智能家居系統(tǒng)總體設計

產品名稱配置管理編號文檔編號版本密級內部控制智能家居系統(tǒng)總體設計〔僅供內部使用〕擬制：日期：日期：日期：日期：版權所有侵權必究目錄一引言4二需求分析42.1概述42.2系統(tǒng)功能需求5三系統(tǒng)總體設計方案53.1檢測設備63.2傳輸設備63.3網關設備7四系統(tǒng)工作流程8五系統(tǒng)總體設計指標9六檢測設備設計方案106.1設計指標106.2硬件設計106.3軟件設計116.4結構設計126.5產品化設計12EMC設計12可生產性設計13可靠性設計13七傳輸設備設計方案137.1設計指標137.2硬件設計137.3軟件設計147.4結構設計167.5產品化設計16EMC設計16可生產性設計16可靠性設計16八網關設備設計方案168.1設計指標168.2硬件設計178.3軟件設計188.4結構設計188.5產品化設計19EMC設計19可生產性設計19可靠性設計19版本歷史版本日期描述〔修改原因〕作者〔修改者〕V1.0200初稿吳波一引言智能家居以家居住宅為平臺，綜合傳感器網絡、信息計算融合、自動控制等技術，將與家庭生活有關的各種應用元素有機地結合在一起，通過綜合管理，讓家庭生活更舒適、平安、有效、便利和環(huán)保。本文從工程需求和系統(tǒng)功能出發(fā)，對智能家居系統(tǒng)進行了分析設計。介紹了系統(tǒng)的總體結構、工作流程，并對系統(tǒng)進行了功能分拆，進而介紹了各功能子系統(tǒng)的根本設計情況。本系統(tǒng)以建筑結構復雜的獨體別墅為設計目標，可廣泛應用于普通家居住宅環(huán)境。二需求分析2.1概述隨著社會經濟的開展，科技水平及信息化程度的不斷提高以及對生活品質的不斷追求，人們對家庭生活方式的革新要求日益強烈。智能家居系統(tǒng)的應用對家庭生活方式的帶來深遠影響，它能提供舒適平安、環(huán)保節(jié)能、具有高度人性化的生活空間；提供智能化的家居設備控制方式；提供全方位的信息交換功能；優(yōu)化人們的生活方式，幫助人們有效地安排時間；增強家庭生活的平安性。家居環(huán)境的建筑設計和裝修裝飾千差萬別，不影響建筑格局的前提下，人們要求智能家庭系統(tǒng)安裝簡單方便，易于維護，可靠性高。智能家居其功能需求主要表達在完善的平安保障、舒適的居住環(huán)境和便利的生活條件及方便的安裝操作上。智能家居利用傳感器網絡技術，結合互聯(lián)網及移動通信網絡，根據(jù)需求通過自組織形式將家庭內部的各種設備組成網絡，實現(xiàn)人與家居的和諧融合。其根本功能包括平安防范、環(huán)境自動控制、家電控制、視頻監(jiān)控、訊息交互效勞等。平安防范功能可以實時監(jiān)控非法侵入、浸水、火災、燃氣泄露、緊急呼救等事件的發(fā)生。根據(jù)光強、溫濕度等環(huán)境條件的變化，智能家居系統(tǒng)可以對諸如空調、照明電器等的控制從而實現(xiàn)家居環(huán)境的自動控制。利用視頻圖像監(jiān)控功能，業(yè)主可以實時查看家庭現(xiàn)場情況。通過與電信運營商合作，通過方便快捷方式實現(xiàn)用戶與家庭的訊息互動。2.2 系統(tǒng)功能需求⑴實現(xiàn)平安防范功能，對非法侵入、浸水、火災、燃氣泄露等緊急情況實現(xiàn)報警；⑵對光強、溫濕度等家居環(huán)境條件進行檢測；⑶對家庭現(xiàn)場情況進行圖像采集并進行計算處理；⑷各檢測、傳輸設備采用無線方式組成網絡進行信息傳輸；⑸通過互聯(lián)網或移動通信網絡將檢測信息及圖片傳送至用戶；⑹具有數(shù)據(jù)本地存儲功能，設防、撤防功能；⑺美觀隱蔽、操作簡便、易于安裝維護。三 系統(tǒng)總體設計方案系統(tǒng)由檢測設備、傳輸設備、網關設備組成，檢測設備、傳輸設備和網關設備組成簇樹結構的無線傳感器網絡。系統(tǒng)整體結構如下列圖所示。3.1檢測設備檢測設備包括溫濕度、光強、煙霧、燃氣、紅外、浸水等傳感器檢測節(jié)點，用以實現(xiàn)安防及環(huán)境條件的。檢測設備以房間為單位組成星形網絡，根據(jù)實際房間需要決定網絡節(jié)點數(shù)量。組成網絡圖如下列圖所示。3.2 傳輸設備傳輸設備包括中繼節(jié)點、路由節(jié)點和接收節(jié)點〔SINK〕。中繼節(jié)點負責以房間為單位的星形網絡的建立及維護，將其收來的其下各節(jié)點上報的數(shù)據(jù)轉發(fā)至路由節(jié)點，同時將來自路由節(jié)點的配置及控制信息轉發(fā)至每一個節(jié)點。該設備主要目的是對無線信號的中繼傳輸，以保證系統(tǒng)的可靠運行。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，節(jié)點可充當中繼器。路由節(jié)點負責以樓層為單位的簇樹網絡的建立及維護，同時承當樓層之間多跳簇樹網絡的路由功能，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)由節(jié)點通過無線網絡轉發(fā)至接收節(jié)點。接收節(jié)點是網關設備中的一個重要組成局部，做為整個系統(tǒng)的協(xié)調設備，負責整個網絡的建立和維護。其功能是實時、可靠的接收來自系統(tǒng)中各節(jié)點的發(fā)送的無線數(shù)據(jù)，同時根據(jù)需要對節(jié)點發(fā)送網關設備的查詢控制數(shù)據(jù)。中繼節(jié)點與路由節(jié)點組成的多跳簇樹網絡如下列圖所示。3.3 網關設備網關設備連接著多個的相互獨立的網絡，作為智能家居系統(tǒng)的重要組成局部，管理整個無線監(jiān)測網絡完整的路由表，接收來自傳感器網絡節(jié)點的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行校正、融合等處理，然后通過操作終端、GPRS或以太網等傳送給業(yè)主；同時對于業(yè)主所發(fā)的指令給予相應的處理及實現(xiàn)一定的自動控制功能等。網關實現(xiàn)圖像的采集處理，并有顯示、輸入及數(shù)據(jù)本地保存等功能。網關設備在系統(tǒng)中位置如下列圖所示。四 系統(tǒng)工作流程家庭中根據(jù)需要布設一定規(guī)模的檢測設備和傳輸設備，檢測設備與傳輸設備組成無線網絡。當有非法侵入、浸水、火災、燃氣泄露等緊急情況發(fā)生時，檢測設備將檢測結果通過傳輸設備發(fā)送給網關設備，網關設備對檢測結果進行處理后發(fā)送短信至業(yè)主。業(yè)主接到短信后可發(fā)短信至網關設備，控制網關的報警短信發(fā)送和攝像頭圖像的采集。業(yè)主需要傳輸現(xiàn)場情況圖片時，網關設備將抓拍圖片發(fā)送彩信至業(yè)主。業(yè)主可發(fā)送短信至網關設備查詢檢測設備的工作情況和檢測信息。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程如下列圖所示。1：檢測設備檢測緊急情況的發(fā)生；2：檢測設備將檢測結果發(fā)送至傳輸設備；3：傳輸設備將檢測結果發(fā)送至網關設備；4：網關設備對檢測結果進行處理；5、6：網關設備、短信中心將檢測結果發(fā)送至業(yè)主；7、8：業(yè)主發(fā)送短信通過短信中心至網關設備；9：網關設備對短息內容進行處理，根據(jù)業(yè)主需要對檢測設備和攝像頭進行操作；10.1、11：業(yè)主需要現(xiàn)場圖片，網關設備將抓拍圖片通過短信中心發(fā)送至業(yè)主；10.2、12：業(yè)主需要對檢測設備進行控制，控制指令通過傳輸設備發(fā)送至檢測設備；13：業(yè)主短信操作，如繼續(xù)獲知家居信息，重復7～12流程；14：根據(jù)業(yè)主指令，檢測設備停止報警或繼續(xù)檢測報警，如繼續(xù)，重復1～13流程。五系統(tǒng)總體設計指標1.實現(xiàn)檢測信息種類：非法侵入、浸水、火災、燃氣泄露、光強、溫濕度、圖像采集；2.系統(tǒng)工作溫度范圍：-10~60℃3.平安防范檢測節(jié)點檢測事件成功率100％；誤報率<1％；4.無線頻段：433MHz頻段；5.發(fā)射功率：可編程控制的輸出功率，最大功率可達+10dBm；6.無線網絡傳輸速率：1.2～100Kbps可調。六檢測設備設計方案6.1設計指標1.檢測信息種類：非法侵入、浸水、火災、燃氣泄露、光強、溫濕度；2.工作溫度范圍：-10~60℃3.供電方式：浸水和燃氣節(jié)點交流220V，紅外、火災、光強、溫濕度節(jié)點直流9V，容量800mAH；4.無線頻段：433MHz頻段5.發(fā)射功率：可編程控制的輸出功率，最大功率可達+10dBm；6.無線網絡傳輸速率：1.2～100Kbps可調；7.天線：陶瓷全向天線，0.5dBi增益，駐波比2；8.結構美觀，體積小，易于布設。6.2 硬件設計硬件平臺的控制核心為TI公司16位超低功耗微控制器MSP430F149，具有64KByte片上Flash存儲器和2KByte片上RAM；采用先進的3級流水線RISC架構，實現(xiàn)單時鐘指令執(zhí)行周期；處理器包括2個串行同步異步可配置接口控制器、時鐘模塊、看門狗、A/D等片上外設；采用3.3V低電壓系統(tǒng)，可工作于5種低功耗模式，保證整個系統(tǒng)高效率低功耗運轉。射頻模塊采用TI公司低功耗單芯片射頻芯片CC1100，具有-110dBm高接收靈敏度和最高+10dBm發(fā)射功率，使用ISM頻段，頻點為433MHz，254個頻率間隔200KHz的可選信道數(shù)，可程控8個發(fā)射功率和最高500kbps的射頻數(shù)據(jù)傳輸速率。根據(jù)需要，射頻模塊可設計功放環(huán)節(jié)，提高發(fā)送功率。選用MAX604作為電壓轉換芯片，其主要技術指標為：輸入電壓：2.7～11.5V、輸出電壓：3.3V、最大輸出電流：500mA。檢測設備為電池供電時，不需要其他轉換電路。當設備供電為交流220V時，電源模塊采用JMA-2.5W作為交直流變換電路。根據(jù)檢測目的不同選擇不同的傳感器完成檢測節(jié)點的信息采集功能。傳感器的輸出分數(shù)字和模擬兩類，模擬信號需經過模擬處理單元進行濾波、放大、隔直、比擬等處理后送控制核心。依據(jù)工程需求，確定的傳感器型號為：1. 溫濕度傳感器SHT112. 光強傳感器TSL25603. 煙霧傳感器NIS-04. 可燃氣體傳感器TP-1.1A5. 紅外傳感器RE200B6. 浸水傳感器YW515硬件平臺的結構框圖如下所示。6.3軟件設計檢測設備軟件需實現(xiàn)：1. 對傳感器采集數(shù)據(jù)進行分析處理；2. 與傳輸設備組成星形網絡；3. 將檢測數(shù)據(jù)發(fā)送至傳輸設備；4. 接收并處理傳輸設備發(fā)送的查詢控制數(shù)據(jù)；5. 協(xié)調整個檢測設備系統(tǒng)的運行；6. 控制檢測設備功耗。檢測設備的軟件工作流程如下列圖所示。檢測設備參加網絡的過程是：設備首先監(jiān)聽公共頻點，找到中繼節(jié)點的ID，然后切換到簇內頻點，開始超幀調度，發(fā)送入網請求。6.4結構設計根據(jù)家庭安裝布設要求，遵循美觀、隱蔽、微型的原那么，采用公模塑料外殼，根據(jù)具體需求進行再設計加工。6.5產品化設計6.5.1 EMC設計考慮電磁兼容性設計，遵循EMC原那么，借鑒經驗設計，并對設備進行EMC及EMI測試，根據(jù)國家標準對設備進行改良。6.5.2 可生產性設計電路板設計時考慮焊接、測試環(huán)節(jié)，做到標識清楚整齊，焊接、調試方便；設計測試點，板上提供測試信息，方便設備測試；軟件設計及下載調試遵循簡單快捷易上手原那么。6.5.3 可靠性設計采用降額設計。根據(jù)設計目標選用了高質量、高可靠性的元器件。采用較高精度等級及可靠性高的分立元件、采用工業(yè)級的集成芯片。器件的選擇符合工作環(huán)境的要求。硬件設計考慮EMC設計。軟件設計從編碼可讀性、正確性、可移植性、可測試性、模塊化和標準化等環(huán)節(jié)考慮提高軟件的可維護性和可靠性。七 傳輸設備設計方案7.1設計指標1.工作溫度范圍：-20~85℃2.供電方式：交流220V；3.無線頻段：433MHz頻段4.發(fā)射功率：可編程控制的輸出功率，最大功率可達+25dBm；5.無線網絡傳輸速率：1.2～100Kbps可調；6.天線：鞭狀全向天線，2dBi增益，駐波比<1.5；7.結構美觀，體積小，易于布設。7.2硬件設計傳輸設備分為中繼節(jié)點、路由節(jié)點、SINK節(jié)點三類。中繼節(jié)點和路由節(jié)點采用相同硬件設計，路由節(jié)點由交流220V供電，中繼節(jié)點有交流220V和直流9V兩種供電方式可選。SINK節(jié)點作為網關設備的一局部進行設計，本章所提傳輸設備指中繼節(jié)點和路由節(jié)點。硬件平臺MCU采用MSP430F149，射頻芯片采用CC1100，射頻傳輸模塊設計功放電路，功放采用SKY65004。電壓轉換采用JMA-2.5W和MAX604。硬件平臺的結構框圖如下所示。7.3軟件設計傳輸設備軟件需實現(xiàn)：1.簇樹網路的建立與維護；2.穩(wěn)定可靠的對數(shù)據(jù)進行傳輸；3.協(xié)調節(jié)點自身系統(tǒng)的運行。中繼節(jié)點的軟件工作流程如下列圖所示。中繼節(jié)點參加網絡的過程是：設備首先監(jiān)聽公共頻點，找到路由節(jié)點的ID，然后切換到簇內頻點，開始超幀調度，發(fā)送入網請求。路由節(jié)點的軟件工作流程如下列圖所示。路由節(jié)點上電初始化后立即進入超幀調度運行階段并在每個超幀開始時播送發(fā)送Beacon幀。傳輸設備的路由策略采用表驅動和按需路由，有SINK節(jié)點發(fā)起HELLOFrame，路由節(jié)點收到HELLOframe建立到Sink節(jié)點的路由表，選擇到信號質量最好的路由節(jié)點作為到SINK下一跳的路由。路由表需要定期更新。7.4結構設計根據(jù)家庭安裝布設要求，遵循美觀、隱蔽、微型的原那么，采用公模塑料外殼，充電器形式。7.5產品化設計7.5.1 EMC設計考慮電磁兼容性設計，遵循EMC原那么，借鑒經驗設計，并對設備進行EMC及EMI測試，根據(jù)國家標準對設備進行改良。考慮到交流220V供電對無線射頻傳輸?shù)挠绊?，加強對硬件設計的各個環(huán)節(jié)的控制。7.5.2 可生產性設計電路板設計時考慮焊接、測試環(huán)節(jié)，做到標識清楚整齊，焊接、調試方便；設計測試點，板上提供測試信息，方便設備測試；軟件設計及下載調試遵循簡單快捷易上手原那么。7.5.3 可靠性設計采用降額設計。根據(jù)設計目標選用了高質量、高可靠性的元器件。采用較高精度等級及可靠性高的分立元件、采用工業(yè)級的集成芯片。器件的選擇符合工作環(huán)境的要求。硬件設計考慮EMC設計。軟件設計從編碼可讀性、正確性、可移植性、可測試性、模塊化和標準化等環(huán)節(jié)考慮提高軟件的可維護性和可靠性。八 網關設備設計方案8.1 設計指標1.工作溫度范圍：-20~85℃2.供電方式：直流5V；3.無線頻段：433MHz頻段4.發(fā)射功率：可編程控制的輸出功率，最大功率可達+25dBm；5.無線網絡傳輸速率：1.2～100Kbps可調；6.天線：鞭狀全向天線，3dBi增益，駐波比<1.5；7.接口支持：SD卡座，USB主機，USB設備，RS232，RJ45。8.2硬件設計硬件平臺控制核心選用三星S3C2440A。采用ARM920T內核，主頻400MHZ，射頻傳輸射頻芯片采用CC1100，射頻傳輸模塊設計功放電路，功放采用SKY65004。gprs彩信模塊采用IWOW公司的TR800。TR800支持四頻(GSM850/EGSM900/DCS1800/PCS1900)。內嵌協(xié)議：TCP/IP、WAP、MMS以及Push-To-Talk。內含3Mbytes內存可應用于客戶應用程序。提供包含2個UART和1個SPI總線，提供1路數(shù)字及2路模擬音頻接口。攝像頭選用omnivision的ov9650，130萬像素，YUV/RGB輸出格式。電源模塊采用國家半導體公司LM2576,和LM1084實現(xiàn)，LM2576為開關型降壓集成電路，最大輸出電流3A；最高輸入電壓40V；輸出電壓：3.3V、5V、12V、15V和ADJ〔可調〕等可選。LM1084為低壓差調壓器，最高輸入電壓29V，輸