器件，可以測量家庭內部和周邊環(huán)境的溫度、濕度、光強度、入侵等

19、。2.網(wǎng)絡通訊：網(wǎng)絡的信息管理的核心部分為物理接口，作為家庭網(wǎng)關和傳感器節(jié)點之間的橋梁，物理層接口完成家庭網(wǎng)關和傳感器節(jié)點間通信，并且能使家庭網(wǎng)關和傳感器節(jié)點之間能夠相互理解通信的內容。所以家庭網(wǎng)關和傳感器節(jié)點都配置同樣的無線收發(fā)模塊作為物理接口。 3.智能控制：除了無線收發(fā)模塊之外，傳感器節(jié)點還包括具有一定處理能力的 MCU 芯片，單片機根據(jù)預先寫入的程序，能夠采集傳感器信息、轉發(fā)命令和狀態(tài)信息和控制設備，并能對子網(wǎng)上的節(jié)點進行統(tǒng)籌管理，維護整個傳感器系統(tǒng)的運轉狀況。根據(jù)前面的分析，傳感器節(jié)點包括兩個模塊，如圖 4.01 所示： 圖 4.01 傳感器節(jié)點模型體系結構功能模塊應用：負責對傳感器

20、節(jié)點的信號采集功能、通信行為等進行初始化，并根據(jù)實驗需要建立統(tǒng)計指標。網(wǎng)絡協(xié)議棧：負責模擬傳感器節(jié)點中無線通信的各層協(xié)議。傳感模塊：也稱為傳感協(xié)議棧，負責檢測和處理來自傳感器信道的信號，將其送往上層應用。 能耗模塊節(jié)點的能量產(chǎn)生和能量消耗過程，主要包括電池、無線收發(fā)設備、數(shù)模轉換器和信號采集設備等硬件。4.3 基于 Z-Stack 的終端節(jié)點應用層設計實現(xiàn) 基于 CC2530 的 Z-Stack 研究 Z-Stack 是遵從 ZigBee2007 規(guī)范的為 IEEE 802.15.4 產(chǎn)品和平臺使用的協(xié)議棧。它在 CC2530 片上系統(tǒng)、MSP430+2520 和 LM3S9B96+CC252

21、0 上支持ZigBee 和ZigBee-Pro 特征集。Z-Stack 支持 Smart Energy、家庭自動化、樓宇自動化和醫(yī)療健康等公共應用。Z-Stack 支持 IAR 工程建立"ZigBee Network Processor" (ZNP)設備。ZigBee 協(xié)議采用分層的體系結構,其下層為上層提供服務。ZigBee 協(xié)議的體系結構如下圖4.11所示: 圖4.11 ZigBee 協(xié)議體系結構執(zhí)行 Z-Stack 協(xié)議棧是從 main 函數(shù)開始的。首先需要對系統(tǒng)的硬件進行初始化,然后初始化系統(tǒng),最后執(zhí)行操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的初始化流程如圖 4.12 所示。 圖 4.1

22、2 操作系統(tǒng)初始化流程在初始化結束后就開始運行操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)是基于事件定時機制的串行執(zhí)行任務的系統(tǒng)。首先系統(tǒng)根據(jù) MAC 定時器更新系統(tǒng)軟件時鐘,計算相鄰兩次操作所消耗時間,然后根據(jù)這個時間值更新事件被觸發(fā)剩余時間。在對每個事件任務更新其超時值之后,系統(tǒng)開始查詢是否有任務由于超時到時而應該被觸發(fā),并根據(jù)優(yōu)先級選擇最高優(yōu)先級的事件,調用相應層的事件處理函數(shù),最終對該事件做出處理。操作系統(tǒng)的執(zhí)行流程如圖 4.13 所示。 圖 4.13 操作系統(tǒng)執(zhí)行流程 基于 CC2530 的 Z-Stack 應用設計 應用層位于 Z-Stack 協(xié)議棧的最上層,在 ZigBee 協(xié)議和操作系統(tǒng)的支持下實現(xiàn)開

23、發(fā)者所期望的功能。本文在基于 Z-Stack 下,設計實現(xiàn)了基于 ZigBee 協(xié)議的智能家居系統(tǒng)終端節(jié)點。終端節(jié)點在完成硬件初始化和協(xié)議棧初始化之后開始啟動協(xié)議棧。啟動協(xié)議棧后的首要任務是將終端節(jié)點與協(xié)調器綁定。綁定通過調用協(xié)議棧綁定 API 函數(shù)進行,接下由協(xié)議棧處理綁定過程,這一過程不需要用戶參與。協(xié)議棧在綁定結束后會調用綁定回調函數(shù),用戶在回調函數(shù)中判斷綁定是否成功執(zhí)行。如果綁定失敗用戶需要重新啟動綁定操作。如果綁定成功結束后,需要將終端節(jié)點與網(wǎng)關先進行一次時間同步。進行時間同步的目的是維持終端節(jié)點的時鐘準確,這樣能夠保證上傳的傳感器等數(shù)據(jù)所帶的時間戳是準確的。在此說明時間同步操作也是

24、周期性的,具體周期值可在實際應用時隨時更改。在第一次時間同步之后,開始根據(jù)終端節(jié)點的板上資源設置周期上傳網(wǎng)絡和節(jié)點信息任務、周期傳感器采樣任務等。接下來就開始等待事件的發(fā)生,這里邊的事件包括周期性任務超時觸發(fā)的事件和傳感器等外部設備通過中斷等方式觸發(fā)的事件。周期性事件在被觸發(fā)后會將超時值恢復為其周期,并開始等待下次被執(zhí)行。而由傳感器等所觸發(fā)的事件是一次性事件,每被觸發(fā)一次就執(zhí)行一次處理函數(shù)。終端節(jié)點的應用層執(zhí)行流程實際上是對應用層各種事件的處理過程,其執(zhí)行流程 圖 4.14 終端節(jié)點應用層執(zhí)行流程無線接收函數(shù)負責處理來自網(wǎng)關傳來的所有命令。這些命令類型主要包括兩類:控制命令、查詢命令。控制命令

25、用于對 CC2530 或傳感器進行控制。而查詢命令用于查詢終端節(jié)點的軟硬件信息和傳感器采樣數(shù)據(jù)及狀態(tài)。無線接收處理函數(shù)執(zhí)行流程如圖4.15所示。 圖 4.15 無線接收處理函數(shù)執(zhí)行流程4.4 終端節(jié)點驅動程序設計實現(xiàn) 溫濕度采集驅動設計實現(xiàn) DHT21 輸出的數(shù)據(jù)格式共 40 位,并且高位在前。數(shù)據(jù)格式如圖 4.22 所示。 圖 4.22 DHT21 輸出數(shù)據(jù)格式校驗和是濕度值的高 8 位、濕度值的低 8 位、溫度值高 8 位、溫度值低 8 位相加結果的低 8 位。當溫度數(shù)據(jù)的最高位為 1 時,說明溫度低于 0。由于 DHT21 采用的是單總線串行通信方式。數(shù)據(jù)傳送開始前,MCU 要先向DHT

26、21 發(fā)送一個開始信號,開始信號結束后 DHT21 會給出一個響應信號,緊接著送出 40bit 的數(shù)據(jù)。DHT21 只在被主機觸發(fā)后才會進行溫濕度采集,否則將處于低功耗模式下。通訊過程如圖 4.23 所示。 圖 4.22 DHT21 單總線串行通信過程靜默時總線處于高電平。主機發(fā)送的開始信號是將總線拉低至少 18ms。在發(fā)送完開始信號后,主機要將總線拉高 20-40us,然后讀取 DHT21 的信號響應。在接收到主機發(fā)送的開始信號結束后,它將發(fā)出 80us 低電平響應信號。當主機檢測到總線被拉低后,說明 DHT21 已經(jīng)做出了響應。在 80us 的低電平響應信號結束后,它會再發(fā)出 80us 的

27、高電平信號。主機與 DHT21 建立連接的時序如圖 4.23 所示。 圖 4.23 主機與 DHT21 建立連接時序圖在發(fā)送一個位數(shù)據(jù)前都要先發(fā)出一個 50us 的低電信號,隨后其發(fā)出的高電平的長短決定數(shù)據(jù)位是 0 還是 1。DHT21 的測量分辨率分別為溫度 16bit、濕度 16bit。采樣周期間隔建議為 2 秒以上。一次完整的從 DHT21 讀取溫濕度數(shù)據(jù)的程序流程如圖 4.26 所示。 圖 4.26 DHT21 采集數(shù)據(jù)流程 光照采集驅動設計實現(xiàn) 本智能家居系統(tǒng)中光照采集模塊采用 BH1750FVI 芯片。BH1750FVI 通信接口采用 IIC 總線通信方式。IIC 即 Inter-

28、Integrated Circuit(集成電路總線)總線是飛利浦公司在 80 年代開發(fā)的一種多向控制串行總線。IIC 總線有兩根信號線:數(shù)據(jù)線 SDA 和時鐘線 SCL。每個接到 IIC 總線上的器件都有唯一的地址。IIC 總線上的設備分為主機(master)和從機(slave)。一次完整的總線通信過程為:總線啟動、數(shù)據(jù)傳輸、總線停止。IIC 總線的數(shù)據(jù)傳輸時序如圖 4.27。 圖 4.27 IIC 總線的數(shù)據(jù)傳輸由于 CC2530 沒有 IIC 總線接口,所以不能直接對 BH1750FVI 進行控制。通過對IIC 總線的時序分析,可以用 CC2530 的兩個普通的 IO 口實現(xiàn) IIC 總線

29、的模擬。與BH1750FVI 的 SCL 引腳相連接的 IO 口設置成輸出方式,并由軟件控制產(chǎn)生串行時鐘信號;與 SDA 引腳相連的 IO 口根據(jù) IIC 時序的要求隨時更改其輸入輸出方式。 人體紅外采集驅動設計實現(xiàn) 人體紅外監(jiān)測模塊采用 TTL 方式與主機通信。當有人從該模塊前走過并被其檢測到時,TTL 引腳電平被拉高。與該引腳連接的 CC2530 引腳中斷使能情況下,CC2530產(chǎn)生中斷。在 Z-Stack 中操作系統(tǒng)的支持下,中斷產(chǎn)生時操作系統(tǒng)會設置一個 HAL 層的紅外觸發(fā)事件。HAL 層事件處理函數(shù)在檢測到該事件時,將該紅外觸發(fā)事件發(fā)送到應用層。應用層事件處理函數(shù)在檢測到該事件發(fā)生時,調用應用層的紅外處理函數(shù)。處理完成后整個觸發(fā)過程結束。人體紅外監(jiān)測模塊觸發(fā)到被處理的程序流程如圖 4.28所