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嵌入式智能家居監(jiān)控系統(tǒng)詳解

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 0.設(shè)計(jì)摘要
  與普通的家居相比,智能家居(Smart Home)不僅具有傳統(tǒng)的居住功能,能夠提供舒適安全、高品位且宜人的生活空間,還把原來(lái)的被動(dòng)靜止結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇?dòng)智慧的工具,幫助家庭與外部保持信息交流暢通,優(yōu)化人們的生活方式,甚至為各種能源支出節(jié)約資金家居。無(wú)線(xiàn)監(jiān)控問(wèn)題是當(dāng)今國(guó)際建筑智能化領(lǐng)域的前沿性研究課題。無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)克服了家庭中布線(xiàn)的煩瑣,充分體現(xiàn)了智能家居系統(tǒng)的靈活、方便、高效。本項(xiàng)目研究開(kāi)發(fā)了基于ZigBee技術(shù)和Internet技術(shù)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng),將Internet的遠(yuǎn)程監(jiān)控與ZigBee短距離控制相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的家居無(wú)線(xiàn)控制和數(shù)據(jù)采集,避免了綜合布線(xiàn),可擴(kuò)展性好。
  整個(gè)智能家居監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)矣秒娖鞯耐瓿砷_(kāi)關(guān)量的控制,還能夠?qū)θ恚ㄋ?、電表、燃?xì)獗恚┻M(jìn)行無(wú)線(xiàn)抄表,最重要的是可監(jiān)測(cè)來(lái)自家庭安防傳感器(火警、煤氣泄露)的數(shù)據(jù),以備物業(yè)等部門(mén)監(jiān)控。通過(guò)測(cè)試后,證實(shí)了設(shè)計(jì)方案的正確性,結(jié)果滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,該設(shè)計(jì)具有一定的新穎性和實(shí)用性。本項(xiàng)目針對(duì)目前人們對(duì)居住環(huán)境的要求越來(lái)越高,同時(shí)家用設(shè)施的管理和安全亟待改善的迫切需要,設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng),以便能夠?qū)π^(qū)中各家各戶(hù)的各種情況(煤氣泄露、火警等)進(jìn)行監(jiān)控,而且還可以對(duì)家居設(shè)施進(jìn)行控制。此外,物業(yè)管理單位也可以通過(guò)此系統(tǒng)為小區(qū)居民提供更為方便、人性的服務(wù)。
  1.系統(tǒng)原理
  本課題首先進(jìn)行系統(tǒng)總體設(shè)計(jì),結(jié)合底層ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的要求,將該系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為四部分:無(wú)線(xiàn)傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、以太網(wǎng)傳輸模塊、上位機(jī)顯示界面。然后對(duì)ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)做了全面地研究分析,同時(shí)給出了基于CC2430的無(wú)線(xiàn)傳輸模塊的軟硬件設(shè)計(jì)和星型網(wǎng)絡(luò)搭建,并給出了測(cè)試結(jié)果。接著設(shè)計(jì)了基于PIC32的數(shù)據(jù)處理模塊,給出了硬件電路和外圍輔助電路設(shè)計(jì)方案,并為其移植了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II。本設(shè)計(jì)完成了基于DP43848C的以太網(wǎng)傳輸模塊設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的以太網(wǎng)通信程序的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了從底層ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集最終到監(jiān)控機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸并測(cè)試成功。最后在VC++6.0環(huán)境下,應(yīng)用Windows Sockets套件接口開(kāi)發(fā)顯示界面對(duì)底層采集的數(shù)據(jù)分類(lèi)顯示。
  嵌入式智能家居監(jiān)控系統(tǒng)詳解
  圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖
  如上圖1所示,本設(shè)計(jì)主要分為以下部分:
 ?。?)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊:基于CC2430芯片(包括無(wú)線(xiàn)收發(fā)及傳感器)設(shè)計(jì)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)模塊,并完成各節(jié)點(diǎn)模塊的軟件編寫(xiě)和節(jié)點(diǎn)間通信調(diào)試。
  (2)數(shù)據(jù)處理模塊:基于PIC32芯片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理模塊,并完成程序編寫(xiě),同時(shí)在該系統(tǒng)上移植嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OSII。
  (3)以太網(wǎng)傳輸模塊:利用網(wǎng)絡(luò)接口芯片DP43848C設(shè)計(jì)以太網(wǎng)通信模塊,并完成通信測(cè)試程序編寫(xiě)。
 ?。?)上位機(jī)顯示界面設(shè)計(jì):利用VC++6.0基于WindowsSockcts編寫(xiě)上位機(jī)界面程序,使經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理模塊處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)上傳到上位機(jī)(PC機(jī))界面上,實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理。
  1.1.智能家居監(jiān)控系統(tǒng)中的ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)方案
  ZigBee是一組基于IEEE批準(zhǔn)通過(guò)的802.15.4無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)的,有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE無(wú)線(xiàn)個(gè)人區(qū)域網(wǎng)工作組的IEEE 802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是ZigBee技術(shù)的基礎(chǔ)。它采用跳頻技術(shù),。使用的頻段分別為2.4GHz( ISM ), 868 MHz(歐洲)及915 MHz(美國(guó)),而且均為免執(zhí)照頻段,有效覆蓋范圍為1075 m。所支持的數(shù)據(jù)傳輸速率為10Kb/s--250Kb/s。功耗低,在低耗電待機(jī)模式下,兩節(jié)普通5號(hào)干電池可以6個(gè)月到2年。網(wǎng)絡(luò)容量大,每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個(gè)設(shè)備。成本低。由于ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低,協(xié)議簡(jiǎn)單,所以大大降低了成本。
  要從以上這些無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)中選擇一種作為本設(shè)計(jì)的無(wú)線(xiàn)通信方案,需要考慮的是:該方案是否能夠滿(mǎn)足家庭網(wǎng)絡(luò)的成本要求,還有就是功耗和網(wǎng)絡(luò)容量能否滿(mǎn)足家庭要求。而這些問(wèn)題在ZigBee技術(shù)面前都將不復(fù)存在。在智能家居系統(tǒng)中,將ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于家庭網(wǎng)絡(luò)己成為趨勢(shì)。這不僅僅是因?yàn)閆igBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)可以提供更大的靈活性、流動(dòng)性,省去花在綜合布線(xiàn)上的費(fèi)用和精力,而且更因?yàn)樗霞彝ゾW(wǎng)絡(luò)的通訊特點(diǎn)。所以本智能家居監(jiān)控系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)作為智能家居中無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方案。
  本智能家居監(jiān)控系統(tǒng)中的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)采用星型連接,主要包括了一個(gè)家庭網(wǎng)關(guān)以及若干個(gè)無(wú)線(xiàn)通信子節(jié)點(diǎn)。家庭網(wǎng)關(guān)上有一個(gè)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊(主節(jié)點(diǎn)FFD ),而其他的無(wú)線(xiàn)通信子節(jié)點(diǎn)則作為End Device安放在家用電器、三表和安防傳感器上,通過(guò)這些無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊,數(shù)據(jù)就在主節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行傳輸。智能家居中的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下圖2 所示。
  嵌入式智能家居監(jiān)控系統(tǒng)詳解
  圖2 智能家居中的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
  1.2.智能家居監(jiān)控系統(tǒng)中的有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)方案
  在單個(gè)家庭中的網(wǎng)絡(luò)連接可以選用無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò),而如果要對(duì)整個(gè)一棟大樓、一個(gè)小區(qū)進(jìn)行統(tǒng)一化的管理,無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)就不那么明顯了,而且對(duì)于整個(gè)小區(qū)的網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō),它所承載的數(shù)據(jù)流量就很大了,對(duì)于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)這種低通信速率網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)是不合適的。
  以太網(wǎng)是當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。它連接方便,可屏蔽干擾,通信速率可達(dá)10/100/1000Mbps以上,而且成本低廉。目前大部分的小區(qū)都要寬帶網(wǎng),因此集中網(wǎng)絡(luò)管理采用比較流行的而且易于實(shí)現(xiàn)的以太網(wǎng)連接具有良好的性?xún)r(jià)比。
  在本課題中,家庭網(wǎng)絡(luò)部分采用無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)來(lái)監(jiān)控,無(wú)線(xiàn)采集協(xié)調(diào)器再將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理模塊,最后經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)據(jù)將通過(guò)以太網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上。

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