智能家居系统设计

1、嵌入式智能家庭无线网络系统设计尚丽丽刘军民1（大连理工大学电子信息与电气工程学部，辽宁大连116024）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；PDA0

2、引言随着科技的进步和生活水平的日益提高，人们对居住环境提出了更高要求，家居生活的 智能化领域前景可观。无线网络可提供最大的灵活性、流动性，省去花在综合布线上的费用 和精力，成为智能家庭数字网络的必然趋势。现在家中的大部分用电器都采用红外遥控通信 接口，由于各种红外接口不统一，成为实现家庭数字网络化的一大难题。1智能家庭网络系统方案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

3、庭无线网络系统由基于UC/OS II的ARM7中控主机、基于Windows 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。Fig.1 main framework of the System作者简介尚丽丽（1986-），女，山东青岛人，大连理工大学电子信息与电气工程学部硕士研究生，研究方向 无线通信。导师：刘军民，研究生导师，大连理工大学教授Email： 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、

4、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。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Zig Bee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

5、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

6、口P1.2连接，用于读取TX125的工作状态；MSP 430的普通IO口P1.3设置为输出状态，通过继电器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

7、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

8、，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。1001(a)1001(b)0101001(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

9、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：红外发射模块.供电模块红外接收模块Flash存储器 CPU模块MSP430 J盘Zigbee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:UlTLJUUL 网 _LI n44UF,K(1)红外通信部分电路图(2)普通开关终端控制驱动circuit of infra

10、red communicationCommon switch terminal control driver图5设备终端部分电路图Fig.5 part circuit of terminal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

11、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），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

12、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 Flash 和2M的Nor Flash等 组成，最高主频可达532MHz，支持WINDOWS CE和LINUX，本系统中的PDA是在此硬体上加载的W indows 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Zi gBee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ARM 7核心处理器LPC2106，

13、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。、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。Z igBee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

14、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。2.5 GSM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L M2576开关芯片对其进

15、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nternet、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

16、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“伊，“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

17、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，主卧为“2”，书 房为“3”电视为“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-O图6（a）表示协议通用 格

18、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，PD A向其红外学习终端发送的协议码。帧头工作方式房间设备终端标识码标识码帧尾r虹v2byte1byte1byte1byte1byte(a)2bytes2bytes0X40，0X550X 31 0X 31 0X 31 0X 31 0X 30 0X 33 0X0A 0X 0D0X40，0X550X 310X 310X 310X 310X 300X 330X0A0X 0D(b)电视一电视二电视台105电视台2,场*开关静音客厅一主卧r*书房灯空调灯一灯二环境5 F蒸煮F L灯开一0+灯关02(c)图6系统应用层相关协议

19、Fig.6 System protocol of APP图6 （c）表示入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PD A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

20、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。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。30bytes 30bytes 30bytesIbyte Ibyte Ibyte2bytes 2bytes 2bytesIbyteIbyteIbyteIbyteIbyteIbyte2bytes2bytes（b）图7终端数据存储序列F

21、ig.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

22、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图9红外终端子机软件流程Fig.9 Software design process of infrared terminal如图9,红外设备终端上电后先进行硬件初始化，接着初始化ZigBee协议栈，进入主循 环后读取ZigBee网络数据，判断工作状态，分为正常工作、红外编码学习、分配地址任务等。 分别进入相应工作流程，当终端被闲置30秒后，终端自动进入休眠模式。由CPU自身的时间 中断和Z

23、igbee中断两种方式可唤醒子系统休眠。4.3 PDA软件设计构架聿口图10上位机PDA软件界面举例Fig.10 Software design of PDAPDA友好界面设计采用VS2005加Windows CE 6.0的SDK进行前期开发。操控界面以房间、 设备、设备控制界面为方案主线，其中在启动界面即房间界面下拉框中设有模式选择，即前 面提到的分配地址模式、编码学习模式、正常工作模式。其设备界面主要分为红外设备、照 明系统、环境检测、安防系统、系统配置等五大部分。设备界面的下一个界面是设备各自对 应的控制界面。图10中的第一个界面是房间界面，第二个界面是设备界面，第三个界面是电 视机的控

24、制界面。5结论通过对系统软、硬件的综合调试表明：该智能家庭无线网络系统具有良好的工作稳定性 和监控的准确性、实时性，网络节点体积小，安装、布置简单方便，在低功耗和低成本方面 具有很强的优势。用户可以方便地将新买到的红外设备以及普通开关设备添加到网络中，室 内室外操作、监控方便，符合经济、实用、安全、舒适的原则，结构清晰，具有较好的扩 展性能。致谢感谢刘军民导师在本课题的选题及理论研究过程中给予的亲切关怀和悉心指导，他严肃的科 学态度，严谨的治学精神和精益求精的工作作风深深激励着我。在此，谨向刘老师致以最诚 挚的谢意。参考文献李成大，张京等.基于ZigBee无线通信技术的智能家居系统J.电讯技术，2007:47-63.蒋鹏，黄贤英.嵌入式智能代理技术的应用研究J.微计算机信息，2005, 02:123-124.胡建荣.巧用C51实现红外编码的调制与解调J.电子报，2009, 03：第015版.凌志斌，邓超平，郑益慧.红外遥控技术及其解码方案J.微处理机，2003, 12.The design of wireless network embedded system for Intelligent HomeSHANG Li-li, LIU Jun-min(Dalian University of Technology, School of Electron