智能家居系统总体方案设计

1、共享知识分享快乐盛年不重来，一日难再晨。及时宜自勉，岁月不待人。智能家居系统总体设计方案卑微如蜷蚁、粵劉欢象共享知识分享快乐一. 弓I言智能家居以家居住宅为平台，综合传感器网络、信息计算融合、自动控制等技术，将与家庭生活有关的各种应用元素有机地结合在一起，通过综合管 理，让家庭生活更舒适、安全、有效、便利和环保。本文从项目需求和系统功能出发，对智能家居系统进行了分析 设计。介绍了系统的总体结构、工作流程，并对系统进行了功能分拆，进而介绍了各功能 子系统的基本设计情况。本系统以建筑结构复杂的独体别墅为设计目标，可广泛应用于 普通家居住宅环境。二. 需求分析2.1概述随着社会经济的发展，科技水平及

2、信息化程度的不断提高以及 对生活品质的不断追求，人们对家庭生活方式的革新要求日益强烈。智能家居系统的应用对家庭生活方式的带来深远影响，它育就供舒适安全、环保节能、具有高度人性化的生活空间；提供智能化的 家居设备控制方式；提供全方位的信息交换功能；优化人们的生活方式，帮助人 们有效地安排时间；增强家庭生活的安全性。家居环境的建筑设计和装修装饰千差万别，不影响建筑格局的 前提下，人们要求智能家庭系统安装简单方便，易于维护，可靠性 高。智能家居其功能需求主要体现在完善的安全保障、舒适的居住 环境和便利的生活条件及方便的安装操作上。智能家居利用传感器 网络技术，结合互联网及移动通信网络，根据需求通过自

3、组织形式 将家庭内部的各种设备组成网络，实现人与家居的和谐融合。 其基本功能包括安全防范、环境自动控制、家电控制、视频监控、讯息交互服务等。安全防范功能可以实时监控非法侵入、浸水、火灾、燃气泄露、紧急呼救等事件的发生。卑微如醱蛟、粵虽似大象共享知识分享快乐根据光强、温湿度等环境条件的变化，智能家居系统可以对 诸如空调、照明电器等的控制从而实现家居环境的自动控制。利用视频图像监控功能，业主可 以实时查看家庭现场情况。通过与电信运营商合作，通过方便快捷方式实现用户与家庭的讯息互 动。2.2系统功能需求实现安全防范功能，对非法侵入、浸水、火灾、燃气泄露等紧急 情况实现报警；对光强、温湿度等家居环境条

4、件进行检测；对家庭现场情况进行图像采集并进行计算处理；各检测、传输设备采用无线方式组成网络进行信息传输；通过互联网或移动通信网络将检测信息及图片传送至用户；具有数据本地存储功能，设防、撤防功能；美观隐蔽、操作简便、易于安装维护。三. 系统总体设计方案系统由检测设备、传输设备、网关设备组成，检测设备、传输设备和网关设备组成簇树结构的无线传感器网络。系统整体结构如下图所示/41 jaac/&4&尹卑微如錢蚁坚以大象共享知说分享快乐3.1检测设备检测设备包括温湿度、光强、烟雾、燃气、红外、浸水等传感器检测节点，用以实现安防及环境条件的。检测设备以房间为单位组成星形网络，根据实际房间需要决定网络节点数

5、量。组成网络图如下图所示3.2传输设备传输设备包括中继节点、路由节点和接收节点（SINK。中继节点 负责以房间为单位的星形网络的建立及维护，将其收来的其下 各节点上报的数据转发至路由节点，同时将来自路由节点的配置 及控制信息转发至每一个节点。该设备主要目的是对无线信号的中 继传输，以保证系统的可靠运行。根据现场实际情况，节点可充当中继器卑微如嘶、坚强大象共享知识分享快乐路由节点负责以楼层为单位的簇树网络的建立及维护，同时承担楼层之间多跳簇树网络的路由功能，以实现数据由节点通过无线网络转发至接收节点。接收节点是网关设备中的一个重要组成部 分，做为整个系统的协调设备，负责整个网络的建立和维护。其功

6、能是实时、可靠的接收来自系统中各节点的发送的无线数据，同时根据需要对节点发送网关设备的查询控制数据。中继节点与路由节点组成的多跳簇树网络如下图所示。3.3网关设备网关设备连接着多个的相互独立的网络，作为智能家居系统的重要组成部分，管理整个无线监测网络完整的路由表，接收来自传感器网络节点的数据，并对数据进行校正、融合等处理，然后通过操作终端、GPRS 或以太网等传送给业主；同时对于业主所发的指令给予相应的处 理及实现一定的自动控制功能等。网关实现图像的采集处理，并 有显示、输入及数据本地保存等功能。网关设备在系统中位置如下图 所示。用户四系统工作流程家庭中根据需要布设一定规模的检测设备和传输设备

7、，检测设 备与传输设备组成无线网络。当有非法侵入、浸水、火灾、燃气泄 露等紧急情况发生时，检测设备将检测结果通过传输设备发送给网 卑微如蜷蚁坚删大象共享知说分享快乐关设备，网关设备对检测结果进行处理后发送短信至业主。业主接 到短信后可发短信至网关设备，控制网关的报警短信发送和摄像头 图像的采集。业主需要传输现场情况图片时，网关设备将抓拍图片 发送彩信至业主。业主可发送短信至网关设备查询检测设备的工作 情况和检测信息。系统的数据流程如下图所示。翻hi备 用誉点*( 堀忖击亡匚室1：检测设备检测紧急情况的发生；2 :检测设备将检测结果发送至传输设备；3 :传输设备将检测结果发送至网关设备;4 :网

8、关设备对检测结果进行处理；5、6:网关设备、短信中心将检测结果发送至业主；7、8业主发送短信通过短信中心至网关设备；9:网关设备对短息内容进行处理，根据业主需要对检测设备 和摄像头进行操作；10、11:业主需要现场图片，网关设备将抓拍图片通过短信中 心发送至业主；12：业主需要对检测设备进行控制，控制指令通过传输设备发 送至检测设备；13:业主短信操作，如继续获知家居信息，重复712流程;14:根据业主指令，检测设备停止报警或继续检测报警，如继 续，重复113流程。五系统总体设计指标1. 实现检测信息种类：非法侵入、浸水、火灾、燃气泄露、 光强、温湿度、图像采集；2.系统工作温度范围：-106

9、0 C;3. 安全防范检测节点检测事件成功率100%;误报率1%; 4. 无线频段：433MH濒段；卑微如!诿蚁粵虽似大象共享知说分享快乐5.发射功率：可编程控制的输出功率，最大功率可达+10dBm6. 无线网络传输速率：1.2100Kbps可调。六检测设备设计方案6.1设计指标1. 检测信息种类：非法侵入、浸水、火灾、燃气泄露、光强、温 湿度；2. 工作温度范围：-1060 C;3. 供电方式：浸水和燃气节点交流 220V,红外、火灾、光强、温 湿度节点直流9V,容量800mAH4. 无线频段：433MH濒段5. 发射功率：可编程控制的输出功率，最大功率可达 +10dBm 6. 无线网络传输

10、速率：1.2100Kbps可调；7. 天线：陶瓷全向天线，0.5dBi增益，驻波比2;8. 结构美观，体积小，易于布设。6.2硬件设计硬件平台的控制核心为TI公司16位超低功耗微控制器MSP430F149 具有 64KByte 片上 Flash 存储器和 2KByte 片上 RAM 卑微如蜷蚁坚强大象采用先进的3级流水线RISC架构，实现单时钟指令执行周期；处 理器包括2个串行同步异步可配置接口控制器、时钟模块、看门狗、 A/D等片上外设；采用3.3V低电压系统，可工作于5种低功耗模式， 保证整个系统高效率低功耗运转。射频模块采用TI公司低功耗单芯片射频芯片 CC1100具有 -110dBm高

11、接收灵敏度和最高+1OdBm发射功率，使用ISM频段，频 点为433MHz 254个频率间隔200KHZ的可选信道数，可程控8个 发射功率和最高500kbps的射频数据传输速率。根据需要，射频模块可设计功放环节，提高发送功率。选用MAX604乍为电压转换芯片，其主要技术指标为：输入电压：2.711.5V、输出电压：3.3V、最大输出电流：500mA检测 设备为电池供电时，不需要其他转换电路。当设备供电为交流220V 时，电源模块采用JMA-2.5W作为交直流变换电路。根据检测目的不同选择不同的传感器完成检测节点的信息采 集功能。传感器的输出分数字和模拟两类，模拟信号需经过模拟处 理单元进行滤波

12、、放大、隔直、比较等处理后送控制核心。依据项目需求，确定的传感器型号为：1.温湿度传感器SHT112.光强传感器TSL2560 3.烟雾传感器NIS-09C 4.可燃气体传感器 TP-1.1A 5.红外传感器 RE200B 6.浸水传感器 YW515硬件平台的 结构框图如下所示。却如DC 三田哄八慈共享知识分享快乐6.3软件设计检测设备软件需实现：1. 对传感器采集数据进行分析处理；2. 与传输设备组成星形网络；3将检测数据发送至传输设备；4. 接收并处理传输设备发送的查询控制数据;5. 协调整个检测设备系统的运行；6. 控制检测设备功耗。检测设备的软件工作流程如下图所示。检测设备加入网络的过

13、程是：设备首先监听公共频点，找到中继节点的ID，然后切换到簇内频点，开始超帧调度，发送入网请求。6.4结构设计根据家庭安装布设要求，遵循美观、隐蔽、微型的原则，采用 公模塑料外壳，根据具体需求进行再设计加工。卑做如蜷蚁粵雖大象共享知识分享快乐6.5产品化设计6.5.1 EMC 设计考虑电磁兼容性设计，遵循 EMC原则，借鉴经验设计，并对设 备进行EMC及 EMI测试，根据国家标准对设备进行改进。6.5.2可生产性设计电路板设计时考虑焊接、测试环节，做到标识清楚整齐，焊接、 调试方便；设计测试点，板上提供测试信息，方便设备测试；软件 设计及下载调试遵循简单快捷易上手原则。6.5.3可靠性设计采用

14、降额设计。根据设计目标选用了高质量、高可靠性的元器 件。采用较高精度等级及可靠性高的分立元件、采用工业级的集成 芯片。器件的选择符合工作环境的要求。硬件设计考虑EMC设计软件设计从编码可读性、正确性、可移植性、可测试性、模块 化和标准化等环节考虑提高软件的可维护性和可靠性。七传输设备设计方案7.1设计指标1. 工作温度范围：-2085 C;卑微如蜷蚁坚錮以大象共享知识分享快乐2. 供电方式：交流220V;3. 无线频段：433MH濒段4. 发射功率：可编程控制的输出功率，最大功率可达+25dBm5. 无线网络传输速率：1.2100Kbps可调；6. 天线：鞭状全向天线，2dBi增益，驻波比1.

15、5 ;7. 结构美观，体积小，易于布设。7.2硬件设计传输设备分为中继节点、路由节点、SINK节点三类。中继节点 和路由节点采用相同硬件设计，路由节点由交流 220V供电，中继 节点有交流220V和直流9V两种供电方式可选。SINK节点作为网关 设备的一部分进行设计，本章所提传输设备指中继节点和路由节点。硬件平台MCI采用MSP430F149射频芯片采用CC1100射频 传输模块设计功放电路，功放采用 SKY65004电压转换采用 JMA-2.5W和MAX604硬件平台的结构框图如下所示。7.3软件设计传输设备软件需实现：1.簇树网路的建立与维护；2.稳定可靠的 对数据进行传输；3.协调节点自

16、身系统的运行。中继节点的软件工 作流程如下图所示。*1YT111SLIIP卑槪如錢蚁、粵劉以大象共享知识分享快乐中继节点加入网络的过程是：设备首先监听公共频点，找到路 由节点的ID，然后切换到簇内频点，开始超帧调度，发送入网请求。路由节点的软件工作流程如下图所示。路由节点上电初始化后立即进入超帧调度运行阶段并在每个超帧开始时广播发送Beacon帧。忍衣；I*戈ii陕三廉缶廻黛丙兰性F传输设备的路由策略采用表驱动和按需路由，有SINK节点发起HELLOFrame,路由节点收到 HELLCframe建立到Sink节点的路 由表，选择到信号质量最好的路由节点作为到 SINK下一跳的路由。 路由表需要

17、定期更新。7.4结构设计根据家庭安装布设要求，遵循美观、隐蔽、微型的原则，采用 公模塑料外壳，充电器形式。7.5产品化设计7.5.1 EMC 设计考虑电磁兼容性设计，遵循 EMC原则，借鉴经验设计，并 对设备进行EMC及EMI测试，根据国家标准对设备进行改 进。考虑到交流 220V供电对无线射频传输的影响，加强对 硬件设计的各个环节的控制。7.5.2可生产性设计电路板设计时考虑焊接、测试环节，做到标识清楚整齐，焊接、 调试方便；设计测试点，板上提供测试信息，方便设备测试；软件 设计及下载调试遵循简单快捷易上手原则。7.5.3可靠性设计采用降额设计。根据设计目标选用了高质量、高可靠性的元器 件。

18、采用较高精度等级及可靠性高的分立元件、采用工业级的集成 芯片。器件的选择符合工作环境的要求。硬件设计考虑EMC设计卑微如錢蚊、竖虽似大象共享知识分享快乐软件设计从编码可读性、正确性、可移植性、可测试性、模块 化和标准化等环节考虑提高软件的可维护性和可靠性。八网关设备设计方案8.1设计指标1. 工作温度范围：-2085 C;2. 供电方式：直流5V;3. 无线频段：433MH濒段4. 发射功率：可编程控制的输出功率，最大功率可达 +25dBm5. 无线网络传输速率：1.2100Kbps可调；6. 天线：鞭状全向天线，3dBi增益，驻波比1.5 ;7. 接口支持：SD卡座，USB主机，USB设备，

19、RS232 RJ458.2硬件设计硬件平台控制核心选用三星 S3C2440A采用ARM920T内核，主 频 400MHZ最高可达 533 MHZ支持 NANDTASH NORFLASHJDRAM 支持STN/TFT LCD触摸屏控制器，4通道DMA 3通道UART 2通 道SPI、IIC总线，IIS/AC97音频控制器，SD/MM控制器，2通道卑微如蜷蚁坚强大象共享知识分享快乐USBHOST 1 通道 USBDEVICE 4 通道 PWM8 通道 A/D 转换、RTC CMO摄像头，多功能IO及多种电源管理。射频传输射频芯片采用CC1100射频传输模块设计功放电路，功放采用SKY65004gp

20、rs彩信模块采用IWOW公司的TR800 TR800支持四频 (GSM850 EGSM00/ DCS1800 / PCS1900)。内嵌协议：TCP/IP、 WAP MMS以及Push-To-Talk 。内含3M bytes内存可应用于客 户应用程序。提供包含2个UART和1个SPI总线，提供1路数字 及2路模拟音频接口。摄像头选用omnivision的ov9650, 130万像素，YUV/RG输出 格式。电源模块采用国家半导体公司 LM2576和LM1084实现，LM2576 为开关型降压集成电路，最大输出电流 3A;最高输入电压40V;输 出电压：3.3V、5V、12V 15V和ADJ (可调)等可选。LM1084为低 压差调压器，最高输入电压29V,输出电压3.3V、5V、12V和ADdSDRAMS用两片Hynix公司的HY57V561620FLASH选用三星的 K9F1