嵌入式智能家居系统设计

1、嵌入式智能家居系统设计摘要：本文将嵌入式技术和ZigBee无线通信技术应用到智能家庭无线网络系统的设计中，给出了智能家庭无线网络系统的总体方案和各部分软硬件的设计，并对红外学习终端、PDA以及通信协议等关键问题进行了研究设计。在室内，用户通过PDA遥控家庭设备执行相应操作,同时可把状态信息反馈给用户手持终端PDA，在远程也可以通过GSM短信技术实现对家庭设备的管理和监控。整个系统符合开放性、实用性、普及化、简洁易用、模块化的设计原则。关键词：ZigBee；智能家庭网络；嵌入式技术；红外学习终端；PDAAbstract: The embedded technology and ZigBee wi

2、reless communication technology were applied to Intelligent Home.The overall program for Intelligent Home Network was given and the software and hardware of all parts were designed. It also designed the key pionts ofthe termination for studying IR code, PDA and communication protocol. In house, the

3、users can control household equipments with PDA to realizesome specific operation. Status and alarm information can also be delivered to PDA. The family can also monitor and manage with GSM technology in the remote. This text is accord with the design principles of openness,utility,universalness,con

4、cise and modularization.Key words:ZigBee; Intelligent Home Network; embedded technology; termination for studying IR code; PDA 0 引言21世纪是信息时代，各种电信新技术推动了人类文明的进步。正是因为通信技术、计算机技术、网络技术、控制技术的迅猛发展与提高，促使了家庭实现了生活现代化，居住环境舒适化、安全化。这些高科技已经影响到人们生活的方方面面，改变了人们生活习惯，提高了人们生活质量，家居智能化也正是在这种形势下应运而生的。智能家居控制系统的主要功能包括通信、设备自动

5、控制、安全防范三个方面。 随着新技术和自动化的发展，传感器的使用数量越来越大，功能也越来越强，各种传感器都已经标准化、模块化这给智能家居控制系统的设计提供极大方便。1 智能家庭网络系统方案中控主机红外设备终端通用开关设备终端通用开关设备终端通用开关设备终端GSM移动网络PDA综合监控终端红外设备环境设置照明系统安防系统红外RFID电子锁ZigbeeZigbeeZigbeeZigbeeZigbeeZigbee智能家庭无线网络系统是通过终端控制器发出控制指令，经过无线信号传输到数据主机处理后，再由不同指令控制家居中不同的设备。每台电器（控制对象）都有一个唯一的地址编码，同时每一个动作（如开、关、播

6、放等）也有一个唯一的编码。远程也可以监控、操作家中电器。文中提出的智能家庭无线网络系统由基于UC/OS II的ARM7中控主机、基于Wind- ows CE的ARM9手持PDA、红外设备终端、通用开关设备终端、GSM联网系统、RFID射频电子锁、ZigBee无线通信模块等部分组成。系统主体构架如图1所示。图1 系统主体构架Fig.1 main framework of the System用户刷卡打开RFID电子锁时，电子锁终端通过ZigBee网络将命令传送到室内中控主机，中控主机中的解防任务、情景模式任务、环境任务、设备动作任务便被激活，各家居设备根据先前用户设定好的情景模式进入相应工作状态

7、。作为家庭网络中的控制中心部分，中控主机担任着内外异构网络的协议解释、转换、分发和监视、控制各节点的工作。并且通过ZigBee网络将各命令传达给目的ZigBee终端节点，相应的节点再把命令下达给目标设备，完成命令执行功能。用户在室内，可通过PDA和嵌入式智能家居信息化综合管理软件平台进行模式与参数设置，并对各家居设备进行在线监控。在远程，通过GSM联网使整个系统接入到移动网络，对家居系统设备进行监控和操作。红外设备中转终端作为一个特殊的设备终端控制器专门对如电视、空调、DVD等红外设备进行控制。2 单元模块硬件组成及其工作原理2.1 RFID射频电子锁RFID射频电子锁的核心芯片采用同欣智能科

8、技的TX125系列非接触IC控制芯片。该芯片的射频读卡采用125kHz射频，读卡距离为50150mm，完全支持对EM、TEMIC、TK及其兼容卡的操作。RFID电子锁电路中，MODE1接高电平选为波特率9600，MODE3接高电平选为串口输出，MODE4接高电平选为主动模式，其中TX125的“TXD”与MSP430的P3.7连接，P3.7的工作模式设置为串口1的接收状态，打开串口1的接收中断，使RFID的读卡实时性达到最高；TX1,TX2连接感应天线，“STATUS”与MSP430的普通IO口P1.2连接，用于读取TX125的工作状态；MSP430的普通IO口P1.3设置为输出状态，通过继电器

9、控制电子锁的动作电机，用以完成开门和锁门等工作，TX125其它管脚默认空载。RFID电子锁电路如图2：图2 RFID电子锁电路Fig.2 circuit of electric lock2.2红外设备终端及通用开关设备终端由于各厂商的红外设备之间没有统一的接口标准，即使属于同一种红外设备，其对应功能的红外编码也不一定相同。故针对每一个厂商红外设备的红外编码，如果其对外是公开的，可以直接网络下载到设备终端，但是大多数厂家的红外编码是不对外开放的，所以采取对其遥控器进行红外学习解码的方案。常见的红外遥控编码包括三种方式：PWM（脉冲宽度调制），PPM（脉冲位置调制）和FSK（移频键控）方式,其中前

10、两种方式是主要的。PWM：“0”和“1”的宽度不同。“1”的脉冲信号宽度宽，“0”的脉冲信号宽度窄，脉冲信号之间的空信号宽度是一样的，如图3(a)。针对此编码方式，对解调后的信号进行脉冲宽度定时器捕捉，从而解码出二进制数据，进而进行存储。PPM：以脉冲信号的位置表示“0”和“1”。从有脉冲信号到没有脉冲信号为“0”，从无脉冲信号到有脉冲信号为“1”。其有脉冲信号和无脉冲信号的时间相同，也就是每位的时间是固定的，如图3(b).针对此编码方式，对解调后的信号进行时域分段，在每一个周期的中心时段采集脉冲的上升沿或下降沿模式进而判断其位是1还是0，进而解码出二进制数据进行存储。FSK：和模拟信号的频移

11、键控方式一样，如图3(c)。针对此编码方式，采用数字低通滤波方法解码出二进制数据进行存储。01011001 0 1 0 1 0 0 1 (b)(a)(c)图3红外编码方式Fig.3 method of infrared coding红外终端采用MSP430F147与CC2430做为主处理芯片实现功能运算与通信，其电源电压都适应于1.8-3.6V。MSP430F147具有超低耗电特性，能为ZigBee应用提供良好的支持，而且该芯片定时器具有捕获模式，可以通过该功能实现各种测量，红外设备终端便是利用了芯片的这个特性进行解码存储，红外学习终端硬件组成模块框图如图4：Flash存储器Zigbee模块C

12、PU模块MSP430供电模块红外发射模块红外接收模块图4红外学习终端硬件模块图Fig.4 Hardware module of infrared studying terminal红外学习终端用来读取红外遥控器输出的红外信号，进行解码学习，处理过的数据按固定格式存储，红外接收采用光信号输入、电信号输出于一体的红外接收头，其三个管脚为：（2）普通开关终端控制驱动Common switch terminal control driver（1）红外通信部分电路图circuit of infrared communication图5设备终端部分电路图Fig.5 part circuit of term

13、inal信号输出端，供电端和接地端。红外接收头监测到红外信号，经一系列的放大、限幅、滤波、比较处理后，还原为发射端调制前的信号。为了提高接收灵敏度，输出信号的高低电平与原先的信号是反相的。采用MSP430的P1.0口控制PNP三极管，进而驱动红外发射LED，实现红外发送功能。其中R2为330欧，限制LED的最大电流，起保护作用。由CPU内部定时器产生38KHZ载波，通过内部软件算法调制，直接由P1.0输出调制波驱动红外发射管进行发送，如图5（1）。对于通用开关设备终端，主要由CPU模块、ZigBee模块、控制驱动模块、存储模块，状态指示灯和安装设置按钮组成。其中，控制驱动模块电路如图5（2），

14、此处为防止系统起电后，CPU运行前IO管脚的瞬间高电平对输出系统造成冲击，故设计为低电平驱动，选用PNP型三极管驱动电磁继电器实现对灯等一系列普通开关设备的驱动控制。状态指示灯主要有两个，红灯在分配地址时亮，绿灯在正常工作时亮。2.3可移动式PDAPDA对大量的模式处理与人机交互有相当高的要求，故采用ARM9方案，由于ARM9的芯片焊接与多层板等问题在少量生产时难度大，成本又高，故以广州友善之臂计算机有限公司的ARM9核心板micro2440为主硬件体，配以3.5寸的触摸液晶屏等进行二次开发，核心板由三星支持MMC的ARM920T系列中的S3C2440和64M内存SDRAM,128M Nand

15、 Flash 和2M的Nor Flash等组成，最高主频可达532MHz，支持WINDOWSCE和LINUX,本系统中的PDA是在此硬体上加载的Windows CE 6.0操作系统，以VS2005为开发软件平台，自行设计的PDA友好界面。PDA通过ZigBee模块与整个系统实现无线连接。2.4中控主机作为系统的核心主机，控制管理整个通信系统。其由ARM7核心处理器LPC2106，并辅以通用按键、液晶显示、Zigbee模块组成。本系统对中控主机嵌入的UC/OSII操作系统主要设计了5个实时任务，分别为GSM通信任务、Zigbee系统通信任务、报警输出与LCD在线状态输出任务、按键扫描任务和系统总

16、任务。其中GSM通信任务主管中控主机和GSM模块的通信，以及远程短信的收发、电话报警、远程手机系统监控处理等，主机通过串口与GSM模块连接。ZigBee系统通信任务实现中控主机和Zigbee协调器模块的通信，处理系统的各种通信数据以及协助Zigbee协调器转发数据，当获取到系统的异常情况，由报警输出任务启动中控主机的蜂鸣器进行报警，并由GSM通信任务发出报警信号到手机。主机通过SPI接口与Zigbee模块连接，各种系统切换状态皆可通过LCD在线显示出来。按键扫描任务通过中控主机可对整个系统进行开关机、模式切换、添加删除设备等操作。系统总任务设定各个任务优先级，协调各任务的有序工作。预留另一个串

17、口与个人电脑PC机连接，用于做参数设置及系统升级扩展。2.5GSM联网系统西门子工业GSM模块TC35，是一款双频900/1800MHZ高度集成的GSM模块，性能稳定可靠，支持数据、语音、短消息和传真用。中控机的串口1与此GSM模块进行对接，通过AT命令控制发送和接收相应数据。但其电流消耗在最高峰时可达2A，故对其电源板有较高的要求，用LM2576开关芯片对其进行供电。3 系统应用层协议的设计与其它的无线通信技术相比，Zigbee是一种短距离、低速率、低成本、低功耗的小区域的无线通信方式，具有时延短、网络容量大、抗干扰性能好、可靠、安全、网络自动修复的特点。特别是Zigbee的低功耗特点给终端

18、的设计带来极大的方便，采用电池供电通常可持续两年以上的时间。协调器一直处于监听状态，一个新添加的终端会被网络自动发现，随时建立无线通信链路，这可以方便添加新的设备。Zigbee具备支持星状、树状及网状3种网络架构，通过ZigBee技术组网，把家中的电器设备都联入网内，通过网关连接到Internet、手机终端等外部网络。本系统设计为星状网络架构。PDA与各终端设备进行通信时，其协议格式作了如下定义：一帧10个字节，第一个和第二个字节定义为帧头，设定为固定值0X40，0X55(分别对应字符“”，“U”)；第三个字节定义为工作方式，共三种工作方式，分别是中转终端分配地址模式（标识符0X33）、编码学

19、习模式（标识符0X32）、正常工作模式（标识符0X31）；第四个字节定义为房间号；第五个字节定义为设备类型（如电视、空调）；第六个字节定义为终端号（为解决一种设备类型在同一个房间安装两个或两个以上所产生的设备冲突问题）；第七、八个字节定义为标识码，又称作功能码。标识码分别映射为红外设备的各个功能，例如电视机的开机关机换台操作等等。标识码与各功能的映射协议表在整个系统中统一，在红外设备终端中这一映射关系得以复原为红外编码。第九、十个字节帧尾，固定码0XOA，0XOD，是换行符和回车符的ASCII码。首先将各个房间、设备、终端、设备的各标识码进行编号，例如客厅为“1”，主卧为“2”，书房为“3”电

20、视为“1”，DVD为“2”，灯为“3”。由于同一种设备在一个房间内可能有多个，因而特定义终端“1”，“2”,“3”加以区别。对于标识码的定义可以将普通开关设备的开定义为“1”，关定义为“2”，其它的红外设备的各个功能依次排序为“3”，“4”，“5”，其中“1”对应十六进制OX31，“2”对应十六进制OX32。图6（a）表示协议通用格式，图6（b）为一特例，可表示为在正常工作方式下，要实现客厅中电视1开关功能，PDA向其红外学习终端发送的协议码。（b）帧头工作方式房间设备终端标识码标识码2byte1byte1byte1byte1byte2bytes0X40，0X550X 310X 310X 31

21、0X 300X 33（a）0X 31帧尾0X0A0X 0D2bytes客厅主卧书房03（c）1电视DVD灯空调环境蒸煮报警场景23456781电视一电视二21开关静音电视台1电视台2灯一灯二21灯开灯关020106050423图6系统应用层相关协议Fig.6System protocol of APP图6（c）表示PDA指令协议定义过程的简单表述。图中开始为客厅，并列有其它的房间，例如主卧、书房等。所以要完成客厅电视1的开关，需要发送编码11103，然后加上帧头“U”,加上帧尾即可，其帧的具体内容与图6（b）一致。红外设备终端码元在存储器24C02中的存储顺序如图7（a）所示，前3个字节空间存

22、储终端地址，从第10个字节开始，每30个字节存储一个特定功能的红外编码，从1500个字节开始，每2个字节存储一个标识码，图中T1代表第一次学习后存储的红外编码，所以需要在按下PDA的某功能按键后，将其标识码进行存储，然后将遥控器相应功能按键的红外编码进行学习存储，在正常工作时便可通过标识码找到相应的红外编码，实现遥控红外设备功能。设备终端T1T2T3房间T1T2T31byte1byte1byte30bytes30bytes30bytes2bytes2bytes2bytes终端地址红外编码标识码Byte 1Byte 10Byte1500设备终端房间1byte1byte1byte终端地址Byte

23、12bytes组标识状态设备终端房间1byte1byte1byte终端地址Byte 112bytes组标识状态P1.0P1.1（a）（b）普通开关设备终端码元在存储器24C02中的存储顺序如图7（b），所有的状态码只有开和关两种，进行地址分配时初始化为关。标识码通过P1口控制设备的开关。也就是说一个普通设备终端可以控制8个普通开关设备。这8个开关设备的房间号码、设备类型、终端号用户可以自己任意设定。图7终端数据存储序列Fig.7 terminal data Storage sequence4 系统软件架构设计4.1 中控主机软件设计流程上电启动硬件初始化操作系统初始化任务创建启动操作系统设备服

24、务任务模式服务任务环境监测任务GSM通信任务键盘与PDA命令处理任务设备状态检测任务错误处理任务图8中控主机软件设计流程Fig.8 Software design process of center control computer系统上电后，分别经过硬件初始化、操作系统初始化、任务初始化等过程后便启动UC/OSII操作系统，交由内核运行各个模块任务，其中“设备服务任务”管理各个设备的动作及其更新，“GSM通信任务”主要管理远程无线报警及查询与设置等命令处理，“模式服务任务”主要管理整个系统的工作模式与风格，“环境检测”主要管理各传感器输入设备，人机交互命令主要交由“键盘与PDA命令处理任务”处理，“设备状态检测任务”用来接收和感知各个终端设备的状态反馈，用以保证系统设备动作的正确性。系统的各种异常交由“错误处理任务”进行处理。如图8所示：4.2红外设备终端子机软件流程主函数开始时钟，硬件初始化，zigbee入网初始化解析命令读取字段解压缩处理红外发送准备休眠处理与压缩存储准备存储对码学习初始化本地学习置学习标志flag休眠中断休眠是否否是正常工作红外编码学习设备添加是否学习完毕30秒闲置工作状态分配地址任务图9红外终端子机软件流程Fig.9 Soft