一種智能家居網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)畢業(yè)設(shè)計(jì).doc

一種智能家居網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 摘要隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,家庭家居要求的檔次也越來越高，而在我們生活必用的家居中則充滿了人性化和智能化。其中在現(xiàn)實(shí)生活中物聯(lián)網(wǎng)的智能電子產(chǎn)品和技術(shù)在智能家居的電子產(chǎn)品當(dāng)中得到了廣泛認(rèn)知和應(yīng)用。通訊技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)之間的相互應(yīng)用，則給人們的家居生活帶來一種全新感受。智能家居實(shí)現(xiàn)了對(duì)家庭設(shè)備間之間的互通互聯(lián)以及全方位的監(jiān)控和控制。 智能家居網(wǎng)關(guān)作為智能家居內(nèi)外連接通信的核心，是進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、多媒體通信等的載體，是實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)與 internet相連的關(guān)鍵設(shè)備。本文在分析了現(xiàn)有的家庭網(wǎng)關(guān)方案和家庭短距離通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了利用arm微處理器(s3c2410)和一種基于zigbee技術(shù)構(gòu)建嵌入式智能家居網(wǎng)關(guān)的方案。這種方案是根據(jù)zigbee技術(shù)在低速率、耗能小等無線通信方面的優(yōu)勢(shì)，利用chipcon公司的射頻芯片cc2430，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。通過對(duì)智能家居系統(tǒng)的技術(shù)要求分析，采用zigbee技術(shù)來實(shí)現(xiàn)智能家居是一個(gè)比較理想的解決方案。 在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，根據(jù)用戶擺放的電器位置的不同來分布，設(shè)計(jì)一個(gè)比較理想的家居網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制器對(duì)zigbee通信模塊進(jìn)行相應(yīng)配置并無線接收zigbee終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。 關(guān)鍵詞： zigbee；嵌入式；s3c2410；智能家居；網(wǎng)關(guān)； abstract abstractwith the rapid development of social economy, the family home furnishing requirements are increasingly high grades,but the home furnishing where we live is full of humanization and intelligent.in the real life of iot intelligent electronic products and technologies in the electronic products of intelligent home furnishing has been widely recognition and application.the use of each other between communication technology and computer network, to the peoples home furnishing life brings a new feel.smart home realized the interconnection between family between the equipment and a full range of monitoring and control.as the core of smart home gateway connecting communication smart home inside and outside, is the carrier of remote control,multimedia communication, is the key equipment for realizing smart home system connected with internet.based on the analysis of the scheme of existing home gateway and home for short distance communication technology, proposes the use of arm microprocessor (s3c2410) and an embedded smart home gateway technology scheme based on zigbee.this scheme is based on the zigbee technology in the low rate, low consumption of wireless communication advantages,using the chipcon rf chip cc2430, the realization of remote network monitoring and data collection. through the smart home system requirements analysis, to realize the smart home is a relatively ideal solution by using zigbee technology.in practical application, according to the user display appliance in different position to distribution, design a more ideal smart home gateway system,realize the controller to carry out the corresponding configuration and wireless receiving terminal zigbee node to the zigbee communication module data.keywords: zigbee; embedded system; s3c2410; smart home; gateway; 目錄第一章 緒論61.1 課題研究背景及意義61.2智能家居的簡(jiǎn)介61.3國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)61.3.1國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀61.3.2國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀71.4智能家居網(wǎng)關(guān)發(fā)展趨勢(shì)81.5本論文的主要工作和章節(jié)安排9第2章 嵌入式及zigbee技術(shù)92.1嵌入式系統(tǒng)概述102.1.1嵌入式系統(tǒng)定義102.1.2物聯(lián)網(wǎng)嵌入式系統(tǒng)102.1.3嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)102.2幾種短距離無線通訊技術(shù)概況112.2.1 zigbee技術(shù)12第3章 本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案173.1本系統(tǒng)解決方案173.2 整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖設(shè)計(jì)方案17第4章 智能家居系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)214.1系統(tǒng)硬件框圖簡(jiǎn)介21v4.2器件選型和單元電路設(shè)計(jì)214.2.1嵌入式微處理器211.微處理器的選擇212.s3c2410的簡(jiǎn)介214.2.2電源模塊224.2.3 nand flash存儲(chǔ)系統(tǒng)234.2.4 sdram設(shè)計(jì)244.2.5串口電路254.2.6晶振及復(fù)位電路254.2.7 cc2430協(xié)調(diào)器26第5章 智能家居系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試285.1本課題的軟件框架設(shè)計(jì)285.2 zigbee節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)295.2.1軟件開發(fā)環(huán)境295.2.2 zigbee軟件設(shè)計(jì)295.2.3主要程序代碼32第6章 實(shí)驗(yàn)結(jié)論與展望34致謝35參考文獻(xiàn)36vi 第一章 緒論1.1 課題研究背景及意義當(dāng)人類發(fā)明蒸汽機(jī)的時(shí)候，則預(yù)示著人類進(jìn)入了新工業(yè)時(shí)代，而網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)無疑將信息化深深地刻印在人類文明豐富多彩的畫卷上。隨著電子信息技術(shù)，控制技術(shù)的日益提高，社會(huì)信息化進(jìn)程正在步步加快。人們?cè)诠ぷ?、生活、學(xué)習(xí)和交流的方面日益密切，在改變?nèi)藗兊纳盍?xí)慣的同時(shí)，它也對(duì)我們的傳統(tǒng)住宅帶來新的挑戰(zhàn)?？纯粗車苋菀椎陌l(fā)現(xiàn)，我們對(duì)家居的理解不再僅僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的物理空間，更為關(guān)注的是一個(gè)安全，舒適，美觀和方便的生活環(huán)境?，F(xiàn)在人們?nèi)找媾蛎浀男枨笫沟眉揖又悄芑殉蔀橐环N新趨勢(shì)。近年來，隨著我國(guó)房地產(chǎn)的火爆局面，給國(guó)內(nèi)的一些智能化帶來了發(fā)展的機(jī)遇。眾所周知，中國(guó)人口基數(shù)大，城市住房建設(shè)相對(duì)多的選擇在更密集的住宅區(qū)，許多房地產(chǎn)開發(fā)商基于小區(qū)智能化的角度，也出現(xiàn)了目前一統(tǒng)天下，無所不包的“智能化住宅”模式?！爸悄芑≌笔且粋€(gè)系統(tǒng)的功能，這個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)功能可都以單獨(dú)的使用。許多子系統(tǒng)的功能還需要有足夠的協(xié)調(diào)能力。這些住戶在能夠使用的智能系統(tǒng)僅僅是一小部分。而致力于家庭智能化系統(tǒng)的開發(fā)的，這就是所謂的智能家居。1.2智能家居的簡(jiǎn)介智能家居與普通家居比起來的話更好，智能家居不但擁有了傳統(tǒng)家居的居住功能，而且還是個(gè)具備舒適安全、品味高和氣氛溫馨的家庭生活空間。原來的結(jié)構(gòu)是比較古板，而現(xiàn)在是變成可以移動(dòng)智能的工具，擁有各方面的信息交換的功能，保證能在外面可以和家庭信息進(jìn)行流暢的交流，提高家庭生活的方式，幫助人們能夠更好的、合理的安排時(shí)間，提高生活的舒適性，也可以為各種能源減少不必要的費(fèi)用。智能家居還能夠自動(dòng)管理和控制家電設(shè)備，對(duì)家庭環(huán)境的安全進(jìn)行監(jiān)控報(bào)警，并且能夠?yàn)樽籼峁└咝П憷踩孢m的學(xué)習(xí)生活及工作的環(huán)境。家居智能化系統(tǒng)將家庭中各種與信息相關(guān)的通信設(shè)備、家用電器以及家庭保安裝置通過有線或無線的方式連接起來，并進(jìn)行集中或者異地的管理、監(jiān)控，保持家庭住宅環(huán)境的協(xié)調(diào)、舒適。1.3國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)1.3.1國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 自從世界上第一智能大廈1984在美國(guó)出現(xiàn)，發(fā)達(dá)的美國(guó)，加拿大，歐洲，澳大利亞和南洋經(jīng)濟(jì)的國(guó)家已經(jīng)提出了多種智能家居方案。智能家居的廣泛應(yīng)用于美國(guó)，德國(guó)，新加坡，日本和其他國(guó)家。智能家居系統(tǒng)包括三個(gè)復(fù)制功能，新加坡模型的安全報(bào)警，視頻對(duì)講功能，監(jiān)控中心的功能，家電控制功能，有線電視接入，家庭信息留言功能，智能家居控制面板，智能布線箱，寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入和系統(tǒng)軟件配置等。幾年前，一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的國(guó)家，提出了“智能住宅”的概念，住宅智能化是領(lǐng)先的智能家居，智能家居是智能住宅的核心。以什么樣的標(biāo)準(zhǔn)可以被稱為智能家庭？智能家居和智能大廈的概念和定義為還沒有達(dá)成共識(shí)。電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的第一個(gè)適用于家庭住宅的1988美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)，即“家庭自動(dòng)化系統(tǒng)和通信標(biāo)準(zhǔn)”也被稱為家庭總線系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)（hbs）；中國(guó)也已開始從1997年初制定的“小康住宅電氣設(shè)計(jì)（標(biāo)準(zhǔn)）指南（草案）中的“指南“在小康住宅電氣設(shè)計(jì)規(guī)定應(yīng)滿足下列要求：一個(gè)高水平的安全、舒適的環(huán)境，便利的交通，綜合信息服務(wù)，家庭智能化系統(tǒng)。目前市場(chǎng)上出現(xiàn)更多的智能家居控制系統(tǒng)主要包括：（1） x-10（美國(guó)），該系統(tǒng)是電力線作為網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的使用，集中控制方式的實(shí)現(xiàn)。這套系統(tǒng)的功能更加強(qiáng)大，和其他家居控制系統(tǒng)如abb，c_bus上升更容易接受，使用也比較簡(jiǎn)單。因?yàn)閷?shí)現(xiàn)同樣的功能，x-10家居控制系統(tǒng)是220v電源線x-10信號(hào)傳輸使用傳輸從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)智能化控制，使系統(tǒng)不需要額外的布線，這一優(yōu)勢(shì)也是大多數(shù)這樣的系統(tǒng)，因?yàn)槠渌到y(tǒng)基本需要低線布在墻上或地面，開槽，鉆井，施工難度大，成本高，建設(shè)周期長(zhǎng)。但由于國(guó)內(nèi)缺乏市場(chǎng)條件和價(jià)格昂貴，該系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用的罕見。（2）eib系統(tǒng)（德國(guó)），系統(tǒng)采用了嵌入式總線和中央控制的方式實(shí)現(xiàn)控制功能。但由于其復(fù)雜的工程的實(shí)際要求，且價(jià)格較高，所以一直無法打開國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。（3）8x（新加坡），該系統(tǒng)采用預(yù)處理總線與集中控制方式的實(shí)現(xiàn)。本實(shí)用新型具有使用產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)的擴(kuò)展，該系統(tǒng)是更成熟，更適合中國(guó)國(guó)情的。但是，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的靈活性，以及產(chǎn)品的價(jià)格是很難滿足要求，因此目前在中國(guó)已較少應(yīng)用。1.3.2國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 智能家居在中國(guó)與國(guó)外相比起步較晚，尚未形成一定的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。但是我國(guó)住宅智能化正在由智能大廈走向智能住宅小區(qū)，以后會(huì)慢慢地走進(jìn)各個(gè)家庭。我國(guó)將住宅小區(qū)智能化定義為：利用4c（即計(jì)算機(jī)、通訊與網(wǎng)絡(luò)、自控、ic卡）技術(shù)，通過有效的傳輸網(wǎng)絡(luò)，將多元信息服務(wù)與管理、物業(yè)管理與安防、住宅智能化系統(tǒng)集成，為住宅小區(qū)的服務(wù)與管理提供高技術(shù)的智能化手段，以期實(shí)現(xiàn)快捷高效的超值服務(wù)與管理，提供安全舒適的家居環(huán)境14?，F(xiàn)代社會(huì)的家庭正在慢慢地走智能化的道路，這種家庭智能化能給用戶帶來很多的方便，它可以讓你在外出的時(shí)候很好的控制家庭內(nèi)部的設(shè)備，它已經(jīng)作為一種理想的目標(biāo)被廣大群眾所追求。國(guó)家也在多個(gè)工程項(xiàng)目實(shí)施方案中將它列入國(guó)家的重點(diǎn)發(fā)展方向。因此國(guó)家還成立了家庭信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)委員會(huì)，信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系已經(jīng)作為國(guó)家重點(diǎn)專業(yè)項(xiàng)目來培養(yǎng)。據(jù)悉，國(guó)家將投資15億來大力的鼓勵(lì)該項(xiàng)目的實(shí)施。北京預(yù)計(jì)有30000戶用戶將率先實(shí)施該項(xiàng)目。到2010年，我過已經(jīng)有70%的家庭都擁有了internet設(shè)備。此外，更有50%以上的用戶擁有多臺(tái)設(shè)備。國(guó)家建筑部提出了要求：到2010年，各大小城市要60%的住宅都能實(shí)現(xiàn)家庭智能化。由于智能家居系統(tǒng)能夠給人們帶來方便，高效的生活方式，智能家居系統(tǒng)已經(jīng)和網(wǎng)絡(luò)一樣成為以后生活必不可少的部分。但是由于很多開發(fā)商和媒體的大肆宣傳，消費(fèi)者們對(duì)智能化家居存在認(rèn)識(shí)上的誤區(qū)。據(jù)調(diào)查，在美國(guó)，有38%的家庭希望擁有家庭網(wǎng)絡(luò)。但是很少有人需要帶有電子郵件功能的冰箱，熱水器等。所以，用戶應(yīng)該根據(jù)自己的實(shí)際需求來選擇，而不是盲目的追求。 產(chǎn)品開發(fā)的功能模塊，基于國(guó)外智能家居標(biāo)準(zhǔn)的日益成熟，我們國(guó)家在軟硬件，開發(fā)機(jī)制等方面也漸漸地向設(shè)備智能家居化發(fā)展。此外，為了解決當(dāng)前智能產(chǎn)品實(shí)用性差，使用復(fù)雜昂貴的缺陷，我國(guó)的技術(shù)創(chuàng)新也逐漸向國(guó)際先進(jìn)水平靠攏，讓我們真正的享受舒服溫馨的的家庭生活，這是值得期待的未來。1.4智能家居網(wǎng)關(guān)發(fā)展趨勢(shì)智能家居網(wǎng)關(guān)是智能家居的終端部件作為智能家居內(nèi)外連接通信的“大腦”，它主要是負(fù)責(zé)公網(wǎng)和家庭內(nèi)部之間的交互，能很好的實(shí)現(xiàn)外部網(wǎng)絡(luò)和家庭內(nèi)部網(wǎng)信息的互相交換。智能家居系統(tǒng)是為適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)家庭風(fēng)格而慢慢轉(zhuǎn)變成一種多變化，多形式化的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。同時(shí)智能家居網(wǎng)關(guān)還和其他的四個(gè)部位相互連接，交互信息，能把他們的信息統(tǒng)一起來進(jìn)行管理。而且智能家居得網(wǎng)關(guān)還可以很好的接入到外部的網(wǎng)絡(luò)，使使用它的人即使出門在外的同時(shí)能對(duì)家庭內(nèi)部各個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行方便、安全的管理?，F(xiàn)在有許多廠家為了在市場(chǎng)上搶得先機(jī)，都推出了自己的家庭網(wǎng)關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。下面是比較主要的幾種：（1）首先介紹的是開放式服務(wù)網(wǎng)關(guān)組織，它誕生于1999年，好多國(guó)內(nèi)的知名供應(yīng)商都在里面。目的就是建立一個(gè)開放式的服務(wù)規(guī)范，向家庭設(shè)備提供所需要的業(yè)務(wù)，從而制定了家庭外部網(wǎng)絡(luò)對(duì)家庭設(shè)備所需的服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。（2）互聯(lián)網(wǎng)家庭聯(lián)盟；誕生于21世紀(jì)初期，主要的成員包括現(xiàn)在知名的松下，惠普微軟等公司。這個(gè)聯(lián)盟主要是來解決一些家電怎么連接到家庭網(wǎng)絡(luò)中的問題。（3）echonet協(xié)會(huì)；該協(xié)會(huì)誕生于1997年，它是一個(gè)國(guó)際組織。主要的目的是制定一套完整的家庭網(wǎng)絡(luò)體系，并把他們應(yīng)用到家庭醫(yī)療保健等服務(wù)上。同時(shí)還有好多的國(guó)家都相繼提出了不同的智能家居方案，例如，包括早期的新加坡模型的智能家居系統(tǒng)：安全報(bào)警，三表抄送，監(jiān)測(cè)，控制，家居智能布線箱，寬帶上網(wǎng)等。具有智能家居目前更優(yōu)越的切削復(fù)雜的配置系統(tǒng)。例如，在網(wǎng)上買東西，遠(yuǎn)程報(bào)警，緊急情況和其他新功能是基于現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，人們?cè)絹碓礁叩囊蠖O(shè)計(jì)的發(fā)展。1.5本論文的主要工作和章節(jié)安排本課題提出了一種基于zigbee技術(shù)和gprs無線通信的智能家居技術(shù)結(jié)合起來的技術(shù)，建立了一個(gè)無線智能家居系統(tǒng)，把現(xiàn)代通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合在一起，不僅避免了一些在現(xiàn)場(chǎng)布線所帶來的不必要的問題，還能及時(shí)，準(zhǔn)確，全面地反映電設(shè)備的用戶使用，這樣也彌補(bǔ)了那些比較傳統(tǒng)接線方式的缺點(diǎn)。由于基于gprs技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸終端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，用戶可以使用標(biāo)準(zhǔn)的tcp / ip通信模式并利用互聯(lián)網(wǎng)格局和用戶計(jì)算機(jī)和手機(jī)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，不必在乎的是如何傳輸數(shù)據(jù)的。所以，有很多類似的有線通信系統(tǒng)都可以用本課題所研究的模式所替代，而且系統(tǒng)還可以應(yīng)用到更廣的范圍內(nèi)。所以本論文結(jié)構(gòu)安排如下:第1章:緒論。主要講解本課題所研究背景和意義，闡述本課題的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、研究的目的和意義以及本文所要去完成的主要工作。第2章：zigbee技術(shù)介紹。通過和其他短距離通信方式對(duì)比詳細(xì)的介紹了zigbee技術(shù)的特點(diǎn)以及zigbee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)和原理，簡(jiǎn)單介紹了zigbee應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢(shì)所在。第3章: 智能家居總體設(shè)計(jì)方案。本章主要制作了智能家居的總體設(shè)計(jì)流程圖，并簡(jiǎn)要介紹了該系統(tǒng)各部分主要功能和作用。第4章: 智能家居系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。主要完成了智能家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)立，設(shè)計(jì)智能家居的無線傳輸模塊，選擇數(shù)據(jù)在采集端端無線收發(fā)芯片及其外圍所需電路的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)zigbee節(jié)點(diǎn)、zigbee終端采集節(jié)點(diǎn)和其相應(yīng)的接口電路的硬件電路的詳細(xì)設(shè)計(jì)和介紹。第5章: 智能家居的軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試。建立智能家居arm的網(wǎng)關(guān)平臺(tái)，完成了數(shù)據(jù)采集端的軟件設(shè)計(jì)(包括zigbee協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì))，對(duì)相應(yīng)的程序進(jìn)行調(diào)試。第6章：實(shí)驗(yàn)結(jié)論與展望：通過這次實(shí)驗(yàn)的出理想的結(jié)論，從而總結(jié)出本課題研究的成果及不足，以及對(duì)以后研究的展望和憧憬。 第2章 嵌入式及zigbee技術(shù)2.1嵌入式系統(tǒng)概述2.1.1嵌入式系統(tǒng)定義 嵌入式系統(tǒng)是為一種特定的應(yīng)用而專門設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，又稱之為“嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”。嵌入式系統(tǒng)很難給它下一個(gè)準(zhǔn)確的定義，根據(jù)英國(guó)電氣工程師協(xié)會(huì)的定義，嵌入式系統(tǒng)通常執(zhí)行的是帶有特殊要求的事先定義好的任務(wù)，而國(guó)內(nèi)認(rèn)同的嵌入式系統(tǒng)是與應(yīng)用緊密結(jié)合的，它具有很強(qiáng)的專業(yè)性，必須結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)特定需求進(jìn)行合理的裁剪利用。嵌入式系統(tǒng)存在生活中的各個(gè)地方，如交通管理、工業(yè)控制、家電信息、家庭智能管理系統(tǒng)、電子商務(wù)、環(huán)境工程與自然等。2.1.2物聯(lián)網(wǎng)嵌入式系統(tǒng) 隨著醫(yī)療電子、智能家居、物流管理和電力控制等方面的不斷風(fēng)靡，嵌入式系統(tǒng)利用自身積累的底蘊(yùn)經(jīng)驗(yàn)，重視和把握這個(gè)機(jī)會(huì)，想辦法在已經(jīng)成熟的平臺(tái)和產(chǎn)品基礎(chǔ)上與應(yīng)用傳感單元的結(jié)合，擴(kuò)展物聯(lián)和感知的支持能力，發(fā)掘某種領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。作為物聯(lián)網(wǎng)重要技術(shù)組成的嵌入式系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)的視角有助于深刻地、全面地理解物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)。物聯(lián)網(wǎng)不僅僅提供了傳感器的連接，其本身也具有智能處理的能力，能夠?qū)ξ矬w實(shí)施智能控制，這就是我們嵌入式系統(tǒng)所能做到的。誠(chéng)然，物聯(lián)網(wǎng)將傳感器和智能處理相結(jié)合，利用云計(jì)算、模式識(shí)別等各種智能技術(shù)，擴(kuò)充其應(yīng)用領(lǐng)域。從傳感器獲得的海量信息中分析、加工和處理出有意義的數(shù)據(jù)15，以適應(yīng)不同用戶的不同需求，發(fā)現(xiàn)新的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用模式。2.1.3嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn) 嵌入式系統(tǒng)在開發(fā)和設(shè)計(jì)方面都得根據(jù)具體的應(yīng)用任務(wù)的，雖然說不同的應(yīng)用所對(duì)應(yīng)的嵌入式系統(tǒng)差距很大，但它的基本要素都是一樣的，由于現(xiàn)在的人們對(duì)產(chǎn)品成本、功耗、可靠性等要求逐漸提高，嵌入式系統(tǒng)慢慢的通過計(jì)算機(jī)走進(jìn)了人們的視線，被人熟知。從定義中我們總結(jié)了幾個(gè)嵌入式系統(tǒng)的重要特征：（1）內(nèi)核比較小。目前的嵌入式系統(tǒng)的核心通常是一個(gè)只有幾k或幾十k的內(nèi)核，所以它一般用在小型的電子設(shè)備中，資源也相對(duì)的比較有限。它和windows的內(nèi)核簡(jiǎn)直沒有可比性。（2）專用性強(qiáng)。嵌入式系統(tǒng)的個(gè)性化較強(qiáng)，它通常針對(duì)一項(xiàng)特殊的任務(wù)。嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，所以它必須與具體的應(yīng)用結(jié)合在一起才能發(fā)揮它的最大優(yōu)勢(shì)。（3）系統(tǒng)簡(jiǎn)單。嵌入式系統(tǒng)一般在軟件方面沒有什么明顯的區(qū)分，不需要對(duì)它的設(shè)計(jì)太過于復(fù)雜，從而還減少了成本。（4）高實(shí)時(shí)性。嵌入式軟件基本上都是固態(tài)存儲(chǔ)，來提高速度；同時(shí)也要求有高可靠性和高質(zhì)量的軟件代碼。（5）嵌入式系統(tǒng)是與應(yīng)用結(jié)合在一起的，更新?lián)Q代也是同時(shí)進(jìn)行的。所以嵌入式系統(tǒng)還是有比較長(zhǎng)的生命周期的。（6）嵌入式系統(tǒng)由于自身限制沒有開發(fā)能力，用戶在它被設(shè)計(jì)完成后也不能對(duì)程序進(jìn)行修改，所以嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要開發(fā)工具和環(huán)境。2.2幾種短距離無線通訊技術(shù)概況短距離無線通信系統(tǒng)的工作范圍一般從幾厘米到幾百米，大多數(shù)都工作在高頻段，無線發(fā)射功率一般比較小。迄今為止，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的短距離無線通信技術(shù)主要有以下幾種： 藍(lán)牙技術(shù)（bluetooth technology）：藍(lán)牙技術(shù)在1994年問世，在被大家所關(guān)注一些近距離的無線連接的技術(shù)中，它則是一個(gè)語音通信與無線數(shù)據(jù)開放性的全球典范，并且它以其低成本短距離的無線連接為基礎(chǔ)，可以為固定或者移動(dòng)終端的設(shè)備帶來一些廉價(jià)接入的服務(wù)。在1998年的時(shí)候，該藍(lán)牙技術(shù)的協(xié)議則由多家的公司最后達(dá)成共識(shí)。它傳輸頻段則為全球公眾的通用2.4g赫茲 ism頻段，它傳輸?shù)乃俾蕿?mpbs，傳輸?shù)木嚯x則為10米。 本藍(lán)牙協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)版本則是802.15.1，則由藍(lán)牙小組 (sig)負(fù)責(zé)進(jìn)行開發(fā) 。最初的標(biāo)準(zhǔn)是藍(lán)牙 1.1，而后來已經(jīng)構(gòu)建到現(xiàn)在很多的藍(lán)牙技術(shù)設(shè)備中7。 wi-fi技術(shù)（wireless fidelity）：它是通過1999版ieee802.11協(xié)議的修改并加以補(bǔ)充。也被稱作為ieee802.11b。和藍(lán)牙技術(shù)一樣，它也工作在2.4ghz頻段，不同的是，它的數(shù)據(jù)傳輸率最大可以達(dá)到54mbit/s。但在數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩苑矫?，它比bluetooth技術(shù)稍微差一些。不過它的電波覆蓋范圍達(dá)到了100m左右，相對(duì)于藍(lán)牙技術(shù)略勝一籌。wi-fi技術(shù)最主要的優(yōu)勢(shì)在于它不需要現(xiàn)場(chǎng)布線，可以不受到布線條件所帶來的缺點(diǎn)。所以它非常滿足那些移動(dòng)辦公的用戶，此外由于它的發(fā)射信號(hào)功率低于100mw，比手機(jī)發(fā)射功率還低，所以選擇wi-fi上網(wǎng)相對(duì)也是最安全最健康的。 紅外技術(shù)（irda技術(shù)）：irda在1993年成立。irda技術(shù)是一種利用波長(zhǎng)在0.75um到25um之間的近紅外線進(jìn)行無線通信的技術(shù)。目前有sir、fir、ufir等幾個(gè)協(xié)議版本，它的通信距離是從5cm1m之間。不過irda技術(shù)對(duì)于方向性的要求很高，它的核心部件（紅外線led）的使用壽命也是十分有限的。超寬帶（uwb）技術(shù)：它是一種不用載波，而采用時(shí)間間隔極端的脈沖進(jìn)行通信的技術(shù)，也稱作脈沖無線電、時(shí)域或無載波通信。uwb使用的中心頻率為4.1ghz，帶寬為1.4ghz，頻譜范圍有點(diǎn)寬但是發(fā)射功率低。通信速度在250kbit到10mbit之間。超寬帶技術(shù)最初是用來雷達(dá)開發(fā)的，認(rèn)為它屬于一種無載波通信技術(shù)。和藍(lán)牙相比，它的抗干擾能力強(qiáng)，傳輸速率高，最高可達(dá)到藍(lán)牙的100倍。帶寬極寬，uwb使用的寬帶在1ghz以上，它可以和通信系統(tǒng)同時(shí)工作而互不干擾。消耗電能小，uwb不使用載波，只需要發(fā)出瞬間脈沖電波，并且在需要的時(shí)候才發(fā)送，所以消耗點(diǎn)能小。zigbee技術(shù)：是一種新型的技術(shù)，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)低能耗，低成本短距離的雙喜雙向通信。它的標(biāo)準(zhǔn)是由ieee802.15委員會(huì)負(fù)責(zé)制定的，因而被稱作ieee802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它有3種可供選擇的頻段，即2.4ghz、868mhz（歐洲）及915mhz（美國(guó)），傳輸速率在10kbps到250kbps，有效的覆蓋范圍為10m75m。每個(gè)zigbee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)量最多可以達(dá)到65536個(gè)。zigbee和其他幾種短距離無線通信技術(shù)的比較如下圖2-1所示： 表2-1 zigbee和其他幾種短距離無線通信技術(shù)的比較 2.2.1 zigbee技術(shù)2.2.1.1 zigbee的特點(diǎn)（1）低功耗。在低耗電待機(jī)模式狀態(tài)下，2節(jié)5號(hào)的干電池就可以支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作長(zhǎng)達(dá)24個(gè)月，甚至更長(zhǎng)時(shí)間。這是zigbee相比較藍(lán)牙和wifi的優(yōu)勢(shì)所在。（2）低成本。通過大幅度的簡(jiǎn)化協(xié)議，具體點(diǎn)就是不到bluetooth的1/10，極大降低了其對(duì)通信控制器的要求，按照預(yù)測(cè)值來分析，用8051的8位微控制器進(jìn)行計(jì)算，它的全功能主節(jié)點(diǎn)需要32kb代碼，而其子功能節(jié)點(diǎn)少至4kb代碼，而且zigbee免去協(xié)議專利費(fèi)。它的每一塊芯片價(jià)格在2美元左右。（3）低速率。zigbee一般工作在20250kbps速率，分別提供250kbps、40kbps和20kbps的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足其低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用要求。（4）短距離。其傳輸范圍一般在10100m間，在增加了發(fā)射功率之后，也可以增加到13km。如果其能通過路由器和節(jié)點(diǎn)間通信接力，傳輸距離將可以達(dá)到更遠(yuǎn)。（5）短時(shí)延。zigbee響應(yīng)的速度比較快，一般的從睡眠轉(zhuǎn)入到工作狀態(tài)只需要短短的15ms，節(jié)點(diǎn)連接網(wǎng)絡(luò)需要30ms，進(jìn)一步的節(jié)省了其電能。相比較而言，藍(lán)牙則需要310s，wifi則需要3s。（6）比較高的容量。zigbee可以采用3種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)控制著若干個(gè)子節(jié)點(diǎn)，最多的一個(gè)主節(jié)點(diǎn)甚至可以控制多達(dá)254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；與此同時(shí)，主節(jié)點(diǎn)還可以由上一層的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可形成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大型網(wǎng)絡(luò)。（7）免執(zhí)照頻段。其使用工業(yè)科學(xué)醫(yī)療頻段，915mhz（美國(guó)），2.4ghz（全球），868mhz（歐洲）。2.2.1.2zigbee協(xié)議結(jié)構(gòu)zigbee/ieee802.15.4標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)是在osi七層模型的最下面兩層：物理層phy和介質(zhì)訪問控制子層mac，zigbee聯(lián)盟在它的基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層nwk和應(yīng)用層apl這兩層。其結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。 圖2.1為osi七層模型zigbee標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)2.2.1.3zigbee協(xié)議的詳解 zigbee的堆棧是建立在ieee802.15.4標(biāo)準(zhǔn)上的。zigbee設(shè)備包括了ieee802.15.4的物理層（phy）和控制層（mac），以及zigbee堆棧層：apl、nwk和安全服務(wù)提供層。應(yīng)用層還包括了應(yīng)用支持子層，應(yīng)用框架，zigbee的設(shè)備對(duì)象以及用戶定義的眾多應(yīng)用對(duì)象，圖2.2給出了這些組件之間的關(guān)系。 圖2.2 zigbee堆?？蚣?.zigbee網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層需要和ieee802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的功能要相互兼容，要保證zigbee的介質(zhì)訪問控制層能平穩(wěn)正常的工作，而且還要為上面的應(yīng)用層提供合格的接口。 下面是網(wǎng)絡(luò)層主要功能：（1）產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)包：網(wǎng)絡(luò)層會(huì)接受來自應(yīng)用子層的數(shù)據(jù)包，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)層就對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，然后再加上適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)層包頭向mac傳輸；（2）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞穆酚晒δ埽壕W(wǎng)絡(luò)層會(huì)提供路由數(shù)據(jù)包的功能，如果包的目的節(jié)點(diǎn)就是本節(jié)點(diǎn)，則將該數(shù)據(jù)包發(fā)送到應(yīng)用子層。反之，則將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給路由表下一節(jié)點(diǎn)16；（3）配置新的器件參數(shù)：網(wǎng)絡(luò)層可以給網(wǎng)絡(luò)配置合適的協(xié)議；（4）建立有效的pan網(wǎng)絡(luò)；（5）接入或脫離pan網(wǎng)絡(luò)：網(wǎng)絡(luò)層可以提供接入或脫離網(wǎng)絡(luò)的功能，如果此節(jié)點(diǎn)是協(xié)調(diào)器或者路由器的話，還能夠要求它的子節(jié)點(diǎn)從網(wǎng)絡(luò)中脫離；分配網(wǎng)絡(luò)地址：若本節(jié)點(diǎn)是協(xié)調(diào)器或者路由器的話，則接入該節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址就由網(wǎng)絡(luò)層控制；（6）發(fā)現(xiàn)相鄰節(jié)點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)層可以發(fā)現(xiàn)和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)鄰居信息；（7）建立路由線路：網(wǎng)絡(luò)層能夠提供路由功能；（8）控制接收：網(wǎng)絡(luò)層可以控制著接收器的接收時(shí)間。2.zigbee應(yīng)用層 zigbee的應(yīng)用層主要包括安全屬性設(shè)置和多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的匯聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)、業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)等功能。應(yīng)用層由應(yīng)用支持子層(aps)、zigbee設(shè)備對(duì)象（zod）及廠商定義的應(yīng)用對(duì)象。同時(shí)在本系統(tǒng)中附加了一層應(yīng)用層協(xié)議完成數(shù)據(jù)的通訊和控制的業(yè)務(wù)。3.zigbee物理層ieee802.15.4擁有兩個(gè)相對(duì)的物理層（phy）：2.4ghz 物理層和868/915mhz物理層，兩個(gè)物理層存在著區(qū)別，他們的通頻不同。 2.4ghz的物理層運(yùn)作在2.4ghz工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)（ism）頻帶上，它在世界各個(gè)地方都可以得到，但是次頻帶在信號(hào)上會(huì)互相干擾，不能共存。868/915mhz物理層能運(yùn)作在不同的頻帶上，在歐洲能運(yùn)行在868mhz頻帶上，在美國(guó)能運(yùn)行在915mhz頻帶上，但和2.4ghz物理層不同的是，該物理層不會(huì)受到其他標(biāo)準(zhǔn)的干擾，并且在運(yùn)行的消耗上也比較低的。phy層還主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的調(diào)制與解調(diào)、發(fā)送和接收，向下直接操作物理傳輸介質(zhì)，向上為mac層提供服務(wù)。4.zigbee控制層ieee802.15.4還提供介質(zhì)接入控制層（mac）：它可以解決在局域網(wǎng)中如果一個(gè)信道被多個(gè)使用產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，如何分配好信道的使用權(quán)問題。mac幀結(jié)構(gòu)的子層通過兩個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)為高層提供兩種服務(wù)：分別是mac的數(shù)據(jù)服務(wù)通過通用接口子層接入和mac管理服務(wù)通過管理實(shí)體接入。同時(shí)還合理定義了同一區(qū)域同時(shí)工作的多個(gè)802.15.4無線電信號(hào)，還可以共享空中通道。它還支持幾種結(jié)構(gòu)，包括星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，mac層還負(fù)責(zé)為一個(gè)節(jié)點(diǎn)提供舒暢的通信線路，為了避免他和直接鄰居發(fā)生沖突，這樣可以提高通信的效率。5.zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) zigbee它支持多種不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，典型的結(jié)構(gòu)有：星型，樹狀型，網(wǎng)狀型。如圖2-1所示。星型網(wǎng)絡(luò)是由一個(gè)協(xié)調(diào)器周圍連接多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)而組合成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過終端點(diǎn)的所有信息都通過協(xié)調(diào)器來轉(zhuǎn)發(fā)。像這樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)器的性能要求非常的重要，正是因?yàn)樗械耐ㄐ判畔⒍嫉猛ㄟ^協(xié)調(diào)器來轉(zhuǎn)發(fā)，所以系統(tǒng)的延時(shí)是不可避免的，而且當(dāng)單個(gè)的節(jié)點(diǎn)在遭到破壞時(shí)就會(huì)讓整個(gè)網(wǎng)絡(luò)不能正常運(yùn)行，甚至?xí)兂砂c瘓的狀態(tài)。樹狀型和網(wǎng)狀型在等對(duì)等的網(wǎng)絡(luò)中，也存在一個(gè)pan協(xié)調(diào)器，但是它起到的作用主要是發(fā)起網(wǎng)絡(luò)個(gè)組網(wǎng)，還有就是和星型不同的是，它也不需要轉(zhuǎn)發(fā)它的所有信息。在這點(diǎn)上還是比星型簡(jiǎn)便的。 圖2-1 zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D 第3章 本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案3.1本系統(tǒng)解決方案智能家居是以其住宅為載體的，它把許多有關(guān)的設(shè)備集合在一起，包括：音視頻的技術(shù)、安全防范的技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信的技術(shù)、自動(dòng)控制的技術(shù)、綜合布線的技術(shù)，構(gòu)建了比較豐富的住宅設(shè)施和家庭內(nèi)部管理系統(tǒng)，從而進(jìn)一步地提高了家居的安全性、藝術(shù)性和便利性，更重要的是智能家居還能給用戶帶來一個(gè)即環(huán)保又節(jié)能的舒適環(huán)境。根據(jù)智能家居的最新定義，再參考zigbee一些獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)，從而設(shè)計(jì)出了該系統(tǒng)。該系統(tǒng)在一些智能家居所必要的系統(tǒng)(家庭安全防護(hù)系統(tǒng)、家居照明燈控制系統(tǒng)和智能家居中央控制管理系統(tǒng))的基礎(chǔ)上，再加入家庭環(huán)境的控制系統(tǒng)、背景音樂控制系統(tǒng)、家庭網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與家居布線控制系統(tǒng)。所謂的智能家居系統(tǒng)，是指只有完整地安裝了所有家居必備的系統(tǒng)，并且至少選裝了一種及以上的可選系統(tǒng)的家居系統(tǒng)才能稱為智能家居。要想建立一個(gè)合理的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，需要一個(gè)合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來作為基礎(chǔ)。一個(gè)合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要的是速度、成本、特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)功能。本文的智能家居設(shè)計(jì)情況如下：1、傳感器用電池供電，而家庭網(wǎng)關(guān)是用電源供電，這樣的話就可以節(jié)約相應(yīng)傳感器節(jié)點(diǎn)所帶來的不必要的電量損耗。從而延長(zhǎng)了電池的使用時(shí)間。2、傳感器和節(jié)點(diǎn)是智能家居中的主要接入點(diǎn)。但是在網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)使用量不是很大，大大的簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而來保證數(shù)據(jù)能流暢的進(jìn)行通信。3、而控制網(wǎng)絡(luò)中，它所涉及的范圍不是很大，設(shè)計(jì)的時(shí)候在室內(nèi)達(dá)到30多米的距離都可以滿足需要。所以在智能家居中還是采取了星狀拓?fù)浼軜?gòu)最適宜，因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)成本又低，而且比較容易去實(shí)現(xiàn)，還不涉及相關(guān)路由尋址等功能。 3.2 整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖設(shè)計(jì)方案 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是由家庭內(nèi)部控制設(shè)備和遠(yuǎn)程控制設(shè)備組成。其中家庭內(nèi)部控制設(shè)備主要有能訪問internet的計(jì)算機(jī)、家庭網(wǎng)關(guān)監(jiān)控中心和家用電器控制器及管理系統(tǒng)。遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)組成了遠(yuǎn)程控制設(shè)備。具體的系統(tǒng)組成如圖3-1所示。圖3-1 整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖現(xiàn)在具體分步驟介紹整個(gè)系統(tǒng)：1.外部網(wǎng)絡(luò)基于以下因素考慮，本文把計(jì)算機(jī)作為智能家居的系統(tǒng)的主要外部網(wǎng)絡(luò):（1）現(xiàn)在基本上家家戶戶都能使用到計(jì)算機(jī)，這給了智能家居系統(tǒng)提供了良好的基礎(chǔ);（2）計(jì)算機(jī)能進(jìn)行數(shù)據(jù)信息與控制信息，這方面則具備了更好的優(yōu)勢(shì);（3）用計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)組成外部的網(wǎng)絡(luò)，聯(lián)網(wǎng)pc機(jī)和智能手機(jī)作為遠(yuǎn)程的終端工 具。2.家庭網(wǎng)關(guān)該課題設(shè)計(jì)的家庭網(wǎng)關(guān)則是由家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和本地pc機(jī)的控制中心兩部分所組成的，二者之間的連接是通過串口通信來實(shí)現(xiàn)的。網(wǎng)絡(luò)的接口卡將本地的pc機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)相互連接，從而連接到了遠(yuǎn)程的終端。本課題采用的是無線龍公司的cslrf-3-pk開發(fā)系統(tǒng)，它是硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)出的基于zigbee無線技術(shù)家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，由于無線龍公司的cslrf-3-pk硬件資源是有限的，所以無法提供不了互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)接口，進(jìn)而不能訪問互聯(lián)網(wǎng)。因此，為了避免此類事件發(fā)生，本設(shè)計(jì)中的網(wǎng)關(guān)采用的是本地pc機(jī)與控制的中心共同構(gòu)成的。這個(gè)設(shè)計(jì)中使得本地的pc機(jī)可以隨意地訪問互聯(lián)網(wǎng)上的任意資源，從而很好的解決了家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)無法訪問互聯(lián)網(wǎng)的問題。3.家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以前的智能家居的系統(tǒng)一直存在著布線這一問題，所以本設(shè)計(jì)采用的是zigbee無線技術(shù)，它組建了家庭網(wǎng)絡(luò)，從而解決了傳統(tǒng)布線的問題。該zigbee無線家庭網(wǎng)絡(luò)主要3個(gè)設(shè)備是：路由節(jié)點(diǎn)、系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)、控制中心?，F(xiàn)在逐個(gè)分析他們的主要功能和作用。（1）控制中心主要是負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建，如果路由節(jié)點(diǎn)或者終端節(jié)點(diǎn)發(fā)來入網(wǎng)申請(qǐng)，控制中心就會(huì)響應(yīng)他們發(fā)來的申請(qǐng)；（2）路由節(jié)點(diǎn)主要增加了家庭網(wǎng)絡(luò)在家庭內(nèi)部覆蓋的范圍，終端節(jié)點(diǎn)或者控制中心的數(shù)據(jù)都是通過路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的；同時(shí)還采集環(huán)境所帶來的參數(shù)數(shù)據(jù)并循環(huán)性的將數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊彝ゾW(wǎng)關(guān)的終端節(jié)點(diǎn)來監(jiān)視各個(gè)設(shè)備的電壓并且執(zhí)行家庭網(wǎng)關(guān)發(fā)來的控制命令等。現(xiàn)在假設(shè)家庭內(nèi)有五個(gè)房間，分別是臥室1，臥室2，客房，廚房和衛(wèi)生間，并且在每個(gè)房間內(nèi)都裝有zigbee終端節(jié)點(diǎn)來模擬家庭里的設(shè)備：終端節(jié)點(diǎn)可以先通過路由節(jié)點(diǎn)過度，然后再通過控制中心通信，也可以直接和控制中心進(jìn)行通信。家庭網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)像個(gè)樹簇一樣，所以，我們就采用樹簇型來作為家庭網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。zigbee家庭的網(wǎng)絡(luò)連接子系統(tǒng)如圖3-2所示: 圖3-2 zigbee的家庭網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)示意圖4.監(jiān)控子系統(tǒng)一些用戶可以在遠(yuǎn)程的pc機(jī)上監(jiān)控家庭網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)里面的各個(gè)設(shè)備，但是除了上面所說的條件外還不夠，還要借助于對(duì)應(yīng)的軟件來實(shí)現(xiàn)，即為監(jiān)控子系統(tǒng)。所謂的監(jiān)控子系統(tǒng)則是運(yùn)行在本地pc機(jī)上本地所監(jiān)控的程序與運(yùn)行在遠(yuǎn)程的pc機(jī)上遠(yuǎn)程所監(jiān)控的程序兩個(gè)所構(gòu)成的。不僅本地的監(jiān)控程序通過本地pc機(jī)的串口模塊進(jìn)行接收和處理來自控制中心所發(fā)送數(shù)據(jù)，然后利用了計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給了遠(yuǎn)程的監(jiān)控程序;而且本地所監(jiān)控的程序利用計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接收和處理遠(yuǎn)程監(jiān)控的程序發(fā)送數(shù)據(jù)，最后其利用串口模塊再發(fā)送給控制中心。 第4章 智能家居系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)硬件框圖簡(jiǎn)介本章主要的目的是介紹一下系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)原理，系統(tǒng)主要用到arm的微處理器（s3c2410），下面給出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理圖與一些電路圖。智能家居網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)采用了高性能，低功耗的嵌入式處理器s3c2410，同時(shí)還運(yùn)用了linux操作系統(tǒng)。首先需要在此操作系統(tǒng)中建立一個(gè)嵌入式的web服務(wù)器，一種用戶能用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器實(shí)行遠(yuǎn)程的訪問服務(wù)器。而s3c2410本來就是一個(gè)帶有mmu（存儲(chǔ)管理單元）的微型處理器，標(biāo)準(zhǔn)linux的操作系統(tǒng)能在上面實(shí)施，從而減少了好多其軟件的開發(fā)時(shí)間。家庭的局域網(wǎng)內(nèi)部設(shè)計(jì)采用的是zigbee技術(shù)，所以硬件的部分工作自然而然地設(shè)計(jì)的是無線收發(fā)信息，而且采用的則是先進(jìn)的cc2430為芯片的無線的單片機(jī)。接下來簡(jiǎn)單地介紹一下硬件系統(tǒng)器件選擇、系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和硬件各個(gè)接口電路設(shè)計(jì)等。圖4-1 系統(tǒng)硬件原理圖4.2器件選型和單元電路設(shè)計(jì)4.2.1嵌入式微處理器1.微處理器的選擇arm系列的微處理器在速度、集成性能、功耗等方面都要有優(yōu)勢(shì)。由于帶有嵌入式操作系統(tǒng)，所以那些較復(fù)雜的應(yīng)用程序很容易被實(shí)現(xiàn)。在綜合了成本、功耗、性能等多方面的優(yōu)勢(shì)，我們最終選擇了韓國(guó)三星（samsung）公司推出的32位微處理器s3c2410。2.s3c2410的簡(jiǎn)介 s3c2410處理器是三星（samsung）公司的基于一款arm920t處理器內(nèi)核的嵌入式微處理器，它是一種32位微控制器。該處理器帶有獨(dú)立的指令cache和數(shù)據(jù)cache，mmu，還支持tft的lcd控制器，nand閃存控制器，3路uart，4路dma，4路帶pwm的timer ，i/o口，rtc，8路10位adc，touch screen接口，iic-bus 接口，iis-bus 接口，2個(gè)usb主機(jī)，1個(gè)usb設(shè)備，sd主機(jī)和mmc接口，2路spi。主要功能及其特點(diǎn)：（1）s3c2410為芯片則集成大量功能的單元。它內(nèi)部的電壓1.8v，存儲(chǔ)器的電壓則為3.3v，外部電壓i/o為3.3v，16kb的數(shù)據(jù)cache，16kb的指令cache，mmu（存儲(chǔ)管理單元）。它還有內(nèi)置外部存儲(chǔ)器，典型的有芯片的選擇邏輯和sdram的控制。支持tft的lcd控制器。 4種帶外部的請(qǐng)求線dma。 3種通用異步的串行端口，2個(gè)通道的spi 一個(gè)多主i2c總線，一個(gè)i2s總線的控制器。 sd的主接口的版本與多媒體卡的協(xié)議的版本兼容。 2種usb的接口。 117個(gè)通用i/o。 56個(gè)中斷源。 24個(gè)外部中斷。8通道10位adc。 時(shí)鐘帶有日歷功能。 內(nèi)置pll的芯片。 設(shè)計(jì)用于通用的嵌入式的系統(tǒng)與手持的設(shè)備。 16/32位risc的體系結(jié)構(gòu)，而使用了arm920t的cpu內(nèi)核的強(qiáng)大的指令集。帶有mmu先進(jìn)體系的結(jié)構(gòu)支持了linux、epoc 32和win ce。（2）系統(tǒng)管理。它在小端和大端都得到支持,還有充分的地址空間：它的每一種bank為128mb（全部為1gb），每一種bank都可以編程為8位、16位、32位的數(shù)據(jù)總線。從 bank0到bank6則是系統(tǒng)固定的起始地址。 最后一個(gè)bank7則可以編程為bank的起始地址與大小。加在一起共8種存儲(chǔ)器的bank。 前6種存儲(chǔ)器的bank可用于sram、rom。 兩種存儲(chǔ)器的bank可用在sdram、sram與rom（同步的隨機(jī)的存儲(chǔ)器）。它還支持等待信號(hào)，從而可以擴(kuò)展總線的周期。當(dāng)sdram出現(xiàn)掉電時(shí)支持自動(dòng)刷新。 也支持了不同類型的rom用在啟動(dòng)。4.2.2電源模塊s3c2410在運(yùn)作時(shí)所需要的電壓為1.8v，i/o端口和外部設(shè)備需要的電壓則為3.3v 。vddi/vddiarm引腳是供應(yīng)s3c2410內(nèi)核；vddalive引腳是功能復(fù)位和端口狀態(tài)寄存器電壓。m12引腳rtcvdd是rtc模塊的1.8v電壓，用電池供電保證系統(tǒng)的掉電后保持實(shí)時(shí)時(shí)鐘。vddop引腳是i/o端口3.3v電壓；vddmop引腳是存儲(chǔ)器i/o端口電壓；還有一系列vss引腳需要接到電源地上。3.3v電壓從5v用ams1117-3.3轉(zhuǎn)換得到如圖4-2所示；1.8v從3.3v通過mic5207-1.8轉(zhuǎn)換得到如圖4-3所示。 圖4-2 5v轉(zhuǎn)3.3v 圖4-3 3.3v轉(zhuǎn)1.8v4.2.3 nand flash存儲(chǔ)系統(tǒng)該flash的存儲(chǔ)器則是一個(gè)可以在掉電之后而其信息不丟失的一種存儲(chǔ)器，而它具有大容量、速度快、低功耗、可以整片或者分扇區(qū)在其系統(tǒng)的編程等特點(diǎn)。目前為止已經(jīng)慢慢取代了它的半導(dǎo)體的存儲(chǔ)元件，成為了嵌入式的系統(tǒng)之中主要的程序與數(shù)據(jù)的載體。嵌入式的系統(tǒng)之中則往往用的flash則主要是nand與nor兩種的類型。nor的特點(diǎn)就是可以在芯片的內(nèi)部執(zhí)行程序，而不需要把它的一些代碼讀到了系統(tǒng)的ram之中。此外nor傳輸效率還是比較高的，它的容量在14mb的時(shí)候就具有了比較高成本效益，相對(duì)于較低寫入與擦除的速度則可能影響其的性能表現(xiàn)，所以說選擇nor的性價(jià)比還是很高的。nand的結(jié)構(gòu)就能提供了比較高密度單元，而且擦除與寫入得速度明顯比較nor快。nor的器件在擦除的時(shí)候則是以6428kb速度進(jìn)行的，實(shí)現(xiàn)一次擦除/寫入操作時(shí)間是15s；則nand的器件在擦除的時(shí)候則是按照832kb速度進(jìn)行的，實(shí)現(xiàn)一次擦除/寫入的時(shí)間最多只不過4ms。k9f1208和s3c2410硬件連接圖如圖4-2所示。k9f1208的cle和ale端分別則連接到s3c2410的cle和ale端；8位i/o與s3c2410的低其8位數(shù)據(jù)的總線（data0到data7）進(jìn)行相連；/ce、/re與/we則分別與其s3c2410的nfce、nfre和nfwe相對(duì)應(yīng)，r/b與rnb相連接。 圖4-2 s3c2410與flash的連接電路 4.2.4 sdram設(shè)計(jì)在嵌入式的操作系統(tǒng)啟動(dòng)之后，sdram能把它的操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)的內(nèi)核、一些數(shù)據(jù)與用戶堆棧等都存到它的內(nèi)存中。而本設(shè)計(jì)中sdram則選用的是k4s561632c-tc75為芯片。 k4s561632c-tc75為芯片存儲(chǔ)容量則為16m*16位，數(shù)據(jù)的寬度則為16位，最為常見的封裝為54腳tsop，工作電壓為3.3伏，頻率則為133兆赫茲，支持了自動(dòng)刷新與自刷新。下面來介紹一下其連接圖的具體配置，把兩片sdram作為一個(gè)整體連接到bank6位置，即將s3c2410的ngcs6接到了兩個(gè)k4s561632c-tc75/cs上，因此起始的地址則為：0x03000000。sdram的低位和高位的clk端則分別對(duì)應(yīng)連接到了s3c2410的sclk2和sclk1端；另外的ba0和ba1接s3c2410地址的總線addr24和addr25；其芯片的a0腳并沒有接在處理器的addr0地址線上，這是因?yàn)樵谔幚砥鞯拇鎯?chǔ)空間中，字節(jié)是表示存儲(chǔ)容量的唯一單位，而當(dāng)sdram為32位的時(shí)候，它的每一個(gè)存儲(chǔ)單元都包含4字節(jié)。sdram的ba腳用于選中內(nèi)部存儲(chǔ)器的塊區(qū)，其實(shí)就是sdram地址的最高位，因此該引腳要接到s3c2410的a25-a24上。 4.2.5串口電路本系統(tǒng)使用了s3c2410的3種串行接口，本文的家庭網(wǎng)關(guān)