毕业设计（论文）-基于物联网的智能家居设计

1、毕业设计（论文）-基于物联网的智能家居设计 摘要随着物联网技术的发展和人们对物质生活水平的要求的不断提高人们对生活的安全舒适便捷等方面的要求也越来越高近年来人们对家庭住宅观念发生了巨大改变智能家居将成为现代化住宅的发展趋势对于它的研究和开发是一项有关自动控制无线连接无线通信多学科交叉的研究课题本文以物联网的发展为背景通过学习研究物联网的相关技术明确物联网的关键技术包括RFID标识技术传感网技术M2M技术在硬件方面采用了GPRS模块作为远程人机交互手段接收和发送信息利用器件组成ZigBee网络实现短距离的无线网络通信并详细阐述了各硬件模块的功能和实现方法GPRS模块软件方面利用AT指令编写程序实

2、现用户手机的短信收发过程利用单片机实现了对家用电器的控制在智能家居控制系统中应用了星型网的网络拓扑通过ZigBee网实现了节点之间无线通信关键词物联网智能家居ZigBeeGPRS远程控制ABSTRACTAs the development of the Internet of Thingsthe standards of material life are continually improved The requires of the safe comfortable and convenient are also raised In recent years there are huge

3、changes on the concept of family house on peoples mind and the smart home will be the trend of modern house The research and development of it is about the automatic control wireless connection and wireless communications study subjects This article is based on the development of the Internet of Thi

4、ngsBy studying the technology of the Internet of Things and kowing that the key technologys include RFID identify the network technology sensing technology M2M In the hardware the module GPRS is used as the remote interaction of man-machine by sending and receiving messages To realize wireless commu

5、nication in short distance some equipment are used to form a ZigBee net And tell the details of every modules function and method to realize In GPRS software modules the program is edited by AT instruction and realized the process of sending and receiving messages The control of household appliances

6、 becomes true by the single chip Network topology structure of star is applied in the smart house control system by using the net of ZigBee that the wireless communication between nodes is realizedKey words Internet of Things Smart Home ZigBee GPRS Remote Control目录前言11 绪论211 物联网技术概述212 智能家居概述313 智能家

7、居的发展314 智能家居系统的特点415 本章小结42 物联网相关通信技术的原理521 ZigBee无线技术5com ZigBee的概念5com ZigBee的协议栈5com ZigBee的应用领域和应用前景10com ZigBee应用于家庭网络中的关键问题1022 GPRS网络技术1123 本章小结123 智能家居系统设计方案1331 智能家居系统总体设计思想1332 系统工作过程1433 应用技术分析14com 无线传输技术14com GPRS技术15com 系统控制器技术1734智能家居的系统设计18com 主处理器的选取18com架结构1835 本章小结194 系统硬件设计2041复位

8、电路2042 单片机晶振电路2143 ZigBee无线传输电路2144 GPRS无线传输电路2245 家电控制电路2446 本章小结245 智能家居系统软件设计2551 通信协议的定义25com 手机与TC35i模块之间的通信协议25com ZigBee模块与上位机的通信协议2552 系统程序设计25com TC35i短信收发程序26com 单片机对继电器的控制3053 本章小结326 总结与展望3361 总结3362 展望33致谢34参考文献35附录A外文译文37附录B外文文献46附录C附录D前言近几年金融危机之后的复苏时期物联网概念迅速风行受到各国政府的重视物联网技术得到越来越多的应用但关

9、于物联网的定义到现在还没有一个统一的定义从字面上解释物联网就是物物相连的互联网可以从两方面去理解其一物联网是在互联网基础之上的延伸和扩展的一种网络物联网的核心和基础仍然是互联网其二其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间进行信息交换和通信研究这项技术的重大意义在于这将使我们周围的一切物体联系到一起社会变得更加智能更加方便安全智能家居的概念早在上世纪80年代初就已经提出以住宅电子化实现到了80年代末逐步提出了"住宅智能化"也就是现在所说的智能家居的原型智能家居是一个以住宅为平台安装有智能家居系统的居住环境它的研究与设计将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

10、性舒适性甚至合理控制各种能源的使用家居智能的基本目标是将家庭中各种与信息相关的通信设备家用电器和家庭安防装置通过家庭总线技术 HBS 连接到一个家庭智能化系统上进行集中或者异地的监视控制和家庭事务性管理并保持这些家庭设施与住宅环境的协调1 绪论11 物联网技术概述2009年1月IBM公司提出了智慧地球的理念2009年8月温家宝在中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心考察时提出了感知中国物联网被预言为继计算机互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮一时间很多人预见到了一场新的技术革命1物联网的概念物联网的英文名称为The Internet of Things简称IOT从字面上解释物联网就

11、是物物相连的互联网可以从两方面去理解其一物联网是在互联网基础之上的延伸和扩展的一种网络物联网的核心和基础仍然是互联网其二其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间进行信息交换和通信2关于物联网的定义到现在还没有一个统一的定义有一个较为普遍认同的定义是物联网通过射频识别 RFID 装置红外感应器全球定位系统激光扫描器等各种信息传感设备按约定的协议把任何物品与互联网相连接进行信息交换和通信以实现智能化识别定位跟踪监控和管理的一种网络2究其来源其实只不过是在20多年前提出的泛在计算框架下的一个小分支但是物联网的第一次提出源于1999年美国麻省理工学院成立Auto-ID研究中心进行RFID技术的研发将R

12、FID与互联网结合提出了产品电子代码EPC解决方案这是物联网的雏形一直到现在为止RFID的发展还是物联网发展的重要部分2003年美国技术评论提出传感网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首2005年在突尼斯举行的世界电联报告中明确提出了物联网的概念国际电信联盟 ITU 发布了ITU互联网报告2005物联网近几年金融危机之后的复苏时期物联网概念迅速风行受到各国政府的重视我国的国家中长期科学与技术发展规划 年 和新一代宽带移动无线通信网重大专项中均将物联网列入重点研究领域智能家居的概念早在上世纪80年代初就已经提出以住宅电子化实现而后又形成了住宅自动化的概念到了80年代末逐步提出了住宅智能化也就

13、是现在所说的智能家居的原型物联网的关键技术包括RFID标识技术传感网技术M2M技术物联网体系架构中三个层次所涉及的关键技术是物联网最终实现并得以实施的重要保证物联网中涉及的关键技术其中无线传感网传感器网关传感器中间件客户端软件用户卡鉴权和安全远距通信移动网互联网等安全和隐私智能处理技术云计算等已经广泛应用412 智能家居概述智能家居又称智能住宅英文名称为Smart Home是指利用先进的计算机技术网络通信技术综合布线技术将与家居生活有关的各种子系统有机地结合在一起通过统筹管理让家居生活更加舒适安全有效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适安全高品位且宜人的家庭生活空间还由原来的被

14、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舒适性甚至合理控制各种能源的使用家居智能的基本目标是将家庭中各种与信息相关的通信设备家用电器和家庭安防装置通过家庭总线技术 HBS 连接到一个家庭智能化系统上进行集中或者异地的监视控制和家庭事务性管理并保持这些家庭设施与住宅环境的协调要完整地理解智能家居有必要先对几个智能家居发展过程中有着重大影响的系统进行介绍智能家居是一个以住宅为平台安装有智能家居系统的居住环境由于智能家居受产品生产厂家的限制在短时间内还没有统一的标准协议所以一般都是一个厂家单独做

15、系统研发方案的其中较为有影响力的一次是2007年微软推出的未来之屋是物联网技术应用于日常生活的一个样板5进人房屋时安全系统会对来访者的面部进行扫描确认身份后自动打开房门客厅冰箱上的液晶显示器能列出保存的食物清单厨房水槽能够根据使用者的身高调节高度而排风机会根据油烟浓度自动开启此外每个房间的墙壁颜色装修风格和温度都可以根据家庭成员的喜好和情绪自动更换这一概念的提出在推广普及上还需加以时日但是随着技术的革新我们这里将把能够实现远程监控智能照明以及智能音响的智能家居我们可以考虑将物联网技术应用到智能家居的设计中使我们的家居环境更加智能化人性化高效化13 智能家居的发展相比于国外我国对智能家居系统的相

16、关产品的研发起步较晚从目前中国的国情来看实用型与舒适型应当成为家庭住宅建设的主流舒适型面向中等偏上收入者但是住宅是一项使用寿命较长一次投资较大的特殊商品因此建设时的标准必须具有一定的前瞻性目前在我国智能家居系统被定义为利用4C 自动控制计算机网络无线通信IC卡 技术通过有效的传输网络将多元信息服务与管理安全防护与物业管理住宅智能化系统集成提供高技术的智能化住宅小区的服务于管理为手段以期实现快捷高效的超值服务与管理提供安全舒适的家居环境目前智能家居系统一般要求有三大功能单元第一必须要有一个功能非常强大的智能家庭系统平台第二必须要有一个完整的综合性的家居布线系统第三必须要有家庭内部进行控制的互联网

17、连接外网的宽带互联网和家庭内部各种家电进行控制的家庭控制网络这三种网络支持的系统才能叫做真正的智能家居系统314 智能家居系统的特点 1 它的对象是结构和特性完全相异的各种家用电器相互之间兼容性比较差电器之间的数据比较困难 2 家电的信息量小但对实时性要求较高必须针对当时的家庭环境进行实时的调整 3 家电运行时所处环境有很大差异对系统的抗干扰性和稳定性要求较高 4 家庭用户对于价格要求比较高必须把组建网络的费用降低到一定程度才能被广泛认可和接受 5 家电完成的功能各有不同需要达到的智能水平也有很大的差异要针对不同的功能要求设计不同家电的智能水平 比如说如果让电灯也共享Internet资源显然没

18、有必要但是家中的摄像监控设备则需要较高的智能水平 6 从用户的角度来说用户需要简化家电的操作过程统一家电的操作方法 比如说用统一的遥控器实现所有电器的控制 因此组建智能家庭网络时需要考虑的问题有很多15 本章小结本章首先介绍了关于物联网的概念以及技术指出物联网的应用范畴接着介绍了智能家居的概念和具体实现的功能提出智能家居使人们的生活更加高效更加人性更加方便的理念在最后又介绍了智能家居系统的几个特点2 物联网相关通信技术的原理21 ZigBee无线技术com ZigBee的概念ZigBee是最近提出的一种近距离低复杂度低功耗低数据速率低成本的双向无线通信技术主要适用于自动控制和远程控制领域是为了

19、满足小型廉价设备的无线联网和控制而制定的在IEEcom根据设备所具有的通信能力可以分为全功能设备 full-function deviceFFD 和精简功能设备 reduced-function deviceRFD FFD之间以及FFD和RFD之间都可以相互通信但RFD只能与FFD通信而不能与其他RFD通信RFD主要用于简单的控制应用传输的数据量较少对传输资源和通信资源占用不多可以采用非常廉价的实现方案在网络结构中一般作为通信终端6FFD一般需要功能相对比较强大的MCU一般在网络结构中用作于网络控制和管理功能在IEEcom有一个称为PAN网络协调者 PAN coordinator 的FFD设备

20、是LR-WPAN的网络中的主控制器PAN网络协调者除了直接参与应用以外还要完成成员身份管理链路状态信息管理以及分组转发等任务无线通信信道的特性是动态变化的节点位置或天线方向的微小改变物体移动等周围环境的变化都有可能引起通信链路强度和质量的剧烈变化因而无线通信的覆盖范围是不确定的在进行网络协议的设计时必须要考虑到无线信道的这个特点在智能家居系统设计中采用星型网络这种星型结构的特点是对中心节点 这里是无线数字家居服务器或网关 的依赖性很大中心节点出现问题可能造成整个网络的瘫痪家庭内部无线网络连接距离较短一般在l00米以内家用电器位置容易改变家庭电器等的数量也容易变化网络中的信息传送主要在无线数字家

21、居服务器和其它室内终端之间根据家庭网络的这些特点以及以上介绍的无线网络拓扑结构本文以家庭网关为中心节点组建一个星型家庭网络ZigBee技术最大传输距离150米完全满足家庭网络需要通过实用证明星形家庭网络组网简单com ZigBee的协议栈ZigBee与IEEcom人们常会把ZigBee和IEEcom来其实两者之间还是有所区别的如图2-1所示6 1 ZigBee完整充分地利用了IEEcom功能强大的物理特性的优点 2 ZigBee增加了逻辑和应用软件 3 ZigBee基于IEEcom准同时ZigBee联盟通过与IEEE紧密工作来确保一个集成的完整的市场解决方案 4 com主要负责制定物理层 PH

22、Y 和媒体访问控制 MAC 层标准而ZigBee负责网络层和应用层的开发图2-1 ZigBee的结构和分工Fig2-1 ZigBee Structure and Division of Laborcom构及其技术特点IEEcom际标准组织 ISO 开放系统互连 OSI 参考模式定义了单一的MAC层和多样的物理层ZigBee联盟制定了MAC层以上协议其协议套件由高层应用规范应用汇聚层网络层数据链路层和物理层组成 1 物理层物理层提供了媒体访问控制层与无线物理通道之间的接口主要完成功能激活休眠无线收发设备对当前频道进行能量检测链路质量指示为载波检测多址与碰撞避免 CSMA-CA 进行空闲频道评估频

23、道选择数据的发送及接收等IEEcom两个物理层标准分别是24GHz物理层和868915MHz物理层两个物理层都基于DSSS Direct Sequence Spread Spectrum直接序列扩频 使用相同的物理层数据包格式区别在于工作频率调制技术扩频码片长度和传输速率24GHz波段为全球统一的无需申请的IM频段有助于ZigBee设备的推广和生产成本的降低24GHz的物理层通过采用高阶调制技术能够提供250kbps的传输速率有助于获得更高的吞吐量更小的通信时延和更短的工作周期从而更加省电868MHz是欧洲的ISM频段915MHz是美国的ISM频段这两个频段的引入避免了24GHz附近各种无线通

24、信设备的相互干扰868MHz的传输速率为20kbs916MHz是40kbs由于这两个频段上无线信号传播损耗较小因此可以降低对接收机灵敏度的要求获得比较远的有效通信距离从而可以用较少的设备覆盖给定的区域表2-工作频段和频率Tab2-2 and Frequency Range of Labor物理层 工作频率 MHZ 频道数 码片率 调制方式 传输率 数据符号868MHZ 868-8686 1 300 BPSK 20 二进制915MHZ 902-928 10 600 BPSK 40 二进制24G 2400-24835 16 2000 O-QPSK 250 16状态组在PHY层的有关参数上有四个重要

25、的参数a传输能量 power 约lmW的能量b传输中心频率的兼容性约±40 pmc接收器之感度-85dBm-92dBm 868915 ram 1分组差错率 PSDU 20bytes d接收信号强度指示的测量 RSSD 2 调制及扩频图2- 24G物理层调制及扩频功能模块Fig2- 24G the Physical Layer Modulation and Spread Frequency Functional Modules24G物理层将数据 PPDU 每字节的低四位与高四位分别映射组成数据符号 Symbol 每种数据符号又被映射成32位伪随机噪声数据码片 Chip 数据码片序列采用

26、半正弦脉冲波形的偏移四相移相键控技术 O-QPSK 调制对偶数序列码片进行同相调制而对奇数序列码片进行正交调制868915MHZ物理层先将PPDU二进制数据进行差分编码差分编码是将当前数据位与前一编码位以模为2异或而成经编码的数据位又被映射成15位伪随机噪声数据码片 Chip 数据码片序列采用二相的相移键控技术 BPSK 调制 3 PPDU格式PPDU报文数据由用于数据流同步的同步头 SHR 含有帧长度信息的物理层报头 PHR 以及承载有MAC帧数据的净荷组成具体结构如图2-所示字节411可变前同步码Preamble帧定界符SFD帧长度 7bits 保留1bit物理层数据PSDU同步头SHR物

27、理层报头PHR物理层净荷图2- PPDU格式Fig2-Format of PPDU前同步码域用来为后续数据的收发提供码片或数据符号的同步帧定界符用来标识同步域的结束及报文数据的开始物理层数据域长度根据情况可变 长度为5字节或大于7字节 承载了物理层报文数据包含有MAC层数据帧 4 MAC层为了提高传输数据的可靠性ZigBee的MAC采用了时隙化的载波侦听和冲突避免的信道接入CSMA-CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance 算法MAC子层的组成及接口模型如图2- 所示图2- MAC子层组成及接口模型Fig2- MAC F

28、orm and Interface ModelIEEcomC协议包括以下功能设备间无线链路的建立维护和结束确认模式的帧传送与接收信道接入控制帧校验预留时隙管理广播信息管理MAC子层提供两个服务与高层联系即通过两个服务访问点 SAP 访问高层通过MAC通用部分子层SAP MCPS-SAP 访问MAC数据服务用MAC层管理实体SAP MLME-SAP 访问MAC管理服务这两个服务为网络层和物理层提供了一个接口灵活的MAC帧结构适应了不同的应用及网络拓扑的需要同时也保证了协议的简洁IEEcom MAC子层定义了广播帧数据帧确认帧和MAC命令帧等4种帧类型只有广播帧和数据帧包含了高层控制命令或者数据确

29、认帧和MAC命令帧则用于ZigBee设备间MAC子层功能实体问控制信息的收发广播帧和确认帧不需要接收方的确认而数据帧和MAC命令帧的帧头包含帧控制域指示收到的帧是否需要确认如果需要确认并且已经通过了CRC校验接收方将立即发送确认帧若发送方在一定时间内收不到确认帧将自动重传该帧这就是MAC子层可靠传输的基本过程2 1 0-20 变量 2帧控制序列号地址信息净荷帧校验系列图2- MAC层的通用帧格式Fig2- General Frame Format of MAC 5 网络层网络层包括逻辑链路控制子层8022标准定义了LLC并且通用于诸如8023com1等系列标准中而MAC子层与硬件联系较为紧密并

30、随不同的物理层实现而变化网络层负责拓扑结构的建立和维护命名和绑定服务它们协同完成寻址路由及安全这些必须任务NWK层是位于MAC层之上与APL层交互的一个协议层网络层的任务是通过正确操作链路层提供的功能来向应用层提供合适的服务接口为了与应用层交互网络层逻辑上包含两个服务实体数据服务实体 NLDE 和管理服务实体 NLME ZigBee规范定义的NWK层协议提供数据传输服务 NLDE 和管理服务 NLME 的数据服务接口用于将APL层提供的数据打包成应用层协议数据单元并将其传输给相应的节点的NWK层或者将接收到的应用层协议数据单元进行解包并将解包后得到的数据传送给也就是说NLDE-SAP实现两个A

31、PL层之间的数据传输NLME-SAP是NWK层给APL层提供的管理服务接口其逻辑模型如图2-所示NLDE-SAP是NWK层提供给APL层的数据服务接口MCPS-SAP是由MAC层提供给NWK层的数据服务接口MLME-SAP是MAC层提供给NWK层的管理服务接口a配置一个新设备 b开始一个新网络c加入或者离开网络图2- NWK层模型Fig2- Model of NWK 6 应用层应用会聚层将主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上具体而言包括安全与鉴权多个业务数据流的会聚设备发现业务发现应用层有应用支持子层 APS ZigBee设备对象 ZDO 及厂商定义的应用对象应用支持子层 APS 的作

32、用是维护设备绑定表它具有根据服务及需求匹配两设备的能力且通过边界的设备转发信息应用支持子层 APS 的另一作用是设备发现它能发现在工作范围内操作的其它设备ZDO的职责是定义网络内其它设备的角色如ZigBee协调器或末端设备发起或回应绑定请求在网络设备间建立安全机制 如选择公共密钥对称密钥等 等厂商定义的应用对象根据ZigBee定义的应用描述执行具体的应用在本系统中附加了一层应用层协议完成数据的通讯和控制的业务com ZigBee的应用领域和应用前景ZigBee技术将主要嵌入在消费性电子设备家庭和建筑物自动化设备工业控制装置电脑外设医用传感器玩具和游戏机等设备中应用于小范围的基于无线通信的控制和

33、自动化等领域中ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制消费性电子设备汽车自动化农业自动化和医用设备控制等通常符合如下条件之一的应用均可以考虑采用ZigBee技术作无线传输设备成本较低传输的数据量较小设备体积较小不便放置较大的充电电池或者电源模块没有充足的电力支持只能使用一次性电池频繁地更换电池或者反复地充电无法做到或者很困难com ZigBee应用于家庭网络中的关键问题ZigBee实现家庭组网的目标是在消费类电子设备中嵌入ZigBee芯片联网后实现家电等设备的无线互连和家庭自动化利用ZigBee技术可较容易实现相机或者摄像机的自拍窗户远距离开关室内照明系统的遥控以及窗帘的自动调整等功能特

34、别是在手机或者PDA中加入ZigBee芯片后就可以被用来控制电视开关调节空调温度及开启微波炉等基于ZigBee技术个人身份卡能够代替家居和办公室的门禁卡可以记录所有进出大门的个人的信息22 GPRS网络技术 1 GPRS网络总体结构GPRS网络是在现有GSM网络中增加GGSN OPRS网关支持节点1和SGSN GPRS服务支持节点 来实现的使得用户能够在端到端分组方式下发送和接收数据8GPRS无线通信系统基本原理GPRS 通用无线分组业务 是一种基于GSM系统的无线分组交换技术提供端到端的广域的无线连接网络GPRS网络是在原有的GSM网络上增加SGSN GPRS服务支持节点 以及GGSN 网关

35、GPRS支持节点 两种数据交换结点设备使得用户在端到端分组方式下发送和接收数据同时兼容电路型数据和分组交换数据 2 GPRS协议移动台 Ms 和SGSN之间的GPRS分层协议模型如图2-所示图2- GPRS协议Fig2- Agreement of GPRSUm接口是GSM的空中接口Um接口上的通信协议有5层自下而上依次为物理层MAC Medium Access Control 层LLC以Logical Link Control 层SNDC Sub network Dependant Convergence 层和网络层Um接口的物理层为射频接口部分而物理链路层则负责提供空中接口的各种逻辑信道MA

36、C质接入控制层MAC的主要作用是定义和分配空中接口控制层它是一种基于高速数据链路规程HDLC的无线链路协议LLC层负责在高层SNDC层的SNDC数据单元上形成LLC地址帧字段从而生成完整的LLC帧SNDC被称为子网依赖结合层它的主要作用是完成传送数据的分组打包确定TCPIP地址和加密方式网络层的协议目前主要是Phase 1阶段提供的TCPIP和x25协议这些协议对于传统的GSM网络设备 如BSS和NSS等设备 是透明的 3 GPRS的路由管理GPRS的路由管理是指GPRS网络如何进行寻址和建立数据传送路由GPRS的路由管理表现在以下三个方面移动台发送数据的路由建立移动台接收数据的路由建立以及移

37、动台处于漫游时数据路由的建立第一种情况当移动台产生了一个PDU 分组数据单元 这个PDU经过SNDC层处理称为SNDC数据单元然后经过LLC层处理为LLC帧通过空中接口送到GSM网络中移动台所处的SGSNSGSN把数据送到GGSNGGSN把收到的消息进行解装处理转换为可在公用数据网中传送的格式 如PSPDN的PDU 最终送给公用数据网的用户为了提高传输效率并保证数据传输的安全可以对空中接口上的数据压缩和加密处理第二种情况中一个公用数据网用户传送数据到移动台首先通过数据网的标准协议建立数据网和GGSN之间的路由数据网用户发出的数据单元 如PSPDN中的PDU 通过建立好的路由把数据单元PDU送给

38、GGSN而GGSN再把PDU送给移动台所在的SGSNGSN把PDU封装成SNDC数据单元再经LLC层处理为LLC帧单元最终经空中接口送给移动台第三种情况是一个数据网用户传送数据给一个正在漫游的移动用户其方式和第二种情况类似但不同的是其数据必须经过归属地的GGSN然后送到移动用户23 本章小结本章介绍了GPRS技术和ZigBee技术在应用于智能家居中短距离无线通信的优势详细介绍了GPRS技术的网络结构协议和路由管理的相关知识协议栈应用领域以及选用星型网络作为智能家居的组网方式等3 智能家居系统设计方案31 智能家居系统总体设计思想我们应用智能家居的基本目标是使我们的生活环境更加舒适安全方便和高效

39、因此智能家居系统的硬件和软件都应具有先进性避免短期内因技术陈旧造成整个系统性能不高和过早淘汰与此同时应立足于用户对整个系统的具体需求具有实用性不管是系统中的设备软件还是网络拓扑结构都应具有良好的开放性网络化的目的在于要实现设备资源和信息资源的共享由于计算机网络本身具有开放性和共享性因此我们应设计提供标准接口用户可根据其需求对系统进行更新和升级这个系统采用GPRS技术和短消息的方式来实现无线传输短消息并且控制器将把短消息分析翻译成为可以识别的命令编码这样可以通过手机操控的方式来实现家居监控用GPRS接入的好处是可以满足部分Internet普及率不是很高的现状同时用手机对家庭进行监控弥补了通常智能

40、家居控制器的操作距离短地域限制等问题并且以短消息的方式对系统进行控制提高了效率降低了成本同时本系统可以扩展应用于多种无人职守地区的监控安防等场所如图3-1所示图3-1 系统总体结构图Fig3-1 Overall System Chart系统主要实现功能 1 防盗警报当家庭遭到非法入侵的时候例如玻璃被打破门窗被撬等相应传感器将检测到情况立刻通过室内的无线网络将采集到的信号发送到家庭控制器再经过家庭控制器处理最后将警报信息通过GPRS模块以短消息的方式发送到主人的手机上从而实现了家庭的安防功能 2 家电远程控制 当我们需要远程控制家用电器的开关时只要用手机发送指定命令的短信息通过GPRS模块的接收

41、并将短信息翻译成为可以识别的命令传输给家庭控制器控制器经过处理通过ZigBee模块的无线传输将命令发送到与家电相连接的单片机上通过对单片机的控制实现了对家电的控制 3 火灾监控安装在室内的感温探测器及感烟探测器将实时监控各个房间内有无火灾的发生当检测到的火灾存在将把采集到的信息通过无线ZigBee模块发送到家庭控制器家庭控制器通过GPRS模块将信息以短消息的方式发送到主人的手机32 系统工作过程智能家居的系统主要有GPRS模块基于单片机的主控制模块ZigBee无线传输模块家电端的控制模块和传感信号采集发送模块几部分组成其中GPRS模块的主要功能是接收用户手机所发送的短消息并将短消息解析成为一段

42、可以识别的命令传输给主控制器基于单片机的主控制器的作用是将接收到的命令做出响应ZigBee模块是将主控制器所下达的命令通过无线的ZigBee网传输到家电端传感信号采集发送模块的作用是通过实时的监控不断确认是否达到预订的警报值如果达到了预定值就将警报信号发送给主控制器主控制器通过分析判断出该警报信号是从哪个家电终端发送的在经过GPRS模块发送给用户手机从而实现了对家庭各个方面的防护33 应用技术分析com 无线传输技术室内无线传输采用基于ZigBee射频芯片CC2430设计的终端节点通过覆盖在家中的无线网络把信息发送到总控制器9此射频收发模块的特点如下 1 低功耗在低耗电待机模式下2节5号干电池

43、可支持1个节点工作624个月甚至更长 2 低成本通过大幅简化协议降低了对通信控制器的要求按预测分析以8051的8位微控制器测算全功能的主节点需要32KB代码子功能节点少至4KB代码而且ZigBee免协议专利费 3 低速率ZigBee工作在20-250kbps的较低速率分别提供250kbps 24GHz 40kbps 915MHz 和20kbps 868MHZ 的原始数据吞吐率满足低速率传输数据的应用需求 4 近距离传输范围一般介于10-100m之间在增加发射功率后亦可增加到1-3km这指的是相邻节点间的距离 5 短时延ZigBee的响应速度较快一般从睡眠转入工作状态只需15ms节点连接进入网络

44、只需30ms进一步节省了电能相比较而言蓝牙需要3-10sWiFi需要35s 6 高容量ZigBee可采用星状网状网络结构由一个主节点管理若干子节点最多一个主节点可管理254个子节点同时主节点还可由上一层网络节点管理最多可组成65000个节点的大网 7 高安全ZigBee提供了三级安全模式包括无安全设定使用接入控制清单 ACL 防止非法获取数据以及采用高级加密标准 AES128 的对称密码以灵活确定其安全属性 8 免执照频段采用直接序列扩频在工业科学医疗 ISM 频段24GHz 全球 915MHz 美国 和868MHz 欧洲 CC2430芯片的特点如下高性能和低功耗的8051微控制器核 集成符合

45、IEEcom24 GHz的 RF无线电收发机 优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性 在休眠模式时仅09 A的流耗外部的中断或RTC能唤醒系统在待机模式时少于06 A的流耗外部的中断能唤醒系统 硬件支持CSMACA功能 较宽的电压范围 2036 V 强大和灵活的开发工具 数字化的RSSILQI支持和强大的DMA功能 具有电池监测和温度感测功能 集成了14位模数转换的ADC集成AES安全协处理器带有2个强大的支持几组协议的USART以及1个符合IEEE comMAC计时器1个常规的16位计时器和2个8位计时器从这些特点我们看出此ZigBee射频模块组网可以满足我们对信号传输的要求CC2430模块本

46、身集成了51内核的单片机在基于ZigBee协议的基础上可以进行简单编程对传感器发出来的数据进行分析处理发送到主控制器同时可以对到的数据进行处理com GPRS技术智能家居的控制系统与用户手机的通信是通过GPRS技术来实现的GPRS网络是在现有的GSM网络基础上引入SGSN GPRS业务支撑节点 GGSN GPRS网关节点 和PCU 分组控制单元 在这个系统中我们选用了TC35i来实现西门子公司的TC35i模块是一个支持中文短信息的工业级GSM模块工作在900MHz和1800MHz双频段可以传输语音和数据信号TC35i的数据接口通过AT命令可双向传输指令和数据可选波特率为300bs115kbs它

47、支持Text和PDU格式的SMS它由供电模块 ASIC 闪存ZIF 零插拔力 连接器天线接口等6部分组成TC35i模块有40个引脚通过一个ZIF连接器引出这40个引脚可以划分为5类即电源数据输入输出SIM卡音频接口和控制TC35i主要特性与技术指标包括以下几点 频段为双频GSM900MHz和GSMl800MHz phase 22 支持数据语音短消息和传真 高集成度 545mm×36mm×36mm 质量为9g电源电压为单一电压3348V 可选波特率300bps115kbps动波特率 48115kbps 电流消耗休眠状态为35mA空闲状态为25mA发射状态为300mA 平均 2

48、5A峰值 温度范围 正常操作-2055存放-3085SIM电压为3V18V系统的工作原理是将系统分成监测和控制两大类当系统开始运行时MCU一边侦听监测端口的报警信号一边等待接收从GSM网络传来的短信控制指令当系统的监控传感器发现危险情况立即触发MCU的外部中断然后MCU将向TC35i发送AT指令从而控制TC35i向指定的移动用户发送预先存储在SIM卡中的报警短信当TC35i模块接收到用户发来的短信时会触发MCU的串行中断MCU立即读取接收到的短信并进行解析处理当判断是否包含有效的控制命令后再对家用电器控制装置进行相应的控制短消息收发规范GSM0707规定了短消息命令表3-中列出了与SMS相关的

49、主要命令TC35的数据输入输出接口实际上是一个串行异步收发器符合ITU-T RS232接口标准它有固定的参数8位数据位和1位停止位无校验位波特率在300bps115kbps之间可选硬件握手信号用RTS0CTS0软件流量控制用XONXOFFCMOS电平支持标准的AT命令集表3-SMS常用的AT指令Tab3-1 SMS Commonly Used At InstructionAT指令 功能ATCMGC Send an SMS command 发出一条短消息命令 ATCMGD Delete SMS message 删除SIM卡内存的短消息 ATCMGF Select SMS message form

50、at 选择短消息信息格式0-PDU1-文本 ATCMGL List SMS message from preferred store 列出SIM卡中的短消息信息格式PDUtext0REC UNREAD为未读1REC READ为已读2STOUNSENT为待发3STO SENT4为已发4ALL为全部的 ATCMGR Read SMS message 读短消息 ATCMGS Send SMS message 发送短消息 ATCMGW Write SMS message to memory 向SIM内存中写入待发的短消息 ATCMGS Send SMS message from storage 从SI

51、M内存中发送短消息 ATCNMI New SMS message indication 显示新收到的短消息 ATCPMS Preferred SMS message storage 选择短消息内存 ATCSCA SMS service center address 短消息中心地址 ATCSCB Select cell broadcast message messages 选择蜂窝广播消息 TC35模块的编码指令用的是AT指令AT命令即AttentionAT命令集是由诺基亚爱立信摩托罗拉和HP等厂家共同为GSM系统研制的DTE-DCE接口标准是从终端设备TE Terminal Equipment

52、 或数据终端设备DTE Data Terminal Equipment 向终端适配器TA Terminal Adapter 或数据电路终接设备DCE Data Circuit Terminating Equipment 发送的通过TATE发送AT命令来控制移动台MS Mobile Station 的功能与GSM网络业务进行交互AT命令包括一般命令呼叫控制命令网络业务命令安全性命令电话本命令短消息 SMS 命令补充业务命令数据命令传真命令和串口命令本设计主要用的是短消息命令对GSM中的短消息业务进行操作com 系统控制器技术当用户发送短信息时信号通过GPRS模块接收并解析传送到了家庭总控制器中进

53、行命令解析和响应这个部分我们选用的是AT89S52作为总控制器AT89S52是一种低功耗高性能COMS8位微控制器具有8K在系统可编程Flash存储器使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造与工业80C51产品指令和引脚完全兼容片上Flash允许程序存储器在系统可编程亦适于常规编程器在单芯片上拥有8位CPU和在系统提供高灵活超有效的解决方案 AT89S52具有以下标准功能8K字节Flash256字节RAM32位IO口线看门狗定时器2个数据指针3个16位定时器计数器1个6向量2中断结构全双工串行口片内晶振及时钟电路另外AT89S52可降至0HZ静态逻辑操作支持2种软件可选择节电模式空闲模式

54、下CPU停止工作允许RAM定时器计数器串口中断继续工作掉电保护方式下RAM内存被保存振荡器被冻结单片机一切工作停止直到下一个终端或硬件复位为止34智能家居的系统设计本智能家居监控系统是基于AT89S52芯片作为总控制器开发和设计的主要任务是处理和接收各个ZigBee节点传来的信号对其进行分类解析并判决信息类型及时处理com 主处理器的选取智能家居的系统的主要目的是为实现对家中电器的开关控制及家庭安防的报警功能要处理的数据量相对较低并且考虑到成本问题而采用了AT89S52单片机作为主处理器并且与主处理器相连的ZigBee芯片CC2430内部也集成了MCU可以起到辅助处理的作用而且每块ZigBee

55、节点都有一个MCU所以主处理器只要起协调作用和处理简单数据量信息功能从而可以完全满足我们的设计需要com架结构 GPRS模块采用TC35iTC35i是GPRS模块价钱比较便宜在设计结构上它采用插槽代替排线这样就可以将其悬空放置不占用PCB面积它的下面可以放置SIM卡槽和其他芯片和电路通过AT指令完成GPRS短信息接收和传送到主控制器中ZigBee模块的型号是CC2430该芯片是Chipcon公司生产的首款符合ZigBee技术的24GHz射频系统单芯片该芯片延用了以往CC2420芯片的架构在单个芯片上整合了ZigBee射频前端内存和微控制器模块的总体结构框图如图3-所示图3-模块结构框架图Fig

56、3- Block Frame CC2430使用1个8位MCU 8051 具有128KB可编程闪存和SKB的RAM还包含模拟数字转换器 ADC 几个定时器AES128协同处理器看门狗定时器32kHz晶振的休眠模式定时器上电复位电路掉电检测电路以及21个可编程IO引脚该芯片采用018mCMOS工艺生产工作时的电流损耗为27mA在接收和发射模式下电流损耗分别低于27mA或25mACC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性特别适合那些要求电池寿命非常长的应用设计中考虑到处理器只有一个硬件串口和ZigBee部分连接采用模拟串口方式通信减少硬件成本主要电路包括连接TC35i的外部晶振电路复位电路与AT89S52连接电路组成TC35i负责建立GPRS网络使室内与外部可以进行通信接受外界的指令同时将室内的状况及时通知外界ZigBee网络是室内的一个局部网络负责室内各个家电及报警装置与主控制器的无线通信ZigBee的协调器负责家中网络的正常运行35 本章小结 在这一章里根据智能家居系统的研究内