【毕业论文】智能家居控制及通信节点的研究

1、 本科生毕业论文本科生毕业论文智能家居控制及通信节点的研究The Research for Intelligent Control and Communication学生姓名所在专业电子信息工程所在班级信处 1062 班申请学位工学学士指导教师职称副教授答辩时间2010 年 6 月 12 日目 录目目 录录摘 要 .IABSTRACT.II第 1 章绪论.11.1 引言.11.2 智能家居简介及研究背景.11.2.1 智能家居简介.11.2.2 研究意义及背景.21.3 智能家居的发展现状.21.3.1 国外智能家居发展现状.21.3.2 国内智能家居发展现状.21.4 主要研究内容.3第 2

2、 章 ZIGBEE 技术、GPRS、DSP 技术的研究.42.1 ZigBee 概述.42.2 ZigBee 技术优势.42.3 ZigBee 设备.52.4 ZigBee 网络拓扑.52.4.1 ZigBee 路由.52.4.2 ZigBee 无线组织网络.62.5 ZigBee 网络功能介绍.72.5.1 数据传输模式.72.5.2 帧结构.82.6 GSM 技术.82.6.1 层结构 .82.6.2 发送过程 .82.7 DSP 技术.92.7.1 DSP 芯片特点和优点 .10第 3 章 智能家居系统总体设计.113.2 建立 Zigbee 无线网络.123.3 GSM 短消息模块工作

3、原理及工作方式.133.3.1 GSM 工作原理及工作流程 .133.3.2 GSM 模块工作方式.143.4 DSP 芯片.143.5 ZigBee 节点.15第 4 章 硬件设计及原理.16目 录4.1 系统控制模块.164.1.1 GSM 模块.164.1.2 TMS320VC5402EVM 板及仿真器.174.2 系统执行.234.3 本章小节.24第 5 章 软件设计.255.1 编程语言及软件选择.255.2 本次设计的具体步骤.255.3 程序的编写.265.4 通信协议.275.5 操作通信协议.335.6 反馈信息的合成.355.7 各个部分工作流程.375.8 系统调试.4

4、2第 6 章 结论.44鸣 谢.45参考文献.46附 录.47附录 1：硬件连接图.47摘 要I摘 要随着计算机技术、通信技术、网络技术、控制技术的迅猛发展，人们日益重视提高自己的生活品质。建立一个高效率、低成本的智能家居系统已经成为必然。本设计指出基于 IEEE802.15.4 的 ZigBee 技术是目前最适合无线家居控制系统的无线标准以及利用 GPRS 短信息技术进行远程家电控制是现阶段实现智能家居高效率低成本的较好方式。本设计围绕利用手机短信远程控制，监测家庭设备的这一课题目标，完成了基于 GPRS 短信及ZigBee 组网技术的智能家居控制系统的设计，并写出硬件电路连接方案，同时针对

5、短信收发特点着重研究和开发了主控模块接收短信与分析短信的软件程序，而且给出了各设计部分程序流程图。本次设计实现了基于 GPRS 短信及 ZigBee 组网技术的智能家居控制。关键词关键词：智能家居；无线通信；网络控制；ABSTRACTIIABSTRACT With computer technology, communication technology, network technology, control technology, the rapid development of the growing importance of improving their quality of li

6、fe.The establishment of an efficient, low-cost smart home system has become a necessity.That the design of ZigBee technology is based on IEEE802.15.4 the most suitable for wireless home control systems and the use of GPRS wireless standard SMS technology remote appliance control to achieve at this s

7、tage of high efficiency and low cost smart home the better way. In this design, the use of mobile phone text messages around the remote control,monitoring equipment, family issue that the goal of complete GSM-based messaging and networking technology ZigBee intelligent home control system, and write

8、 hardware circuit connection scheme, at the same time,to send and receive text messages for research and development focus on the characteristics of the control module to receive SMS text messages and analysis software program and gives the part of the design process flow chart. The design and Imple

9、mentation of ZigBee based on GPRS and SMS technology, intelligent home control network.KEYWORDS: Smart home；Wireless Communication；Network Control广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 1 智能家居控制及通信节点的研究智能家居控制及通信节点的研究电子信息工程，200611611221，宋立军指导教师：王骥第 1 章绪论1.1 引言随着国民经济和科学技术水平的提高,特别是计算机技术、通信技术、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

10、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。为了给人们提供一个更加舒适、便捷、安全的生活环境，建立一个高效率、低成本的智能家居系统已经成为当今的一个热点问题。近年来，国际上许多大公司都提出相应解决方案，但至今为止，这一领 域 的 国 际标准尚未成熟。针对目前利用公共电话、国际互联网、有线电视网或者电力网实现的智能家居系统的局限性，本文提出一种基于GPRS、ZigBee技术的低成本智能家居系统，将给普通居民家庭生活方式带来变革。智能家居系统采用电子传感技术、计算机 技术和信息传输技术，对用户

11、提供全方位的服务，同时对住房内情况进行远程监控和实时管理。它包括家庭内部传输系统、家庭接入系统及智能传感执行设备等几个部分 。1.2 智能家居简介及研究背景1.2.1 智能家居简介“智能家居”（Smart Home） ，又称智能住宅。相似的叫法也叫：智能住宅、数码家庭、数码家居、数字家园（庭） （Digital family） 、网络家庭、电子家庭、 E-HOME、家庭自动化等等。家居智能化技术起源于美国，以家为平台，利用先进的网络通讯技术、电力自动化技术、计算机技术、无线电技术，兼备建筑、网络通讯、自动化和智能化子系统、与居家生活有关的各种设备（信息家电）有机地结合在一起，成为优化生活方式和

12、居住环境，帮助人们能动、有效地安排时间，智能性地使用各种设施，营造优质、高效、舒适、安全、便利的生活空间的有利工具通俗地说，它利用先进的计算机、嵌入式系统和网络通讯技术，将家中的各种设备（如照明系统、环境控制、安防系统、网络家电）通过家庭网络连接到一起。一方面，智能家居将让用户有更方便的手段来管理家庭设备，比如，通过无线遥控器、电话、互联网或者语音识别控制家用设备，更可以执行场景操作，使多个设备形成联动；另一方面，智能家居内的各种设备相互间可以通讯，不需要用户指挥也能根据不同的状态互动运行，从而给用户带来最大程度的高效、便利、舒适与安全。 与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒

13、适安全、高品位且宜人的家广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 2 庭生活空间；还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交互功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。智能家居是以住宅为平台，利用网络、通信及控制技术管理家中设备。来创造一个高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。1.2.2 研究意义及背景 随着计算机技术和网络技术的高速发展，以及人们居住理念的改变，人们越来越追求生活细节的智能化，希望在日常家居生活中都能置入智能化程序，从而享受简单的生活操作。近年来，数字家庭、数字家

14、电等词汇频繁地出现在各种媒体上，已经成为人们耳熟能详的词汇。本课题就是在上述背景下提出的，旨在通过选用一套适合智能家居的通信技术，并结合嵌入式技术和传感器技术等，设计出具有照明管理，电源管理，安防报警、温湿度调节等功能的新一代智能家居系统，通过家庭设备的网络化，实现对各种家用电子设备的智能管理和对家庭安全环境的监控保护，从而达到让家庭更舒适，更安全，更环保的目的。1.3 智能家居的发展现状1.3.1 国外智能家居发展现状智能家居系统是为适应现代化家庭生活而形成的多样化的网络结构。智能家居的概念首先是由美国、加拿大、欧洲、澳大利亚以及东南亚等经济比较发达的国家提出的1。1984年美国联合科技公司

15、将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康乃迪克州哈特佛市的一座旧式大楼的改造，采用计算机系统对大楼的空调、电梯、照明等设备进行监测和控制，并提供语音通信、电子邮件和情报资料等方面的信息服务，至此首栋智能型建筑才诞生，也因此揭开了智能家居发展的序幕2。自从世界上第一座智能建筑出现之后，美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案。智能家居在美国、德国、新加坡、日本等国都有广泛的应用。目前新加坡、美国等国家已有大量家庭安装了“家庭智能化系统” 。三星公司从2003年春节后，开始在中韩两国同时推出智能家居系统，通过机顶盒和网络，将家居自动控制、信息家电、安防设

16、备以及娱乐和信息中心这四部分集成一个全面的、面向宽带互联网的家居控制网络。2006年，日本NTT公司与上海交通大学合作进行数字家庭中传感器开关接入的研发，希望在智能家居领域有所突破，尽快在日本和中国打开市场。1.3.2 国内智能家居发展现状国内提出智能家居概念的时间比较早，但是直到现在依然没有开发出相对成熟的智能家居产品。现阶段，市场上见到较多的产品均是各种孤立的系统，像安防监控，灯具控制，无线三表（水、电、气）等，这些系统多是为解决某些方面的问题而设计，并没有比较全面的利用家庭组网技术实现整个家庭的智能化管理。广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 3 在国内开发智能家居的公司中，在家庭内

17、部组网中多是基于有线方式（如 X-10） ，基于无线通信的也多是自己设计简单的协议，并没有采用比较成熟，适用于智能家居的协议。这些都为产品的相互兼容带来问题。而且，到目前为止，还没有那家公司的产品能够占到市场份额的10%3。对此，业内人士曾指出智能家居发展的最大瓶颈在于国家和行业没有相应的标准。在2005 年 6 月，由联想牵头的“闪联”和以海尔为首的“e 家佳”同时被信息产业部确定为行业推荐性标准，从而拉开了数字家庭竞争的序幕4。目前国内在智能家居行业里比较有影响力的公司主要有上海索博，深圳波创等。上海索博的产品就是通过 X-10 实现家庭内部组网的，而深圳波创的产品主要是利用无线通信实现家

18、庭内部网络的。1.4 主要研究内容本次设计是基于 GPRS、ZigBee 设计的智能家居系统， GPRS( General Packet Radio Service ,通用分组无线服务 )是在 GSM 基础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输方式,在嵌入式系统中应用非常广泛。由于GPRS 通信网络实现了联网和漫游 ,这样利用网络传输数据无须再组建专用通信网络,因此采用短信方式传输数据的系统应用将越来越广泛,这使得以短信方式传输控制命令成为可能。ZigBee 是最近发展起来的一种短距离无线通信技术。由于 ZigBee 具有近距离、 低功耗、 低数据率、低成本等特点 ,因此适于家庭控制。基于

19、GPRS 和 ZigBee 技术的智能家居解决方案采用以单户家庭为单元的通信控制模式 ,在每一个家庭中都安装一个主控中心(负责用户控制信号及家电反馈信息的接收和转发 ) ,及若干个与家电设备相连的分控终端(控制该家庭的所有电器 )。主控和分控装置由家庭总线相连 ,家庭总线采用 ZigBee 无线通信方式。此装置便于家庭独自管理,安全性、可靠性高。在智能家居领域，由于可用于家庭内部控制网络的通信技术和系统软硬件平台的多样化而有多种实现方案，例如早期的智能家居系统多以 PC 为控制核心，而现在逐渐演变为以嵌入式处理器为系统核心。本课题在综合考虑国内外智能家居技术的发展现状，国内市场需求等情况下，结

20、合公司前期所设计的智能家居系统，并分析比较了多种有线、无线组网方案，选用近年逐渐兴起，有可能成为智能家居领域通信标准之一的 ZigBee 技术来实现家庭内部控制网络。由于智能家居系统是一个相对复杂的系统，涉及到传感器、无线通信等方方面面。本课题的重点是利用 ZigBee 技术实现家庭内部的控制网络。由于智能家居系统是一个相对复杂的系统，涉及到传感器、嵌入式技术、无线通信等方方面面，需要多人分工合作，例如底层驱动程序设计，应用软件开发等。本课题的重点是利用 ZigBee 技术实现家庭内部的控制网络，并实现了遥控器和灯具灯具控制器两个节点。广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 4 第 2 章

21、ZIGBEE 技术、GPRS、DSP 技术的研究本文研究的是基于简单低速的家居控制网络，所以成本和功耗是组建家庭控制网络中最为突出的两个要素.家居无线控制网络需要的是低功耗、低成本、低复杂度、长电池寿命的标准。2.1 ZigBee 概述ZigBee 建立在 IEEE 802.15.4 标准之上，它确定了可以在不同制造商之间共享的应用纲要。ZigBee 技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，其 PHY 层和 MAC 层协议为 IEEE 802.15.4 协议标准，网络层由 ZigBee 技术联盟制定，应用层的开发应用根据用户自己的应用需要，对其进行开发利用，因此该技术能够为用户提供机动

22、、灵活的组网方式。根据 IEEE802.15.4 标准协议，ZigBee 的工作频段分为 3 个频段，这 3 个工作频段相距较大，而且在各频段上的信道数目不同，因而，在该项技术标准中，各频段上的调制方式和传输速率不同。它们分别为 868MHz、915MHz、和 2.4GHz，其中 2.4GHz 频段上，分为 16 个信道，该频段为全球通用的工业、科学、医学（ISM: Industrial , Scientific and Medical ）频段，该频段为免付费、免申请的无线电频段，在该频段上，数据传输速率为 250kbps；另外两个频段为 915/868MHz ，其相应的信道个数分别为 10

23、个信道和 1 个信道，传输速率分别为 40kbps 和 20kbps。在组网性能上， ZigBee 设备可构造为星型网络或者点对点网络，在每一个 ZigBee 组成的无线网络内，连接地址码分为 16bit 短地址或者 64bit 长地址，可容纳的最大设备个数分别为 216 个和 264 个，具有较大的网络容量。在无线通信技术上，采用免冲突多载波信道接入（CSMA-CA）方式，有效地避免了无线电载波之间的冲突。此外，为保证传输数据的可靠性，建立了完整的应答通信协议。ZigBee 设备为低功耗设备，其发射输出为 03.6dBm ，通信距离为 3070m ，具有能量检测和链路质量指示能力，根据这些检

24、测结果，设备可自动调整设备的发射功率，在保证通信链路质量的条件下，最小地消耗设备能量。为保证 ZigBee 设备之间通信数据的安全保密性，ZigBee 技术采用了密钥长度为 128 位的加密算法，对所传输的数据信息进行加密处理。目前，ZigBee 芯片的成本在 3 美元左右，ZigBee 设备成本的最终目标是在 1 美元以下；ZigBee 芯片的体积较小，随着半导体集成技术的发展，ZigBee 芯片的尺寸将会变得更小，成本更低。2.2 ZigBee 技术优势ZigBee 技术的主要技术优势住于：1)功牦低：由于 ZigBee 的传输速率低，只有 10KBs 到 250KBs，发别功率仪为1mW

25、，而凡采川了休眠模式，功耗低。2)成本低： ZigBee 模块的成本 6 美元左右，而且估计很快就能降到1.5 到 2.5 美元，而 PI.ZigBee 议免专利费。 3)网络容量大，组网灵活：一个ZigBee 网络可以容纳最多 254 个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在100 个 ZigBee 网络5。广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 5 4)时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为30ms ，休眠激活时延典型值为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。 5)安全：ZigBee 提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128 加密算法。 6

26、)可靠：ZigBee 采取了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙， 避免了发送数据时的竞争和冲突。 MAC 层采用了完全确认的数据传输机制 ，每个发送的数据包都必须等待对方的确认信息6。2.3 ZigBee 设备ZigBee 网络中的设备通常可以划分为两种类型，一种是全功能器件 (FFD)，它承担了网络协调者的功能，可以同网络中的任何设备通信 ，支持任何拓扑结构 ；另一种是简化功能器件 (RFD)，它不能作为网络协调者， 只能与 FFD 通信，两个 RFD 之间不能通信,RFD 通常只用于星型拓扑结构中。 ZigBee 网络支持五种功能设备：网络协调器(coordinato

27、r )，网络路由器 (router)，网络终端设备 (enddevice)。前两种都是 FFD，后一种是 RFD。2.4 ZigBee 网络拓扑ZigBee 主要采用三种组网方式：星型网、树型网和网状网。每一个ZigBee 网络至少需要一个 FFD(coordinator)实现网络协调功能。在星型网中，网络协调器负责建立和维持网络，而其 他的设备 (endedevice ) 直接和网络协调器通信。树型网中，增加router， 每一个终端设备要和其他的终端设备通信，都必须通过一层层向根节点( coordinator)回溯，再从根节点向下路由。网状网则提供了更加灵活的机制，网路中任意两个节点都可以

28、建立链路， 网络节点间的路径多，碰撞和阻摩可以减少， 局部的故障不会影响整个网络的正常工作，可靠性高。2.4.1 ZigBee 路由ZigBee 路由和协调器需要对路由表进行维护。ZigBee 路由和协调器也可保存一定数量的入口。路由选择是在网络中的设备相互合作条件下的选择，并建立路由的一个流程，该流程通常与特定的源地址和目的地址相对应。路由选择包括如下的一个流程： 路由搜索的初始化。 接收路由请求命令帧。 接收路由应答命令帧。 ZigBee 基本的路由算法如图 2-1 所示。广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 6 来自上层的帧来自下层的帧广播帧？广播帧广播帧？B直接到目的的设备路由A目

29、的设备为本设备的子设备？本设备的帧C将帧发送到其上层沿树选择路由路由能力？为该目的路由？选择路由？到下一跳路由开始路由选择EYYYNYYYNNNNYNN图 2-1 ZigBee 基本路由算法2.4.2 ZigBee 无线组织网络ZigBee 在网络设计中还采用了无线自组织网络概念。无线自组织网状网络（也称“多跳”网络）是以网状网络为拓扑结构，每个网络节点为路由路径，数据包根据路由协议在节点之间以无线的方式传送的交换式无线网络。从网络拓扑结构上讲，无线网状网可以被看做是无线版、缩微版的互联网。拓扑结构如同一张网。在传统的星状拓扑结构中，许多外围节点连接到中心节点。不过在无线自组织网状网络当中，节

30、点之间彼此相连。如果无线自组织网状网络中的节点要传送信息，数据包就会从一个节点跳到另一个节点，直到最终到达目的地7。广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 7 无线自组织网状网络与传统无线网络相比，其主要优势表现在：1. 稳定性好：单跳网络中，如果一个接入点瘫痪会导致整个网络无法运行，而无线自组织网络具有自我调节和自愈特性，不依赖于单一节点。如果某个接入点或节点发生故障点，无线自组织网状网络系统可绕过这些故障点，数据也将通过另外的路径实现轻松传递，网络仍可继续运行。2. 节能性强：与传统的点到点网络相比，无线自组织网状网络技术的主要优势之一是每个节点所需的功率大大降低。在无线自组织网状网络中

31、，各个节点可以靠得很近，正是多跳技术大大延长了无线自组织网状网络节点的电池寿命。3. 高带宽：无线自组织网状网络通过多次“短跳”来传递数据，路程越短，带宽程度也就越高，从而可获得更高的带宽。4. 空间再利用：空间再利用也是无线自组织网状网络相对于单跳网络的显著优势之一。单跳网络设备必须共享同一个接入点，几种设备同时接入网络，会发生虚拟的严重的堵塞，系统速度也会随之降低。而在无线自组织网状网络中，许多设备可以通过不同的节点同时接入网络，采用的更短路程传送在减少干扰的同时，实现了在不同的空间中同时传输数据。5. 冲突减轻：自组织网络可以较大程度地减轻业务在执行时发生冲突。这是因为链路为网状结构，每

32、个节点可使用的链路数大大增加，且每个网络节点都具有选路功能，如果其中的某一条链路出现了故障，节点便可以自动转向其他可选链路进行接人，因而减轻了业务执行时发生冲突的可能性。6. 维护方便：无线自组织网状网络简化了网络的维护与升级。7. 具有可伸缩性：无线自组织网状网络系统比其他网络系统具有更好的可伸缩性。如果需要扩大覆盖区域，只需向已有网络添加接入点或节点，接通节点的电源，然后进行网络配置，无线自组织网状网即可开始运行。8. 自我构建：在给某节点上电后，它就能收听邻近节点，如果它找到了一个或若干个，就会要求加入网络，并获得准入8。2.5 ZigBee 网络功能介绍2.5.1 数据传输模式ZigB

33、ee 技术的数据传输模式分为 3 种数据传输事务类型：第 1 种是从设备向主协调器送数据；第 2 种是主协调器发送数据，从设备接收数据；第3 种是在两个从设备之间传送数据。对于星型拓扑结构的网络来说，由于该网络结构只允许在主协调器和从设备之间交换数据，因此只有两种数据传输事务类型。而在对等拓扑结构中，允许网络中任何两个从设备之间进行交换数据，因此在该结构中,可能包含这 3 种数据传输事务类型。广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 8 2.5.2 帧结构在通信理论中，一种好的帧结构就是在保证其结构复杂性最小的同时，需要在噪声信道中具有很强的抗干扰能力。在 ZigBee 技术中，每一个协议层都

34、增加了各自的帧头和帧尾，在 PAN 网络结构中定义了 4 种帧结构： 信标帧主协调器用来发送信标的帧； 数据帧用于所有数据传输的帧； 确认帧用于确认成功接收的帧； MAC 层命令帧 用于处理所有 MAC 层对等实体间的控制传输。2.6 GSM 技术GSM 短消息服务 SMS 是 GSM 提供的主要远程业务之一，点对点的短消息服务可以实现双向计费性传送。短消息可用来发布日期和结算。如果收件人未联系上（手机关机或在覆盖范围之外），短消息即被存入存储器；收件人一出现，短消息即启动。在长时间未反应时，经一段延迟短消息即被删去。总之，短消息可在通信中交换信息。短消息有可能被运营者用于服务管理：通知用户有

35、一个短消息在其语音信箱中，发送价格信息等。2.6.1 层结构为短消息服务所实行的协议有物理层、数据链路层以及 RR 和 MM 网，均用于呼叫管理并重新开始启用。 CM 层是专用于短消息的，但在特殊情况下，还要涉及 CM 层以上。应用层 SM-AL（Short-Message Application Layer）位于移动台和 SME 中。这些层的实体产生和解释了短消息，而在 GSM 建议中未加详细说明。传输层 SM-TL(Short-Message Transport Layer）实现移动台和服务中心 (SC)服务器之间的消息可靠传送，它管理着信息编码形式（字节、字符等），如同一个时间指针给定时

36、间，在该时间消息被 SC 取定。这个指针用于移动台收取的消息。中继层 SM-RL（Short- Message Relay Layer）允许短消息通过存储和重发转移于不同的设备之间。它包括了一些协议的集合。协议 SM-CP（Short- Message Control Protocol)是 MS 和 VMSC/VLR 之间的规定，它允许短消息的转移，但要防止由于专用信道的变换带来的损耗。2.6.2 发送过程短消息的发送过程很类似电话呼叫。然而，这个过程在 MSC、VLR 和 HLR 之间仅仅参与了 MAP 协议，因为它不需要预定话音电路。在移动台和 BTS 之间的会话是由CM 层的 SMS 层

37、管理的。移动用户在发短消息时，应指明最终收件人地址（SME）和SC 服务器的地址。移动传输实体按至多 140 字节的块的形式编码短消息，把收件人 广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 9 SME 地址置于 TL 传输层的协议数据单元 PDU 中。它被包装 RL 中继层的 PDU 中（称为 RP-DATA) ，包括电话号码式的 SC 服务器地址， RL 层的 PDU 本身被包装于 CP-DATD 式的 CP 控制协议的 PDU 中（不补充任何基本信息）。借助于 CP 层和以下各层， PDU CP-DATA 被发送到 VMSC/VLR 。VMSC/VLR 解开 PDU CP-DATA，以便重新

38、找到收件处 SC 的号码。它从中简略了所涉及的SMS-IWMSC 的地址，消息 MAP-FORWARD-SHORY-MESSAGE 中，重新安置层 TL 的 PDU，就像 SC 号码和移动台号码一样。 SMS-IWMSC 执行消息并重发给指向 SC 的层 TL 的 PDU 范围内。 SC存储了消息和地址，并通知SMS-IWMSC 转移流程。后者把它影射给VMSC/VLR。同时执行消息 MAP-FORWARD-SHORT-MESSAGE (TCAP 操作)。VMSC/VLR 形成 PDURPACK，后者又被装于 PDU CP-nATA ，这个 PDU 本身又是由移动台执行的。在 VMSC/VLR

39、SC 之间不可能发送的情况下， PDU RP-ERROR 通过 VMSC/VLR 发送给移动台，这个 PDU 被装于 PDU CP-DATA 中。在可能时， SC 向 SME 发送消息，如果在给定期间结束不能做到这一点，它就在其存储器中删去该消息。在 TL 层的 PDU 域中由移动台确定消息的专门时延。移动用户只是保证消息到达 SC 和未到 SME。当它有效地收到消息时， SME 能够产生一个给移动台的新消息，以便告诉它接收良好，但是这都是个别进行考察的。结算是在 SM-AL 层上管理的。为了发送一个短消息给移动台， SME 要在 SC 上指示移动台的 MSISDN。这就形成了 TL 层上的

40、PDU，同时指示消息接收日期、 SME 地址和消息本身。该 PDU 被发送到 SMS-GMSC , SMS-GSMC 查询 HLR,以便为移动台定位。相反，向移动台的呼叫，号码 MSRN 就不需要了，因为只有消息 MAP 是有用的， GMSC 仅需要 VMSC/VLR 总的地址，这个地址是直接由 HLR 给它的。短消息由 SMS-GMSC 寄给了移动台，经过的媒体是 VMSC/VLR。不同的层次类似于移动台发的情况来参与。RL 层的 PDU 包含了发件人 SC 的地址，而 TL 层上的 PDU 包含了 SME 的地址。 SIM 卡和 SME 间已交换的短消息在 TL 层上保持有专用的标识符。层

41、的集合处理这些消息就像普通消息一样。移动台在消息中继的装载中取值，直到SIM 卡。在通信或守候期间，短消息都能发送。2.7 DSP 技术DSP( Digital signal Processor)指的是数字信号处理器。数字信号处理器，也称 DSP 芯片，是一种专门用于数字信号处理的微处理器。 DSP 芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，采用流水线操作，提供特殊的DSP 指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法9。2.7.1 DSP 芯片特点和优点根据数字信号处理的要求， DSP 芯片一般具有如下的一些主要特点：广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 10 (1)

42、在一个指令周期内可以完成一次乘法和一次加法。(2)程序和数据空间分开，可以同时访问数据空间和程序空间。(3)片内具有快速 RAM，通常可通过独立的数据总线同时访间两块芯片。(4)具有低开销或零开销循环及跳转的硬件支持。(5)快速的中断处理和硬件 I/O 支持。(6)具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。(7)可以并行执行多个操作 .。(8)支持流水线操作，取指、译码和执行等操作可以流水执行。DSP 主要有以下优点：多总线结构、流水线（pipeline）结构、多处理单元、指令周期短、运算精度高、硬件配置强。 DSP 是一种特殊的微处理器，不仅具有可编程性，而且其实时运行速度远远超过通用微处理器

43、。其特殊的内部结构、强大的信息处理能力以及较高的运行速度，是 DSP 最重要的特点。 DSP 芯片是一种专用微处理器，是高性能系统的核心。它可以实时地对大量数据进行数字技术处理。这种实时能力使 DSP 在声音处理、图像处理等不允许时间延迟领域的应用十分理想，成了全球 70%数字电话的“心脏”，同时 DSP 在网络领域也有广泛的应用。 DSP 芯片的上述特点，使其在各个领域得到越来越广泛的应用10。广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 11 第 3 章 智能家居系统总体设计本文用 ZigBee 技术进行家庭组网结合 DSP 技术与短信方式来完成远程设备与用户之间的通信。这样网络覆盖范围广，实

44、现控制与监测时具有不需拨号、价格便宜、覆盖范围广等优势，而且不必重新布电网，可以节约财力、物力和人力稳定可靠，易于实现。随着家庭内部电器设备的增多，家电的控制的难度在增加。本系统是通过 DSP 控制中心模块外接 GSM 模块，实现通过手机短信息控制家庭内部的电器设备，并且 DSP 可以通过 ZigBee 网络对家电进行控制，然后以短信的方式将家电的状态传送到手机上。DSP 主控模块依照一定的通信协议与用户进行短信息的收发。DSP 主控模块电路接收并解释短信息指令，通过 ZigBee 网络对各功能单元模块进行控制。各单元模块与 DSP 主控模块通过串口通信。各个功能模块联系如下图所示：短信平台D

45、SP 控制中心ZigBee FFD 模块ZigBee FFD 模块空调暖气门ZigBee FFD 模块ZigBee FFD 模块ZigBee FFD 模块ZigBee FFD 模块ZigBee FFD 模块ZigBee FFD 模块电表水表煤气表烟雾探测器图 3-1 功能模块图ZigBee 网络的协调器节点和主控模块相互连接来进行数据传输。在ZigBee 网络中，所有节点的传感器数据都通过路由送往协调器节点。每个传感器节点可以设置成睡眠模式,在没有数据发送的时候进入休眠 , 以节省功耗 ,延长使用寿命。根据 ZigBee 协议，每个ZigBee 主设备可以连接多达 254 个从设备 ,一个区域

46、内最多可以同时存在100 个独立且相互重叠覆盖 ZigBee 网络。所以 ,网络容量很大 ,能满足大多数需求。网络中的数据传输采用了碰撞避免机制和完全确认的数据传输机制。而且网络层和MAC 层都有安全策略 ,且安全分级 ,各个应用可以灵活确定其安全属性。所以整个网络的可靠性和安全性都比较高11。广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 12 NLDE-SAPNLME-SAP网络层数据实体网络层管理实体MCPS-SAPNLME-SAP上层实体MAC 层实体3.2 建立 Zigbee 无线网络ZigBee 设备在工作时，各种不同的任务在不同的层次上执行，通过层的服务，完成所要执行的任务。每一层的服

47、务主要完成两种功能：根据其下层服务要求，为上层提供相应的服务根据上层的服务要求，对下层提供相应的服务。各项服务通过服务原语来实现。每个事件由服务原语组成，它将在一个用户的某一层，通过该层的服务接入点（SAP）与建立对等连接的用户的相同层之间通信。服务原语通过提供一种特定的服务来传输必需的信息。这些服务原语是一个抽象的概念，它们仅仅指出提供的服务内容，而没有指出由谁来提供这些服务。它的定义与其他任何接口的实现无关12。由代表其特点的服务原语和参数的描述来指定一种服务。一种服务可能有一个或多个相关的原语，这些原语构成了与具体服务相关的执行命令。每种服务原语提供服务时，根据具体的服务类型，可能不带有

48、传输信息，也可能带有多个传输必需的信息参数。原语通常分为如下 4 种类型（如下原语环境设置为一个具有I 个用户的网络中，两个对等用户及其与 J 层或子层对等协议实体建立连接的服务原语）：Request：请求原语从第 I1 用户发送到它的第 J 层，请求服务开始。 Indication：指示原语从第 I1 用户的第 J 层向第 I2 用户发送，指出对于第 I2 用户有重要意义的内部 J层的事件。该事件可能与一个遥远的服务请求有关，或者可能是由一个J 层的内部事件引起的。 Response：响应原语从第 I2 用户向它的第 J 层发送，用来表示用户执行上一条原语调用过程的响应。 Confirm：确

49、认原语由第 J 层向第 I1 用户发送，用来传递一个或多个前面服务请求原语的执行结果。网络层管理实体服务接入点为其上层和网络层管理实体的传送管理命令提供接口，如图3-2 所示。建立新网络在一个网络中， ZigBee 协调器具有建立一个网络、维护邻居设备表，对逻辑网络地址进行分配，允许设备MAC 层/应用层的连接或断开网络的功能所有ZigBee 设备都具有连接或断开网络的功能13。图 3-2 网络层参考模型广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 13 以下为建立 ZigBee 网络过程：图 3-3 建立 ZigBee 网络流程3.3 GSM 短消息模块工作原理 及工作方式3.3.1 GSM 工

50、作原理及工作流程无线通讯模块采用发展最成功的无线通讯技术，能提供短消息、话音通讯和数据通讯三大功能。其中短消息业务将使该无线通讯模块获得最广泛的应用，所以有时也将该无线通讯模块简称为 GSM 短消息模块。 GSM 短消息模块是一种基于无线GSM 技术的工业级的 MODEM，是一种内嵌 GSM 无线通信模块，插入移动运营商的手机SIM 卡，可以与移动运营商的短信中心建立无线连接，本地通过与PC 的连接可以实现计算机控制应用系统实现自由的短信收发。 GSM 短消息具有随时在线（ Always Online、不需拨号、价格便宜、 覆盖范围广等特点，特别适合于需传送小流量数据的应用，如车辆调度/安全/

51、导航监控/监测等领域。采用 GSM-MODEM 无线通讯模块后，则可以利用随时在线的短消息业务，通过无处不在的GSM 公网将信息传送到调度中心。ZigBee 协调器应用层ZigBee 协调器网络层ZigBee 协调器MAC 层NIME-NETWORK-FORMATION.requestMLME-SCAN.requestMLME-SCAN.confirmMLME-SCAN.requestMLME-SCAN.confirmMLME-SET.requestMLME-SET.confirmMLME-START.requestMLME-START.confirmNIME-NETWORK-FORMATIO

52、N.confirm广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 14 机主发送命令短信GSM 模块收到短信存储后向 DSP 主控模块报告DSP 主控模块读取短信并进行解析保存号码并打成 ZigBee 的数据包通过主 ZigBee 模块发送给分控中心分节点 ZigBee 收到主控中心的数据解析并执行相应的命令返回结果给主控中心的ZigBee 模块解析分控中心的数据包打成 GSM 的数据包发给主机一次处理完成图 3-4 系统控制流程图3.3.2 GSM 模块工作方式点对点方式、数据中心方式（点对多点）、通过串口通讯与GSM 短消息模块连接，通过 AT 指令驱动短信模块收发短信。本设计中用的GSM 短消

53、息模块是 H6221-H-华为HUAWEI_GTM900 GPRS 无线模块14。3.4 DSP 芯片本设计中选用的 DSP 芯片是 TMS320VC5402。TMS320VC5402 是 16 位定点 DSP，采用改进的哈佛结构，适应远程通信等实时嵌人式应用的需要。TMS320VC5402 有一组程序总线和三组数据总线，高度并行性的算术逻辑单元ALU，专用硬件逻辑，片内存储器，片内外设和专业化的指令集，使该芯片速度更高，操作更灵活。程序和数据空间分开，允许同时对程序指令和数据进行访问，提供了很高的并行度，可在一个周期里完成两个读和一个写操作因此，并行存储指令和专用指令可在这种结构里得到充分利

54、用。另外，数据可以在数据空间和程序空间之间传送。并行性支持一系列算术、逻辑和位处理运算，它们广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 15 都能在一个机器周期里完成。 TMS320VC5402 还具有管理中断循环运算和功能调用的控制结构15。3.5 ZigBee 节点本设计采用了 CC2430 芯片。CC2430 具有 CC242O RF 接收器以及增强性能的 8051 MCU、8KBRAM 等部件，其增强的 8051 MCU 核的性能是标准 8051 核性能的 8 倍。CC2430 还具备直接存储器定址（ DMA）功能、可编程看门狗定时器、 AES-128 安全协处理器、多达 8 输入的 8

55、-14 位 ADC、USART 睡眠模式定时、上电复位、掉电检测电路（brown out detection）、21 个可编程 I/O 引脚等，两个可编程的 USART 用于主/从 SPI或 UART 操作。带外部功放的 CC2430 参考设计可提供 +10dBm 的输出功率16。广东海洋大学 2010 届本科生毕业论文 16 第 4 章 硬件设计及原理智能家居系统具有对家庭中的各种设备远程控制、远程查询、集中管理功能，为用户提供更为舒适，方便的生活方式，本设计主要针对的是家电控制。ZigBee 通信子节点需具备脉冲量数据采集、开关量数据采集、模拟量数据采集、继电器触点输出等功能，而主节点实际

56、上是一个功能齐全的FFD 设备，对家庭子网节点的管理，并与家居服务器通信，实现服务器和子节点的信息交互。本设计中家庭内部节点主要由射频芯片CC2430 和TMS320VC5402 芯片组成， CC2430 是 Chipcon 推出的符合 IEEE802.15.4 标准(MAC、和 PHY 层)的 ZigBee 无线网络模块，它只需很少外围器件就可与MCU 构成无线通讯系统。TMS320VC5402 芯片用来控制 CC2430 ZigBee 模块的运行，并且与 GSM 模块通过MAX3111 进行连接 ,用来进行数据的通讯。我们将ZigBee 的协调器节点和 GSM 模块集成在一块板子。节点在空

57、闲时间处于睡眠状态，当用户有控制信号或者数据采集要求时采用中断将节点唤醒，完成数据采集或控制任务，并上报相关信息。对于ZigBee 无线网络中的各个节点 ,主要是数据的采集、定时发送、定时休眠等,对于路由节点及协调器节点则主要实现了数据的转发及路由功能。在协调器节点与GSM 的数据交互中 ,双方都应该遵循约定好 的报文格式 ,以便上位机能够更好的解析报文。GSMmodemMAX3111TMS3520VC5402CC243074LS373继电器图 4-1 系统构成图4.1 系统控制模块4.1.1 GSM 模块GSM 信收发采用深圳市宏电技术开发有限公司H6221 GPRS RS232 无线调制解

58、调器，H6221 提供 RS232 与主机联接，采用的是 HUAWEI_GPTM900 无线模块。采用的是HUAWEI_GPTM900 无线模块是一款三频段 GSM/GPRS 的无线模块。它支持标准的AT命令及增强 AT 命令，提供丰富的语音和数据业务等功能，内嵌TCP/IP 协议栈，是高速数据传输等各种应用的理想解决方案。可方便的应用于移动通信、固定无线通信等领域17。基本特点：即插即用，使用方便，灵活可靠。即插即用，使用方便，灵活可靠。支持双频 GSM/GPRS；符合 ETS1 GSM phase2+标准；数据终端永远在线；支持A5/1&A5/5 加广东海洋大学 2010 届本科生

59、毕业论文 17 密算法；频段 800/900/1800MHz/850/1900MHz；接受灵敏度 -106dBm；工作温度范围 -3060。增强功能：使用 PC 发短消息。 GPRS 虚拟拨号；支持 RS-233 接口。提供语音接口并支持拨号；通过 X modem 协议进行软件升级；看门狗联络监测与重拨功能H6221 支持；GSM Ree.07.07 标准 AT 命令；GSM Ree.07.05 AT 命令；1TU-T-Rec.V25ter AT 命令；标准 GPRS AT 命令；TCP/IP AT 命令级扩展命令。以下是 GSM 模块收发数据流程图18:开始GPRS 数据发送线程串口透视线程

60、监视数据缓冲区监视串口缓冲区数据读出缓冲区串口有数据写入缓冲区数据缓冲区NYYN图 4-2 GSM 模块收发数据流程图4.1.2 TMS320VC5402EVM 板及仿真器主控中心模块它承担着 短信的接收，命令的判断，执行命令的发出或直接驱动，并将机器的工作状态用短信发给移动终端。这种工作可以选用低价普通的C51 单片机。但考虑要在以后扩展基于图像的彩信反馈的应用，所以在本设计中控制器的处理机选用了TMS320VC5402 芯片。DSP 主控模块采用了 TMS320VC5402EVM 评估板及仿真器。TMS320VC5402 EVM 提供了 2 个 BCMSP 的直联接线口 J6，J7 和 PHI 的