基于LPC2138和藍(lán)牙技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計論文

1、 碩 士 學(xué) 位 論 文論文題目：基于LPC2138和藍(lán)牙技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計1 / 49摘 要隨著電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，智能家居逐步進(jìn)入人們的生活中。然而通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前市場上的產(chǎn)品還都存在這樣或那樣的不足，例如功能不全、成本較高、安裝維護(hù)不便等，使智能家居產(chǎn)品沒有得到很好的推廣。為此，設(shè)計了基于LPC2138和藍(lán)牙技術(shù)的智能家居系統(tǒng)。系統(tǒng)采用菲利普公司的LPC2138作為中心控制芯片。LPC2138是基于一個支持實(shí)時仿真和嵌入式跟蹤的ARM7TDMI-STM CPU的微控制器,支持32/16位代碼，有很強(qiáng)的處理能力。其具有多達(dá)47個GPIO和9個外部中斷，使系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多種功能。

2、系統(tǒng)應(yīng)用藍(lán)牙模塊來組建家庭部通信網(wǎng)絡(luò)。藍(lán)牙技術(shù)是一項(xiàng)公開的近距離無線連接的技術(shù)規(guī)，工作在2. 4GHz的ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)) 頻段上,具有開放性、低功耗等特點(diǎn)，傳輸距離一般為0.1m10m，功率放大后可達(dá)100m。藍(lán)牙模塊在系統(tǒng)中的應(yīng)用，解決了智能家居系統(tǒng)應(yīng)用時需重新布線的煩惱。但是，藍(lán)牙工作的ISM頻段是全球的公共頻段（大多數(shù)國家規(guī)定該頻段為24002483.5 MHz ,并劃分為79個信道, 每個信道帶寬為1MHz），在使用其中某個頻段時，也就難免出現(xiàn)相互之間的干擾。為此,系統(tǒng)采用跳頻和前向糾錯方案以確保鏈路的穩(wěn)定性。在進(jìn)行系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計時，為了提高系統(tǒng)電路的通用性，從而將系統(tǒng)分

3、為不同的模塊。中心控制模塊，負(fù)責(zé)信息匯總處理和系統(tǒng)總體控制功能；家庭安全防模塊，監(jiān)控并采集家庭環(huán)境信息，并通過系統(tǒng)中心控制模塊與安全設(shè)備連接可實(shí)現(xiàn)安全聯(lián)動功能；家用電器控制模塊，通過控制開關(guān)和紅外遙控來實(shí)現(xiàn)控制家用電器的功能；緊急呼叫模塊，實(shí)現(xiàn)緊急呼救功能；家庭部通信模塊，即為藍(lán)牙模塊，嵌入在系統(tǒng)中心控制模塊、家庭安全防模塊、家用電器控制模塊和緊急呼叫模塊上，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中心控制模塊和家庭安全防模塊、家用電器控制模塊、緊急呼叫模塊間的通信；家庭對外通信模塊，可實(shí)現(xiàn)自動報警和遠(yuǎn)程控制的功能。 由于系統(tǒng)電路的模塊化設(shè)計和無線通信技術(shù)的應(yīng)用，從而使得系統(tǒng)便于安裝、維護(hù)。在進(jìn)行軟件設(shè)計時，遵循模塊化的設(shè)計

4、思想，既考慮了各模塊功能的實(shí)現(xiàn)，又兼顧了程序總體的協(xié)調(diào)性。系統(tǒng)軟件主要由一個中心控制程序和六個子程序構(gòu)成。各個子程序基本上與硬件模塊相對應(yīng)。在ARM公司推出的ADS1.2集成開發(fā)環(huán)境下，利用C語言進(jìn)行系統(tǒng)的程序設(shè)計。論文首次將ARM單片機(jī)和藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)中；藍(lán)牙技術(shù)的無線連接解決了家庭布線的煩惱；系統(tǒng)的硬件和軟件都采用了模塊化設(shè)計，使得系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可移植性。系統(tǒng)的各部分硬件電路均經(jīng)過聯(lián)機(jī)檢測實(shí)驗(yàn)，性能良好。系統(tǒng)具有成本較低，性能完善，可靠性高，易于安裝、維護(hù)、擴(kuò)充升級等特點(diǎn)，便于推廣和應(yīng)用。關(guān)鍵詞：智能家居；LPC2138；藍(lán)牙技術(shù)；模塊化設(shè)計AbstractWith the d

5、evelopment of the technology in electronic and communication, the smart home system is coming into peoples life. But the products on the market still have some deficiencies at present, for example, incomplete function, high cost, discommodious to install and safeguard and so on. So the smart home sy

6、stem product isnt popularized very well. Therefore, the smart home system based on LPC2138 and bluetooth technology has been designed.LPC2138 which Philip Corporation promotes is used for the master control chip in the smart home system.It is a micro-controller which based on a 32/16 bit ARM7TDMI-ST

7、M CPU supported Real-Time Emulation and Embedded Track. It supported 32/16 bit code and can supply strong process function. Because of forty-seven GPIO and nine external interrupt in LPC2138,the smart home system can supply many kinds of function.Bluetooth technology is used for organizing the commu

8、nication network in the house. It is one kind of public short distance wireless connection technology manual. It works in the 2.4GHz ISM (Industry, Science, Medicine) frequency band and has many characteristics, for example, openness, low power consumption. Its trans- mission distance is popularly f

9、rom 0.1mto10m, it can reach100mif amplifying its power.The applicationof bluetooth module in the smart home system，solve the trouble that the systemwouldnt need wiring in house again when being employed. But the ISM frequency band which bluetooth works in is one kind of global public frequency band

10、(defined 2400 to 2483.5MHz by most countries in the world and it is plotted out to seventy-nine channels and the bandwidth is 1MHz). It is inevitable to come across mutual interference when it is working at one of channels. The project of Frequency Hopping and Forward Error Correction is used for in

11、suring stability of the link. While carrying on hardware circuit design of the smart home system, in order to improve the commonality of the circuit, the system is plotted out different modules. The master control module assumes the information collecting , information processing and the major contr

12、ol of the system; The house safety and protection module monitors and collects the environmental information of the system, it also can realize the safety team work if it connects the safety equipment by the master control module; The household appliances control module can control the household app

13、liances by control switch points and infrared remote-control; The emergency call module it has the function of calling for help peremptorily; The house inside communication module is the bluetooth module and realizes the reciprocal communication about the master control module and the household appl

14、iances control module, the emergency call module, the house inside communication module, the house safety and protection module by embedded in them; The house externalcommunication module, it can realize the function of autoalarm and long-range control. The building block design of the system circui

15、t and the application of wireless communication make the smart home system being easy to install and safeguard. While carrying on software design of the system, follow the building block design philosophy. It not only considers the realization of the function of each module, but also thinks over the

16、 total compatibility of the procedure. The software includes one master program and six subprograms. Each subprogram is corresponding to the hardware module.Under the ADS1.2 integrated development environment which ARM Corporation promotes, exploits software of the system using the C language.ARM pr

17、ocessor and bluetooth are the first time used in the construction of the smart home system in this paper; Because of the wireless link of the bluetooth, there is no trouble in house wiring; Because both the hardware and software of the system apply the building block design, so the system has better

18、 portability. Each part of the hardware circuit is reliable performance by online detecting.The smart home system is low cost, perfect performance, high reliability, easy to install, safeguard and upgrade. So, it is expedient to popularize and apply.Keywords: smart home; LPC2138; bluetooth; building

19、 block design 目 錄摘 要2Abstract3第一章 緒論11.1智能家居的發(fā)展現(xiàn)狀11.2智能家居系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能21.3本文的主要工作和技術(shù)路線21.3.1主要工作21.3.2技術(shù)路線31.4 本文的創(chuàng)新點(diǎn)3本章小結(jié)4第二章 應(yīng)用技術(shù)介紹42.1 LPC2138單片機(jī)42.1.1 LPC2138單片機(jī)簡介42.1.2 LPC2138單片機(jī)的特性42.1.3 LPC2138結(jié)構(gòu)圖和引腳排列52.2 藍(lán)牙技術(shù)62.2.2 跳頻技術(shù)72.2.3 糾錯技術(shù)72.2.4 微微網(wǎng)（Piconet）7本章小結(jié)9第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計113.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)113.2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計113

20、.2.2 家庭安全防模塊133.2.3 家用電器控制模塊143.2.4 家庭部通信模塊153.2.5 家庭對外通信模塊17第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計254.1 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)254.2 各模塊軟件設(shè)計254.2.1 安防模塊254.2.2 家電控制模塊264.2.3 家庭部通信模塊284.2.4 家庭對外通信模塊30第五章 系統(tǒng)測試與應(yīng)用前景345.1 系統(tǒng)測試與結(jié)論345.2 系統(tǒng)中需要改進(jìn)的地方345.3 系統(tǒng)的發(fā)展趨勢345.3.1 ZigBee技術(shù)介紹355.4系統(tǒng)的應(yīng)用前景36參考文獻(xiàn)37在校期間發(fā)表或完成的論文39致 40第一章 緒論智能家居是在傳統(tǒng)住宅的基礎(chǔ)上, 利用現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)

21、代通信技術(shù)、自動控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)家庭部各種信息的采集、處理、傳輸和顯示,實(shí)現(xiàn)對家庭部各種電器設(shè)備和安全防護(hù)設(shè)備的自動化、智能化監(jiān)控, 從而使人們的家居生活更加安全、舒適、便利。1.1 智能家居的發(fā)展現(xiàn)狀智能家居從上世紀(jì)八十年代興起于日本和歐美，九十年代末引入中國。目前，美國有7000萬家庭依靠智能化家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備生活1。近年來，以美國微軟公司與摩托羅拉公司等為首的一批國際知名企業(yè)也先后進(jìn)入智能家庭網(wǎng)絡(luò)的研究與開發(fā)領(lǐng)域，分別開發(fā)了“夢幻之家”、“家庭主任”、“居所之門”等家庭智能設(shè)備。3COM公司研發(fā)出家用無線網(wǎng)關(guān)等網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，并與Microsoft聯(lián)手開發(fā)通用式即插即用的家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)方便地連

22、接家電與網(wǎng)絡(luò)，可以高速傳輸文字、語音、視聽等資訊。這套產(chǎn)品也適合小型辦公室2。Intel推出了Any point家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以通過線或無線方式將PC機(jī)與住戶家中的各種設(shè)備連接起來，該公司還準(zhǔn)備在適當(dāng)?shù)臅r候推出家用網(wǎng)關(guān)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。日本松下電器等一批大公司聯(lián)手推出了無線連接和電力線連接并用的Echone系統(tǒng)，該系統(tǒng)支持即插即用，且能兼容不同廠家的家庭電器設(shè)備。近年來隨著自動化技術(shù)、智能技術(shù)的不斷更新，國際上出現(xiàn)了很多功能比較齊全的智能家居產(chǎn)品，例如ELAN、Life Ware、Home Logic和mControl等產(chǎn)品，引領(lǐng)了國際智能家居產(chǎn)品的潮流3。國廠商也在進(jìn)行智能化家庭網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的研發(fā)和生

23、產(chǎn)，一些大型IT企業(yè)利用自身在資金與技術(shù)等方面的優(yōu)勢，在低端產(chǎn)品市場上己占據(jù)了相當(dāng)重要的地位。清華同方在智能化家庭網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域與建設(shè)部智能建筑化專家委員會共同設(shè)立了智能住宅開放實(shí)驗(yàn)室，還取得了著名綜合布線廠商西蒙、百通全線產(chǎn)品在中國的總代理資格。德達(dá)創(chuàng)先科技集團(tuán)先后開發(fā)了LDMS-2000，智能家居控制器、HomeNet網(wǎng)絡(luò)化綜合管理系統(tǒng)，并開通中國智能建筑服務(wù)網(wǎng)提供智能化建筑的在線咨詢與在線技術(shù)支持，該已成為國建筑智能化領(lǐng)域的權(quán)威。目前在國從事智能化家庭網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的企業(yè)中還有近幾年從事安防產(chǎn)品轉(zhuǎn)移過來的一些中小企業(yè)，一些傳統(tǒng)家電業(yè)的巨頭如海爾、創(chuàng)維、TCL、科龍、海信也開始進(jìn)入智能化家庭網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品市

24、場。在近幾年，各電子產(chǎn)品制造商、各電信產(chǎn)品生產(chǎn)與運(yùn)營商，在合作基礎(chǔ)上提出了三種符合中國國情的智能家居協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，包括以中國電信為首的中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會的CCSA標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議、以聯(lián)想為首的國閃聯(lián)信息設(shè)備資源共享協(xié)同服務(wù)的IGRS標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和以海爾為首的e家佳的 ITop- Home標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議4。雖然國各大廠商開始進(jìn)入智能家居產(chǎn)品的研制和開發(fā)，但目前市場上的產(chǎn)品還都存在這樣或那樣的不足，例如功能不全、成本較高、安裝維護(hù)不便等，使智能家居產(chǎn)品沒有得到很好的推廣。因此，國市場迫切需研制一種功能完善、安裝維護(hù)方便并且價格合理的智能家居系統(tǒng)。1.2 智能家居系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能目前國市場上的智能家居系統(tǒng)依據(jù)其體系結(jié)構(gòu)為

25、特征進(jìn)行劃分，可以分為以下四種類型5-9：（1）拼湊型控制系統(tǒng)；（2）主機(jī)式集中控制系統(tǒng)；（3）遙控型系統(tǒng)；（4）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。智能家居系統(tǒng)主要有以下幾種功能：（1）智能家庭安防：實(shí)現(xiàn)家庭的防火、防盜和防煤氣泄漏。在無線連接狀態(tài)下，對防盜報警器、煙霧探測器、有害氣體檢測裝置等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集以與可自動查詢各傳感器的工作狀態(tài)。 一旦出現(xiàn)警情，則由智能監(jiān)控系統(tǒng)通過網(wǎng)向主人報警或通過互聯(lián)網(wǎng)向監(jiān)控中心報警。（2）智能家庭儀表：通過藍(lán)牙設(shè)備和計算機(jī)實(shí)現(xiàn)對水表、電表和煤氣表的遠(yuǎn)程抄表。（3）智能家電：通過互聯(lián)網(wǎng)、線接口，實(shí)現(xiàn)信息交換和遠(yuǎn)程控制。包括對重要家用電器、主要電源插座等實(shí)行遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制。（4）場

26、景組合控制功能：主要是通過對燈光、電器和安防的不同狀態(tài)的設(shè)定，設(shè)計成幾種特定的模式，如回家、外出、娛樂等，供用戶選擇。（5）緊急呼救：家中突發(fā)緊急事件時，可按動緊急呼救按鈕，由系統(tǒng)的自動撥號模塊撥出預(yù)先設(shè)置的求救（例如：家中老人突然發(fā)病可撥出預(yù)先設(shè)定的120或者別的求助）。另外還有部分智能家居產(chǎn)品具有智能門禁、可視對講、現(xiàn)場監(jiān)控等功能。1.3 本文的主要工作和技術(shù)路線1.3.1 主要工作本文主要做了以下幾個方面的工作：（1） 將ARM單片機(jī)引入到智能家居系統(tǒng)中，提高了系統(tǒng)的控制功能，為完善系統(tǒng)的功能打下基礎(chǔ)，并簡要介紹了菲利普公司的ARM單片機(jī)LPC2138。（2） 將藍(lán)牙技術(shù)引入到智能家居系

27、統(tǒng)中，研究如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化設(shè)計，從而探索使智能家居產(chǎn)品便于安裝維護(hù)的辦法。并簡要介紹了藍(lán)牙技術(shù)與在硬件設(shè)計中用到的藍(lán)牙芯片。（3） 給出了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖，并對系統(tǒng)各模塊的硬件電路進(jìn)行了詳細(xì)的分析和說明。（4） 對系統(tǒng)的軟件設(shè)計進(jìn)行了介紹，并給出了部分程序的流程圖。（5） 對系統(tǒng)調(diào)試的結(jié)果進(jìn)行分析，對論文進(jìn)行了總結(jié)，并提出了未來需要進(jìn)一步研究開發(fā)的方向。1.3.2 技術(shù)路線在大量查閱國外有關(guān)參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)了解了智能家居系統(tǒng)的發(fā)展歷史、當(dāng)前國際上智能家居產(chǎn)品應(yīng)用的技術(shù)與其發(fā)展趨勢。參觀調(diào)研了一些電子商場，實(shí)際考察了目前市場上智能家居產(chǎn)品與其功能特性，了解了適應(yīng)國市場產(chǎn)品的要求，從而

28、確立了技術(shù)上循序漸進(jìn)的開發(fā)步驟：（1） 根據(jù)實(shí)際情況對具體的功能模塊提出各自的實(shí)現(xiàn)方法。（2） 在做好系統(tǒng)總體規(guī)劃的基礎(chǔ)上，分別設(shè)計系統(tǒng)的各部分電路，先應(yīng)用EWB、protel99se等相關(guān)軟件進(jìn)行仿真，然后在實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行測試。（3） 設(shè)計系統(tǒng)的程序。根據(jù)總體規(guī)劃，分塊實(shí)現(xiàn)的原則進(jìn)行編程，然后利用開發(fā)板和實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行聯(lián)機(jī)測試，最后進(jìn)行程序的整合。（4） 軟硬件測試完成后，利用Protel99SE軟件畫出系統(tǒng)的原理圖和PCB圖，并做出系統(tǒng)的電路板，結(jié)合程序進(jìn)行系統(tǒng)的綜合調(diào)試。1.4 本文的創(chuàng)新點(diǎn)（1）將ARM單片機(jī)引入到智能家居系統(tǒng)中，從而使系統(tǒng)的功能比較完善，硬件電路非常簡潔，提高了系統(tǒng)的可靠

29、性和性價比。（2）將藍(lán)牙技術(shù)引入到智能家居系統(tǒng)中，用無線傳輸代替有線傳輸，且易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化設(shè)計，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單，安裝維護(hù)更容易。（3）首次提出將ARM單片機(jī)和藍(lán)牙技術(shù)結(jié)合起來，應(yīng)用到智能家居系統(tǒng)中，使得系統(tǒng)擴(kuò)展功能方便，安裝靈活，節(jié)約能源。本章小結(jié) 本章主要介紹了智能家居的概念、基本功能和國外的發(fā)展現(xiàn)狀以與國在智能家居領(lǐng)域的研究狀況和現(xiàn)狀。并簡要介紹了本文的主要工作和系統(tǒng)的技術(shù)路線，最后對本文的創(chuàng)新點(diǎn)做了一個小結(jié)。第二章 應(yīng)用技術(shù)介紹2.1 LPC2138單片機(jī)2.1.1 LPC2138單片機(jī)的特性LPC213810是基于一個支持實(shí)時仿真和嵌入式跟蹤的32/16位ARM7 TDMI-

30、 STM CPU的微控制器，帶有512KB的嵌入的高速Flash存儲器，128位寬度的存儲器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運(yùn)行。它對代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用，使其可用16位的Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30%，而性能損失卻很小。其較小的封裝、極低的功耗以與2個32位定時器、2個10位8路ADC、1個10位DAC、PWM通道和47個GPIO以與多達(dá)9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷使LPC2138可理想地用于小型系統(tǒng)中，如訪問控制、POS機(jī)、通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、軟modem、聲音辨別和低端成像等。LPC2138具有如下特性10： 小型LQFP64封裝的16/32位ARM7T

31、DMI-S微控制器，32KB片靜態(tài)RAM。 片Boot裝載軟件實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)/在應(yīng)用中編程（ISP/IAP。扇區(qū)擦除或整片擦除的時間為400ms，1ms可編程256字節(jié)。 EmbeddedICE®RT和嵌入式跟蹤接口可實(shí)時調(diào)試（利用片RealMonitor 軟件）和高速跟蹤執(zhí)行代碼。 實(shí)時時鐘具有獨(dú)立的電源和時鐘源，在節(jié)電模式下極降低了功耗。 具有兩個低功耗模式：空閑和掉電，也可通過個別使能/禁止外部功能和降低外部時鐘來優(yōu)化功耗，也能通過外部中斷將處理器從掉電模式中喚醒。 向量中斷控制器。可配置優(yōu)先級和向量地址。 通過片PLL可實(shí)現(xiàn)最大為60MHz的CPU操作頻率，PLL的穩(wěn)定時間為10

32、0微秒，片晶振頻率圍：130 MHz。 單個電源供電，含有上電復(fù)位（POR）和掉電檢測（BOD）電路；CPU操作電壓圍：3.0 3.6 V (3.3 V+/ 10%)，I/O口可承受5V的最大電壓。2.1.2 LPC2138結(jié)構(gòu)圖和引腳排列 LPC2138的結(jié)構(gòu)如圖2.1所示10。 LPC2138的LQFP64封裝的引腳排列如圖2.2所示10。圖 2.1 LPC2138結(jié)構(gòu)圖2.1.3 LPC2138的應(yīng)用領(lǐng)域自從推出LPC2138以來，已經(jīng)在很多方面獲得了成功的應(yīng)用。典型的應(yīng)用有：工業(yè)控制 ；醫(yī)療系統(tǒng) ；訪問控制 ；POS 機(jī) ；通信網(wǎng)關(guān) ；嵌入式軟moderm ；一般性應(yīng)用10。圖 2.2

33、 LPC2138的引腳排列2.2 藍(lán)牙技術(shù)2.2.1 藍(lán)牙技術(shù)簡介 藍(lán)牙,英文譯為Bluetooth ,本是一位在公元10世紀(jì)統(tǒng)一了丹麥的國王，哈拉爾德二世(Harald) 的綽號，據(jù)說這位國王非常喜愛吃藍(lán)梅,牙齒因而被染藍(lán)，故得此名。1998年5月，愛立信、諾基亞、東芝、IBM和英特爾等五家著名廠商在聯(lián)合開展短程無線通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化活動時提出了用藍(lán)牙(Bluetooth)來命名， 意在統(tǒng)一無線局域網(wǎng)技術(shù)的通訊標(biāo)準(zhǔn),其宗旨是提供一種短距離、低成本的無線傳輸應(yīng)用技術(shù)。后來SIG(Bluetooth Special Interest Group) 組織于1999年7月26 日推出了藍(lán)牙技術(shù)規(guī)的1.

34、0 版本，1999 年12月1日，微軟公司正式宣布加盟藍(lán)牙特別利益集團(tuán)(SIG) ,全面支持“藍(lán)牙”技術(shù),并與3Com、朗訊、摩托羅拉公司和原有的5 家公司一起成為藍(lán)牙特別利益集團(tuán)的9個核心成員。時至今日，世界上約有3000 家公司加入了推進(jìn)藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)的藍(lán)牙特別利益集團(tuán)，包括海爾、長虹在的多家國公司企業(yè)11-13。藍(lán)牙技術(shù)是一項(xiàng)公開的技術(shù)規(guī)，已得到許多國家的支持。藍(lán)牙技術(shù)是一種近距離無線連接的技術(shù)規(guī)，其程序?qū)懺谝粋€9×9mm 的芯片中。它具有無線性、開放性、低功耗等特點(diǎn)。傳輸距離一般為0.110m，功效放大可達(dá)100m；藍(lán)牙工作在2.4GHz 的ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué))頻段上，采用跳

35、頻擴(kuò)譜技術(shù)傳送信息。世界上大多數(shù)國家頻段定義為24002483.5MHz，也就是說將該頻段劃分為79個信道，信道帶寬為1MHz。因?yàn)閼?yīng)用了全球統(tǒng)一的頻率設(shè)定，所以藍(lán)牙產(chǎn)品具有全球通用性11-13。同時正是由于藍(lán)牙技術(shù)工作在全球通用ISM 頻段且頻道有限，因此使用時就難免出現(xiàn)相互干擾的現(xiàn)象；為此，藍(lán)牙技術(shù)設(shè)計了跳頻和向前糾錯方案以確保鏈路的穩(wěn)定性。2.2.2 跳頻技術(shù)跳頻技術(shù)，就是將整個頻帶分成若干跳頻信道（Hop Channel）。在一次連接中，藍(lán)牙芯片所控制的收發(fā)器按照一定的碼序列，不斷地從一個信道跳轉(zhuǎn)到另一個信道；而接受方也是按照一樣的跳轉(zhuǎn)規(guī)律進(jìn)行通信。這實(shí)際上屬于一種硬件加密方法。除非第

36、三方掌握了收發(fā)雙方的信道切換規(guī)律，否則是無法獲得完整信息的，而干擾源也不可能按同樣的規(guī)律進(jìn)行干擾。跳頻的瞬時帶寬很窄，但通過擴(kuò)展頻譜技術(shù)，可以使這個窄帶寬被成倍的擴(kuò)展成寬頻帶，使被干擾的可能性變得很小，由此就可以保證傳送的完整性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性14。一般傳輸時跳頻速率為1600 跳/s ，而在與其它設(shè)備開始建立連接時可達(dá)3200 跳/s。2.2.3 糾錯技術(shù)在藍(lán)牙技術(shù)中使用了三種糾錯方案：1/3比例前向糾錯碼（1/3FEC）、2/3比例前向糾錯碼（2/3FEC）和自動請求重發(fā)方式（ARQ）14。1/3比例前向糾錯碼是一種較簡單的糾錯碼方式，屬于重復(fù)碼，實(shí)現(xiàn)時對每位信息重復(fù)三次。2/3比例前向糾錯

37、碼是一種（15，10）精簡的漢明碼表示方法，用于部分分組。使用ARQ方式，在一個時隙中傳送的數(shù)據(jù)必須在下一個時隙得到確認(rèn)（或超時）信息。只有數(shù)據(jù)在接受端通過了報頭錯誤檢測和循環(huán)冗余檢測，被認(rèn)為無錯后，才向發(fā)送端返回確認(rèn)信息，否則，返回一個錯誤信息14。2.2.4 微微網(wǎng)（Piconet）藍(lán)牙技術(shù)是一種支持點(diǎn)對點(diǎn)和點(diǎn)對多點(diǎn)的通信技術(shù)。通過藍(lán)牙技術(shù)連接在一起的所有設(shè)備可認(rèn)為是一個piconet（微微網(wǎng)），一個piconet可以是兩臺相連的設(shè)備，也可以是八臺連在一起的設(shè)備。在一個piconet中，所有設(shè)備都是級別一樣的單元，具有一樣的權(quán)限，只有在piconet初建時，其中一個單元被定義為Master

38、，其它單元被定義為Slave。幾個Piconet可以被連接在一起，靠跳頻順序識別每個piconet，同一piconet的所有設(shè)備都與這個跳頻順序同步。幾個獨(dú)立且不同步的piconet組成一個scatternet（分布式網(wǎng)絡(luò)）15。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2.3和圖2.4所示。圖 2.3 微微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 圖2.4 分布式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在微微網(wǎng)(Piconet)的連接被建立之前，所有的設(shè)備都處Standby(待令)狀態(tài)。在這種模式下，未連接單元每隔1.28 秒周期性地"監(jiān)聽"信息。每當(dāng)一個設(shè)備被激活，它就監(jiān)聽規(guī)劃給該單元的32個跳頻頻點(diǎn)(跳頻頻點(diǎn)的數(shù)目因地理區(qū)域不同而異)。作為Master

39、的設(shè)備首先初始化連接程序，如果地址已知，則通過尋呼(Page)消息建立連接；如果地址未知，則通過一個后接Page消息的Inquiry(查詢)消息建立連接。在最初的尋呼狀態(tài)，Master單元將在分配給被尋呼單元的16 個跳頻頻點(diǎn)上發(fā)送一串16個一樣的Page消息。如果沒有應(yīng)答，Master則按照激活次序在剩余16 個頻點(diǎn)上繼續(xù)尋呼。Slave 收到從Master 發(fā)來消息的最大延遲時間為激活周期的2 倍( 2.56 秒) ， 平均延遲時間是激活周期的一半( 0.6 秒) 。Inquiry 消息主要用來尋找藍(lán)牙設(shè)備， Inquiry 消息和Page 消息很相象，但是Inquiry 消息需要一個額外

40、的數(shù)據(jù)串周期來收集所有的響應(yīng)。如果Piconet 中已經(jīng)處于連接的設(shè)備在較長一段時間沒有數(shù)據(jù)傳輸， 藍(lán)牙還支持節(jié)能工作模式。Master 可以把Slave 置為Hold(保持)模式，在這種模式下，只有一個部計數(shù)器在工作，Slave也可以主動要求被置為Hold模式。一旦處于Hold模式的單元被激活，則數(shù)據(jù)傳遞也立即重新開始。除Hold 模式外，藍(lán)牙還支持另外兩種節(jié)能工作模式：Sniff(呼吸)模式和Park(暫停)模式，在Sniff模式下，Slave降低了從Piconet“收聽”消息的速率，“呼吸”間隔可以依應(yīng)用要求做適當(dāng)調(diào)整；在Park模式下，設(shè)備依然與Piconet同步但沒有數(shù)據(jù)傳送，工作在

41、該模式下的設(shè)備放棄了MAC地址，偶爾收聽Master的消息并恢復(fù)同步、檢查廣播消息。這三種工作模式如果按照節(jié)能效率以升序排隊(duì)，那么依次是：呼吸模式、保持模式和暫停模式15。本章小結(jié) 本章主要介紹了LPC2138單片機(jī)的基本知識；藍(lán)牙技術(shù)的基本知識，與其中用到的相關(guān)技術(shù)做了詳細(xì)介紹。第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)的設(shè)計上采用模塊化設(shè)計16。這樣我們將智能家居系統(tǒng)分為以下幾個模塊：（1）系統(tǒng)中心控制模塊；（2）家庭安全防模塊；（3）家用電器控制模塊；（4）家庭部通信模塊；（5）家庭對外通信模塊；（6）緊急呼叫模塊；（7）語音模塊。系統(tǒng)的總體框圖如圖3.1所示。圖 3.1 系統(tǒng)總體

42、框圖3.2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計3.2.1 系統(tǒng)中心控制模塊硬件電路設(shè)計中心控制模塊主要由LPC2138單片機(jī)構(gòu)成，加上LCD顯示器和小鍵盤等外圍器件就構(gòu)成了電源模塊、時鐘模塊、CPU控制模塊、鍵盤輸入、LCD顯示等幾個部分。主要完成各種信息的采集和處理，并發(fā)送相應(yīng)的控制命令。用戶可通過LCD顯示器和小鍵盤查詢系統(tǒng)的工作狀態(tài)和對系統(tǒng)進(jìn)行一些設(shè)置。下面我們就根據(jù)各個模塊分別介紹一下其工作原理。（1）系統(tǒng)的電源模塊的電路原圖LPC2138微控制器的核和I/O使用同一電源電壓，只需單電源3.3V供電。圖3.2(a)所示，輸入9V直流電源，電感L1用于限制瞬態(tài)電流，經(jīng)過C1、C2濾波，然后通過SPX111

43、7M-3.3將電源穩(wěn)壓至3.3V，其輸出端用了一個.的鉭電容來改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。當(dāng)正確連接電源后，LED發(fā)光作為電源工作指示燈。LPC2138具有獨(dú)立的模擬電源引腳V、V，為了降低噪聲和出錯幾率，我們用電感L2、L3將數(shù)字電源和模擬電源隔離。系統(tǒng)中有些外圍器件的工作電壓為5V，所以我們還需要5V穩(wěn)壓電路，如圖3.2(b)所示，其工作原理為輸入9V的直流電源，經(jīng)C8、C9濾波，然后通過LM78L05將電源穩(wěn)壓至5V。SPX1117M-3.3是Sipex公司生產(chǎn)的LDO芯片，其特點(diǎn)為輸出電流大，輸出電壓高，穩(wěn)定性好。其輸出電流可達(dá)800mA，輸出電壓的精度在以，還具有電流限制和熱保護(hù)功能，被廣

44、泛用于手持式設(shè)備、數(shù)字家電和工業(yè)控制等領(lǐng)域。（2）時鐘模塊LPC2138微控制器可使用外部晶振或外部時鐘源，部PLL電路可調(diào)整系統(tǒng)時鐘，使系統(tǒng)運(yùn)行速度更快（其CPU最大操作時鐘為60MHz）。若不使用片PLL功能與ISP下載功能，則外部晶振頻率為130MHz，外部時鐘頻率為150MHz；若使用片PLL功能或ISP下載功能，則外部晶振頻率為1025MHz，外部時鐘頻率為1025MHz.。在本系統(tǒng)中為了能支持微控制器部的PLL與ISP功能，我們使用11.0592MHz的外部晶振組成外部時鐘電路（如圖3.3所示），這樣也可使串口的波特率更精確。(a)(b)圖 3.2 系統(tǒng)電源模塊電路原理圖圖3.3

45、系統(tǒng)時鐘電路（3）鍵盤電路在系統(tǒng)中我們設(shè)計了6個獨(dú)立的按鍵，分別為S1S6，如圖3.4所示。我們用LPC2138的P0口作為輸入口，由于其部無上拉電阻，所以用R1R6 6個10K的電阻做上拉電阻。當(dāng)沒有按鍵按下時，口線的值為1；當(dāng)有按鍵按下時，其對應(yīng)的口線的值為0，控制器通過查詢對應(yīng)I/O口的值，來判斷按鍵是否按下。其中S1、S5所連接的口線為P0.16、P0.20，這兩個口分別與外部中斷EINT0、EINT3復(fù)用，為此我們將這兩個鍵作為系統(tǒng)的功能鍵，其余的按鍵作為輔助鍵。 圖3.4 鍵盤電路3.2.2 家庭安全防模塊家庭安全防模塊又稱為家庭安防，是利用不同的傳感器，例如，煙霧傳感器、煤氣傳感

46、器、紅外傳感器、門磁和窗磁等對家庭部環(huán)境參量進(jìn)行監(jiān)控，。中心控制模塊根據(jù)采集到的傳感器的信息，進(jìn)行判斷和報警，并做出相應(yīng)的聯(lián)動處理，一般的警情有煤氣泄露報警、火災(zāi)報警、外人入侵報警等。具體來講就是將處理過的傳感器的信號，送到分控制器89C2051的I/O口，單片機(jī)根據(jù)檢測到的口線值生成報警信息，通過家庭部通信發(fā)送至中心控制模塊。由中心控制模塊對報警信息做出處理。下面我們以紅外傳感器為例，介紹一下防盜報警電路的設(shè)計。由于人體都有恒定的體溫，一般在36.5左右，會發(fā)出特定波長10左右的紅外線，被動紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的10左右的紅外線進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的10左右的紅外線通過菲尼爾濾光片增強(qiáng)

47、后聚集到紅外感應(yīng)源上。紅外感應(yīng)源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，電后續(xù)電路經(jīng)檢驗(yàn)處理后即可產(chǎn)生報警信號。報警電路的電路原理圖如圖3.5所示。由傳感器發(fā)出的微弱的電信號經(jīng)放大電路放大后輸入到分控制器89C2051的I/O口，分控制器檢測到該口線的值，就會做出是否有警情的判斷，如果有警情，則向中心控制模塊發(fā)送報警信息。中心控制模塊通過家庭對外通信模塊撥打用戶事先設(shè)置好的，接通后，通過語音芯片播放預(yù)先錄制好的報警錄音，連續(xù)播放三遍，每一遍中間加1s的延遲。 圖3.5 防盜報警電路3.2.3 家用電器控制模塊家用電器控制模塊其主要功能是根據(jù)

48、接收系統(tǒng)中心控制模塊的命令，進(jìn)而打開或關(guān)閉家用電器。其電路圖如圖3.6所示。圖3.6 家電控制電路原理圖89C2051收到中心控制制器發(fā)送的控制信號后，P1.3腳變?yōu)楦唠娖?，光電耦合器?dǎo)通，導(dǎo)致繼電器吸合，給信息插座通電，從而接通家用電器。當(dāng)有警情時P1.4和P1.5變?yōu)楦唠娖剑瑔纹瑱C(jī)則通過TXD和RXD發(fā)送報警信號，經(jīng)藍(lán)牙模塊傳輸?shù)街行目刂浦破?。另外為防止程序“跑飛”、進(jìn)入“死循環(huán)”使系統(tǒng)失控，我們還設(shè)計了看門狗電路。在上述電路中電阻R1的選擇至關(guān)重要，它影響著4N25開通與關(guān)閉的性能。R1較小時，可減小開關(guān)時間與開關(guān)損耗，R1較大時則相反。一般根據(jù)產(chǎn)品手冊上提供的數(shù)據(jù)作為參考，在參考值（4

49、8）的1倍到10倍間選取，然后經(jīng)過試驗(yàn)波形來分析確定。在開關(guān)頻率較低時，可選的偏大一些，在這里選的是5倍的參考值，即240。為了進(jìn)一步滿足用戶的需求我們可以對這部分電路進(jìn)行改進(jìn)和擴(kuò)展，加上紅外發(fā)射模塊，那么就可以模擬遙控器控制家用電器，例如可以調(diào)整空調(diào)的溫度、模式或者選擇電視機(jī)不同的頻道。其工作原理為，用戶使用此功能的時候可以自行設(shè)置。先讓系統(tǒng)自己“學(xué)習(xí)”家用電器的紅外波遙控信號，其工作原理圖如圖3.7所示。首先選定所要設(shè)置的家用電器，然后將遙控器對準(zhǔn)系統(tǒng)紅外線接收頭，將主要按鍵依次按下，紅外線接收頭將接收到的信號經(jīng)處理后送往中心控制指定位置存儲。學(xué)習(xí)完畢后，就可以應(yīng)用。應(yīng)用時中心控制根據(jù)指令

50、，將預(yù)先存儲的信號從寄存器中讀出，然后經(jīng)處理后發(fā)射出去，相應(yīng)家電根據(jù)接收到的遙控信號做出相應(yīng)的動作，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)模擬遙控家電的目的。 圖3.7 紅外發(fā)射模塊學(xué)習(xí)狀態(tài)原理圖3.2.4 家庭部通信模塊家庭部通信模塊主要是應(yīng)用無線通信技術(shù)中的藍(lán)牙技術(shù)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有線傳輸，即將藍(lán)牙模塊嵌入到智能家居系統(tǒng)中。這樣使家庭部無須重新布線，就可應(yīng)用智能家居系統(tǒng)，使系統(tǒng)易于安裝維護(hù)。在本系統(tǒng)中，我們應(yīng)用愛立信公司的ROK101007作為通信模塊。ROK 101007是Ericsson公司生產(chǎn)的一種在電子設(shè)備中實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙功能的短距離通信模塊。該藍(lán)牙模塊是由基帶控制器、快閃式存儲器、PBA313 01/2無線電收發(fā)器

51、3個芯片組成。其同時支持?jǐn)?shù)據(jù)和語音的傳遞，通過一個符合USB2.0規(guī)格的USB接口或一個UART/PCM接口來實(shí)現(xiàn)模塊和主機(jī)控制器之間的通信。它的VCC電源典型值為3.3V。ROK101 007符合藍(lán)牙1.1規(guī)要求，支持多操作點(diǎn)工作方式，通過了FCC和ETSI認(rèn)可17。圖3.8所示是其部結(jié)構(gòu)框圖和管腳排列18。 圖3.8 ROK101007的部結(jié)構(gòu)與管腳排列圖ROK101007與單片機(jī)的連接主要包括與中心控制機(jī)LPC2138的連接和與分控機(jī)89C2051的連接。在終端探測單元，藍(lán)牙模塊和單片機(jī)之間通過串口輸入HCI指令實(shí)行數(shù)據(jù)通信。當(dāng)使用UART進(jìn)行通信時，藍(lán)牙模塊作為一個DCE，其串行速度可

52、達(dá)460.8Kbit/s。ROK101007藍(lán)牙模塊的UART接口符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)16C450，支持多種波特率，提供四個信號TXD、RXD、RTS和CTS，均按照null modern方式連接，其中TXD和RXD用于數(shù)據(jù)流傳輸，RTS和CTS用于數(shù)據(jù)流控制17。LPC2138微控制器和藍(lán)牙模塊的接口電路如圖3.9所示。 圖3.9 LPC2138和ROK101007的接口電路原理圖而在與89C2051連接時，我們用TXD和RXD用于數(shù)據(jù)流的傳輸，而單片機(jī)的P3.6和P3.7口和藍(lán)牙模塊的RTS和CTS相連，來控制數(shù)據(jù)流。其接口圖如圖3.10所示。 圖3.10 89C51和ROK101007的接口電路

53、原理圖3.2.5 家庭對外通信模塊家庭對外通信模塊，是通過線或者GSM18模塊與外界聯(lián)系。這樣，如果家中出現(xiàn)什么警情，系統(tǒng)可自動播出預(yù)先設(shè)置的或發(fā)出報警信息，報警或通知用戶。用戶也可通過或者編輯短信對家居系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。本文主要討論實(shí)現(xiàn)通過線與外界聯(lián)系的方法。在其硬件電路設(shè)計中包括振鈴檢測電路、模擬摘掛機(jī)電路、DTMF編解碼與發(fā)送電路等。（1）振鈴檢測電路在線路未來鈴流前，線路由交換機(jī)提供大約48V的直流電壓。當(dāng)用戶被呼叫時，交換機(jī)發(fā)來鈴流信號。振鈴信號為25Hz的正弦波，諧鈴失真不大于10%，電壓有效值約為90V。振鈴以5秒為周期，即1秒送，4秒斷。本電路檢測鈴流信號時，以五次鈴響為準(zhǔn)，即

54、五次振鈴后無人摘機(jī)，便由單片機(jī)控制自動模擬摘機(jī)。振鈴檢測電路的原理圖如圖3.11所示。振鈴信號通過電容C1、C2耦合、整流橋整流、C3隔直、R23限流輸入至光電耦合器4N2519的輸入端1口， 4N25起的是隔離作用。光電耦合器是一種電信號的耦合器件，它一般是將發(fā)光二極管和光敏三極管的光路耦合在一起，輸入和輸出之間沒有電氣上的聯(lián)系，輸入電信號加于發(fā)光二極管上，輸出信號由光敏三極管輸出。光電耦合器以光電轉(zhuǎn)換原理傳輸信息，它不僅使信息發(fā)出端（一次側(cè)）與信息接收并輸出端（二次側(cè)）是絕緣的，從而對地電位差干擾有很強(qiáng)的抑制能力，而且有很強(qiáng)的抑制電磁干擾能力，還具有速度高、價格低、接口簡單等優(yōu)點(diǎn)。圖3.1

55、1 振鈴檢測電路振鈴信號通過4N25的4腳輸出振鈴正弦波，R3和C4共同組成濾波電路對輸出信號進(jìn)行濾波，輸出的方波信號被發(fā)送到中心控制單片機(jī)LPC2138的P0.6進(jìn)行計數(shù)。R3和C4共同組成振鈴信號音濾波電路，根據(jù)振鈴的技術(shù)指標(biāo)：頻率25Hz的正弦波，1秒通，4秒斷，=RC可以推出0.024（S）。為了使振鈴信號音輸出很好的方波波形，計算后選取R=310k，C4=100F，=1s。（2）模擬摘掛機(jī)電路根據(jù)國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：任何機(jī)，摘機(jī)狀態(tài)的直流電阻應(yīng)300，有“R”鍵的電子機(jī)的摘機(jī)狀態(tài)直流電阻應(yīng)350。在掛機(jī)狀態(tài)下，其漏電流5A。當(dāng)用戶摘機(jī)時，機(jī)通過叉簧接上約300的負(fù)載，使整個線回路流過約

56、30mA的電流。交換機(jī)檢測到該電流后便停止鈴流發(fā)送，并將線路電壓變?yōu)槭畮追闹绷?，完成接續(xù)。如圖3.12所示，模擬摘掛機(jī)電路主要由一個三極管開關(guān)電路來控制繼電器通斷，繼電器控制線兩端300電阻的接入。摘掛機(jī)指令由ARM單片機(jī)通過使P0.31口變?yōu)楦唠娖綄?shí)現(xiàn)。P0.31變?yōu)楦唠娖绞筈31處于導(dǎo)通狀態(tài)，從而開啟繼電器K1，使電阻R2接入線兩端。因?yàn)镽2的電阻為300，使回路電流變大，控制電路向交換機(jī)發(fā)出模擬摘機(jī)的信號，交換機(jī)響應(yīng)摘機(jī)信號，完成線路接通。整個電路完成自動模擬摘機(jī)過程。圖3.12 模擬摘掛機(jī)電路（3）DTMFDTMF（Dual Tone Multi Frequency），即雙音多頻，系統(tǒng)中機(jī)與交換機(jī)之間的一種用戶信令，通常用于發(fā)送被叫，其具有很強(qiáng)的抗干擾性能，因此被廣泛用于通信網(wǎng)中。DTMF信令有16個編碼，表3.1為DTMF編碼表。由高頻群和低頻群組成，高低頻群各包含4個頻率。一個高頻信號和一個低頻信號疊加組成一個組合信號，代表一個數(shù)字20。雙音多頻的撥號鍵盤是4×4的矩陣，每一行代表一個低頻，每一列代表一個高頻。每按一個鍵就發(fā)送一個低頻和高頻的正弦信號組合，比如“1”用697和1209赫茲的組合表示。交換機(jī)可以解碼這些頻率組合并確定所