基于ARM7+ZIGBEE的智能家居系統(tǒng).doc

基于ARM7+ZIGBEE的智能家居系統(tǒng)引言“智能家居”（sMartHome），又稱智能住宅。通俗地說，它利用先進的計算機、嵌入式系統(tǒng)和網絡通訊技術，將家中的各種設備（如照明系統(tǒng)、環(huán)境控制、安防系統(tǒng)、網絡家電）通過家庭網絡連接到一起。一方面，智能家居將讓用戶有更方便的手段來管理家庭設備，比如，通過無線遙控器、電話、互聯網或者語音識別控制家用設備，還可以執(zhí)行場景操作，使多個設備形成聯動；另一方面，智能家居內的各種設備相互間可以通訊，不需要用戶指揮也能根據不同的狀態(tài)互動運行，從而給用戶帶來最大程度的高效、便利、舒適與安全。與普通家居相比，智能家居不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，提供舒適安全、高品位且宜人的家庭生活空間；還由原來的被動靜止結構轉變?yōu)榫哂兄腔刍拥墓ぞ?，提供全方位的信息交互功能，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，幫助人們有效安排時間，增強家居生活的舒適感和安全性，甚至可以節(jié)約能源節(jié)省資金。ZigBee技術的出現，為開發(fā)低功耗、高可靠性、低成本的家庭智能化無線網絡集成系統(tǒng)提供技術支持。目錄引言1.系統(tǒng)介紹32.系統(tǒng)硬件設計32.1ARM7主控板結構圖32.2家居內智能化實現途徑42.2.1智能家居環(huán)境氣候系統(tǒng)42.2.2智能化照明系統(tǒng)42.2.3無線火災報警系統(tǒng)52.3傳感器的選擇和電路設計52.3.1溫濕度傳感器52.3.2光照傳感器52.3.3無線煙霧探測器63.傳輸通信63.1ZigBee無線傳輸63.1.1ZigBee協(xié)議棧63.1.2ZigBee無線傳輸模塊73.1.3硬件電路設計83.2CDMA模塊83.2.1規(guī)格介紹83.2.2CDMA功能描述93.2.3CDMA硬件電路設計91.系統(tǒng)介紹系統(tǒng)結構框圖如下：ARM7主控板在整個系統(tǒng)中作為網絡的協(xié)調者，傳感器為它的子節(jié)點，傳感器采集室內環(huán)境信息，然后無線傳輸到主控板，經過分析后進行控制處理，主控中心如果發(fā)現異常，會發(fā)出警報，并通過CDMA模塊發(fā)送短信通知主人。另外主人可以通過手機了解家中環(huán)境信息，并加以控制。2.系統(tǒng)硬件設計2.1ARM7主控板結構圖ARM7主控板主人手機傳感器CDMAZIGBEE規(guī)格介紹：處理器：STR710F-Z2T6，內含（256+16）KBFlash、64KBSRAM；EMI外擴：256K16SRAMIA61LV25616AL；2M16FlashSST39VF1602；1個RS232異步串行接口（UART0，可直對連做RS232通信實驗）；2個TTL異步串行接口（UART1，用于接ZigBee。UART2，用于接CDMA）；按鍵；20腳JTAG調試接口（高速程序下載、調試，并支持Flash燒寫）；電源接口具體硬件電路設計圖見原理圖和PCB圖。2.2家居內智能化實現途徑2.2.1智能家居環(huán)境氣候系統(tǒng)家居系統(tǒng)的氣候環(huán)境功能包括對室內的溫度、濕度、和空氣的潔凈度的控制等內容。隨著現代家庭生活水平的不斷提高，為了給居住者營造更加舒適的居住、生活環(huán)境，很有必要采用智能化的家居技術，進行自動控制，以提高居室內環(huán)境的舒適度。智能化氣候控制系統(tǒng)由環(huán)境智能節(jié)點及其外圍傳感器和執(zhí)行器組成。2.2.2智能化照明系統(tǒng)CPUSTR710FZ2T6內含（256+16）KBFlash、64KBSRAM2M*16FlashSST39VF1601256K*16SRAMIS61LV5128-10TKEYJTAG高速程序下載調試UART0RS232接口UART1ZigBee模塊接口UART2CDMA模塊接口照明對每個家庭的作用都是不言而喻的。不管哪個家庭，離開了照明，就好像回到了幾百年前的古代，給我們的生活帶來非常多的不便。隨著科技的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對家庭的照明系統(tǒng)提出了新的要求，它不僅要控制照明光源的發(fā)光時間、亮度，而且與家居子系統(tǒng)來配合，不同的應用場合做出相應的燈光場景，而且還要考慮到管理智能化和操作簡單化以及靈活性來適應未來照明布局和控制方式變更等要求。一個優(yōu)秀的智能照明系統(tǒng)可以提升家庭環(huán)境的品質，確保家庭生活的舒適和健康。因此，很有必要采用智能化的家居技術來實現。智能化照明系統(tǒng)由照明智能節(jié)點及其外圍傳感器和執(zhí)行器組成。2.2.3無線火災報警系統(tǒng)為了保證居民的生命財產安全，常常在家居中安裝火災報警系統(tǒng)。目前，雖然已經有多種火災自動報警系統(tǒng)，但大多還屬于脫機方式，最終要靠人來聯系消防部門，往往由于不能及時報警而造成重大損失。如果能夠以在線的方式直接工作，將很大程度上減輕財產損失和人員傷亡。因此，很有必要采用無線火災報警技術來實現。無線火災報警系統(tǒng)由智能節(jié)點及其外圍傳感器和執(zhí)行起組成。2.3傳感器的選擇和設計傳感器系統(tǒng)是智能家居的反饋的終端，包括溫濕度傳感器、光照傳感器、煙霧傳感器等等。在本系統(tǒng)中，每個傳感器與無線節(jié)點相連，傳感器的數據由ZigBee無線節(jié)點發(fā)送給主控制系統(tǒng)。2.3.1溫濕度傳感器溫度、濕度的測量采用瑞士Sensirion公司研制的SHT11型智能化濕度/溫度傳感器,它采用CMOSens專利技術(CMOS和傳感器技術的融合),外形尺寸僅為7.5mm5mm2.5mm。SHT11具有I2C總線接口,接口電路簡單,并具有數字式輸出、免調試、免標定、一致性好的特點。SHT11內部主要包括相對濕度傳感器、溫度傳感器、放大器、A/D轉換器、校準存儲器(E2PROM)、隨機存取存儲器(RAM)、狀態(tài)寄存器、循環(huán)冗余校驗碼(CRC)寄存器、二線串行接口、控制單元、加熱器及低電壓檢測電路；可給出全校準相對濕度及溫度值輸出；具有露點值計算輸出功能；濕度值輸出分辨率為14位,溫度值輸出分辨率為12位,并可編程為12位和8位；具有數據傳輸校驗功能。此傳感器具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點。其接口電路如圖2所示2.3.2光照傳感器該系統(tǒng)選用了TI公司的TSL230B來測量環(huán)境周圍的光線強度。該器件采用先進的LinCMOS工藝,主要由多晶硅光電二極管和單片CMOS電流頻率集成轉換器構成。不需外接元件即可完成高分辨率的光照度/頻率轉換。可將一定光譜的光轉換成電流,再由電流/頻率轉換器轉換成相應的脈沖頻率。輸出方波或者三角波的頻率完全由光照幅度決定,分辨率高,可以直接與微處理器相連,如圖3所示。S0、S1為靈敏度控制端,實際上是通過改變器件上方的感光面積來調整靈敏度；S2、S3為滿量程選擇端；OUT為頻率信號輸出端,進入單片機的捕獲輸入,通過計算兩次捕獲時間內計數器的數值差,便可以計算出輸出頻率值。圖3TSL230B的連接電路2.3.3無線煙霧探測器系統(tǒng)采用JA-60S型無線煙霧探測器。該探測器能探測到各種物體燃燒時的煙霧，并能通過其內置警笛發(fā)聲報警以提醒附近人員，同時進一步通過無線方式向警報主機或其它信號接收器發(fā)送該警報信號，以使其發(fā)出相應的報警動作。通常，該探測器進行周期性自我檢測，并定期匯報其自身的工作情況，使得整個無線火災報警系統(tǒng)處于全面循檢狀態(tài)。3.傳輸通信3.1ZigBee無線傳輸ZigBee是一種高可靠的無線數據傳輸網絡，采取了IEEE802。15。4強有力的無線物理層所規(guī)定的全部，同時增加了邏輯網絡、網絡安全和應用層。ZigBee新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線網絡技術，應用于智能家居系統(tǒng)，能有效發(fā)揮它低成本、低功耗和豐富而便捷的優(yōu)點。在本套系統(tǒng)中，低速率室內無線連接傳輸部分使用ZigBee技術，ZigBee技術可靠保密性充分滿足智能家居的安全與人性化。由于家庭構建的特點，以基于ARM7(STR710ZF)中央控制為核心，各反饋采集子系統(tǒng)返回信息，子系統(tǒng)的互聯互通要求不高，采用ZigBee一點對多點的樹狀結構。3.1.1ZigBee協(xié)議棧完整的ZigBee協(xié)議棧由物理層、介質訪問控制層、網絡層、安全層和應用組成。如圖4所示，ZigBee協(xié)議棧的網絡層、安全層和應用程序接口等由ZigBee聯盟制定。其中安全層（Security）主要實現密鑰管理、存取等功能。應用程序接口負責向用戶提供簡單的應用軟件接口（API），包括應用子層支持（ApplicationSub-layerSupport，APS）、ZigBee設備對象（ZigBeeDeviceObject，ZDO）等，實現應用層對設備的管理。圖4ZigBee協(xié)議棧3.1.2ZigBee無線傳輸模塊該系統(tǒng)采用成都無線龍開發(fā)的CC2430模塊，通過串口連接到主控板。它也可外擴傳感器，利于開發(fā)。CC2430芯片延用了以往2420芯片的架構，在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器。它使用1個8位MCU（8051），具有128KB可編程閃存和8KB的RAM，還包含模擬數字轉換器(ADC)、幾個定時器（Timer）、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時器（Watchdogtimer）、32kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路(PowerOnReset)、掉電檢測電路(Brownoutdetection)，以及21個可編程I/O引腳。CC2430芯片采用0.18mCMOS工藝生產；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。CC2430芯片的主要特點如下：高性能和低功耗的8051微控制器核。集成符合IEEE802.15.4標準的2.4GHz的RF無線電收發(fā)機。優(yōu)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性。在休眠模式時僅0.9A的流耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統(tǒng)；在待機模式時少于0.6A的流耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)。硬件支持CSMA/CA功能。較寬的電壓范圍（2.03.6V）。數字化的RSSI/LQI支持和強大的DMA功能。具有電池監(jiān)測和溫度感測功能。集成了14位模數轉換的ADC。集成AES安全協(xié)處理器。帶有2個強大的支持幾組協(xié)議的USART，以及1個符合IEEE802.15.4規(guī)范MAC計時器，1個常規(guī)的16位計時器和2個8位計時器。強大和靈活的開發(fā)工具。3.1.3硬件電路設計Zigbee模塊主要用于傳感器與ARM主控板之間通訊，所以系統(tǒng)通過串口在主控板連接一個Zigbee模塊，使得主控板作為協(xié)調器，而傳感器部分則接到Zigbee模塊上為主控板的子節(jié)點。傳感器部分所設計的電路如下圖所示圖5系統(tǒng)硬件電路圖3.2CDMA模塊3.2.1規(guī)格介紹選用Wavecom公司的CDMAQ2358，它具有的功能包括：通話或緊急呼叫、升級最高速率和半速率、雙音多頻功能（DTMF）、A5/1&A5/5加密算法。電器參數：（1）無線數據比特率144kbps（2）工作電流接收模式最大150mA